一种大范围的管塔安全实时检测系统的实现方法与流程

本发明涉及一种大范围的管塔安全实时检测系统的解决方案，特别涉及该方案软件架构中多层次数据存储技术。

背景技术：

管塔结构是移动信号发射器的重要支撑物。随着中国移动信号覆盖面积的不断增长，长距离电力输送线的不断延伸，管塔结构的保有量不断增加，管塔结构的运行管理问题日益突出。同时随着时间的推移，管塔构件镀锌层脱落及锈蚀，影响管塔的耐久性，也导致管塔的材料的力学性能退化和承载能力的降低，严重影响了管塔运行的安全性。另外自然环境的变化也对管塔的安全造成了严重的威胁。当今由于管塔倒塌造成巨大财产损失和人员伤亡也时有存在。因此，对管塔结构安全性进行检测评定是保证管塔长期使用必要的技术。

管塔大多建设在郊区和农村等人烟稀少的偏远地区，数量众多分布范围广泛，这给管塔的日常维护和管理增加了难度。且管塔结构异变是细微，缓慢的，不易被巡逻人员发现。因此设计一种大范围的管塔安全实时检测系统对保护塔体，预防倒塌有着很重要的作用。

大部分移动基站架设传输光缆线路，且配有预留光缆接口供使用，因此管塔现场监控中心到区域监控中心的监控光缆线路可直接使用现有资源，这大大降低了系统的成本和开发周期。

当今管塔检测手段一般是维修人员定期到管塔现场采集数据(混凝土强度，角刚构件强度厚度、构件尺寸、基础沉降，整体倾斜及结构形式等)进行计算机分析整合，从而得出管塔结构安全状况。这种检测手段方法可靠，有科学依据，但对目前来讲，管塔数量日渐增多，如果对每个存在的信号塔以这种方式进行检测将会耗费大量的人力物力，成本会非常高。事实上，管塔结构的异变，地基的下沉等情况都会反应在管塔部分构件表面钢结构的形变上，管塔各部分钢结构的耐久度也会随着所处环境(温度，湿度，风力等)的变化而改变。因此本发明公布的以应变光纤传感器测量管塔部分构件表面钢结构的形变程度，以温度光纤传感器测量管塔所处的环境，采用三级拓扑结构大范围的实时监控管塔的结构状况，这为进一步对存在问题的管塔进行更详细的检测和维修提供了依据，大大缩小了维修人员的工作量。

检测数据的合理利用，也是一直困扰管塔健康检测系统的难点之一，在线数据的存储、处理受系统硬件和软件条件的制约，不可能对实现对监测数据进行深度挖掘和实现复杂的结构计算，离线数据分析 处理与在线数据分析处理相结合，兼顾检测系统的实时性，这将较好地解决了检测数据合理利用的问题。

技术实现要素：

本发明提供了一种大范围的管塔安全实时检测系统，目的是能解决在较大的地理范围内实时检测更多的管塔结构状况，以及合理利用、存储检测数据的问题，即保证对检测数据的实时性检测，又能对检测数据进行深度挖掘，这将大幅度降低对管塔的维修成本，提高管塔的生命周期。

本发明采用以下技术方案：

总的系统架构采用三层拓扑结构，管塔现场监控单元与区域监控中心单元用光缆连接，快速的光信号确保区域监控中心能够实时检测管塔的环境参数和结构状态，避免了采用GPRS网络传输数据所带来的延时性和流量费用。集中监控中心通过访问指定IP的区域监控页面来来读取大量的离线数据，对离线数据做深入的挖掘和复杂的结构运算。

利用管塔的数学模型，测试管塔结构的应力分布和风负荷作用下的结构弯曲程度，将应力光纤传感器用焊接或专用胶粘接在重点受力刚体结构的表面，和管塔最大弯曲处，根据实际情况设定预警值，从而实时监控管塔的摇摆程度和稳固性。将温度光纤传感器放置在对温度敏感的重要元器件上或重点监控外界温度的刚构件上，根据实际情况确定上下限，达到实时监控管塔周围温度环境的目的。

区域监控中心单元作为系统架构的中间环节，按其与集中监控中心和管塔现场监控中心的联系，将其功能分为以下几个模块：底层通信及格式化模块，多层次数据存储模块，界面显示模块和web后台服务器模块。

1)底层通信及格式化模块：负责读取用户在界面上设置的配置文件，调用静态库里的接口函数，向光纤光栅解调仪发送控制命令，并读取传送回来的数据，并将数据格式化后发送给多层次数据存储模块。

2)多层次数据存储模块：负责将数据分为三路，第一路将数据直接存储到采样结点所对应的共享内存块中；第二路将数据存储到缓冲区中，并定时冲洗到以b+树为索引机制的文件中；第三路将数据存储到传统数据库中作为离线数据供集中区域中心页面远程调用分析。

3)界面显示模块：提供基本的控制界面和数据多样化显示界面，显示界面提供实时数据显示，选定时间区间-温度/应力曲线显示，采样点应力和温度分布情况示意图，报警信息。控制界面将用户设置的部分参数写入到配置文件中供采集模块读取，配置文件中参数信息包 括：每个光通道挂载传感器的结点数；每个结点的界面ID(传感器类型+逻辑地址),管塔编号，地理空间位置，报警上下限及类型，遵循上述命名规则的传感器结点界面ID可直接提取出它的逻辑地址用作程序内部标识使用；以及光纤光栅解调仪工作方式的配置参数。配置文件，按照一条一条记录进行读写，启动或重新配置时，采集进程进行一次读操作。

4)web后台服务器模块:提供不同权限的用户认证机制，在集中监控中心登入成功的用户根据权限赋予相应的操作，用户组根据光纤传感器结点的逻辑地址读取基本信息：管塔编号，地理空间位置，该结点报警的上下限，类型，以及工作状态。也可自由读取某个时间区间的温度/应力值。管理组可通过重新设置每个传感器结点报警的上下限，并回传更新区域监控中心里的数据，同时可以对这些大量的离线数据做深度分析后，向区域中心上传指导性资料文件。

本发明提出的大范围管塔安全实时检测系统具有以下有益效益：

1)大部分移动基站架设传输光缆线路，且配有预留光缆接口供使用，因此三级拓扑结构之间连接设施基本上已经存在，投资成本小。

2)采用以ARM+Liunx为开发平台的嵌入式系统构建区域监控单元，具有结构紧凑，开发成本相对较低，可扩展性高等特点。

3)多层次的数据存储机制保证了离线数据分析处理与在线数据分析处理相结合，即保证对检测数据的实时性检测，又能对检测数据进行深度挖掘，这将较好地解决了检测数据合理利用的问题。

附图说明

图1是本发明大范围的管塔安全实时检测系统的总体架构图。

图2是管塔安全实时检测系统的三级拓扑结构图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，大范围的管塔安全实时检测系统的总体架构由管塔现场监控单元，区域监控中心单元，集中监控中心单元三大部分组成。

管塔现场监控单元：利用计算软件3D3S钢结构-空间结构设计软件塔架结构模块搭建管塔的数学模型，验算管塔结构上的应力分布情 况，以及在风荷载作用下管塔各部分结构的弯曲程度，将应力光纤传感器用焊接或专用胶粘接在重点受力刚体结构的表面，和管塔最大弯曲处，根据实际情况设定预警值，从而实时监控管塔的摇摆程度和稳固性。将温度光纤传感器放置在对温度敏感的重要元器件上或重点监控外界温度的刚构件上，根据实际情况确定上下限，达到实时监控管塔周围温度环境的目的。光电传输系统为光纤传感器结点提供电能和传送光信号。管塔现场监控单元与区域监控中心单元用基站预留光缆相互连接。

区域监控中心单元：采用ARM+Linux为核心的嵌入式系统作为区域监控中心的开发平台，硬件架构主要由ARM开发板，可扩展外部存储设备，触摸屏，键盘，报警装置，光纤光栅解调仪组成。在ARM+Linux开发平台下运行光纤光栅数据分析处理前台应用程序和web后台服务。在可扩展外部存储设备上，存放保存下来的数据库文件，断电不易失。在触摸屏上显示控制界面和多样化数据显示界面。当采集的数据超出预警设置范围时，驱动报警装置通知管理员，报警装置可以是多样的，例如使用GSM模块进行短信或电话报警，或者驱动蜂鸣器、警示灯等。

ARM开发板一般都具有丰富的接口资源，因此可通过串口/网口与光纤光栅解调仪进行通信。一般来说，光纤光栅解调仪的一个光通道能挂载几十个光纤光栅传感器结点，因此根据实际情况，每个管塔 各自分配若干个光通道。区域监控中心单元与集中监控中心以web网页相互进行通信。

集中监控中心单元：使用浏览器通过固定ip访问相应区域监控单元web页面，用户验证通过的人员，读取大量离线数据，做大数据分析，并回馈给区域中心指导性意见。

三级拓扑结构网络如图2所示，一定区域内的每个管塔通过光缆连接到该区域监控中心，每个管塔占据固定的光纤光栅解调仪光通道，因此只要通过指定进行解调的光通道序号就能确定其监控的管塔编号。每个区域监控中心都搭建有web后台服务器，集中监控中心通过指定该区域监控中心的静态ip，即可访问它的监控web页面，实现集中监控的功能。

区域监控软件架构主要由4个模块组成：底层通信及数据格式化处理模块，多层次数据存储模块，显示界面模块，web后台服务器模块。

数据流分析如下：首先在监控界面上设置参数，并写入到配置文件中，配置文件以一条条记录段进行读写：每个光通道挂载传感器的结点数；每个结点的界面ID,管塔编号，地理空间位置，报警上下限及类型；以及光纤光栅解调仪工作方式的配置参数。配置文件写入完毕后，界面显示进程发送一个信号通知采集进程进行重新读取配置文件。

采集进程根据配置文件中的信息调用底层通信接口函数，向光纤光栅解调仪发送命令，并将读取出来的数据流进行格式化处理后，分三路进行存储，第一路将数据直接存储到采样结点所对应的共享内存块中；第二路将数据存储到缓冲区中，并定时冲洗到以b+树为索引机制的文件中；第三路将数据以及部分配置信息存储到SQLite数据库文件里供远程页面链接时读取分析。当监控界面需要显示当前某个传感器结点的实时数据时，就从映射到界面显示进程中的共享内存区相应位置读取数据，因为共享内存是最快的IPC机制，所以界面显示进程能快速的读取数据，并显示出来。

当监控界面要显示选定时间段的时间-应力/温度曲线图时，就用b+树索引机制，从数据文件中读取需要的大量的数据，并作图显示出来。因为b+树索引机制有一个非常好的特性，支持区间的连续读取，因此一个区间段的数据只要进行一次索引，定位到启始位置，就可连续读出接下来的数据，直到结束时间。最后通过这些数据生成报表，并做趋势分析。

Web后台服务器响应外部的http请求，发送php网页，调用php脚本链接到SQLite数据库文件，读取大量的离线数据供web客户端查看分析，当web客户端重新设置某个传感器结点的报警上下限时，可通过调用php脚本去执行外部程序，向界面显示进程发送消息，显示进程接受该消息后，更新界面上的数值，并更新配置文件，发送信号通知采集进程重新读取配置文件。

如上所述，这样就能使数据流能正确有序的在各个模块里组织流动，在线数据分析与离线数据分析相结合，解决了检测数据合理运用的难题。

进程间共享内存区结构设计如下，将共享内存区划分为若干个块，块数由总的结点数决定，每个共享内存块存储着该结点最新的M个采样数据，并在该内存块的首地址空间内维护着一个偏移量index，该偏移量+该共享内存块首地址就指向了下个要更新的数据地址，从而形成了一个先进先出的队列结构，保持这几个数据是该结点最新的M个采样数据。每个共享内存块的首地址＝共享内存区首地址+*sizeof(共享内存块内部的结构体),(x,y)是对应光纤光栅传感器结点的逻辑地址，n(i)是光纤光栅传感器第i通道的结点数。这些数据都可由配置文件读取出来。因此采集进程按照这个规则将规格化的数据存储到共享内存区里，则界面显示进程，就能按照这个规则从映射的共享内存区中取出要显示结点的这M个数据，并采用互斥量解决数据的读写的一致性问题。最后将这M个最新数据进行软件滤波后最终显示在界面上。当配置文件中每个光通道挂载的结点数发生改变的时候，采集进程就会相应的扩大或缩小现有的共享内存区大小，数据的存储和读取仍然按照上述的规则进行。

B+树索引文件和数据文件组织结构设计如下，空闲链表指针存储着是索引文件中第一条空索引记录相对索引文件启始的偏移量，当一条索引记录内部的关键字为0时，就将该索引记录插入到空闲链表的表头处；当需要建立一个新的结点时，就从空闲链表头取得该空索引记录，如果空闲链表为空，则在文件末尾再扩展一个索引记录空间供 使用。Root存储的是B+树根结点索引记录的偏移量，根据该偏移量就能读取根结点信息。每条索引记录存储着一个结构体：

其中_address[i]记录了与关键字_keys[i]相对应的数据存储在数据文件里的偏移量。这样只要指定关键字key就能找到数据在数据文件存放的位置并进行读写操作。关键字key＝((逻辑地址.x)+(逻辑地址.y*光通道最大挂载的结点数))*24+(时间.小时)，这样设计既能确保每个关键字的唯一性，且保证了相连关键字之间存在时间上和逻辑地址上的关联性，使在选定时间区间上连续读取相关数据的操作得以实现。数据文件的组织结构以数据块的方式存在，每个数据块的大小为一小时一个结点采样的数据量，key与每个数据块的偏移地址相对应。这样就可根据key通过b+树索引机制找到其对应数据块在数据文件的偏移地址，然后进行读写访问。如果是新的key值，则在数据文件末尾扩展一个数据块空间供使用，并将他的首地址与该key对应起来，文件数据同步性问题采用文件记录锁机制解决。

根据监控页面中与SQLite数据库操作相关的功能设计出传统数据库语义对象模型如下。一张光纤传感器结点的基本属性表，以逻辑地址为主ID,属性列表包括：所在基站序号，地理空间，报警上限， 报警下限，类型，工作状态，以及存储有该结点历史数据的表名称。每个结点的历史数据表以时间戮作为主ID，属性列表中记录着该结点的逻辑地址，光纤光栅传感器采样数据，及报警类型。报警信息表以报警类型为主ID，以报警信息为其属性。这三个表组合起来就能实现监控页面所需功能：用户组可自由根据光纤传感器结点的逻辑地址读取基本信息：管塔编号，地理空间位置，该结点报警的上下限，类型，以及工作状态。也可自由读取某个时间区间的温度/应力值，以及报警信息。根据这些离线数据，web客户端能进一步做数据挖掘，向区域中心单元回馈指导性资料。

显然本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。