橋梁健康監(jiān)測(cè)及養(yǎng)護(hù)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

橋梁健康監(jiān)測(cè)及養(yǎng)護(hù)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)武智霞;韓鵬;鄭樹(shù)泉;黃慧穎【摘要】針對(duì)大數(shù)據(jù)環(huán)境下的橋梁智能化運(yùn)維管理，分析橋梁數(shù)據(jù)的來(lái)源及實(shí)際應(yīng)用，給出一種支持大量數(shù)據(jù)接入及分析處理的橋梁健康監(jiān)測(cè)及養(yǎng)護(hù)平臺(tái)架構(gòu),可實(shí)現(xiàn)面向區(qū)域化的橋梁運(yùn)維管理.基于該架構(gòu)對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行研發(fā)，包括軟、硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).平臺(tái)采用云端管理模式，用戶通過(guò)配置管理建立新增橋梁在云端的虛擬模型，無(wú)需進(jìn)行過(guò)多的頁(yè)面及功能開(kāi)發(fā)便可實(shí)現(xiàn)橋梁的快速接入.平臺(tái)已在上海市多座橋梁進(jìn)行了示范應(yīng)用.%Aimatintelligentoperationandmanagementofbridgeinthebigdataenvironment,analysingthesourcesofthebridgedataandpracticalapplication,presentingaframeworkofbridgehealthmonitoringandmaintenanceplatform,supportinglargeamountofdataaccess,whichrealizedthebridgemaintenancemanagementforregionaldevelopment.Baseontheframeworkofapplicationsystemforresearchanddevelopment,itincludssoftwareandhardware.Theplatformusescloudmanagementmode,andtheusercanestablishthenewvirtualmodelofbridgethroughtheconfiguration,withoutmanypagesandfunctiondevelopment.TheplatformhasbeenappliedinseveralbridgesinShanghai.【期刊名稱】《計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件》【年(卷)，期】2018(035)005【總頁(yè)數(shù)】6頁(yè)(P109-114)【關(guān)鍵詞】大數(shù)據(jù);健康監(jiān)測(cè);橋梁結(jié)構(gòu);智能化【作者】武智霞;韓鵬;鄭樹(shù)泉;黃慧穎【作者單位】上海計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)開(kāi)發(fā)中心上海201112;上海產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院上海201206;上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司上海200092;上海計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)開(kāi)發(fā)中心上海201112;上海產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院上海201206;上海計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)開(kāi)發(fā)中心上海201112;上海產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院上海201206【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】TP319;U445.70引言在智慧城市建設(shè)過(guò)程中，市政基礎(chǔ)設(shè)施是城市系統(tǒng)運(yùn)行的基本載體，其中，城市道路作為城市經(jīng)濟(jì)生活的重要脈絡(luò)，是智慧城市功能正常發(fā)揮和城市可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)保障。在龐大的公路交通體系中，橋梁網(wǎng)絡(luò)承載了道路跨河、跨線關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)乃至長(zhǎng)大線路的交通任務(wù)。以上海市為例，2013年普查數(shù)據(jù)顯示，全市共有公路橋梁10393座，其中包括國(guó)道橋梁761座，省道橋梁1004座，縣道橋梁2305座，鄉(xiāng)道橋梁5483座，村道橋梁840座。其中，縣道以上公路橋梁總長(zhǎng)度超過(guò)435km，鄉(xiāng)村公路橋梁總長(zhǎng)度超過(guò)150kmo^梁管養(yǎng)和運(yùn)維問(wèn)題日益突出。整合道路橋梁結(jié)構(gòu)、運(yùn)維環(huán)境、運(yùn)行荷載等數(shù)據(jù)資源，構(gòu)建信息化綜合管理和服務(wù)平臺(tái)，在大數(shù)據(jù)時(shí)代，為政府和管理部門(mén)提供運(yùn)維管理信息化支撐，為現(xiàn)有管養(yǎng)工作提供增值服務(wù)，為公共安全保駕護(hù)航。1需求及現(xiàn)狀橋梁在長(zhǎng)期運(yùn)維條件下，面臨來(lái)自交通負(fù)荷、運(yùn)營(yíng)環(huán)境等復(fù)雜條件的作用，存在來(lái)自車(chē)輛（船舶）撞擊、車(chē)輛超荷、危險(xiǎn)品泄漏、自然和地質(zhì)災(zāi)害等突發(fā)型事件的風(fēng)險(xiǎn)，以及材料劣化、地基沉降等因素造成的漸變型風(fēng)險(xiǎn)。比如，2016年5月，兩輛裝載預(yù)制管樁的掛車(chē)超載通過(guò)上海中環(huán)線高架道路，其中一輛撞擊防沖墻并導(dǎo)致車(chē)上裝載的大量管樁脫離固定，撞毀前方駕駛室。部分預(yù)制管樁墜落橋下，劇烈的重心位移加上撞擊沖力，更是導(dǎo)致該處中環(huán)高架橋梁體發(fā)生扭轉(zhuǎn)和橫向偏移。橋面移位變形，最大高差處約40cm。事發(fā)后，很多民眾質(zhì)疑高架橋的質(zhì)量問(wèn)題。實(shí)則，上海中環(huán)高架按照《城市橋梁設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)》修建的，其最大設(shè)計(jì)通行時(shí)速80km/h，設(shè)計(jì)被主要用于通過(guò)各類客車(chē)、小型汽車(chē)。按照上海本地通行規(guī)則，不允許載重貨車(chē)上橋，更不會(huì)允許100t以上車(chē)輛上橋。顯然，肇事車(chē)輛屬于嚴(yán)重違法行為，并且是在凌晨無(wú)交警值守期間駛?cè)?，最終釀成大禍。值得注意的是，中環(huán)高架上沒(méi)有安裝車(chē)輛測(cè)重設(shè)備，只能通過(guò)交警和路政聯(lián)合執(zhí)法來(lái)加以制止，這恰恰給了肇事車(chē)輛違章的機(jī)會(huì)。傳統(tǒng)的管養(yǎng)體系主要以人工定期巡檢為主，一來(lái)缺乏與運(yùn)維安全相關(guān)指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，管理部門(mén)在巡檢間隔期無(wú)法即時(shí)體察風(fēng)險(xiǎn)；二來(lái)由于結(jié)構(gòu)體量、橋位環(huán)境、并行構(gòu)造物等阻隔因素，為數(shù)很多的橋梁巡檢可達(dá)性較差，人員安全風(fēng)險(xiǎn)高，加之惡劣環(huán)境等因素影響，難以保持高頻度巡檢，這使得運(yùn)維管理工作對(duì)網(wǎng)絡(luò)化、區(qū)域化、實(shí)時(shí)性監(jiān)管技術(shù)的需求日趨迫切。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，大量研究將信息技術(shù)應(yīng)用于橋梁管養(yǎng)，總結(jié)目前橋梁管養(yǎng)方面的研究主要包括以下三個(gè)方面：1）橋梁管養(yǎng)平臺(tái)的搭建特別是物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算技術(shù)的提出，搭建基于物聯(lián)網(wǎng)和云平臺(tái)的橋梁管養(yǎng)平臺(tái)成為主要研究方向［1-4］，大都基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)搭建了從底層感知層到頂層應(yīng)用層的完整系統(tǒng)，文獻(xiàn)［1］強(qiáng)調(diào)了中間件技術(shù)的應(yīng)用，文獻(xiàn)［2］在搭建整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建立了橋梁健康監(jiān)測(cè)安全預(yù)警模型。一些由國(guó)家及政府部門(mén)主導(dǎo)的橋梁管養(yǎng)系統(tǒng)已經(jīng)在實(shí)際橋梁中得以應(yīng)用，但大都是在試用階段。2） 基于數(shù)據(jù)采集的研究基于已搭建好的完整系統(tǒng)和已取得的研究成果，一些學(xué)者著重對(duì)完整系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)重要子系統(tǒng)開(kāi)展了研究。首先是數(shù)據(jù)采集方面的研究，橋梁結(jié)構(gòu)傳感網(wǎng)絡(luò)的搭建提供了橋梁服役期間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，文獻(xiàn)［5］統(tǒng)計(jì)了國(guó)內(nèi)部分橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器安裝的時(shí)間及數(shù)量。文獻(xiàn)［6］具體研究了FBG應(yīng)變傳感器在橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)上的實(shí)用性，并應(yīng)用于東海大橋。文獻(xiàn)［7］則設(shè)計(jì)了一套通用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其次是在數(shù)據(jù)傳輸方面的研究，文獻(xiàn)［8］基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)搭建了橋梁檢測(cè)系統(tǒng)。還有對(duì)單個(gè)重點(diǎn)數(shù)據(jù)項(xiàng)采集的準(zhǔn)確度研究，例如文獻(xiàn)［9］和文獻(xiàn)［10］就是針對(duì)撓度這一重要的變形檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究。3） 面向數(shù)據(jù)應(yīng)用的研究數(shù)據(jù)價(jià)值最終要體現(xiàn)在解決實(shí)際問(wèn)題上，對(duì)于橋梁此類大型市政設(shè)施來(lái)說(shuō)，一旦出現(xiàn)問(wèn)題就會(huì)危及到整個(gè)城市的運(yùn)作甚至人民的生命安全，最好是做到防患于未然，在問(wèn)題出現(xiàn)前得到預(yù)警。因此橋梁結(jié)構(gòu)安全方面的研究一直是重點(diǎn)方向，在大數(shù)據(jù)技術(shù)被廣泛應(yīng)用之前，一些數(shù)據(jù)分析算法就被用來(lái)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、實(shí)現(xiàn)預(yù)警，例如文獻(xiàn)［11］中應(yīng)用了主成分分析、聚類等數(shù)據(jù)分析算法，并建立了橋梁狀態(tài)評(píng)估模型。大數(shù)據(jù)技術(shù)發(fā)展的日漸成熟提高了此研究成果的可靠性和實(shí)用性。文獻(xiàn)［12］提出的基于模糊理論的遺傳算法對(duì)于大數(shù)據(jù)量的損傷識(shí)別具有不錯(cuò)的效果；文獻(xiàn)［13］針對(duì)大量橋梁數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行了數(shù)據(jù)預(yù)處理研究；文獻(xiàn)［14］則在橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中用了大數(shù)據(jù)處理平臺(tái)。2橋梁結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)來(lái)源及應(yīng)用2.1橋梁結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)來(lái)源參照工業(yè)大數(shù)據(jù)的定義［15］，本文按照橋梁結(jié)構(gòu)全生命周期，即設(shè)計(jì)階段、施工階段、運(yùn)營(yíng)階段產(chǎn)生的數(shù)據(jù)來(lái)介紹橋梁結(jié)構(gòu)化及非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)來(lái)源。1）設(shè)計(jì)階段橋梁在設(shè)計(jì)階段所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包括橋梁結(jié)構(gòu)相關(guān)的CAD圖紙、工程數(shù)量表、重要構(gòu)件的尺寸等相關(guān)信息、軟件設(shè)計(jì)模型、運(yùn)行分析、強(qiáng)度、鋼度、穩(wěn)定性、荷載等技術(shù)條件驗(yàn)算結(jié)果。這些數(shù)據(jù)是橋梁實(shí)體建成前的圖形化表達(dá)，可作為橋梁驗(yàn)收實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的參考，在橋梁運(yùn)維階段也可以作為橋梁健康評(píng)估的參考數(shù)據(jù)，為決策分析提供支持。2） 施工階段橋梁在施工過(guò)程中由于受氣候、環(huán)境等因素影響，結(jié)構(gòu)材料可能會(huì)腐蝕和老化，成橋很可能與設(shè)計(jì)要求不符，因此施工階段的質(zhì)量管理尤為重要，也是施工階段數(shù)據(jù)的主要來(lái)源。它包括施工前的地質(zhì)測(cè)量數(shù)據(jù)、施工過(guò)程中各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的階段性實(shí)測(cè)結(jié)果、施工過(guò)程記錄信息、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)/技術(shù)/質(zhì)檢人員等可追溯性資料，以及橋梁驗(yàn)收信息。3） 運(yùn)營(yíng)階段運(yùn)營(yíng)階段涉及的數(shù)據(jù)是橋梁結(jié)構(gòu)最為重要的數(shù)據(jù)來(lái)源，包括靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)：靜態(tài)數(shù)據(jù)包括人工巡檢/點(diǎn)檢數(shù)據(jù)以及橋梁病害、健康狀況評(píng)定等相關(guān)信息；動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)主要通過(guò)安裝在橋梁上的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳感器獲得，諸如橋體結(jié)構(gòu)的撓度、應(yīng)變、振動(dòng)、梁體轉(zhuǎn)角等，路面溫度、變形、路基含水量、拼寬、路面開(kāi)裂、護(hù)欄撞擊感知等。除利用傳感器采集橋梁數(shù)據(jù)外，將橋梁支座、伸縮縫這類傳統(tǒng)〃純受力構(gòu)件”提升為可感知、可測(cè)力的智能化產(chǎn)品是未來(lái)橋梁建設(shè)的一個(gè)趨勢(shì)。4） 其他數(shù)據(jù)除以上三個(gè)階段的橋梁全生命周期數(shù)據(jù)外，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范也是一項(xiàng)數(shù)據(jù)來(lái)源，如《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》、《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》等。該類數(shù)據(jù)對(duì)橋梁質(zhì)量的把控、各項(xiàng)預(yù)警條件的設(shè)定起到?jīng)Q定性作用。2.2橋梁數(shù)據(jù)應(yīng)用橋梁管養(yǎng)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、時(shí)效化、便捷化、信息化、一體化的橋梁維護(hù)，同時(shí)推動(dòng)橋梁維護(hù)工作在理論、技術(shù)、實(shí)踐三方面的全面革新。本文從面向事件的監(jiān)測(cè)和運(yùn)維保養(yǎng)兩個(gè)方面介紹橋梁數(shù)據(jù)的應(yīng)用及價(jià)值體現(xiàn)。2.2.1面向事件的監(jiān)測(cè)面向事件的監(jiān)測(cè)指針對(duì)突發(fā)事件的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及提前預(yù)警，如上文提到的上海中環(huán)事件，可以通過(guò)撓度傳感器監(jiān)測(cè)橋梁、桁架等受力構(gòu)件荷載作用下的最大變形，同時(shí)與溫度等輔助數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)判定出有超重車(chē)輛通過(guò)。除此之外，撓度還可與路面稱重系統(tǒng)(地磅)聯(lián)動(dòng)，與交通監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)疑似重車(chē)抓拍。利用撓度大值偵測(cè)，關(guān)聯(lián)相關(guān)輔助數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)面向事件的監(jiān)測(cè)，加強(qiáng)了“時(shí)間”的可達(dá)性，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)積累，類事故應(yīng)該是早有預(yù)測(cè)的。2.2.2運(yùn)維保養(yǎng)通過(guò)數(shù)據(jù)趨勢(shì)判定潛在隱患通過(guò)一段時(shí)間的數(shù)據(jù)積累可以了解到數(shù)據(jù)的大體趨勢(shì)，橋梁撓度和局部混凝土應(yīng)變有直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可相互校核、支撐。伴隨每天交通量的變化，橋梁撓度、應(yīng)變呈現(xiàn)周期性變化，上海市某橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，每日14:00-16:00期間撓度、應(yīng)變變化較顯著，該時(shí)段是重車(chē)通行的集中時(shí)段，橋梁撓度規(guī)律性增大。到晚高峰，以私家車(chē)、客運(yùn)車(chē)輛為主，橋梁撓度整體減小。雖然在一天內(nèi)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是有波動(dòng)的，但總體趨勢(shì)變化不會(huì)太大，倘若某一時(shí)期發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)規(guī)律明顯異常，則應(yīng)立即引起重視。通過(guò)橋梁自振特性判定潛在性能變遷傳感器不可能覆蓋所有位置和所有指標(biāo)，人工巡檢間隔時(shí)間長(zhǎng)，時(shí)效性差，因而，對(duì)結(jié)構(gòu)整體的潛在性能變遷，難以及時(shí)體察。例如，結(jié)構(gòu)多處出現(xiàn)混凝土裂縫、普遍出現(xiàn)內(nèi)部不可見(jiàn)微裂縫、內(nèi)部鋼筋銹蝕、鋼筋-混凝土粘結(jié)效應(yīng)下降等“潛在劣化”病害。利用結(jié)構(gòu)的自振頻率和損傷的內(nèi)在對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)振動(dòng)監(jiān)測(cè)的方式，體察潛在風(fēng)險(xiǎn)，防微杜漸。若某時(shí)期橋梁卓越頻率發(fā)生了較大的變遷，則表明結(jié)構(gòu)可能存在明顯的剛度退化，應(yīng)檢查結(jié)構(gòu)是否存在內(nèi)部性能變遷或病害。3橋梁健康監(jiān)測(cè)及養(yǎng)護(hù)平臺(tái)架構(gòu)面向大量橋梁的區(qū)域化安全運(yùn)維系統(tǒng)，是傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸與處理技術(shù)、服務(wù)體系等多個(gè)要素的綜合體，應(yīng)從軟硬件技術(shù)水平、服務(wù)模式和質(zhì)量等多方面對(duì)橋梁的運(yùn)維安全予以保障。平臺(tái)設(shè)計(jì)要考慮到區(qū)域覆蓋力、經(jīng)濟(jì)性、可復(fù)制性、可持續(xù)性。3.1總體架構(gòu)橋梁健康監(jiān)測(cè)及養(yǎng)護(hù)平臺(tái)利用各類傳感器采集橋梁環(huán)境、橋體狀況、交通狀況等各類數(shù)據(jù)信息，監(jiān)控橋梁有無(wú)變形、伸縮、裂縫、滲水等狀況，并根據(jù)狀況給出報(bào)警信息，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)橋梁健康狀況進(jìn)行評(píng)估，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁日常運(yùn)行情況的監(jiān)管，為橋梁維保提供決策支持。平臺(tái)總體架構(gòu)自底向上由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層、用戶層構(gòu)成，如圖1所示。圖1橋梁健康監(jiān)測(cè)及養(yǎng)護(hù)平臺(tái)總體架構(gòu)感知層：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集并上傳至網(wǎng)絡(luò)層，由于橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)涉及到不同類型的傳感器，因此感知層需具有協(xié)議的適配及信息的協(xié)同處理能力。同時(shí)按照應(yīng)用層的配置指令進(jìn)行節(jié)點(diǎn)配置、節(jié)點(diǎn)通信及接入傳感設(shè)備的訪問(wèn)控制。網(wǎng)絡(luò)層：將來(lái)自感知層的各類信息通過(guò)基礎(chǔ)承載網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綉?yīng)用層。應(yīng)用層：包括服務(wù)支撐子層和應(yīng)用系統(tǒng)子層，服務(wù)支撐子層根據(jù)底層采集的數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)、公共中間件、云計(jì)算平臺(tái)形成與業(yè)務(wù)需求相適應(yīng)的實(shí)時(shí)更新的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)資源庫(kù)。應(yīng)用系統(tǒng)子層根據(jù)業(yè)務(wù)需求劃分為基礎(chǔ)管理系統(tǒng)、橋梁安全監(jiān)控系統(tǒng)、應(yīng)急保通系統(tǒng)、工業(yè)定損與檢修系統(tǒng)以及中心信息管理系統(tǒng)組成。3.2應(yīng)用系統(tǒng)1） 基礎(chǔ)管理系統(tǒng)基礎(chǔ)管理系統(tǒng)由權(quán)限管理子系統(tǒng)、配置管理子系統(tǒng)、資源管理子系統(tǒng)構(gòu)成。權(quán)限管理子系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)不同類型用戶設(shè)置不同的管理和訪問(wèn)權(quán)限。配置管理子系統(tǒng)通過(guò)對(duì)橋梁以及橋梁上的傳感設(shè)備、采集網(wǎng)關(guān)等相關(guān)屬性和參數(shù)的配置，在平臺(tái)端搭建一座與物理橋梁相對(duì)應(yīng)的虛擬橋梁，建立物理世界和虛擬網(wǎng)絡(luò)之間的映射關(guān)系。資源管理其一對(duì)橋梁、采集設(shè)備、傳感器等橋梁相關(guān)設(shè)備進(jìn)行管理，其二對(duì)系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)資源進(jìn)行管理，包括數(shù)據(jù)接入/接出等。2） 橋梁安全監(jiān)控系統(tǒng)安全監(jiān)控系統(tǒng)，包含橋梁結(jié)構(gòu)安全子系統(tǒng)、運(yùn)維條件監(jiān)控子系統(tǒng)、水上交通安全子系統(tǒng)等組成部分。其中，橋梁結(jié)構(gòu)安全子系統(tǒng)，以傳感設(shè)備監(jiān)測(cè)為主要工作方式，監(jiān)控橋梁主體結(jié)構(gòu)、道路及附屬結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的安全狀態(tài)。運(yùn)維條件監(jiān)控子系統(tǒng)負(fù)責(zé)橋梁相關(guān)的車(chē)輛通行、船舶通航總體監(jiān)控，是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控工作的核心部分，為中心數(shù)據(jù)庫(kù)提供基本信息。與中小橋梁特征相應(yīng)，該子系統(tǒng)采用自動(dòng)監(jiān)控與人工監(jiān)控相結(jié)合的方式，主要基于視頻監(jiān)控、傳感器監(jiān)測(cè)和人工巡查協(xié)同進(jìn)行。水上交通安全子系統(tǒng)為針對(duì)航道橋梁設(shè)置的專有子系統(tǒng)，主要為船舶通過(guò)提供安全引導(dǎo)，通過(guò)設(shè)置航標(biāo)、引航與報(bào)警系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)防撞系統(tǒng)等工作，提高水上交通安全服務(wù)水平。應(yīng)急保通系統(tǒng)針對(duì)具體橋梁，研究病害、事故等風(fēng)險(xiǎn)事件之后的應(yīng)急保通機(jī)制。研究與應(yīng)急保通工作相關(guān)的工程資料、環(huán)境要素、搶險(xiǎn)運(yùn)輸通道、施工機(jī)械調(diào)配等應(yīng)急數(shù)據(jù)的收集與錄入方法；構(gòu)建多部門(mén)協(xié)同工作模式下的部門(mén)協(xié)調(diào)、人員調(diào)配、資金支持、責(zé)權(quán)劃歸機(jī)制。力求建立較為明確的規(guī)章制度和協(xié)同工作規(guī)程，保證在緊急事件下能夠做到整體快速響應(yīng)。使得橋梁安全運(yùn)維工作，能夠在多方權(quán)責(zé)協(xié)調(diào)的模式下，向主動(dòng)管養(yǎng)和綜合監(jiān)督的良性發(fā)展方向進(jìn)行。工程定損與檢修系統(tǒng)包含專業(yè)橋梁檢測(cè)、損傷水平確定，以及專業(yè)維修加固等工作。專業(yè)橋梁檢測(cè)工作，主要在風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生之后，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)損傷及相應(yīng)損失程度進(jìn)行評(píng)估，提供維修參考報(bào)價(jià)。在橋梁結(jié)構(gòu)服役期間，亦需要對(duì)結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行定期檢測(cè)和評(píng)估。風(fēng)險(xiǎn)事件后，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行及時(shí)維修加固，確保陸運(yùn)、航運(yùn)交通的持續(xù)暢通或快速恢復(fù)。中心信息管理系統(tǒng)中心信息管理系統(tǒng)，負(fù)責(zé)橋梁安全運(yùn)維工作的總體調(diào)度、指揮與信息處理。該系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)自動(dòng)化處理系統(tǒng)和人工指揮系統(tǒng)，其主要工作如下:接收橋梁安全監(jiān)控系統(tǒng)提供的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)；向航道和陸路交通指示系統(tǒng)推送水上交通安全和結(jié)構(gòu)安全相關(guān)的運(yùn)維信息；向安全運(yùn)維相關(guān)部門(mén)提供應(yīng)急報(bào)警，如發(fā)生事故，或監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中關(guān)鍵參數(shù)發(fā)生異常而可能造成事故發(fā)生，則及時(shí)向路政、航運(yùn)等部門(mén)推送應(yīng)急信息和應(yīng)急措施參考；對(duì)檢測(cè)維修情況進(jìn)行記錄。平臺(tái)用戶包括施工人員、養(yǎng)護(hù)部門(mén)、現(xiàn)場(chǎng)管理部門(mén)、高層管理部門(mén)，平臺(tái)根據(jù)不同的用戶類型設(shè)置不同的功能及數(shù)據(jù)訪問(wèn)權(quán)限。4橋梁健康監(jiān)測(cè)及養(yǎng)護(hù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)適用于大量橋梁區(qū)域化運(yùn)維管理，主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)平臺(tái)構(gòu)成。采用Java編碼方式，在MyEclipse下進(jìn)行開(kāi)發(fā)，采用了Struts2+Spring的主流框架，具有良好的擴(kuò)展性以及優(yōu)化的性能，并應(yīng)用Hadoop數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析及并行處理。服務(wù)器集群由數(shù)據(jù)處理與控制服務(wù)器、數(shù)據(jù)管理服務(wù)器、結(jié)構(gòu)安全評(píng)估服務(wù)器構(gòu)成。數(shù)據(jù)庫(kù)軟件采用MySql數(shù)據(jù)庫(kù)。網(wǎng)絡(luò)部署如圖2所示。圖2網(wǎng)絡(luò)部署圖4.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件系統(tǒng)描述的傳感設(shè)備以單座橋梁為例，針對(duì)具體橋梁需求可做適當(dāng)調(diào)整。表1所示為傳感器監(jiān)測(cè)布點(diǎn)信息。表1傳感器監(jiān)測(cè)布點(diǎn)信息表監(jiān)測(cè)項(xiàng)目傳感器類型測(cè)點(diǎn)數(shù)量采樣頻率環(huán)境風(fēng)荷載風(fēng)速風(fēng)向儀21Hz環(huán)境溫濕度大氣溫濕度計(jì)31分鐘/次結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變計(jì)10220Hz結(jié)構(gòu)溫度溫度傳感器211分鐘/次斜拉索索力加速度索力計(jì)201分鐘/次動(dòng)力特性單向加速度計(jì)1950Hz地震地震傳感器150Hz交通荷載動(dòng)態(tài)稱重2實(shí)時(shí)塔頂及主梁位移GPS510Hz順橋向變位位移計(jì)121Hz路面結(jié)冰路面狀況遙感傳感器21分鐘/次在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)立數(shù)據(jù)采集工作機(jī)柜，用于采集現(xiàn)場(chǎng)的各類傳感器數(shù)據(jù)，并進(jìn)行局部范圍內(nèi)的協(xié)同處理。傳感器信號(hào)包括常規(guī)模擬信號(hào)、485信號(hào)，以及動(dòng)態(tài)稱重、光纖光柵等專用傳感信號(hào)。因此，系統(tǒng)提供兩種采集模式：常規(guī)傳感器采集模式及專用傳感器采集模式。對(duì)兩類信號(hào)進(jìn)行時(shí)鐘同步處理并上傳至監(jiān)控中心?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集拓?fù)鋱D如圖3所示。圖3系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集拓?fù)鋱D1） 采集模式一一一常規(guī)模擬信號(hào)采集模式常規(guī)模擬信號(hào)通過(guò)PXI采集計(jì)算機(jī)進(jìn)行采集，涉及傳感器包括:風(fēng)速風(fēng)向傳感器、溫濕度傳感器、應(yīng)變計(jì)、加速度計(jì)、位移計(jì)等。2） 采集模式二——專用傳感器采集模式專用傳感器采集信號(hào)包括:光纖傳感器、動(dòng)態(tài)稱重儀、路面狀況傳感器以及GPS信號(hào)，均利用專用采集器采集。4.2數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)由2臺(tái)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)及1臺(tái)監(jiān)測(cè)中心交換機(jī)組成，全網(wǎng)基于TCP/IP協(xié)議。工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)接收現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集機(jī)柜上傳的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測(cè)中心交換機(jī)，由服務(wù)器集群進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及處理，并提供WebService接口供其他系統(tǒng)訪問(wèn)。通信光纜由監(jiān)控中心沿引橋鋪設(shè)至主橋的現(xiàn)場(chǎng)工作機(jī)柜。在數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)VLAN劃分的方式將原始數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)與其他接入TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)分離，只有數(shù)據(jù)接收服務(wù)器能夠直接讀取到采集的原始數(shù)據(jù)，以減少過(guò)多連接對(duì)數(shù)據(jù)傳輸所構(gòu)成的安全威脅。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖4所示。圖4數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)拓?fù)鋱D4.3數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)平臺(tái)采用云端管理模式，支持大量橋梁的接入，每一個(gè)物理橋梁結(jié)構(gòu)在云端的監(jiān)測(cè)平臺(tái)上都對(duì)應(yīng)一個(gè)可以實(shí)時(shí)更新的在線模型，平臺(tái)功能模塊如圖5所示。圖5數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)功能模塊監(jiān)測(cè)模塊：數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊包括對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和歷史查詢，數(shù)據(jù)結(jié)果以圖形化的界面顯示，所有來(lái)自不同傳感器的時(shí)間序列數(shù)據(jù)保持同步，同時(shí)顯示設(shè)備狀態(tài)信息、告警信息。監(jiān)控界面如圖6所示。圖中所示為吳淞大橋一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)最近一周的撓度曲線，其中橫軸為時(shí)間軸，縱軸為撓度值，頁(yè)面也顯示出該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的3級(jí)告警閾值以及查看所有告警鏈接。圖6平臺(tái)界面告警管理模塊：包括針對(duì)設(shè)備的告警和針對(duì)結(jié)構(gòu)的告警，根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，結(jié)合專家評(píng)價(jià)建立告警模型，發(fā)出實(shí)時(shí)預(yù)警及橋梁管養(yǎng)建議。數(shù)據(jù)分析模塊：提供同類傳感器之間的數(shù)據(jù)對(duì)比以及不同類傳感器之間的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，同時(shí)進(jìn)行載荷分析和結(jié)構(gòu)性能分析。報(bào)表管理模塊：通過(guò)報(bào)表管理對(duì)結(jié)構(gòu)檢測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入、維護(hù)、查詢統(tǒng)計(jì)和評(píng)估報(bào)告生成及打印等功能，方便提取檢測(cè)的所有必要信息。配置管理模塊：通過(guò)配置管理建立新增橋梁在云端的虛擬模型，無(wú)需進(jìn)行過(guò)多的頁(yè)面及功能開(kāi)發(fā)便可實(shí)現(xiàn)橋梁的快速接入。權(quán)限管理模塊：針對(duì)不同的用戶設(shè)置不同角色，并給角色賦予權(quán)限，包括功能權(quán)限及數(shù)據(jù)權(quán)限。巡檢模塊：包括日常巡檢和點(diǎn)檢，日常巡檢由巡檢人員根據(jù)制定的巡檢計(jì)劃通過(guò)手持終端采集巡檢時(shí)間地點(diǎn)等相關(guān)信息，并錄入巡檢情況；點(diǎn)檢則根據(jù)報(bào)警信息或巡檢結(jié)果制定派工單安排維修人員執(zhí)行。4.4應(yīng)用現(xiàn)狀平臺(tái)自2016年4月上線應(yīng)用，陸續(xù)有多座橋梁接入，長(zhǎng)期積累數(shù)據(jù)包括溫濕度、撓度、應(yīng)力應(yīng)變、振動(dòng)等，平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)提供縱向?qū)Ρ燃皺M向關(guān)聯(lián)，以及報(bào)警功能，過(guò)程中包括溫濕度傳感數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定性提前給出了預(yù)警。對(duì)部分橋梁實(shí)現(xiàn)了超重車(chē)輛的監(jiān)測(cè)功能。5結(jié)語(yǔ)本文以實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)環(huán)境下的橋梁智能化管養(yǎng)為背景，分析橋梁結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的來(lái)源及數(shù)據(jù)應(yīng)用，給出了面向區(qū)域化管理的橋梁健康監(jiān)測(cè)及養(yǎng)護(hù)平臺(tái)架構(gòu)，基于該架構(gòu)研發(fā)了應(yīng)用系統(tǒng)，并應(yīng)用于上海市多座橋梁。今后基于該架構(gòu)的進(jìn)一步研究包括：①研發(fā)統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集器，即物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，其一減少整座橋梁數(shù)據(jù)采集終端的數(shù)量，其二統(tǒng)一不同數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，利于系統(tǒng)擴(kuò)充。②進(jìn)一步針對(duì)