严世强1， 李义强2
(1.石家庄铁道大学现代教育技术中心，河北 石家庄 050043；2.石家庄铁道大学大型结构健康诊断与控制研究所，河北 石家庄 050043)
摘 要：针对复杂气象环境下的铁路桥梁施工安全监测需求，提出了一种在施工现场部署的无线网络方案。该方案易于现场实施，可以融合传统的工业通信协议。通过合理配置，具有较高的通信带宽，为施工现场的视频采集及数据采集提供了稳定的通信保障。应用数据库复制技术，实现了施工现场与远程数据处理中心的数据共享，能够提升数据处理能力，提高了数据的安全性。该方案在福平铁路顺利实施，对其他类似环境下的施工现场网络建设有很好的借鉴意义。
关键词：桥梁施工;无线网络;数据库复制；安全监测
福平铁路，即福州至平潭铁路，总投资257.3亿元人民币，建设工期5.5 a，设计为双线Ⅰ级铁路。根据相关规定，双线Ⅰ级铁路最高时速达250 km。福平铁路起自福州站，沿线有福州南站、长乐站(首占)、长乐东站(古槐)，松下站，以桥梁跨越海坛海峡人屿岛、小练岛、大练岛至平潭岛，线路长度约88.5 km[1]。
其中，北东口水道特大桥(B0～B58)，为国内首座公铁两用大桥，全桥长3 712 m，全桥59个墩台，55个为水下墩。此段工程在海上作业，受气候影响，经常风急浪大，工作环境较恶劣，对施工现场的安全、质量管理带来了更大的挑战。为此，亟需通过利用和融合现有的信息技术，构建施工现场的网络通信环境，为施工现场的标准化管理，多种采集传感器部署，全天候地提供可靠稳定的数据信息基本保障服务。
无线局域网(Wireliess Local Area Networks,WLAN)就是在局部区域内以无线(no wire or wireless) 媒体或介质进行通信的无线网络, 典型覆盖距离为几十米到几千米。与传统的有线网络相比，无线局域网具有移动性、灵活性、可伸缩性、经济性等特点。但是，WLAN普遍采用的是802.11b/g标准，这两种标准因为较低的数据传输速度制约了在施工现场的应用，特别是当施工现场要处理大量视频信息的时候，有必要进行改进。
近两年，随着802.11n标准的普及，使得通过WLAN方式快速传输大量数据成为可能。802.11n的首要目标是为用户提供更多的吞吐量，802.11n采用MIMO(Multiple-Input Multiple-Output))技术，使得WLAN的物理层吞吐速度提高到300 Mbps，甚至更高[2]。因此，在北东口水道特大桥栈桥数据通信环境构建中，采用了符合802.11n标准的WLAN设备，实现施工现场数据信号的广泛覆盖和数据信息的快速传输。
根据项目的要求，大练岛与苏澳码头约4 km的施工栈桥实施视频监控及需要完成用于安全监测的传感器信息的传输工作。具体任务如下：在B2～B54平台实现施工现场视频实时监控；要对指定的施工栈桥平台上部署的传感器信息实时进行采集。于是沿栈桥护栏端每100 m架设一个无线基站杆，基站杆上部署一个红外高速球机和一个无线定向天线，形成一个无线热点；并通过无线网桥将数据及视频信息传输至栈桥两端的项目部。通过上述部署，在整个栈桥施工平面上实现了无线覆盖，如图1所示。
在WLAN通信中，远距离传输的前提是视距可见，而栈桥沿线具备此条件。根据栈桥的现场情况，在第39号平台各部署一个无线基站杆。并在各自项目部基地视距可见位置，布设无线天线基站杆。无线基站杆上放置定向无线AP(Wireless Access Point)，实现栈桥到项目部的通信链路畅通。通过第39号平台无线AP背靠背链接，实现两部分栈桥、项目部无线网络的沟通。项目部的无线AP链入各自的数据采集中心，数据采集中心再通过电信运营商的骨干网络链入互联网。
图1 方案系统框图
针对视频监控，在项目部部署视频服务器、监视器组建监控中心。监控中心发出的对于云台、镜头等的控制指令通过无线网桥传送到各监控点。现场传回的视频图像可存储在服务器硬盘上，能方便快捷地实现视频资料的存储、更新、查询、备份。
针对数据采集，通过无线AP独立的SSID(Service Set Identifier)及独立的网桥，将数据传输到项目部。视频数据和采集数据的传输信道的分离，可以保障两个系统相对独立，提高各自的传输带宽，避免了彼此传输带宽的竞争。
为了保障栈桥及项目部数据信息安全，在接入电信运营商的入口处，部署防火墙设备，配置VPN。通过这样的安全设置，能够实现用户通过互联网快捷、安全地了解栈桥施工现场信息。项目部的数据通过数据库实时复制技术，将数据信息实时传输到远程的数据监控处理中心，进行数据整理和分析，并提供数据访问接口，供其它应用系统，例如移动客户端APP访问数据。
3.1 易于现场部署的无线基站杆设计
传统上无线基站杆都是线下装配完毕后，再吊装焊接安装，这样需要几个相关工种彼此配合，影响施工进度。沿海栈桥特点是施工场地狭窄，工作时间受气候影响较大，若按传统施工工法，基站杆安装进度会比较缓慢。本项目定制的监控杆基站杆顶部为可拆卸设计，杆顶部有锁扣及固定装置，底部有线缆引出口。并且，留有视频摄像头接口，方便安装视像头[3]。
通过这种设计，可以先成批进行基站杆的吊装焊接安装，然后再由相关技术人员统一进行设备上架安装。这样，将多工种合作配合流程转变为单工种单向流程，大大提高了工作效率。
另外，由于无线网桥的定向特点，固定无线AP采用多角度可调整的鸭嘴夹设计，通过相关无线功率测试设备，确定好最优的角度后，再予以固定。
3.2 防止信道间干扰的AP配置
栈桥是线性的布局，在一个方向上部署了多个AP后，会导致信道间的干扰。根据WLAN的规范，2.4 GHz频段，共设11个子信道，但是由于子信道分布的重叠性，在该频段内最大不会互相重叠的信道只有3个，即某一个区域，同时接收到的无线信号所占用的子信道将不能超过3个。当AP同时尝试传输数据的时候，会发生数据传输冲突，AP必须等待一段时间之后再次尝试进行数据传输，这将会影响整个WLAN系统数据传输性能。为此，需要在转发AP上做相关的配置，最大限度减少信道干扰的产生。传统上，会采用相隔较远的信道，比如1、6、11信道等，但是栈桥上部署的AP比较多，又几乎部署在同一个直线上，这个方式很难实施，通信效果较差。
这里，采用支持2.3 G～2.7 G 超宽频段的AP，它可以提供100个信道选择，避免2.4 GHz频段拥挤干扰，带宽最大100 M，不必再为2.4 G 的信道较少而担心串扰问题。在实际部署中，对AP设置为40 MHz高吞吐量模式，提高数据传输速度。另外，因为施工现场会不可避免产生AP间视距的偶尔遮挡，2.4 G绕射能力相对较强，所以，应该优先采用2.4 G频段的AP，而不是5 G频段的AP。
通过这些配置，在栈桥施工现场的无线AP的性能得到了很好的保证，保障了数据的安全快速的传输。其性能效果如图2所示。
图2 AP性能情况
3.3 传感器采集系统的485/422接口转换
串行通信方式(RS-232、RS-485/422等)因为易于实现、成本低廉的特点，在工业现场、传感器数据采集方面广泛应用。通过无线局域网方式构建的施工现场通信网络原理上还是一种以太网络，所以需要在串行设备和远端监控设备中间增加一级转换单元，即485/422接口转换以太网设备[4]。这里，在传感器端部署了协议转换器，将串行信号数据转换为以太网数据，通过以太网交换设备连接无线AP，再通过施工现场的无线局域网，传输到项目部的采集设备中。协议转换器采用透明串口通讯模式，在项目部端,采集设备通过虚拟串口服务这种方式，实现了通过以太网络与传感器数据的透明交互，如图3所示。这样，就把近端的数据采集，转变成了远程数据采集，避免了施工现场及气象环境对采集工作的影响。例如，海洋流速仪的数据采集就是通过这种方式实现了全天候条件的不间断的数据传输，而不再是传统的频繁打捞海洋流速仪、人工读取数据方式。
图3 485/422转换以太网示意图
3.4 异地数据备份机制
对于长期的监测系统而言，近现场端的数据处理能力受到现场条件的制约，计算能力和带宽吞吐都很难满足监测系统功能对数据的需求。这里，监测数据存储在近现场端服务器不同的数据库中，采用了Mysql数据库的Multi-Source(多源)复制技术。通过数据库复制的CHANNEL(通信渠道)的方式，将不同数据库中的不同数据表的数据，远程实时汇集到远程的数据中心[5]。如图4所示。每一个通信渠道都是从主服务器获得一个二进制日志的链接。这意味着每个通信渠道都得有一个IO_THREAD。对于每一个主服务器，需要运行不同的 “CHANGE MASTER” 命令，需要用到 “FOR CHANNEL”这个参数来提供通信链接的名字：
CHANGE MASTER MASTER_HOST=…
图4 多源数据库复制技术
MASTER_USER=… FOR CHANNEL=”name_of_channel”;
由于复制技术是从远端主动访问近现场端获取数据，若近现场端不是运营商专网接入，IP地址是不固定的，通信是无法保证的。为此，可以采用DDNS(Dynamic Domain Name Server,动态域名解析服务)结合端口映射技术手段，构建远端稳定地访问近现场端的数据通信通道。
通过上述方案的成功实施，为北东口水道特大桥栈桥施工现场提供了稳定、高速的无线通信网络环境。通过这个环境，不仅能够传输现场与项目部间的信息数据，也可以快速传输现场的视频监控信息，为科学、合理、安全的施工提供了有力的支撑。该方案能够在近海苛刻的气象环境下成功运行，为其他类似环境下的施工现场数据通信环境建设提供很好的借鉴和示范。
参考文献
[1]中国桥梁网.福平铁路将建公铁两用跨海大桥[OL].[2013-10-17].http://www.tumukeji.com/article/48111.html
[2]刘维穆,刘厚泉.无线局域网IEEE802.11n标准分析[J].信息通信,2008(4):36
[3]赵 强.一种摄像头电杆:中国,201520691536.2[P].2015-09-08
[4]马修才,马尚昌,张素娟,等.串口设备联网及其关键技术分析[J].成都信息工程学院学报,2014(6):24-25
[5]张伟丽，姜春华， 魏劲超．MySQL 复制技术的研究及应用[J]．计算机科学，2012(11A):168-170
Yan Shiqiang1, Li Yiqiang2
(1.Centre of Modern Educational Technology, Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,China;
2.Structure Health Monitoring and Control Institution,Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,China)
Abstract: To meet the requirements in monitoring the safe construction of railway bridges in complex climatic environments, put forward in the paper is a scheme of deploying a wireless net for monitoring at the construction site.Being easy to carry out at the site,the scheme may be integrated into the traditional industrial communications agreements. After being rationally deployed,the wireless net for monitoring, enjoying a comparatively great band width, may provide reliable communications support in the collection of the site videos and data.By making use of the database-copying technology,the data-sharing between the construction site and the far-range data-processing centre may be realized,with the capability of data-processing upgraded,and the security of the data improved.The successful application of the scheme to the Fu-Ping Railway provides a useful reference for the construction of wireless network at other construction sites in similar environments.
Key words: bridge construction;wireless network;database replication;safe monitoring
中图分类号：U445
文献标识码：B
文章编号：1672-3953(2016)02-0061-04
DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.02.017
作者简介：严世强(1973—)，男，高级工程师，主要从事计算机网络及应用技术研究工作 yanshq@stdu.edu.cn
收稿日期：2015-12-08
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