CC BY
17
DOI: 10.24412/2413-2527-2021-327-11-16
Разработка и перспективы информационной системы для мониторинга состояния мостов
И. Д. Липанов, И. А. Молодкин, д.т.н. А. Д. Хомоненко Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I
Санкт-Петербург, Россия illipanov@mail.ru, imolodkin@gmail.com, khomon@mail.ru
Аннотация. Рассматривается проектирование программного обеспечения для определения отклонений структур мостовых конструкций, освещены этапы разработки программного обеспечения, описывается реляционная модель СУБД, рассматривается взаимодействие ^уа-приложения и СУБД. Описано создание структуры классов, которая обеспечивает правильную работу для разрабатываемого программного обеспечения. Рассмотрены методы защиты программного обеспечения с помощью механизма 1ппоББ. Указаны направления дальнейших исследований в части применения методов мониторинга напряжения конструкций мостов с помощью тензодатчиков. При этом подразумевается интеграция и обработка данных, собираемых из различных источников.
Ключевые слова: мониторинг мостов, инклинометр, ^уа-приложение, защита данных, тензодатчики.
Введение
В связи с увеличением числа различных инженерно-технических объектов проблема разработки программ для поддержки их мониторинга в настоящее время стоит особенно остро.
В частности, неудовлетворительное техническое состояние мостов представляет серьезную угрозу нормальному функционированию дорожной сети и может привести к человеческим жертвам.
На сегодняшний день существуют различные решения для организации мониторинга с разной степенью автоматизации. Например, в [1] описывается программный комплекс, предназначенный для мониторинга деформаций особо опасных объектов, таких как автодорожные и железнодорожные мосты, тоннели метрополитена, плотины гидроэлектростанций, стадионы, ледовые дворцы, плавательные комплексы и др. на основе обработки данных с различных датчиков.
Обоснование применения инклинометров
При диагностике отклонений структур мостовых конструкций используется один тип датчиков, следовательно, устанавливать программный комплекс, описанный в [1], не требуется, достаточно использовать узконаправленную программу.
Так как расчеты должны вестись непосредственно в присутствии инженера на объекте, в настоящее время остро стоит проблема невозможности работы инклинометров в автономном режиме. Впоследствии снятые данные должны быть обработаны построчно с целью выявления отклонений. Поскольку каждый пункт соответствует определенному временному отрезку, формируется плотная таблица значений, которые человек далее должен об-
работать вручную. Также при ручной обработке значений есть риск пропустить важные данные, так как в таких ситуациях имеет место человеческий фактор.
При обработке данных функционал программы должен позволять пользователю задавать диапазон значений, являющихся нормальными для определенного вида искусственных сооружений, а данные, не входящие в заданный промежуток, формировать в таблицу и отправлять в базу данных.
В связи с перечисленными проблемами принято решение спроектировать и разработать программное обеспечение для поддержки мониторинга состояния мостовых конструкций.
Этапы разработки ПО
Разработано программное обеспечение на языке высокого уровня, позволяющее анализировать значения и находить отклонения в полученных данных инклинометра и записывать их в базу данных.
Разработка программного обеспечения состоит из четырех этапов:
• Проектирование базы данных.
• Проектирование JAVA-приложения.
• Создание базы данных.
• Разработка JAVA-приложения.
Схема этапов разработки ПО приведена на рисунке 1.
Рис. 1. Схема этапов разработки ПО
Отметим, что для работы с данными можно выбрать любую реляционную СУБД. В зависимости от выбора СУБД Java-приложение должно использовать соответствующий JDBC-драйвер (англ. Java DataBase Connectivity — соединение с базами данных на Java) [2].
Реляционная модель, язык Java и интерфейсы
Для проекта используется реляционная модель по нескольким причинам [3].
Модель должна отвечать нескольким требованиям:
1. Простота, так как требуется только информационная конструкция «таблица».
2. Строгие правила проектирования, базирующиеся на математическом аппарате.
3. Полная независимость данных, изменения в прикладной программе при изменении реляционной БД минимальны.
В качестве языка программирования выбран платфор-менно-независимый язык Java [4]. Обмен данными между Java приложением и БД осуществляется с помощью JDBC API и JDBC-драйвера.
Одной из задач проекта является обмен данными между Java-приложением и БД. Для этого используется следующие три типа интерфейсов:
1. Statement. Интерфейс используется для доступа к БД для общих целей. Он крайне полезен, при использовании статических SQL - выражений во время работы программы. Этот интерфейс не принимает никаких параметров.
2. PreparedStatement. Данный интерфейс может принимать параметры во время работы программы.
3. Интерфейс CallableStatement становится полезным в случае, когда требуется получить доступ к различным процедурам БД. Он также может принимать параметры во время работы программы.
Для обработки результатов запросов используется интерфейс ResultSet, в котором содержатся необходимые для проекта методы.
Прослойка между Java-приложением и СУБД
Для обеспечения полного взаимодействия между реляционной БД и Java-приложением следует создать структуру классов, которая состоит из следующих элементов:
1. POJO (Plain Old Java Objects) — класс, служащий носителем информации, в котором есть некоторые поля, геттеры и сеттеры для них. Для проекта это будет описание сущности таблицы с данными, то есть реализация таблицы в виде класса.
2. DAL (Data Access Layer). Этот слой обрабатывает все связанные с базой данных вызовы и запросы внутри него. Преимущество DAL заключается в том, что он упрощает операции доступа к базе данных с помощью некоторых вызовов методов, таких как insert() и find(), вместо создания соединения и выполнения некоторых запросов.
3. Service. В этом классе будет находится бизнес-логика. Класс Service нужен для входа в систему.
4. Controller — класс, который нужен для непосредственной обработки запросов от клиента и возвращения результатов. Основная задача методов контроллера — определить требуемое действие, корректно принять данные и возвратить результат.
Такой подход (создание структуры классов) обеспечивает правильную работу для разрабатываемого ПО.
Графический интерфейс Java-приложения
Графическая часть приложения соответствует ряду требований, а именно:
• независимость реализации пользовательского интерфейса от способа получения данных;
• возможность задания диапазона значении данных;
• удобство пользования;
• простота интерфейса.
Основная задача Java-приложения — сортировка входных данных и вывод значений, не входящих в заданный промежуток. Вывод данных осуществляется с помощью класса JTable с пометкой «Отклонение от нормы» [5].
Пример графического интерфейса представлен на рисунке 2.
[Л Обработчик измерений инклинометра — X
Файл БД
Поиск. Прошлые измерения Настройки поиска
Мин. V Мин. X
|0.635 -0.312 И"-- I
Макс. V Макс. X До
0.719 0.051 I |2011-06-12 07:12:18
Время 2011-06-12 06 19:21 Г 0.61 X 0.011 т 10.5
2011-06-12 06 19:25 0.639 0.012 10.5
2011-06-12 06 19:26 0.61 0.012 10.5
2011-06-12 06 19:27 0.61 0.013 10.5
2011-06-1206 19:28 0.61 0.012 10.5
2011-06-12 06 19:29 0.61 0.012 10.5
2011-06-1206 19:30 0.61 0.012 10.5
2011-06-12 06 19:31 0.61 0.012 10.5
2011-06-1206 19:32 0.61 0.012 10.5
2011-06-12 06 19:33 0.61 0.011 10.5
2011-06-12 06 19:31 0.61 0.011 10.5
2011-06-12 06 19:35 0.61 0.01 10.5
2011-06-12 06 19:36 0.61 0.01 10.5
2011-06-12 06 19:37 0.611 0.01 10.5
2011-06-12 06 19:38 0.611 0.01 10.5
2011-06-12 06 19:39 0.611 0.01 10.5
2011-06-12 06 19:10 0.611 0.01 10.5
2011-06-1206 19:11 0.611 0.01 10.5
Рис. 2. Фрагмент графического интерфейса
Программа поддерживает такие функции, как экспорт в файл, вывод данных в табличную форму, анализ и сортировка входных данных по заданному диапазону, сохранение результатов в базу данных.
Защита данных с помощью механизма innoDB
Важным аспектом проектирования информационной системы для поддержки мониторинга состояния мостов на особо важных объектах является защита от неавторизованного доступа при передаче данных, так как эти данные могут представлять собой объекты коммерческой тайны. Кроме того, в программных комплексах мониторинга состояний особо важных объектов важна защита данных от злоумышленников [6].
Поэтому еще одним актуальным направлением развития программного обеспечения является шифрование данных перед передачей между сервером и удаленным пользователем, а также проверка подлинности при получении данных.
Механизм InnoDB использует двухуровневую архитектуру ключей шифрования для шифрования табличных пространств, состоящую из главного ключа шифрования и ключей табличного пространства. Когда таблица InnoDB зашифрована, ключ табличного пространства шифруется и сохраняется в заголовке табличного пространства. Когда приложение или аутентифицированный пользователь желает получить доступ к зашифрованным данным таблич-
ного пространства, механизм InnoDB использует основной ключ шифрования для дешифрования ключа табличного пространства. Расшифрованная версия ключа табличного пространства никогда не изменяется, но главный ключ шифрования может быть изменен по мере необходимости. Это действие называется вращением мастер-ключа [7].
Схема шифрования ключом изображена на рисунке 3.
ENCRYPTS ENCRYPTS TABLE A KEY1
KEYRING | TABLE В
MASTER KEY ^ KEY 2
\ ENCRYPTS I TABLEZ
^ KEY N
Рис. 3. Схема шифрования ключом
Шифрование данных в MySQL имеет следующие достоинства:
1. Надежное шифрование AES-256 для таблиц InnoDB.
2. Прозрачное для приложений. Отсутствие кода для приложения, схемы. Нет необходимости изменять тип данных.
3. Прозрачное для администраторов баз данных. Ключи не управляются администраторами баз данных.
4. Управление ключами. Ключи можно безопасно хранить отдельно от данных, а смена ключей является простой.
Более безопасным алгоритмом шифрования является AES-256 (Advanced Encryption Standard), который принадлежит к типу симметричного алгоритма шифрования. Использование данного алгоритма является оптимальным вариантом при разработке проекта, так как AES уже используется в США для защиты конфиденциальных, но неклассифицированных материалов [8].
Функционал
разработанного программного обеспечения
Разработанное ПО способно обрабатывать десятки тысяч измерений. Объем обрабатываемой информации зависит от ОЗУ. На работу программы выделяется 2 ГБ ОЗУ. Время обработки зависит от источника данных.
Рассмотрим вариант с использованием локального файла, содержащего измерения. Время обработки данных из файла составляет около 2 минут на тысячу измерений с учетом чтения из файла, следовательно чем больше измерений находится в файле, тем дольше будет длиться обработка.
В случае обработки данных, хранящихся в MySQL, время обработки будет зависеть от двух факторов:
• используется ли локальная база данных или происходит удаленное подключение к серверу;
• скорости интернета, если рассматривается удаленное подключение.
Как правило время обработки данных из MySQL занимает около 2 секунд на тысячу измерений.
В функционале программного обеспечения также предусмотрено удаление устаревших измерений.
О направлениях дальнейших исследованиях
Актуальным направлением развития ПО является автоматизация общего процесса взаимодействия программного обеспечения и инклинометра, позволяющего получать данные в реальном времени. Работу предполагается продолжить в направлении создания алгоритмов дистанционного получения исходных данных прибора, а также внедрения проверки корректности передачи показаний датчиков, описанных в [9].
Кроме того, представляется актуальным развитие комплекса в части применения методов мониторинга напряжения конструкций мостов с помощью тензодатчиков [10, 11]. При этом подразумевается интеграция и обработка данных, собираемых из различных источников [12].
При измерении деформаций, напряжений и сил с помощью тензометрических датчиков используется изменение омического сопротивления материала, которое вызывается упругими деформациями металлической проволоки или стержневых полупроводников. Изменение сопротивления датчика передается по кабелю или бесконтактно на измерительный мост. Там оно преобразуется в усиленные электрические сигналы, которые записываются устройством [10].
Главными достоинствами применения тензодатчи-ков, являются:
• быстрое время отклика;
• простота компенсации температурных эффектов;
• Малая чувствительность к динамическим воздействиям.
Все типы тензодатчиков используют соотношение между напряжением и деформацией.
К недостаткам применения тензометрических датчиков относятся:
• невозможность обеспечить более низкие диапазоны измерений;
• снижение точности показаний при вибрациях;
• необходимость точного совмещения с окружающей средой;
• сложность первоначальной механической настройки.
Тензорные датчики компактны, удобны при установке,
практически не ограничивают работоспособность конструкции, где они установлены.
При диагностике деформации структур конструкций используется несколько типов тензодатчиков.
В зависимости от типа воздействия на исполнительные элементы конструкции различают тактильные, резистив-ные, пьезорезонансные, пьезоэлектрические, магнитные и емкостные датчики [11].
Типы датчиков представлены на рисунке 4.
Тактильные датчики срабатывают при механическом воздействии на чувствительную поверхность. Позволяют обнаруживать минимальные деформации, но при неправильной настройке могут дать ложный сигнал.
Резистивные датчики — самый распространенный тип датчиков. Они требуют подключения к слаботочной цепи управления, поскольку включают в себя тензорези-сторный контур. Надежны в любых условиях.
Пьезорезонансные датчики относятся к устройствам полупроводникового типа и требуют надежного обслуживания и настройки. Работают по принципу сравнения эталонного сигнала с фактическим.
а)
/
1" I Чг
I
Б)
f
д)
Рис. 4. Типы тензометрических датчиков а — тактильные; б — резистивные; в — пьезорезонансные; г — пьезоэлектрические; д — магнитные; е — емкостные
Пьезоэлектрические датчики аналогичны датчикам предыдущего типа, однако они выдают сигнал при изменении значений контактных деформаций, приложенных к чувствительному элементу.
Магнитные датчики изготовлены из сплавов с переменным значением коэрцитивной силы и используются для измерения сил в узлах оборудования, работающего в сильных электромагнитных полях.
Емкостные датчики предназначены для измерения малых механических напряжений в деталях сложной конфигурации, когда изменение длины жилы приводит к изменению ее электрической емкости.
Еще одно важное соображение связано с тем, что на особо важных объектах, как отмечено ранее, требуется защита от неавторизованного доступа при передаче данных. При этом выбор инструментальных средств защиты целесообразно проводить с использованием усиливающейся тенденции к импортозамещению. Для обсуждаемой задачи уместно рассмотреть решение вопроса защиты данных при распределенной обработке и передаче данных мониторинга с помощью отечественной операционной системы Astra Linux и входящей в ее состав СУБД PostgreSQL [13].
Заключение
Разработанное ПО способно анализировать и отфильтровывать полученные данные, сохранять обработанные данные в файл или базу данных и обеспечивать максимальную защиту информации при передаче удаленному пользователю. Представляется актуальным развитие ком-
плекса в части применения методов мониторинга напряжения конструкций мостов с помощью тензодатчиков.
При этом подразумевается интеграция и обработка данных, собираемых из различных источников, а также защита данных при распределенной обработке и передаче данных мониторинга с помощью отечественной операционной системы Astra Linux и входящей в ее состав СУБД PostgreSQL.
Литература
1. Программный комплекс для мониторинга деформаций особо опасных объектов / М. Я. Брынь, А. Д. Хомонен-ко, В. П. Бубнов, [и др.] // Проблемы информационной безопасности. Компьютерные системы. 2014. № 1. С. 36-41.
2. Илюшечкин, В. М. Основы использования и проектирования баз данных: Учебник для академического бакалавриата / В. М. Илюшечкин; НИУ МИЭТ. — Москва: Издательство Юрайт: ИД Юрайт, 2016. — 213 с. — (Бакалавр. Академический курс).
3. Хомоненко, А. Д. Базы данных: Учебник для высших учебных заведений / А. Д. Хомоненко, В. М. Цыганков, М. Г. Мальцев; под ред. А. Д. Хомоненко. — 6-е изд., доп. — Санкт-Петербург: Корона-ВЕК, 2009. — 736 с.
4. Шилдт, Г. Java. Полное руководство. Восьмое издание = Java. The Complete Reference. Eight Edition. — Москва: ИД Вильямс, 2012. — 1104 c.
5. Монахов, В. В. Язык программирования Java и среда NetBeans. — 3-е изд., перераб. и доп. — Санкт-Петербург: БХВ-Петербург, 2011. — 704 с.
6. Мартишин, С. А. Базы данных. Практическое применение СУБД SQL и NoSQL-типа для проектирования информационных систем: Учебное пособие / С. А. Мартишин, В. Л. Симонов, М. В. Храпченко. — Москва: ИД «Форум»: Инфра-М, 2016. — 368 с. — (Высшее образование).
7. Молдовян, Н. А. Криптография: от примитивов к синтезу алгоритмов / Н. А. Молдовян, А. А. Молдовян, М. А. Еремеев. — Санкт-Петербург: БХВ-Петербург, 2004. — 448 с.
8. Панасенко, С. П. Алгоритмы шифрования. Специальный справочник. — Санкт-Петербург: БХВ-Петербург, 2009. — 576 с.
9. Повышение безопасности передачи данных локального сервера системы автоматизированного геодезического мониторинга / В. П. Бубнов, А. Д. Хомоненко, В. В. Яковлев, С. В. Клименко // Автоматика на транспорте. 2018. Т. 4, № 3. С. 407-420.
10. Ашуров, А. Е. Применение технологии высокоточной спутниковой навигации для мониторинга пространственно-протяженных объектов / А. Е. Ашуров, Ф. К. Ер-меков, Д. С. Ергалиев // Труды XXII Международного симпозиума «Надежность и качество» (Пенза, Россия, 22-31 мая 2017 г.). — Пенза: Пензенский гос. ун-т, 2017. — Т. 2.— С. 38-41.
11. Непомнящий, В. Г. Непрерывный мониторинг мостового перехода через бухту Золотой Рог / В. Г. Непомнящий, А. И. Ященко, Г. В. Осадчий // Дороги. Инновации в строительстве. 2012. № 19. С. 30-34.
12. Khomonenko, A. D. About Complex Objects Defining Via Integration of Data from Various Sources / A. D. Khomonenko, A. I. Zimovets, S. P. Plyaskin // Proceedings of Models and Methods of Information Systems Research Workshop in the frame of the Betancourt International Engineering
Forum (MMISR 2019) (St. Petersburg, Russia, 04-05 December 2019). CEUR Workshop Proceedings. 2020. Vol. 2556. Pp. 46-51. DOI: 10.24412/1613-0073-2556-46-51.
13. Шумилин, А. В. Подход к оцениванию влияния средств разграничения доступа к данным на производительность реляционных СУБД // Программная инженерия. 2013. № 4. С. 29-33.
DOI: 10.24412/2413-2527-2021-327-11-16
Development and Prospects of the Information System for Monitoring the Condition of Bridges
I. D. Lipanov, I. A. Molodkin, Grand PhD A. D. Khomonenko Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University
Saint Petersburg, Russia illipanov@mail.ru, imolodkin@gmail.com, khomon@mail.ru
Abstract. The design of software for determining the deviations of the structures of bridge structures is considered, the stages of software development are highlighted, the relational model of a DBMS is described, the interaction of a java application and a DBMS is considered. Describes how to create a class structure that ensures correct operation for the software under development. Methods of software protection using the InnoDB mechanism are considered. Directions for further research in the application of methods for monitoring the stress of bridge structures using strain gauges are indicated. This implies the integration and processing of data collected from
various sources.
Keywords: bridge monitoring, inclinometer, application, data protection, strain gauges.
JAVA
References
1. Bryn M. Ya., Khomonenko A. D., Bubnov V. P., et al. Software for Monitoring Strain Especially Dangerous Objects [Programmnyy kompleks dlya monitoringa deformatsiy osobo opasnykh ob''ektov], Information Security Problems. Computer Systems [Problemy informatsionnoy bezopasnosti. Komp'yuternye sistemy], 2014, No. 1, Pp. 36-41.
2. Ilyushechkin V. M. Basics of using and designing databases: Textbook [Osnovy ispol'zovaniya i proektirovaniya baz dannykh: Uchebnik]. Moscow, Urait Publishing House, 2016, 213 p.
3. Khomonenko A. D., Tsygankov V. M., Maltsev M. G. Databases: Textbook for universities [Bazy dannykh: Uchebnik dlya vuzov]. Saint Petersburg, KORONA-Vek Publishing House, 2009, 736 p.
4. Schildt H. Java. The Complete Reference. Eight Edition [Java. Polnoe rukovodstvo. Vos'moe izdanie]. Moscow, Williams Publishing House, 2012, 1104 p.
5. Monakhov V. V. Java programming language and Net-Beans environment [Yazyk programmirovaniya Java i sreda NetBeans]. Saint Petersburg, BHV-Peterburg, 2011. 704 p.
6. Martishin S. A., Simonov V. L., Khrapchenko M. V. Database. Practical application of SQL and NoSQL type DBMS for designing information systems: Study guide [Prak-ticheskoe primenenie SUBD SQL i NoSQL-tipa dlya proek-tirovaniya informatsionnykh sistem: Uchebnoe posobie]. Moscow, Forum Publishing House, 2016, 368 p.
7. Moldovyan N. A., Moldovyan A. A., Eremeev M. A. Cryptography: From primitives to the synthesis of algorithms [Kriptografiya: ot primitivov k sintezu algoritmov]. Saint Petersburg, BHV-Peterburg, 2004, 448 p.
8. Panasenko S. P. Encryption algorithms. Special reference [Algoritmy shifrovaniya. Spetsial'nyy spravochnik]. Saint Petersburg, BHV-Peterburg, 2009, 576 p.
9. Bubnov V. P., Khomonenko A. D., Yakovlev V. V., Klimenko S. V. Increase the Safety Improvement of Data Transmission on the Local Server of the Automated Geodetic Monitoring System [Povyshenie bezopasnosti peredachi dannykh loka-l'nogo servera sistemy avtomatizirovannogo geodezicheskogo monitoringa], Automation on Transport [Avtomatika na transporte], 2018, Vol. 4, No. 3, Pp. 407-420.
10. Ashurov A. E., Ermekov F. K., Ergaliev D. S. Application of High-Precision Satellite Navigation Technology for Monitoring Spatially Extended Objects [Primenenie tekhnologii vysokotochnoy sputnikovoy navigatsii dlya monitoringa prostranstvenno-protyazhennykh ob''ektov], Proceedings of the XXII International Symposium «Reliability and Quality» [Trudy XXII Mezhdunarodnogo simpoziuma «Nadezhnost' i kachestvo»], Penza, Russia, May 22-31, 2017, Volume 2. Penza, Penza State University, 2017, Pp. 38-41.
11. Nepomnyashchy V. G., Yashchenko A. I., Osadchiy G. V. Continuous Monitoring of the Bridge over the Golden Horn Bay [Nepreryvnyy monitoring mostovogo perekhoda cherez bukhtu Zolotoy Rog]. Roads. Innovations in construction [Dorogi. Innovatsii v stroitel'stve], 2012, No. 19, Pp. 30-34.
12. Khomonenko A. D., Zimovets A. I., Plyaskin S. P. About Complex Objects Defining Via Integration of Data from Vari-ous Sources, Proceedings of Models and Methods of Information Systems Research Workshop in the frame of the Betancourt International Engineering Forum (MMISR 2019), St. Petersburg, Russia, December 04-05, 2019. CEUR Workshop Proceedings, 2020, Vol. 2556, Pp. 46-51.
DOI: 10.24412/1613-0073-2556-46-51.
13. Shumilin A. V. An Approach to the Estimation of the Impact of Protection Facilities on the Performance of Relational DBMS [Podkhod k otsenivaniyu vliyaniya sredstv razgranicheniya dostupa k dannym na proizvoditel'nost' relyatsionnykh SUBD], Software Engineering [Programmna-ya inzheneriya], 2013, No. 4, Pp. 29-33.
