土木工程上整合型監測資訊系統與其資訊科技基礎建設及無線通訊軟體架構之研究(I)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

土木工程上整合型監測資訊系統與其資訊科技基礎建設及 無線通訊軟體架構之研究(I)

研究成果報告(精簡版)

計 畫 類 別 ： 個別型

計 畫 編 號 ： NSC 95-2221-E-011-184-

執 行 期 間 ： 95 年 08 月 01 日至 96 年 07 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立臺灣科技大學營建工程系

計 畫 主 持 人 ： 謝佑明

計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理：黃禹澄、莊志翔

處 理 方 式 ： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 96 年 10 月 31 日

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 ■ 成 果 報 告

□期中進度報告

土木工程上整合型監測資訊系統

與其資訊科技基礎建設及無線通訊軟體架構之研究(I)

計畫類別：

■

執行期間： 95 年 8 月 1 日至 96 年 7 月 31 日

計畫主持人：謝佑明 共同主持人：

計畫參與人員： 黃禹澄、莊志翔

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：

■

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、

列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢

執行單位：國立台灣科技大學營建工程系

中 華 民 國 96 年 10 月 31 日

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告 土木工程上整合型監測資訊系統

與其資訊科技基礎建設及無線通訊軟體架構之研究(I)

計畫編號：NSC 95-2221-E-011-184 執行期間： 95 年 8 月 1 日至 96 年 7 月 31 日 主持人：謝佑明 國立台灣科技大學營建工程系助理教授

摘要

過去由於技術與通訊科技的限制，佈置自動化監測系統需要投資可觀的安裝與維護費 用，也同時限制了監測節點數目，以至於監測專案的規模無法擴大；此外，由於資料格式 與互通性的問題，使得監測資料無法長期累積，以至寶貴的資訊隨計畫結束而流失。

為克服前述限制與問題，本計畫提供一個以資訊科技與通訊技術為基礎的整合型自動 化監測系統，其目的在於整合營建工程監測專案及儀器、並以分散式計算的手段強化資料 的安全、並達到高彈性、延展性與擴充性。此外，並以服務導向的架構以 SOAP 網路式服 務提供開放標準的程式介面，有利於第三方協同作業。而所提出的系統架構，將有利於結 合無線感測器網路與新型無線通訊技術，建構出一個彈性且易部署的自動化監測系統。

本研究自動化監測資訊系統成員包含：1.現地伺服器，負責現地感應器與感應器監測 資料的管理與保存，定時地回傳監測資料。2.資料伺服器，功能在於保存與管理監測資料 與提供加強資料的可靠性；並提供開放介面的通訊介面以利於第三方協同作業。3.媒合伺 服器，負責協調與調度現地伺服器與資料伺服器，讓多筆專案可同時利用此系統進行資料 的收集與儲存，並可提高監測資料的可靠度。

未來期許可以結合更多的知識管理或資料探勘等相關技術，將監測數據將自動轉化為 有意義的工程知識，並分門別類的儲存在知識資料庫中。這樣的知識累積有作為日後營建 工程設計、施工與維護的重要依據。

關鍵詞：自動化監測系統、服務導向架構、網路式服務、無線感測器、分散式計算

Abstract

Due to limitations on technology, deploying and maintaining automated monitoring systems require significant investments. As a result, the scale of automated monitoring systems is limited. Additionally, due to data format and interoperability issues, monitoring data cannot be accumulated, and invaluable information is lost at the end of engineering projects.

In order to overcome the aforementioned limitations and issues, this project proposes an integrated automated monitoring system by using advanced information and communication technology (ICT). The resultant information system can be used by multiple engineering projects, storing multiple data from multiple sensor types. By using distributed computing technique, the system provides enhanced data security, high flexibility, extensibility and scalability. The proposed information system architecture is based on service oriented architecture concept, and is implemented using SOAP web services to provide open-standard application programming interface to facilitate interoperability with third-party applications. As a result, the proposed system is well-suited for using new technologies such as wireless sensor network (WSN) and new communication technologies such as Wi-Max and HSDPA to construct a flexible and easily deployed automated monitoring system.

The proposed automated monitoring system consists of: 1) field servers for managing sensors, storing a copy of sensor data, and transmit monitoring data to data server; 2) data servers provide services for storing, managing, and sharing monitoring data; 3) mediation servers are responsible for mediating the association between field servers and data servers. All three servers enhance the security of monitoring data, as field servers keep a copy of data, the implementation of data servers provide hardware redundancy to protect stored data, and mediation servers enable multiple copies of data scattered between multiple data servers.

It is envisioned the proposed information system can facilitate the use data-mining technique and knowledge-management practices to transform monitoring data into meaningful engineering knowledge. This knowledge can be preserved in knowledge base that will contribute to future engineering projects.

Keywords: automated monitoring system, service oriented architecture, web services, wireless sensor, distributed computing

目錄

摘要... I ABSTRACT... II 目錄...III

1. 前言...1

2. 研究目的...2

3. 文獻探討...2

4. 研究方法...3

5. 結果與討論...4

5.1 系統架構 ...4

5.2 系統運作流程 ...4

5.3 系統分析與設計 ...5

5.3.1 資料庫設計...5

5.3.2 軟體系統分析與設計...6

5.4 討論 ...7

6. 參考文獻...9

7. 計畫成果自評...11

1. 前言

監測在土木工程系統之中扮演著重要的角色，唯有透過監測方能瞭解土木工 程系統的實際行為，而瞭解土木工程系統之實際行為對於一工程建物之生命週期 中之設計、施工、維運等階段皆有無可取代的重要性。

近年來由於科技的進步，在土木工程上各式各樣的電子式量測儀器已逐漸地 被開發出來，並可與電腦設備 (含標準個人電腦、工業電腦、電子式計讀器等等) 透過 RS-232 或 RS-485 等工業標準介面相連接以形成一自動化的記讀系統。使 用自動化記讀系統可大大提高取樣頻率並提供穩定的資料品質，故不但可利用自 動化記讀系統建立即時的預警系統，並可將工地資料詳細記錄下來作為未來類似 工程設計之重要依據，進而演生成知識之累積。目前已有許多專業廠商有能力提 供自動化監測服務。

目前自動化監測服務往往僅限於將資料記錄於與監測儀器所連接的電腦 上，而當需要將不同監測資料匯集一處時，則必需以人工的方式將電腦檔案匯集 在一起而失去了即時性，且資料檢索與交叉比對是十分耗工費時的。此外尚有檔 案格式的問題，造成了資料整理不便而無法有效地累積工程經驗。此外，未來於 維護工程上將需要大量的監測資料作配合，以目前現行之以電腦檔案儲存監測資 料將無法滿足維護工程上之需求。

目前鮮少針對整合型 的土木工程監測資訊系統進行研究。所謂整合型的土 木工程監測資訊系統 (integrated monitoring and information system for civil engineering applications)，如圖 1，是指將一工程中 (甚至不同工程之間) 各種監 測儀器即時的資料整合儲存於單一整合的資訊系統之中，以提供 e 化的單一且具 一致性的介面以利於資料整合、分享、加工與再利用。目前的自動化監測，往往 僅達到提供自動化記讀，並未能有效地將監測所得資料即時地整合並加以運用。

同時由於使用電腦檔案儲存監測所得資料，且不同廠商所提供之檔案格式未能統 一，因此往往造成檔案資料之凌亂甚而遺失，而造成了監測資料未能充份利用，

且無法有效地累積相關工程經驗。

2. 研究目的

本計畫目的有三：1) 發展一整合型的土木工程監測資訊系統(如圖 1)，以便 即時整合一或多個工程專案於資訊系統中，利用關聯式資料庫管理系統解決現行 紊亂監測資料格式，提高資料的可用性；並提供開放之網路式服務介面，以便結 合協力單位進行數據分析並可利用網路進行大規模的資料探勘。2) 加速先進通 訊系統於土木工程監測上之應用。通訊技術（如 WiMax、WSN 等）目新月異並 快速的商業化，但應用至土木監測系統往往相對緩慢，其原因可能主要為軟體撰 寫與系統整合不易。3) 提出與探討適當的資訊科技基礎建設 (IT infrastructure) 以適應未來大規模、長期之監測系統。

圖 1 整合型土木工程監測資訊系統架構示意圖

3. 文獻探討

自動化監測系統在土木營建工程為極有價值的工具，透過自動化監測系統可 在施工過程了解工地的狀況以及周遭建築物之安全狀況，而在維護階段可了解建

物的「健康狀況」並與以適當的維護與管理(Aktan et al. 1998; Brownjohn et al.

2006; Ko et al. 2001; Li et al. 2006; Thomson et al. 2001; Wong 2004)。現地監測除 前述功能外，更重要地可提供真實的系統反應。而透過這些資訊，1) 可用來改 進電腦的模擬技術 (Finno and Calvello 2005; Hashash et al. 2006)；2) 可作為關於 重大災害預防決策支援系統的重要輸入參數 (Cheng and Ko 2002; Cheng et al.

2002)；3) 這些資訊可透過資料探勘與多維度分析轉化為知識 (O'Rourke and McGinn 2006) 以貢獻在未來的工程建設。

目前而言，自動化監測系統仍有許多的挑戰與問題 (Aktan et al. 2000; Aktan et al. 1998; Bhalla et al. 2005; Han et al. 2005) 使大規模的自動化監測系統成本高 昂：1) 纜線安裝與維護(Lynch and Loh 2006)；2) 類比訊號的衰減 (Han et al. 2005) 與無線電干擾 (Zhang 2003)。而這些挑戰預期未來透過無線感測器網路 (wireless sensor network, WSN) 技術 (Haenselmann 2006; Romer and Mattern 2004) 可獲得 解決。也因此，有許多的研究已使用無線感測器網路技術進行監測 (Farrar et al.

2006; Kim et al. 2007; Kurata et al. 2005; Lee et al. 2007; Lynch and Loh 2006;

Mehta and El Zarki 2004; Spencer Jr. et al. 2004; Terzis et al. 2006)。

4. 研究方法

本研究第一期之研究步驟主要分三部分：1) 資訊系統之需求分析：本研究 採統一塑模語言 (UML, Unified Modeling Language) 以分析與記錄系統之需求 與設計、2) 資料庫設計與正規化：本研究使用 E-R Diagram 分析與記錄關聯式 資料庫之資料表與欄位，並進行三階正規化以確保未來資料庫內資料的品質、3) 資訊系統原型系統開發：其中包含軟體開發平台的選擇、系統架構的設計、以及 原型系統程式撰寫。

5. 結果與討論

5.1 系統架構

本計畫以目前已完成發展一整合型的土木工程監測資訊系統之原型系統，其 設計上以服務導向架構 (Service-Oriented Architecture，SOA) 的概念發展鬆散耦 合 (loosely coupled) 之資訊系統，並以 SOAP web service 標準作為實作的技 術，使所開發出來的服務不受平台與程式語言之限制，提高程式可用性與靈活 性，並達成開放式系統的目的。

本研究所提出之系統架構如圖 2 所示，其中包含三個成員：1)現地伺服器 (Field Server)，於監測現地負責管理與控制各式感測器、收集監測資料並依設定 將監測資料按時傳送至資料伺服器；2)媒合伺服器(Mediation Server)，調度與指 派現地伺服器與相對應之資料伺服器，於緊急狀況如現地或資料伺服器故障、網 路頻寬不足時，可彈性調度現地伺服器與資料伺服器之關連：3)資料伺服器(Data Server)，可同時儲存一至多專案之監測資料。並提供網路式服務(Web Services)，

一方面供現地伺服器呼叫以儲存資料，一方面供第三方軟體或資訊系統進行資料 擷取與再利用。

圖 2 系統架構 5.2 系統運作流程

本研究提出之系統架構的運作流程如圖 3 所示，可分為以下五個步驟：

1. 系統管理員登入 Mediation Server(MS)進行伺服器間運作設定。

2. Data Server (DS) 透過 Web Services 登入至 Mediation Server(MS)取得對應之

Field Server 相關資訊，如通行帳號、密碼與傳送之權限，並於 Field Server 登入時進行驗證。

3. Field Server (FS) 透過 Web Services 登入至 Mediation Server 取得對應之 Data Server 相關資訊，如通行帳號、密碼與傳送之權限。

4. Field Server 第一次登入至 Data Server 將主動要求系統設定 (Setting)，其規 範 Field Server 的傳送頻率與要求更新設定的頻率；Field Server 按此設定，

定時將現地之監測數據回傳至 Data Server。

5. 使用者或第三方協力單位，可透過應用程式 (application) 或是網頁式應用程 式 (web applications) 進行資料的查看與分析，而這些應用程式為透過 Data Server 的公開網路式服務取得所需之資料。

圖 3 系統運作流程圖

5.3 系統分析與設計 5.3.1 資料庫設計

在本研究中所提出之資訊系統需要儲存監測數據與相關資料，必須有效率且 有系統的管理數據與資料；在這裡以圖 4 之 E-R Model ( Entity-Relationship

Model ) 與說明資料庫的設計與各項資料間的關聯。在設計的過程中對於整體資 料的管理與各層級伺服器間有以下的規則 (business rules)：每個使用者(User)可 能會參與許多專案(Project)也同時代表了不同的身份(Role，管理者或是負責人等 等)，每種角色都有不同的權限，而每個人的相關資料都存放在使用者表單裡面。

2.每件專案會有一或多台現地伺服器(FS)於現地進行管理控制儀器與存放監測儀 器所監測到的重要數據。3.而媒合伺服器(MS)用來調度與指派與調度現地伺服器 與資料伺服器(DS)間資料傳送。4.每台現地伺服器經由媒合伺服器指派，將監測 數據傳送給一或多台的資料伺服器。5.每台現地伺服器擁有許多的無線感測器節 點(mote)或監控端點，每一無線感測器或是監控端點都搭配一或多種感測器 (Sensor)。6.每一感測器都有多筆的監測數據(Sensor Data)，而各項數據都具有單 一 的 單 位 (Unit)與物理量型態(Type) 。7.每一感測器都有監測的頻率設定值 (Setting)，現地伺服器也有發送與確認設定檔的設定值(Setting)，而各表單與各欄 位的詳細說明見黃禹澄 (2007)。

DataServer PK ds_id

ds_title ds_ip FK3 project_id FK1 fs_id FK2 location_id MediationServer

PK ms_id

ms_title ms_ip FK2 project_id FK1 location_id

Location PK location_id

location_title addresss/GPS

Setting PK setting_id

send_freq check_setting_freq

FieldServer PK fs_id

fs_title FK3 project_id FK2 location_id FK1 setting_id FK4 ms_id

Project PK project_id

project_title FK1 project_role_id

start_date end_date

SensorNode PK sn_id

sn_title FK2 fs_id FK1 location_id

Sensor PK sensor_id

sensor_title FK1 unit_type_id FK2 location_id FK3 setting_id FK4 sn_id

SensorData PK id

datetime FK1 sensor_id

data

Unit_Type PK unit_type_id

FK1 type_id FK2 unit_id

Unit PK unit_id

unit_title

Type PK type_id

type_title Project_Role

PK project_role_id

FK1 user_id FK2 role_id

User PK user_id

username phone email cell_phone password

Role PK role_id

role_title ability

圖 4 資料庫關聯圖 5.3.2 軟體系統分析與設計

本研究採用 UML (Unified Modeling Language, 統一塑模語言) 進行系統之 分析與設計，其中使用了使用案例圖 (use-case diagram) 表示操作者與伺服器或 伺服器與伺服器間進行操作動作與提供服務的情形；系統佈署圖 (deployment

diagram) 說明系統成員的硬體(立體方框)與其內部軟體元件 (內部的方框) 實際 的運作關係，和這些系統成員的連結關係。其成果見圖 5 與圖 6，而詳細說明參 見黄禹澄 (2007)。

5.4 討論

總結以上說明，本計畫建構出整合型自動化監測系統，並列出其系統特色：

1. 系統可靠度：現地伺服器硬體採用 CF 卡取代傳統機械式硬碟儲存裝 置，減少因機械故障而導致資料損毀，此為第一層防護。資料伺服器實 現上採用 LVS(Linux Virtual Server)與 MySQL Replication 的機制，單一 的邏輯 (logical) 資料伺服器由兩套以上的實體 (physical) 資料伺服器 所組成，若其中單一實體資料伺服器發生不可預期之故障時，其他成員 可維持系統之運作，達成第二層的備援機制；最後透過媒合伺服器的指 派與調度由一至多台資料伺服器同時對於同ㄧ現地伺服器監測資料進 行管理與維護達到第三層的異地備援機制。

2. 系統架構的可擴充性：提供一個彈性的系統架構，整合與調度多筆專 案。若專案因監測資料所需儲存空間或傳輸頻寬不足時，可透過媒合伺 服器的指派與調度來達成系統容量 (儲存或頻寬) 擴充之目的，並可最 小化系統停機時間。

3. 資料伺服器與異質系統的整合：資料伺服器的 Web Service API 介面，

可以提供異質平台對於監測資料的使用。由於監測資料經由此一架構獲 得妥善的保存與累積，未來可配合資料探勘 (data mining) 的技術自動 地將資料轉化為資訊甚至轉化為知識。

System Admin

Project Admin

Project Users

DataServer

(a) 使用者與資料伺服器 (b) 現地伺服器與資料伺服器

(c) 使用者與媒合伺服器 (d) 專案管理者與感應器

(e) 現地伺服器與媒合伺服器

圖 5 使用案例圖

圖 6 系統佈署圖

6. 參考文獻

黃禹澄 (2007)，「以 SOAP 網路式服務建構分散式運算之高延展性自動化監測系 統」，國立臺灣科技大學營建工程系碩士論文。

Aktan, A. E., Helmicki, A. J., and Hunt, V. J., "Issues in health monitoring for intelligent infrastructure." Smart Materials and Structures(5), 674., 1998

Brownjohn, J., Tjin, S.-C., Tan, G.-H., Tan, B.-L., and Chakraboorty, S. "A Structural Health Monitoring Paradigm for Civil Infrastructure." 1st FIG International Symposium on Engineering Surveys for Construction Works and Structural Engineering, Nottingham, United Kingdom.

Farrar, C. R., Park, G., Allen, D. W., and Todd, M. D., "Sensor network paradigms for structural health monitoring." Structural Control and Health Monitoring, 13(1), 210-225, 2006

Kim, S., Pakzad, S., Culler, D., Demmel, J., Fenves, G., Glaser, S., and Turon, M.

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Kurata, N., Spencer Jr., B. F., and Ruiz-Sandoval, M., "Risk monitoring of buildings with wireless sensor networks." Structural Control and Health Monitoring, 12(3-4), 315-327, 2005

Li, H., Ou, J., Zhao, X., Zhou, W., Li, H., Zhou, Z., and Yang, Y., "Structural Health Monitoring System for the Shandong Binzhou Yellow River Highway Bridge."

Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering, 21(4), 306-317., 2006 Lynch, J. P., and Loh, K. J., "A Summary Review of Wireless Sensors and Sensor

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Mehta, V., and El Zarki, M., "A Bluetooth Based Sensor Network for Civil Infrastructure Health Monitoring." Wireless Networks, 10(4), 401-412., 2004 Spencer Jr., B. F., Ruiz-Sandoval, M. E., and Kurata, N., "Smart sensing technology:

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Terzis, A., Anandarajah, A., Moore, K., and Wang, I. J. "Slip surface localization in wireless sensor networks for landslide prediction." Information Processing in Sensor Networks, 2006. IPSN 2006. The Fifth International Conference on,

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Wong, K.-Y. (2004). "Instrumentation and health monitoring of cable-supported bridges." Structural Control and Health Monitoring, 11(2), 91-124.

7. 計畫成果自評

本研究計畫規畫為三年期，目前已執行完第一期，內容大致相符，而在進度 上則有些許的超前。而所提出的的研究目的與架構目前鮮少人討論，故具有相當 的學術價值。此外，無線感測器網路被 MIT 的 Technology Review 認為是 21 世 紀十大重要技術之一，目前其在無線感測器網路的硬體設備上有許多的研究，但 是相對而言，配合之軟體與資訊系統之研究則相對少。因此，未來預計有極大的 應用價值。