基于云存储的物联网灌浆监测系统研究
张慧
长江科学院仪器研究所
国家大坝安全工程技术研究中心
饶小康
长江科学院仪器研究所
国家大坝安全工程技术研究中心
贾宝良
长江科学院仪器研究所
国家大坝安全工程技术研究中心
1 引言
灌浆监测系统是在基础处理工程的灌浆施工中，利用各类传感器、灌浆记录仪主机、无线传输设备、计算机、服务器和终端信息系统，在施工现场实时监测灌浆流量、压力、密度和抬动的专业计量仪器系统，系统客观真实地反映灌浆施工过程参数，有效帮助监理控制施工质量［1］。灌浆监测系统已在水电站基础处理施工中的成功推广使用，并逐步扩展到其他行业的基础处理施工中［2］。
根据《全国水利信息化发展“十二五”规划》的精神，水利信息化是发展的重要方向。云存储和物联网为水利信息化提供了技术手段，采用云存储开发的物联网灌浆监测系统将降低信息化难度，简化开发流程，减少建设成本，提高管理水平，为水利信息化提供高效经济快捷的水利水电信息化解决方案，为灌浆施工监测管理提供科学依据和技术支撑。
2 云存储和物联网
当灌浆监测数据出现大规模状态时，高精度与大规模之间出现矛盾，尤其是灌浆异常状态的及时监测，云存储具有重要意义，本文重点研究灌浆监测系统的大规模数据及灌浆处于异常状态的云存储，对大规模数据异常状态进行有效监测，属于云存储规模较小的情况，主要由各存储服务器周期性地向主控服务器发送心跳信息，或者利用主控服务器对注册到云存储平台的所有存储服务器进行轮询［3］。
主控服务器通过轮询的方式收集各存储服务器的负载，本研究采用通用低性能PC集群构建的高可靠高性能云存储系统，由三大模块组成：主控服务器模块、存储服务器模块和客户端代理模块［4］，这种系统结构包含两个主控服务器，采用主-备的工作方式（Ac tive-Standby），即一台服务器处于某种业务的激活状态（Active状态），而另一台服务器处于该业务的备用状态（Standby状态），云存储系统结构见图1。
图1 云存储系统结构
云存储系统中数据库服务器、电子邮件服务器、FTP服务器、流化媒体服务器、Web服务器通过交换机后与物联网云网络系统连接至数据库用户、电子邮件用户、FTP用户、流化媒体用户、Web用户。采用云存储技术建立数据平台具有以下优点：
（1）高可靠性。云存储将数据存储在不同的服务器上，在硬件出现损坏的情况下，系统会主动将读写指令导向存放于另一台存储服务器上的文件。这是云存储技术最主要优点，即硬件冗余和自动的故障切换。
（2） 海量并行扩容、成本低。云存储技术的扩容非常简单，采取的架构是并行扩容，容量扩展几乎不受限制，即使在容量不够的情况下，只要采购新的存储服务器就可以了。
（3）易管理，易维护。以前存储的管理往往非常复杂，不同存储厂商的管理界面是不同的，数据中心人员需要经常去面对不同的存储产品，了解各个存储器的容量、负载等。而云存储是虚拟的，再多的存储服务器可被视作一台。云存储用户几乎所有的软件和数据都存信息中心集中维护，用户机作为终端，维护简单。
物联网（The Internet of things）通过信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。采用高性能传感器、射频识别（RFID）、全球定位系统（GPS）、先进数据传输、灌浆数据云存储技术搭建水利工程灌浆监测系统。灌浆监测系统中的每台灌浆记录仪都有唯一识别码，多台灌浆记录仪通过无线传输连接，各台灌浆记录仪的灌浆监测数据实时更新至物联网。管理人员通过物联网读取每台灌浆记录仪的数据信息，了解到施工过程的灌浆数据，并且能够对灌浆数据进行统计分析，帮助管理人员进行决策。这是工程建设质量、工程投资高效管理、工程进度严格控制等多方面的重要保障。
3 灌浆监测系统
3.1 灌浆监测系统结构
灌浆监测系统按照对象的分散的分层分布式监控系统进行设计，分层分布式系统是一种集散控制系统（DCS），整个系统可以分为现场控制级、过程管理级和经营管理级［5］，灌浆监测系统中，灌浆记录仪的各种传感器作为现场控制级，该级别直接面对灌浆现场，是所有数据信息的基础。该级别的各种传感器形成一个无线传感器网络，通过各自传感器采集到的信号无线传输到记录仪主机中，将过程中灌浆记录数据进行数据采集和预处理，并将采集到的数据无线传输到灌浆记录仪主机，其系统结构见图2。
图2 灌浆监测系统结构图
灌浆管理人员可以通过浏览无线灌浆数据管理系统客户端浏览灌浆记录仪实时数据和查询历史数据，并且通过对所有灌浆记录仪数据汇总得到灌浆施工进度和质量等一系列有效信息，来辅助灌浆管理人员来对灌浆施工进行管理。
3.2 灌浆监测系统功能
（1）灌浆数据实时和历史记录。根据现场灌浆记录仪采集到的数据记录，能够浏览基于物联网的灌浆监测系统中的不同设备号的灌浆记录仪的实时数据，还能够通过选择设备号、段号和时间段等信息来查询历史灌浆记录。
（2）异常数据报警通知。在灌浆数据出现数据异常，比如压力过高，流量过大等情况时候，灌浆数据监测系统会发送短信给设定的用户，来告知异常数据的具体情况，则用户可以根据实际情况来作出快速决策。
（3）灌浆数据成果报表。在灌浆数据成果报表方面，该灌浆数据监测系统能够通过收集各种渠道到网络服务器的灌浆数据进行数据融合，而形成灌浆成果一览表、灌浆孔分序统计表和各次序孔灌浆成果表等，并且开放不同的权限给不同等级的用户，不同等级的用户能够查看和生成的报表都各不相同。
4 软件平台和系统实现
灌浆数据监测系统采用Windows 2003 Server做存储服务器集群，支持多实例运行及多会话，多桌面，支持多个用户终端同时链接于一台存储服务器，也支持多个共享软件安装在一台存储服务器。云存储软件平台组成见图3。
图3 软件系统平台
云存储软件平台实现以下功能：
（1）用户与系统权限：系统管理员，业主，施工方，云管理员，游客权限清晰，优先特权。
（2）可共享灌浆施工数据：灌浆施工数据包括灌浆施工时间，流量，压力，密度，抬动值，水灰比，总注浆量，总耗灰量，单位注浆量，单位耗灰量等，用户通过终端程序统一登录系统，系统同时记录用户的登录事件。
（3）远程访问：支持多用户远程访问。
（4）异常预警：报警条件策略设置与短信通知终端用户报警功能。包括异常网页高亮显示，针对进浆、回浆、压力、密度出现异常在网页上以高亮形式提示；现场短信预警，用户通过设置吕容、抬动、单耗等阀值，并设置上报的手机号码，超出这一范围即发送异常信息至用户手机。
（5）系统日志统计和报表管理：报表的查询，下载，打印，原始报表和统计报表，工程报表、曲线及三维柱状图，包括孔成果一览报表、灌浆分序报表、灌浆完成情况报表、综合统计报表、频率曲线图、综合剖面图等。
灌浆监测系统的大规模数据及灌浆处于异常状态的云存储，对大规模数据异常状态进行有效监测，属于云存储规模较小的情况，主要由各存储服务器周期性地向主控服务器发送心跳信息，或者利用主控服务器对注册到云存储平台的所有存储服务器进行轮询。图4为灌浆监测系统云储存设计图。
图4 灌浆监测系统云储存设计
图5为灌浆监测系统数据云储存，以云南省文山州德厚大型水库灌浆监测系统为实例，系统提供灌浆基础数据及灌浆工程数据。系统服务器与云存储服务器通过WebService设置通信接口，实时将灌浆数据进行规范化、标准化处理并对接至云存储平台。
图5 灌浆监测系统云储存数据
5 结语
在物联网环境下灌浆监测系统采用云存储技术，将工程施工现场多台灌浆记录仪采集到的灌浆数据发送到云存储服务器，组建灌浆施工物联网。云存储技术对灌浆监测系统的大规模数据异常状态进行有效监测，采用云存储开发的物联网灌浆监测系统降低信息化难度，简化开发流程，减少建设成本，为水利信息化提供高效经济快捷的水利水电信息化解决方案，为灌浆施工监测管理提供科学依据和技术支撑。
参考文献
［1］ 罗熠,于军.基于无线传感器网络的灌浆参数监测系统［J］.长江科学院院报.2010(12).
［2］ 罗熠.灌浆记录仪发展状况和趋势［J］.中国水利.2010(21).
［5］ 黄跃文,郭亮,王路.基于物联网的灌浆监测系统设计和应用［C］//中国水利学会地基与基础工程专业委员会第十一次全国学术技术研讨会论文集.2011.