運營期城市橋梁群健康監(jiān)測系統(tǒng)探索

我國城市建設(shè)已經(jīng)從高速發(fā)展階段進入高質(zhì)量發(fā)展階段，城市交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)增速放緩，發(fā)展重點轉(zhuǎn)向?qū)Υ媪吭O(shè)施的養(yǎng)護和管理。橋梁作為城市交通的重要節(jié)點，是制約城市交通穩(wěn)定、可靠、高效運行的咽喉，是管理部門養(yǎng)護的重點。為解決運營期城市橋梁群養(yǎng)護過程中巡檢不全面、不及時的問題，本文提出利用BIM、物聯(lián)網(wǎng)、北斗定位等技術(shù)，構(gòu)建信息系統(tǒng)，融合檢測信息與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)，為管養(yǎng)部門提供一體化監(jiān)測平臺，輔助開展智慧化養(yǎng)護。1、在役橋梁健康監(jiān)測存在的問題我國橋梁管理部門在管理實踐中，已經(jīng)形成檢測評定、健康監(jiān)測等結(jié)構(gòu)安全管理體系，服務(wù)于橋梁的運營期養(yǎng)護。但受限于技術(shù)手段、工作流程，目前仍然存在亟待解決的問題。1.1城市橋梁檢測評估存在不足根據(jù)《城市橋梁養(yǎng)護技術(shù)標準》（CJJ99—2017）要求，城市橋梁必須按規(guī)定進行檢測評估，分為經(jīng)常性檢查、定期檢測和特殊監(jiān)測，其中定期檢測又分為常規(guī)定期監(jiān)測和結(jié)構(gòu)定期檢測。按照技術(shù)標準開展的橋梁檢測評估仍存在以下不足。(1）人工目測局限性大經(jīng)常性檢查、常規(guī)定期檢測主要對裂縫、坑槽、車轍、跳車、殘缺等表觀病害進行檢查，且檢查以人工目測為主，病害檢出的檢出率、效率、準確率受檢測人員經(jīng)驗影響較大。另外，受限于可達性，橋梁底面、高橋墩等的病害檢測存在較大難度，極易造成漏檢。(2）技術(shù)評級精細化不足為形成直觀、易理解的評價結(jié)果，《城市橋梁養(yǎng)護技術(shù)標準》根據(jù)橋梁完好狀態(tài)（BCI指數(shù)）將橋梁分為A～E共五級，根據(jù)結(jié)構(gòu)狀況（BSI指數(shù)）同樣將橋梁分為A～E共五級，檢測評級并不能直接量化反映橋梁結(jié)構(gòu)病害狀況，具有相同評級的橋梁其病害可能完全不同，橋梁評級并不能直接指導橋梁的精細化養(yǎng)護。1.2橋梁檢測與健康監(jiān)測融合問題橋梁檢測評定屬于《城市橋梁檢測和養(yǎng)護維修管理辦法》中規(guī)定的行政主管部門應(yīng)當開展的工作，是橋梁養(yǎng)護、維修的依據(jù)。而健康監(jiān)測是利用橋梁結(jié)構(gòu)部署的各類可實時感知與通信的傳感器，獲取橋梁服役環(huán)境、結(jié)構(gòu)響應(yīng)等相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過對數(shù)據(jù)的分析，實現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)實時狀態(tài)的監(jiān)測和安全性能的評估，為制定橋梁養(yǎng)護方案和管理決策提供支持。然而現(xiàn)實情況是，由于法律法規(guī)不完善，技術(shù)水平不成熟，標準體系未建立，導致橋梁技術(shù)狀況檢測評定與橋梁健康監(jiān)測難以有效融合，健康監(jiān)測結(jié)果不能完全替代技術(shù)狀況檢測評定。2在役城市橋梁群監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成針對當前我國城市面臨的橋梁新建速度放緩，服役期橋梁占比不斷上升，養(yǎng)護部門壓力激增的現(xiàn)狀，本文結(jié)合實踐，提出一套以GIS+BIM為底座，融合應(yīng)用無人機傾斜攝影、物聯(lián)網(wǎng)、北斗定位等信息技術(shù)，通過對在役城市橋梁群進行監(jiān)測的信息系統(tǒng)，將橋梁檢測評定、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、交通運行等多維度數(shù)據(jù)進行融合，幫助管理部門提升日常管理水平，支撐開展精準養(yǎng)護。2.1系統(tǒng)總體架構(gòu)系統(tǒng)自下而上分為五個層次：基礎(chǔ)支撐層、感知終端層、通信鏈路層、數(shù)據(jù)中心層、智慧應(yīng)用層。基礎(chǔ)支撐層：提供系統(tǒng)部署所必需的環(huán)境，考慮到可擴展性和可維護性，本系統(tǒng)采用云部署方案，基礎(chǔ)支撐環(huán)境包括云計算資源、云存儲資源、云安全資源。感知終端層：由布設(shè)在被監(jiān)測橋體上的設(shè)備和傳感器組成，包括北斗基準站、北斗監(jiān)測站、傾角儀、位移計，溫濕度傳感器、高清攝像機等。通信鏈路層：根據(jù)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)條件，采用光纖專網(wǎng)，或移動通信網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)帶寬最少滿足4G要求。數(shù)據(jù)中心層：根據(jù)數(shù)據(jù)類型、使用頻率等建設(shè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、模型數(shù)據(jù)庫、非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫、動態(tài)數(shù)據(jù)庫。智慧應(yīng)用層：開發(fā)橋梁一張圖、運行監(jiān)測和智慧養(yǎng)護三個應(yīng)用。圖1總體架構(gòu)圖2.2監(jiān)測數(shù)據(jù)采集城市橋梁群健康監(jiān)測系統(tǒng)融合物聯(lián)網(wǎng)感知、機器視覺等多種采集手段，動態(tài)采集橋梁群的病害、結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)，打造城市橋梁群健康監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。不同手段采集的數(shù)據(jù)如下：(1）物聯(lián)網(wǎng)感知物聯(lián)網(wǎng)感知由感知節(jié)點和傳輸網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，感知節(jié)點為布設(shè)在被測橋體上的各類傳感器，對橋梁結(jié)構(gòu)性能參數(shù)的實時、不間斷感知，并通過網(wǎng)絡(luò)回傳至控制中心進行匯總，為養(yǎng)護部門提供實時掌握橋梁結(jié)構(gòu)微觀變化的千里眼。常見城市橋梁結(jié)構(gòu)感知傳感器見表1。

表1常見城市橋梁結(jié)構(gòu)感知傳感器傳感器需要牢固、可靠安裝于要求的位置，能夠在惡劣室外條件下穩(wěn)定運行，滿足監(jiān)測要求，同時做好防雷、防電磁干擾。(2）無人機圖像采集依賴于人工智能等計算機科學、攝影設(shè)備以及無人機等載體平臺的不斷發(fā)展和進步，無人機圖像采集在土木工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，該系統(tǒng)利用其遠距離、無接觸、可全檢、速度快的特點，利用無人機搭載不同的圖像模組，采集以下兩方面數(shù)據(jù)。①病害識別基于無人機平臺搭載高分辨率攝像頭，按照預設(shè)的路徑，對待檢橋梁進行繞飛，獲取橋梁所有可視表面的高分辨率圖像，利用圖像識別技術(shù)自動識別，提取并標注裂縫、破損、露筋、位移等病害信息，并記錄其準確空間位置。②傾斜攝影為整合所有傳感器感知數(shù)據(jù)、病害檢查數(shù)據(jù)、橋梁運行數(shù)據(jù)，基于統(tǒng)一底板進行展示，本系統(tǒng)構(gòu)建城市橋梁群BIM模型，用于可視化展示以及制定養(yǎng)護決策。在役橋梁建設(shè)時序和基礎(chǔ)資料情況不同，對于沒有交付BIM模型或數(shù)字圖紙缺失的橋梁，本系統(tǒng)利用無人機搭載五鏡頭攝像機，根據(jù)預設(shè)的路線對橋梁采集橋梁結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境信息，進行三維模型的快速構(gòu)建，在BIM軟件中基于傾斜攝影模型，搭建精細化的橋梁三維模型，疊加橋梁運行、病害、養(yǎng)護等信息后，形成支撐橋梁健康監(jiān)測的BIM模型。圖2無人機病害檢查2.3系統(tǒng)功能模塊(1）橋梁群一張圖在GIS地圖上疊加城市各橋梁BIM模型，形成橋梁群一張圖，展示城市內(nèi)各橋梁的分布，可查看周邊的地形、道路、河流等信息，在每個橋梁的圖標上標注橋梁名稱和病害數(shù)量，兩側(cè)的看板中以指標和圖表的形式展示橋梁的類型分布、病害類型分布等信息，以直觀的方式向用戶展示橋梁群的基本情況和整體健康狀況。(2）運行監(jiān)測主要實現(xiàn)對橋梁交通運行狀況、結(jié)構(gòu)健康狀況、運行環(huán)境等的監(jiān)測，交通運行狀況包括交通流量、交通事件、視頻監(jiān)控等信息，結(jié)構(gòu)健康狀況包括各傳感器回傳的位移、振動、應(yīng)變等信息，運行環(huán)境包括環(huán)境溫度、濕度等信息。系統(tǒng)支持點選查看單個傳感器的實時數(shù)值，也可組合不同傳感器數(shù)據(jù)，組成監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)可通過折線圖展示各參數(shù)的變化情況，當指標超過預設(shè)的閾值時，系統(tǒng)可自動報警。(3）智慧養(yǎng)護基于BIM模型，疊加病害信息、養(yǎng)護信息，形成橋梁養(yǎng)護檔案，用戶可通過拖拽模型，查看墩柱、底板等隱蔽位置的病害信息，指導養(yǎng)護部門制定養(yǎng)護策略。系統(tǒng)內(nèi)置智能養(yǎng)護模型，根據(jù)系統(tǒng)動態(tài)感知的橋梁結(jié)構(gòu)健康狀況，結(jié)合承載的交通量特點，推演結(jié)構(gòu)病害的變化規(guī)律，指導預防性養(yǎng)護策略制定。3、西咸新區(qū)橋梁群應(yīng)用案例西咸新區(qū)位于陜西省西安市和咸陽市建成區(qū)之間，為國家級新區(qū)，轄區(qū)內(nèi)共有橋梁13座，其中大橋8座。建設(shè)了基于BIM的橋梁群監(jiān)測系統(tǒng)，通過布設(shè)在橋體上的位移、振動、應(yīng)變、溫濕度等傳感器，實現(xiàn)了對橋梁運行動態(tài)的實時監(jiān)測和預警。系統(tǒng)通過定期的無人機排查，精準、快速定位了一系列位于底板下部、支柱頂端等人力難以觸及的病害。系統(tǒng)提供了基于GIS的城市橋梁群一張圖，可從全局視角查看橋梁分布、病害統(tǒng)計、交通力量等信息。在微觀層面，系統(tǒng)疊加了橋梁的BIM模型，用戶可對模型進行縮放、旋轉(zhuǎn)、分解等操作，以直觀方式展現(xiàn)橋梁特征，并可查看位于底板、橋墩等位置的病害信息。系統(tǒng)可實時查看結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測設(shè)備的實時參數(shù)，并繪