（计算机应用技术专业论文）结构工程网格实验管理子系统的研究与实现.pdf

摘要 摘要 结构工程实验在城市基础设施建设、结构受损研究中发挥着重要的作用。目 前我国结构工程实验大多在单独站点进行，资源不能有效共享，造成了昂贵实验 设备利用率低、实验规模有限等问题；各地站点实验管理多为人工进行，管理水 平比较低，实验信息难以共享，从而限制了我国结构工程领域的发展。如何在地 域分散的研究团体间共享大型稀缺实验设备，进行分布式结构工程实验，进而推 动研究团体间的研究交流，是我国结构工程研究领域熏需解决的问题。 本文将网格技术引入结构工程实验管理中，提出了结构工程网格实验管理子 系统，使用网格规范中的标准协议，解决了分布式结构工程实验中实验管理、设 备远程控制和远程数据观测等关键问题。 本文首先对结构工程实验的特点进行了深入的分析研究，提出了分布式结构 工程实验管理、设备远程控制和远程在线实验数据观测等关键问题。本文参照网 格体系结构规范o g s a 设计了结构工程网格实验管理子系统体系结构，体系结 构中核心模块支持网格环境下的结构工程实验管理。 为了提高实验的协作化程度，解决设备的远程控制问题，本文设计了设备远 程控制框架及协议，屏蔽实验设备的异构性，支持用户对实验设备进行远程控制； 针对结构工程实验的数据采集设备i m c 实现了远程控制框架，实现在实验管理 系统中对数据采集设备的远程控制。 为了增进远程实验用户的参与程度，解决远程在线实验数据的观测问题，本 文基于r b n b 数据流服务器设计实现了本地数据流管理l d f m ，缓存在线实验 数据，支持远程用户并发读取：采用h e s s i a n 技术屏蔽了数采设备代理与l d f m 平台的异构性，实现了异构开发平台高效的数据传输，满足了观测在线数据的实 时性要求。 本文设计实现了本地站点实验管理系统，支持本地站点实验管理的需求，为 网格环境下结构工程实验管理提供支撑。设计了结构工程网格实验管理子系统， 整合实验站点各种资源到网格环境中，解决了分布式结构工程实验的核心问题， 为网格环境下结构工程实验的管理提供了可行的解决方案。 最后，在以北京工业大学网格中心和工程结构实验中心为基础构建的实验环 境中，对结构工程网格实验管理子系统进行了实例验证。验证表明，该系统较好 地解决了分布式结构工程实验的关键问题，促进了资源共享，提高了实验的协作 化程度。 关键词网格技术；结构工程实验；远程控制；远程观测 a b s t r a c t 皇曼曼曼曼曼鼍曼曼皇曼皇皇曼曼曼曼蔓曼曼曼皇皇曼笪曼皇曼岂曼舅皇曼置鼍曼曼曼曼量詈曼曼舅曼曼曼曼曼曼曼皇舅i = i = i i = i i = i = = = i 寰 a b s t r a c t s t r u c t u r a l e n g i n e e r i n ge x p e r i m e n tp l a y s a l l i m p o r t a n t r o l e i nt h ec i v i l i n f r a s t r u c t u r ed e s i g na n ds t r u c t u r ed a m a g er e s e a r c h a tp r e s e n t ，d o m e s t i cs t r u c t u r a l e n g i n e e r i n ge x p e r i m e n tm a i n l yp e r f o r m si ns i n g l es i t e ，e x p e r i m e n tr e s o u r c ec o u l dn o t b es h a r e de f f e c t i v e l y ，s oi tr e s u l t si nt h el o we q u i p m e n tu t i l i z a t i o nr a t ea n di ta l s o l i m i t st h ed i m e n s i o no fs t r u c t u r a l e n g i n e e r i n ge x p e r i m e n t ；e x p e r i m e n ts i t e sa r e m a n a g e dm a n u a l l yb ya d m i n i s t r a t o r ，t h e s es i t e sa r ei nl o wm a n a g e m e n tl e v e la n di ti s v e r yh a r dt os h a r et h ee x p e r i m e n ti n f o r m a t i o n ，t h ef a c tr e s t r i c t i o n st h ed e v e l o p m e n to f s t r u c t u r a le n g i n e e r i n g h o wt om a k ef u l lu s eo ft h ed i s t r i b u t e de x p e r i m e n tf a c i l i t i e st o p e r f o r md i s t r i b u t e ds t r u c t u r a le n g i n e e r i n ge x p e r i m e n tt oi m p r o v et h ec o m m u n i c a t i o n b e t w e e nr e s e a r c hg r o u p sh a v eb e e nt h eb i gc o n c e r ni nt h es t r u c t u r a l e n g i n e e r i n g e x p e r i m e n tm a n a g e m e n ti nc h i n a t h i s p a p e rb r i n g sg r i dt e c h n o l o g y i n t os t r u c t u r a l e n g i n e e r i n ge x p e r i m e n t m a n a g e m e n t , p r o p o s e s as t r u c t u r a l e n g i n e e r i n g鲥de x p e r i m e n tm a n a g e m e n t s u b s y s t e m ，w h i c hu s e st h es t a n d a r dp r o t o c o l si ng r i ds p e c i f i c a t i o n , s o l v e ss o m e c r i t i c a lp r o b l e m si nd i s t r i b u t e ds t r u c t u r a le n g i n e e r i n ge x p e r i m e n t ，s u c ha se x p e r i m e n t m a n a g e m e n t ，e q u i p m e n tr e m o t ec o n t r o la n dr e m o t eo n l i n ed a t ao b s e r v a t i o n i nt h i s p a p e r , t h ef e a t u r e so fs t r u c t u r a le n g i n e e r i n ge x p e r i m e n ta r ed e e p l y d i s c u s s e d ；d i s t r i b u t e ds t r u c t u r a le n g i n e e r i n ge x p e r i m e n tm a n a g e m e n t ，e q u i p m e n t r e m o t ec o n t r o la n dr e m o t eo n - l i n ed a t ao b s e r v a t i o na r ep r o p o s e da st h r e ek e y p r o b l e m s o fs t r u c t u r a l e n g i n e e r i n ge x p e r i m e n t t h ea r c h i t e c t u r eo fs t r u c t u r a l e n g i n e e r i n g 面de x p e r i m e n tm a n a g e m e n ts u b s y s t e mb a s e do no g s ag r i d s p e c i f i c a t i o ni sd e s i g n e di nt h i sp a p e r , t h ek e yc o m p o n e n t so ft h ea r c h i t e c t u r es u p p o r t t h em a n a g e m e n to fs t r u c t u r a le n g i n e e r i n ge x p e r i m e n tu n d e r g r i de n v i r o n m e n t t oi m p r o v et h ee x p e r i m e n tc o l l a b o r a t i o n , s o l v et h ee q u i p m e n tr e m o t ec o n t r o l p r o b l e m ，e q u i p m e n tr e m o t ec o n t r o lf r a m e w o r k a n dp r o t o c o la r ed e s i g n e di nt h i sp a p e r , s h i e l dt h eh e t e r o g e n e o u sa m o n ge x p e r i m e n te q u i p m e n t sa n ds u p p o r te q u i p m e n t r e m o t ec o n t r o lf r o mu s e r s ；t h ei m p l e m e n t a t i o nf o rd a t aa c q u i s i t i o ne q u i p m e n ti m ci s g i v e n ，u s e r sc a nr e m o t ec o n t r o lt h ei m ce q u i p m e n t s t oi m p r o v et h el e v e lo fp a r t i c i p a t i o na n ds o l v et h er e m o t eo n - l i n ee x p e r i m e n t d a t ao b s e r v a t i o np r o b l e m ，l o c a ld a t af l o wm a n a g e m e n ts e r v i c el d f mb a s e do n r b n bd a t af l o ws e r v e ri s d e s i g n e da n di m p l e m e n t e d ，i tb u f f e r st h e o n 1 i n e e x p e r i m e n td a t aa n ds u p p o r t so b s e r v a t i o ns i m u l t a n e o u s l yb ym u l t i u s e r s ；h e s s i a n i i i 北京工业大学工学硕士学位论文 t e c h n o l o g y i su s e dt os h i e l dt h eh e t e r o g e n e o u sb e t w e e nt h ed a t a a c q u i s i t i o n e q u i p m e n ta g e n ta n dl d f mp l a t f o r m ，a c h i e v e st h ee f f i c i e n td a t at r a n s f e rb e t w e e n h e t e r o g e n e o u sd e v e l o pp l a t f o r m ，m e e t st h er e a lt i m en e e do f o n - l i n ed a t ao b s e r v a t i o n l o c a le x p e r i m e n tm a n a g e m e n ts y s t e mi sd e s i g n e da n dd e v e l o p e di nt h i sp a p e r , m e e t st h en e e do fl o c a le x p e r i m e n tm a n a g e m e n t , s u p p o r t ss t r u c t u r a le n g i n e e r i n g e x p e r i m e n tm a n a g e m e n t u n d e rg r de n v i r o n m e n t s t r u c t u r a l e n g i n e e r i n gg r i d e x p e r i m e n tm a n a g e m e n ts u b s y s t e mi sd e s i g n e di n t h i sp a p e r , i n t e g r a t e st h el o c a l s i t e sr e s o u r c e si n t og r de n v i r o n m e n t ，s o l v e st h ek e yp r o b l e m so fd i s t r i b u t e d s t r u c t u r a le n g i n e e r i n ge x p e r i m e n t , a n ds u p p l i e sas o l u t i o nf o rs t r u c t u r a le n g i n e e r i n g e x p e r i m e n tm a n a g e m e n tu n d e rg r i de n v i r o n m e n t a tl a s t , s t r u c t u r a le n g i n e e r i n gg r de x p e r i m e n tm a n a g e m e n ts u b - s y s t e mi st e s t e d i nt h ed i s t r i b u t e de x p e r i m e n te n v i r o n m e n t ，w h i c hi se s t a b l i s h e db yb j u tg r dc e n t e r a n ds t r u c t u r a le n g i n e e r i n ge x p e r i m e n tc e n t e r r e s u l ts h o w st h a tt h i ss y s t e ms l o v e st h e k e yp r o b l e m so fd i s t r i b u t e ds t r u c t u r a le n g i n e e r i n ge x p e r i m e n t ，i m p r o v e st h es h a r eo f e x p e r i m e n tr e s o u r c e sa n dc o l l a b o r a t i o no f s t r u c t u r a le n g i n e e r i n ge x p e r i m e n t k e yw o r d sg r dt e c h n o l o g y ；s t r u c t u r a le n g i n e e r i n ge x p e r i m e n t ；t e l e o p e r a t i o n ； t e l e p r e s e n c e i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：缒吼坦丛兰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：主虹导师签名： 日期： 第1 章绪论 ! 。 m m i =,；i i ii i i , 皇曼曼曼曼皇曼曼曼曼皇曼曼舅曼曼曼鼍曼曼曼舅 1 1 研究背景 第1 章绪论 我国经过建国后几代人的努力，已在结构试验及抗震防灾研究领域取得了相 当大的成绩，积累了丰富经验，并建立起一批由国家或省、部级重点实验室为主 的结构试验设施。随着我国近年来的基本建设和高教事业的发展，对结构实验室 的资金投入增加较快。广大科研人员进行了大量的工作，对国家许多重大经济建 设项目的实施和城乡基建设施的完善起到了技术支持的作用n 1 。 然而，我国的研究体系及水平与国际先进国家之间依然存在着较大差异，目 前我国结构工程实验建设上存在重复投入的现象，资源不能有效共享，造成了昂 贵实验设备利用率低、实验规模有限等问题；各地站点实验管理多为人工进行， 管理水平比较低，实验信息难以共享，从而限制了我国结构工程领域的发展，研 究成果在国际上的认知度与美国、日本、新西兰和欧洲等国仍有差距，同时也不 能反映我国及我国科研人员的实际科研水平幢一1 。如何在地域分散的研究团体间 共享大型稀缺实验设备，建立结构工程实验管理系统，进而促进研究团体间的协 作及资源共享，是我国结构工程研究领域燕需解决的问题。 为了解决大型稀缺实验设备的共享，需要远程对实验设备进行控制，同时在 远程观测实验的实时数据。通过设备远程控制和在线数据远程观测达到和在实验 站点实验同样的效果，实现远程结构工程实验，增大科研团体的协作及资源共享 的程度。远程结构工程实验不仅可以提高设备的利用率，而且在实验的范围和规 模上也得到加强，实验用户将不同类型的实验分发给不同的实验站点，因此需要 设计分布式结构工程实验管理系统对实验的提交、调度、分发、执行整个生命周 期进行管理。分布式结构工程实验管理系统可以提高实验的管理水平，促进了实 验信息的共享。 由此可以看出，分布式结构工程实验管理、设备远程控制和在线数据远程观 测对于我国结构工程实验发展具有重要意义。 1 2 研究现状 目前，为了解决大型稀缺实验设备的共享问题，国内外已经开展了远程协同 结构试验研究，如日本建立了世界上最大的振动台e d e f e n s e ，同时还开展了桥 梁结构远程协同拟动力试验的研究；我国台湾地区地震工程研究中心( n c r e e ) 建立了地震工程研究平台i s e e ，同美国斯坦福大学合作完成一系列的远程协同试 验研究；湖南大学开发的n h s l a b 也在网络协同开发平台上做着有益的尝试：结 构工程领域中，最著名的远程协同研究的项目是美国的n e e s 计划“”。 在实验室协作方面，国内的一些重点实验室也在进行着有益的努力。同济大 学土木工程肪灾国家重点试验室，清华大学结构实验教育部重点实验室等都设有 开放科研项目专项基金进行跨校的科研协作，同时两校等单位还一直在倡导实验 室资源和试验数据共享。湖南大学防灾减灾省重点实验室正与美国一些结构实验 室进行远程协同试验的合作，其中包括：( 1 ) 在湖南大学操控南加州大学结构实 验室的大型结构柱加载系统进行诸如高强混凝土柱的足尺抗震试验等。该系统具 有经济实用、加载力高，操作灵活等特色；( 2 ) 在湖南大学建立结构多维加载系 统，并实现与国际著名实验设施如n e e s 计划的协同合作等“1 。 121 美国n e e s 计划 n e e s 计划1 ( n e t w o r kf o re a r t h q u a k ee n g i i l d n gs i m m 撕o n ) 是美国国家科 学基金委员会投入8 千万美元的巨额研究经费资助建立的地震工程网络模拟系 统，其目标是建立一种网络化的研究资源，通过网络将地理上分布于各地区的资 源进行共享，建立新一代的具有远程观测和协同控制能力的试验研究系统。这一 国家性的资源将把地震工程研究的重点从当前的倚重于物理试验转变到寻求试 验方法、计算理论、数据库以及模型模拟的整合。建成后的n e e s 将成为一个集 试验设备、计算资源和工具、协作通信技术和工具、诊断数据库系统于一体的集 成系统，并全面发展以支持从事地震工程研究和教育的团体成员的协作；n e e s 将提供先进的试验能力来验证更为复杂、综合性更高的理论分析和数值计算模 型，从而改善抗震设计4 ”3 ，如图l - 1 所示。 图1 - 1n e e s 网络系统构想 f i g1 - l l e e s n e t w d r k s 懈 n e e s 在地理上表现为设备站点的地理分布，即各研究机构的实验室设各系 统，这也是n e e s 网络的核心，n e e s 分布网格( n e e s 鲥d ) ，其节点即为n e e s 协 同实验室的成员，它是一个基于h n c m e t 的虚拟协同实验室，在全国范围内联合各 第1 章绪论 种科研机构及共享资源来实现试验设备的远程操作和远程监测、远程数据存取、 模型模拟和试验数据的整合，其目标是提供一个软件环境或工具，以支持不足资 源的共享和利用，主要包含试验设备、信息管理系统、模拟系统和软件库、用户 站点和支持节点5 大组成部分。n e e s 网格的最终目标是建立一个用于地震工程研 究的协同实验室，或称之为“无墙实验室”( 1 a b o r a t o r yw i t h o u tw a l l s ) 。 在设备远程控制方面，n e e s 采m n t c pn 1 1 ( n e e s g r i dt e l e o p e r a t i o nc o n t r o l p r o t o c 0 1 ) 协议对实验设备进行控制。n t c p 协议是一种协商执行两阶段提交的远 程控制协议，设备的控制请求被分为协商和执行两个阶段。首先，设备所在站点 的管理员启动n t c p 服务器，设定远程用户对实验设备的操纵权限；远程用户发 送设备控制请求到n t c p 服务器，其中包含实验设备控制参数等内容，n t c p 服务 器根据请求具体情况接收或拒绝设备控制请求；若n t c p n & 务器接收设备控制请 求，远程用户可以启动实验设备运行，若n t c p j 艮务器拒绝设备控制请求，远程 用户需要重新发送调整后的实验请求到n t c p 服务器进行协商。n t c p 被包装成 嘶d 服务发布到网格环境中供远程用户使用。具体控制过程如图1 2 所示。 图1 - 2n t c p 请求控制流程 f i g1 - 2n t c pr e q u e s tc o n t r o lp r o c e s s 在远程观测n 2 1 方面，n e e s 采用r b n b 1 3 , 1 4 ( r i n gb u f f e r n e t w o r kb u s ) 数据流服 务器支持远程用户对在线实验数据的并发读取。数据采集设备获得在线的实验数 据，在线数据首先被发送到n e e s 平台的r b n b 服务器缓存支持远程用户的观测 需求，然后数据以文件的形式存储到数采设备的本地系统中，实验结束后上传到 n e e s 平台文件管理系统。远程用户可以通过r b n b 客户端或者浏览器从砌扑m 服 务器获得在线实验数据进行远程观测。如图1 3 所示。 北京工业大学1 = 学硕士学位论文 图1 - 3n e e s 远程观测整体结构图 f i g 卜3n e e s r e m o t eo b s e r v a t i o na r c h i t e c h m r e 1 2 2 日本的远程实验网络 日本是一个多地震国家，也是世界上地震灾害最严重的国家之一，因此防震 减灾工作纳入国家计划进行集中投入。2 0 0 5 年1 月1 5 日日本防灾科学技术研究所 ( n i e d ) 建成了目前世界上最大的地震模拟振动台e d e f e n s e n 5 1 ，并在兵库县三木 市组建了“兵库抗震工程研究中心”。 e d e f e n s e 全称为“实体三维震动破坏试验振动台”。e 是英文e a r t h 的缩写，“实 体”指试验时采用房屋实物而不是模型进行试验，试验结果将更加准确，“三维” 指振动台能从3 个方向模拟地震动。e d e f e n s e 振动台由实验楼、控制楼、油压设 备、准备楼和三维振动台等设施组成。其台面尺寸为1 5 m * 2 0 m ，最大实物质量可 达1 2 0 0 t ，加速度可达0 9 9 ，最大速度为2 0 0 c m s ，最大位移为l o o c m ，足以模拟 最大的地震动。 e d e f e n s e 从开始建设就积极与美国的n e e s 联网，并于2 0 0 4 年试调成功，在 2 0 0 5 年1 月纪念日本阪神大地震1 0 周年之际，日本的地震试验设备正式在网上启 用。从2 0 0 5 年下半年起，e d e f e n s e 振动台进行了一系列振动破坏试验，同时， 日本的其它地震研究机构也积极与美国n e e s 联网进行合作研究。 相对振动台试验来说，日本在远程协同网络拟动力试验方面也进行了研究。 大坂城市大学和京都大学联合进行了“t h ep a r a l l e lp s e u d o d y n a m i ct e s t i n gs y s t e m 谢mt h ei n t e m e t 的研究项目，试验对象是一座由不同类型桥墩组成的高架桥，试 验在京都大学和大坂城市大学两个试验站点进行。 4 第1 章绪论 1 2 3 台湾地区的i s e e 计划 互联网地震工程模拟系统( i n t e r n e t b a s e ds i m u l a t i o nf o re a r t h q u a k e e n g i n e e r i n g ，简称i s e e ) 是由我国台湾地区地震工程研究中心烈c r e e ) 通过互联 网技术建立的地震工程研究平台，这个平台允许全世界的实验室同步观测或作为 试验站点参与试验。 i s e e 通过系统集成和远程控制将地理上分布于台湾各地区的结构实验室连 接形成一个网络，其研究方法包括数据库方法( t h ed a t a b a s ea p p r o a c h ) 和应用协 议方法( t h ea p p l i c a t i o np r o t o c o la p p r o a c h ) 。 数据库方法n 明：在各实验室之间建立一个数据中，t , ( d a t ac e n t e r ) ，用于数据 实时交换和共享；建立1 个分析引擎( a n a l y s i se n g i n e ) ，从数据中心接收恢复力， 模拟动力分析，再将计算位移发回数据中心；建立1 个设备控制系统( f a c i l i t y c o n t r o l l e r ) ，分别开发了m t sf l e x t e s ti i m 和m t s 4 0 7 控制器。 应用协议方法n ：基于t c p i p 应用协议基础上建立网络结构试验平台 ( p l a t f o r mf o r n e t w o r k e ds t r u c t u r a le x p e r i m e n t s 简称p n s e ) ，该平台采用了名为“网 络化结构试验协议”( n e t w o r k e ds t r u c t u r a le x p e r i m e n tp r o t o c o l ，简称n s e p ) 的应用 协议。p n s e 包含3 种类型模块；服务器模块( t h ep n s es e r v e r ) 、命令产生模块 ( c o m m a n dg e n e r a t i o nm o d u l e ，简称c g m ) 和设备控制模块( f a c i l i t yc o n t r o l m o d u l e s ，简称f c m ) 。 2 0 0 4 年1 0 月，n c r e e 和美国斯坦福大学合作完成了一个3 层3 跨的r c s 组合结 构的远程协同拟动力试验。试验中使用了e h l s e e 开发的数据中心平台( d a t a c e n t e r ) ，分析引擎采用to p e n s e e s 软件包。 i s e e 在0 5 年8 月进行了国际合作的远程混合控制试验，试验模型选用一座4 个 桥墩的桥梁，其中3 根分别在台湾的n c r e e 、n t u 和加拿大的c a r l e t o n 大学进行 实际试验，另1 根进行数值模拟分析。试验采用i s e e 平台，包括i s e e 的数据中心、 分析引擎和设备控制器，数据中心将连接数据浏览器，使用户可以浏览试验数据 和观测试验过程。 1 2 4n e t s l a b 网络结构实验室 n e t s l a b n 8 j 钉( n e t w o r ks t r u c t u r el a b o r a t o r y ) 是湖南大学等开发的一个网络协 同实验平台，其构架如图1 4 所示。 一裂2 觜荀南q 图i - 4 n c l s l a b 架构图 f i g1 - 4 n e t s l a b a r c h i t e c h t u m 根据在实验中的作用，所有的参与者可以分为三类：控制器( c o n t r o l l e r ) 、 试验机( t e s t e r ) 和观察者( o b s e r v e r ) 。 控制器：组织试验，控制试验进程和参与者之间的通讯，并存储或公布试验 结果。 试验机：在试验的每一步中根据以前的结果执行具体的任务来产生新的数 据。在一个试验中可有多个试验机。这些试验机可以分为两类：一类是模拟试验 机( v i r t r u a lt e s t e r ) ，它通过计算分析得到结果数据；一类是真实试验机( a c t u r a l t e s t e r ) ，它通过实际的实验装置得到试验结果。 观察者：分享实验数据，但不直接参与操纵试验过程。 模块之间通j 吐n e t s l a b 通讯平台进行通信，各模块间采用基于t c p 1 p 协议进 行连接，协议简单可靠啪“1 。 1 3 研究内容 国外对于结构工程实验中的结构工程实验管理、设备远程控制和在线实验数 据观测已经开展了一定程度的研究，取得了一些科研成果。国内一些科研团体基 于以上问题进行了有益的尝试，为设备远程控制和在线实验数据远程观测提供了 可行的解决方案。现阶段研究主要侧重于设各远程控制和在线数据远程观测功能 的实现，对于实验流程的管理以及分布环境下实验资源的共享等问题的研究尚处 于起步阶段；结构工程实验研究国内对于设备远程控制多基于t c p i p 等协议开 发，标准通用性方面还存在一定问题。 网格基于虚拟组织1 的概念，为广域环境下由多个组织组成的动态虚拟组织 间的资源共享提供基础设施”2 川。分布式结构工程实验的关键是将分布异构的设 备等资源整合起来。分布式结构工程实验的特点契合了虚拟组织的特点，因此网 第1 章绪论 格技术成为了解决这一关键问题的有效的方法。 本文将网格技术引入结构工程实验管理中，提出了结构工程网格实验管理子 系统，使用网格规范中的标准协议，解决了分布结构实验中实验管理、设备远程 控制和远程数据观测等关键问题。 结构工程网格通过网格技术整合分布式环境下结构工程实验资源、计算资 源、数据资源等内容，促进结构工程实验资源、数据资源的共享，推动结构工程 实验水平提高。结构工程网格体系结构如图1 5 所示，灰色部分为本文涉及内容。 警圉圆圈壁国圈圜圜 挡案蠡据管理实验臂理 舟格应用阿网匾网网 服务层 i 簸据存i l 档案致据i | 元致据管l | 模式转| 唑倒鬯倒型 储服务l l 查询厦务i l 理服务l i 换服务 一格中 瓷源调 作业管理服务鼗据传麓厦务副本服务 益嚣部署与注罱i 问件层 度服务穗量曩务 厦务弹d 鳓毒( g r a m ) ( c o n d o r )( g r i d f l 功( 砒5 m c s ) 粮圈固圈圈圆圈圈圈 l 童明圈国圈圈匿圆圈蜜 i 设备瓷谭( 观 舞设备、加羹 设鲁) 图1 - 5 结构工程网格体系结构 f i g1 - 5s t r u c t u r a le n g i n e e r i n gg r i da r c h i t e c h t u r e 结构工程网格体系结构自下而上分为资源层、服务封装层、网格中间件层、 网格应用服务层、语义服务层和网格门户层。 资源层中包含网格环境中的各种类型的资源，其中包括传统网格环境中的计 算资源和存储资源，面向结构工程领域的实验资源( 实验设备资源、设备控制系 统、实验管理系统等) ，基础数据资源( 包括研究结果、实验数据和工程信息等) 。 服务封装层将资源层中的各种资源封装成为服务的形式接入到网格系统中， 支持分布式环境下对于资源的使用。 网格中间件层负责提供网格平台的基础服务，结构工程网格基于g l o b u s t o o l k i t 中间件构建网格环境，提供了资源部署与注册服务( m d s ) 、作业管理服 务( c o n d o r ) 、资源调度服务( g r a m ) 、消息服务、数据传输服务( 丽d f t p ) 和副本服务( r l s 、m c s ) 等基础功能，支持网格平台的运行。 7 北京工业大学工学硕士学位论文 网格应用服务层是根据网格服务规范开发的结构工程网格的各种核心服务， 包括实验管理服务和档案数据管理服务。实验管理服务负责为网格用户提供功能 接口，支持用户在网格环境中进行结构工程实验，使用网格中的各种实验资源。 档案数据管理服务将结构工程网格中的数据资源管理起来，为用户提供统一的访 问服务，它不仅提供实验数据的档案化管理，同时为用户对数据进行二次使用提 供方便。 语义服务层是在网格服务的基础上应用本体技术对不同结构、不同领域的知 识进行统一语义定义，并通过服务实现对分布式的知识与数据进行统一的组织、 执行以及协调，以便有效地管理语义、数据源以及可视化工具的语义描述。主要 根据全局本体和局部本体的映射规则对用户的查询语句进行分解，最终生成面向 各个局部数据源的子查询。然后分发各个子查询任务到服务层，通过服务层提供 的网格服务和w e b 服务实现对网格资源的访问。其作用是分解和执行应用层的 基于语义的数据访问应用，并根据应用的具体需求，提供给下层的网格中间件， 实现对相应的资源的调度运行。 网格门户层负责与用户的交互。主要包括三个部分：实验管理门户、语义门 户和数据管理门户，分别针对结构工程网格不同的应用子系统。 1 4 论文组织结构 本文首先在第2 章对结构工程实验的内容进行了深入的分析，将结构工程实 验内容总结为构件、加载和观测三方面；依据结构工程实验需求对结构工程实验 的参与角色进行了划分，分析了结构工程实验流程；针对分布式结构工程实验的 特点，提出了分布式结构工程实验管理、设备远程控制和远程在线实验数据观测 等关键问题，为后续章节的设计提供了依据。 第3 章参照网格体系结构规范o g s a 设计了结构工程网格实验管理子系统体 系结构，自上而下将体系结构层次分为了网格门户层、网格应用服务层、网格中 间件层、服务封装层和资源层，体系结构中核心模块支持结构工程网格实验管理 需求。 第4 章解决了分布式结构工程实验环境中设备远程控制的问题，设计设备远 程控制框架支持对分布、异构实验设备的远程控制；基于设备远程控制框架实现 了对i m c 数据采集设备的远程控制功能。 第5 章解决了分布式结构工程实验环境中在线实验数据远程观测的问题，基 于r b n b 数据流服务器实现了在线实验数据管理的功能，支持远程用户并发访 问在线数据。 第6 章设计了本地站点实验管理系统，实现了结构工程实验的提交、审核、 8 第l 荤绪论 生成实验方案、配置实验设备等结构工程实验流程中所涉及到的各项功能，支持 本地站点实验管理的需求，为网格环境下结构工程实验管理提供支撑。 第7 章设计了结构工程网格实验管理子系统。首先，根据结构工程特点，设 计了结构工程资源管理系统，为解决结构工程网格环境下资源的注册、监控、查 询问题提供了可行的方案，将本地实验站点中的各种资源整合到网格环境中；设 计了全局实验管理系统，为网格环境下实验的提交、查询，屏蔽分布站点信息异 构性提供了功能支撑，解决了分布式结构工程实验管理中的核心问题。 最后，第8 章在以北京工业大学网格中心和结构工程实验中心为基础构建的 分布式实验环境中，对结构工程网格实验管理子系统进行了实例验证。实验表明， 该系统较好地解决了分布式结构工程实验的关键问题，促进了资源共享，提高了 实验的协作化程度。 9 第2 章结构工程网格实验管理分析 第2 章结构工程网格实验管理分析 2 1 结构工程实验分析 2 1 1 结构工程实验内容 结构工程实验瞵，矧是研究和发展土木工程结构新材料、新体系、新施工工艺 以及探索结构计算分析、设计理论的重要手段，在土木工程结构科学研究和技术 创新等方面起着重要的作用。结构工程实验研究的主要内容有：结构静力实验和 动力实验的加载模拟技术，结构变形的量测技术，实验数据的采集和处理技术， 以及对实验对象进行理论分析或技术评价。 结构工程实验的任务是在结构物或实验对象上，使用仪器设备和工具，以各 种实验技术为手段，在荷载或其他因素的作用下，通过量测与结构工作性能有关 的各种参数，从强度、刚度和抗裂性以及结构实际破坏形态来判明结构的实际工 作性能，估计结构的承载能力，确定结构对使用要求的符合程度，并用以检验和 发展结构的计算理论。由结构工程实验的任务可知，它是以实验方式测定有关数 据，由此反映结构或构件的工作性能、承载能力和相应的安全度，为结构的安全 使用和设计理论的建立提供重要根据。 本文根据对结构工程实验内容进行深入的研究分析，将实验的内容总结为实 验构件方案、实验加载方案和实验观测方案三部分。下面将对这三部分内容进行 具体解释。 ( i ) 实验构件方案 实验构件方案是对实验对象的具体描述。实验构件的型式和大小与实验的目 的相关。它可以是真实结构，也可以是其中的某一部分。若把真实结构称作真型 或足尺，则不论是整体或它的一部分，由于都是足尺，势必导致实验的规模很大， 所需加荷设备的容量和费用会很高，制作构件的材料费、加工费也随之增加。所 以当进行研究性实验时，一般都应将原型尺寸按一定的比例缩小，缩小后的构件 称缩尺构件或模型。 实验构件的设计应包括构件形状的选择、构件尺寸与数量的确定以及构造措 施的研究考虑，同时必须满足结构与受力的边界条件、实验的破坏特征、实验加 载条件的要求，最后以最少的构件数量获得最多的实验数据，反映研究的规律满 足研究任务的需要。 1 ) 构件形状 北京工业大学工学硕士学位论文 构件的形状设计没有严格的规范，它受到实验目的、实验场地、实验设 备等条件的综合制约。在设计构件形状时，虽然和构件的比例无关，但最重 要的是要造成和设计目的相一致的应力状态。 2 ) 构件尺寸 构件尺寸就是构件的大小，实验本身对尺寸的要求是1 ：1 。但更多的实 验由于种种制约而达不到1 ：1 ，其制约上限是实验的载荷能力，制约的下限 是实验结果的真实性。结构工程实验与检测所用构件的尺寸和大小，从总体 上分为真型、模型和小试件三类。 3 ) 构件数目 构件数量的制约条件是实验结果的准确性和实验的经济能力。构件数量 的设计方法有优选设计法、因子设计法、正交设计法和均匀设计法四种。 4 ) 结构实验对构件设计的构造 在构件设计中，当确定了实验形状、尺寸和数量后，在每一个具体构件 的设计和制作过程中，还必须同时考虑构件安装、加荷、量测的需要，在构 件上做出必要的构造措施，对于科研实验尤为重要。 ( 2 ) 实验加载方案 结构上的作用分为直接作用与间接作用。直接作用主要是荷载作用，包括施 加在结构上的作用和结构自重；间接作用主要有温度变化、地基不均匀沉降和结 构内部物理或化学作用等。直接作用又分为静力荷载作用和动力荷载作用两类。 静载作用是指对结构或构件不引起加速度或加速度可以忽略不计的作用；动载作 用则是使结构或构件产生不可忽略的加速度反映的直接作用。 结构实验是为了真实反映结构在实际受力工作状态下的结构反应，所以结构 的荷载实验是结构实验的基本方法。实验用的荷载形式、大小、加载方式等都是 根据实验的目的要求，尽可能更好的模拟结构的实际荷载。 实验荷载方案设计内容主要包括：荷载类型的选择、荷载架的选择、结构构 件支座设计、荷载图式的选择、加载制度设计、实验装置设计、卸荷方案设计等。 荷载