港珠澳大橋建設(shè)中的科技智慧

打破國(guó)內(nèi)大橋“百年慣例”

除了是世界最長(zhǎng)的大橋，港珠澳大橋的設(shè)計(jì)使用壽命長(zhǎng)達(dá)120年，打破了國(guó)內(nèi)大橋的“百年慣例”。

為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，中國(guó)科研人員攻克了大量技術(shù)難題，提出了“港珠澳耐久性模型”等一整套具有中國(guó)特色、世界水平的海洋工程防腐技術(shù)措施。在研究和建設(shè)過(guò)程中，一系列新材料、新技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，在多個(gè)領(lǐng)域填補(bǔ)了中國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的空白，諸多施工工藝及標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

位于海泥環(huán)境中的鋼管樁如何確保120年不損壞，這對(duì)港珠澳大橋設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提出極大的挑戰(zhàn)?！搬槍?duì)特定的海泥環(huán)境，我們先后從涂層的抗?jié)B透性、耐陰極剝離性等著手研制新型涂料，解決涂層的耐久性問(wèn)題。”中國(guó)科學(xué)院金屬研究所耐久性防護(hù)與工程化課題組負(fù)責(zé)人李京研究員介紹，他們研制出新一代高性能環(huán)氧涂層鋼筋，并參與大橋基礎(chǔ)的防腐涂裝施工，保障了港珠澳大橋120年耐久性設(shè)計(jì)要求。

復(fù)雜的海床結(jié)構(gòu)、惡劣的自然環(huán)境、超長(zhǎng)的跨度距離，對(duì)橋梁鋼是一個(gè)巨大考驗(yàn)。支撐起這座特大型橋梁的高性能綠色橋梁鋼，大部分是基于東北大學(xué)王昭東教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)的新一代控軋控冷工藝，由鞍鋼集團(tuán)生產(chǎn)。

該工藝使鋼材組織細(xì)化35%以上，析出相尺寸減少25%以上，有效滿足了橋梁鋼高強(qiáng)度和高韌性的需求。通過(guò)優(yōu)化的“成分設(shè)計(jì)+控制軋制+軋后超快冷卻”組合拳，滿足了橋梁的抗震和抗應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)。

多次創(chuàng)新尋找最佳方案

天上有飛機(jī)，海上有輪船，夾在中間的港珠澳大橋如何才不會(huì)影響鄰近香港國(guó)際機(jī)場(chǎng)航線的飛行安全，又能滿足伶仃洋航道30萬(wàn)噸輪船通航的需要呢？

港珠澳大橋設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)極富創(chuàng)造力的方案：建造東西兩個(gè)人工島，修建一段海底隧道，將隧道與大橋連接起來(lái)。這條世界最長(zhǎng)的海底沉管隧道由33個(gè)巨型沉管組成，每節(jié)管道長(zhǎng)180米，單節(jié)重約8萬(wàn)噸，且沉到海底40多米。

如此巨大的沉管要怎樣才能沉降到海底實(shí)現(xiàn)對(duì)接？這就需要浮運(yùn)安裝。所謂浮運(yùn)安裝，即是用拖船將沉管拖運(yùn)到橋位附近，再用絞錨方式進(jìn)行橫、縱移沉管至安裝位置并進(jìn)行沉放安裝。為保證浮運(yùn)安裝成功完成，華南理工大學(xué)的趙成璧副教授團(tuán)隊(duì)采用物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法對(duì)隧道沉管管段浮運(yùn)、系泊與沉放等水上施工的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行研究。這一研究，還真發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

“實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在淺水海域，沉管在水流和波浪的作用下，縱向水流對(duì)管段的作用所引起的問(wèn)題比較容易解決，但若遇橫流的作用，管段一放進(jìn)海里，就會(huì)產(chǎn)生橫傾與下沉，并容易觸碰到海底，極其不安全?！眻F(tuán)隊(duì)成員王冬姣副教授說(shuō)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證該實(shí)驗(yàn)的可靠性，團(tuán)隊(duì)一遍遍進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與計(jì)算。最終為港珠澳大橋的浮運(yùn)與沉放施工方案提供重要的技術(shù)支持。

在大橋主體安裝中，鋼箱梁橋面鋪裝代表橋梁建設(shè)“面子”工程，它提供車輛行駛的舒適安全。“我們摒棄了價(jià)格高昂的進(jìn)口環(huán)氧瀝青材料橋面鋪裝技術(shù)，選擇了英國(guó)澆注式瀝青鋪裝方案?！比A南理工大學(xué)張肖寧教授說(shuō)，“但該方案施工效率低，按照此方案，需要5年左右的時(shí)間才能完成鋪裝工程?！彼麄儎?chuàng)新性地提出GMA施工方案，將施工效率提高10倍，半年內(nèi)完成工程，并建成國(guó)內(nèi)外首個(gè)能夠滿足力學(xué)相似的橋梁截?cái)嘧愠吣Ｐ汀?p>

科學(xué)數(shù)據(jù)拼裝出大橋

港珠澳大橋像“搭積木”一樣用科學(xué)數(shù)據(jù)拼裝出來(lái)。先在工廠里把橋墩、橋面、鋼箱梁、鋼管樁等生產(chǎn)出來(lái)，等到伶仃洋風(fēng)平浪靜時(shí)再組裝起來(lái)，首次實(shí)現(xiàn)“大型化、工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化、裝配化”建設(shè)理念。

“大鋼箱梁運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)安裝，安裝誤差必須控制在1厘米以內(nèi)，每個(gè)焊縫不能超過(guò)2厘米，難度非常大。”伶仃洋上多臺(tái)風(fēng)，為了趕在臺(tái)風(fēng)來(lái)臨前完成施工期，華南理工大學(xué)王榮輝教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)內(nèi)首次采用多工法、不對(duì)稱、多塔斜拉橋的施工控制技術(shù)，完成世界首次3 100噸巨型鋼索塔整體施工。

2018年強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”登陸時(shí)，大橋之所以能牢牢“站穩(wěn)”，離不開(kāi)科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。

“前期周年觀測(cè)工作早在2007年就已開(kāi)始。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)波浪觀測(cè)和分析計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)潮汐潮流長(zhǎng)期預(yù)報(bào)、臺(tái)風(fēng)等極端個(gè)例的工程分析等目的?！比A南理工大學(xué)朱良生教授總共觀測(cè)出包括“黑格爾”在內(nèi)的7個(gè)臺(tái)風(fēng)。“拿到觀測(cè)數(shù)據(jù)非常困難，部分設(shè)備需要依靠千噸以上的海事船進(jìn)行投放，并在臺(tái)風(fēng)季節(jié)開(kāi)展為期3個(gè)月的同步對(duì)比觀測(cè)?！?p>

人工島的防風(fēng)設(shè)計(jì)，應(yīng)該采用什么形狀才更能扛強(qiáng)臺(tái)風(fēng)呢？團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)1949年以來(lái)所有臺(tái)風(fēng)進(jìn)行反偵，統(tǒng)計(jì)出“50年一遇”“100年一遇”的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度，為橋面建設(shè)提供參數(shù)。

此外，高韌薄層瀝青罩面技術(shù)、水下結(jié)構(gòu)止水、交通工程系統(tǒng)集成等技術(shù)應(yīng)用，使得港珠澳大橋成為名副其實(shí)的“超級(jí)工程”。

實(shí)現(xiàn)運(yùn)維智能化

港珠澳大橋連接粵、港、澳三地，由三地共同組建的港珠澳大橋管理局負(fù)責(zé)投資、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)管理。

“以港珠澳大橋的體量，用傳統(tǒng)人海戰(zhàn)術(shù)進(jìn)行維養(yǎng)，將難以滿足提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)的目標(biāo)要求?！惫芾砭志珠L(zhǎng)朱永靈表示，管理局將從軟硬件兩方面著手，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維管理由“傳統(tǒng)型”向“智慧型”的轉(zhuǎn)變。一方面大力推進(jìn)各業(yè)務(wù)板塊機(jī)械化作業(yè)；另一方面，建立智能化管理平臺(tái)，運(yùn)用信息化及大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，研發(fā)實(shí)施多維度的移動(dòng)應(yīng)用和信息共享。

港珠澳大橋可謂生逢其時(shí)。2017年，科技部和交通部聯(lián)合推動(dòng)將港珠澳大橋納入“中國(guó)人工智能專項(xiàng)”技術(shù)應(yīng)用示范領(lǐng)域。以橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)為例，為有效掌握大橋結(jié)構(gòu)狀態(tài)及發(fā)展演化趨勢(shì)，大橋“全身上下”已安裝上萬(wàn)個(gè)元器件，通過(guò)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與電子化人工巡查系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)自動(dòng)采集并分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，確保大橋結(jié)構(gòu)安全。

由中國(guó)鐵塔公司負(fù)責(zé)的港珠澳大橋主體工程“信息大橋”方案與港珠澳大橋?qū)崿F(xiàn)了同步規(guī)劃、同步設(shè)計(jì)、同步建設(shè)。即使在港珠澳大橋深達(dá)近50米的海底沉管隧道內(nèi)，手機(jī)上的4G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)依然滿格。

“為把最先進(jìn)的高鐵系統(tǒng)集成技術(shù)與高速公路機(jī)電系統(tǒng)有機(jī)銜接，項(xiàng)目部研發(fā)構(gòu)建了專屬港珠澳大橋的全壽命周期集成BIM（建筑信息模型）系統(tǒng)。它們讓大橋擦亮了‘眼睛，裝上了‘耳朵，變得暢通而智能?！敝需F建港珠澳大橋項(xiàng)目經(jīng)理蔡俊福說(shuō)。

采用高效準(zhǔn)確的人臉識(shí)別比對(duì)服務(wù)

涉及兩岸三地進(jìn)出關(guān)口，車輛、人員的檢疫防控工作格外重要。為了提高司機(jī)通過(guò)效率，針對(duì)司機(jī)的檢測(cè)提供了定制解決方案，管理局將首次創(chuàng)新的紅外人臉檢測(cè)算法與高效準(zhǔn)確的人臉識(shí)別比對(duì)服務(wù)充分結(jié)合。

在人員過(guò)關(guān)時(shí)，為了防止高溫人員過(guò)境，都要經(jīng)過(guò)紅外測(cè)溫?cái)z像機(jī)的溫度檢測(cè)，但傳統(tǒng)的紅外測(cè)溫只能識(shí)別到畫(huà)面中最高溫度區(qū)域，并且超過(guò)設(shè)置的告警閾值后告警提示工作人員，每次告警都需要確認(rèn)是否為人員本身的高溫預(yù)警，增加人工核驗(yàn)工作量。

管理局針對(duì)此場(chǎng)景進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)深度學(xué)習(xí)算法技術(shù)研制出專門(mén)針對(duì)紅外人臉的跟蹤檢測(cè)算法，通過(guò)對(duì)紅外場(chǎng)景中的人臉進(jìn)行檢測(cè)把人臉在畫(huà)面中的位置標(biāo)記出來(lái)，再結(jié)合高溫告警點(diǎn)的坐標(biāo)位置判斷是否為人臉告警，大大減少工作人員的人工核查工作量，有效告警高達(dá)99.7%。

結(jié)合通關(guān)核驗(yàn)的實(shí)際場(chǎng)景需求，傳統(tǒng)的人臉比對(duì)不僅耗時(shí)比較長(zhǎng)，而且準(zhǔn)確性也無(wú)法保障，而以指紋核對(duì)人員身份為主的做法耗時(shí)比較長(zhǎng)，在準(zhǔn)確性與高效之間無(wú)法平衡。

為了實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的人臉比對(duì)，團(tuán)隊(duì)反反復(fù)復(fù)試驗(yàn)了七八款短焦相機(jī)，在邊檢中確保了近距離人像抓拍的大小，為了解決德國(guó)進(jìn)口的紅外熱成像相機(jī)和可見(jiàn)光相機(jī)機(jī)幀不同步，研發(fā)團(tuán)隊(duì)為港珠澳大橋訓(xùn)練了一套全新的算法。

通過(guò)引入人臉識(shí)別比對(duì)服務(wù)，自動(dòng)與系統(tǒng)登記的人員進(jìn)行比對(duì)，1秒內(nèi)反饋比對(duì)的結(jié)果，準(zhǔn)確率高達(dá)99.5%，通關(guān)效率提高10倍以上，既高效又準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)極速通關(guān)。

“自營(yíng)模式”提升服務(wù)水平

港珠澳大橋管理局現(xiàn)有工作人員228人，自2017年起，已先后招聘到位141名營(yíng)運(yùn)業(yè)務(wù)人員。

大橋管理局運(yùn)營(yíng)管理部部長(zhǎng)江曉霞表示，結(jié)合大橋運(yùn)維工作特性，為實(shí)現(xiàn)大橋從建設(shè)期向運(yùn)營(yíng)期平穩(wěn)過(guò)渡，并解決原有建設(shè)人才分流安置問(wèn)題，港珠澳大橋采用了“自行營(yíng)運(yùn)模式”，在保持建設(shè)期管理架構(gòu)基本不變的情況下，將營(yíng)運(yùn)籌備工作動(dòng)態(tài)疊加到各業(yè)務(wù)部門(mén)，并專門(mén)成立營(yíng)運(yùn)管理部。

由于大橋安全管控涉及水域通航安全保障、道路交通安全管控、消防應(yīng)急保障、防恐及社會(huì)公共安全突發(fā)事件處置等，為保證高效率應(yīng)急救援，提供優(yōu)質(zhì)通行服務(wù)，港珠澳大橋采取自營(yíng)模式。

高效率應(yīng)急救援、高水平維修保養(yǎng)是營(yíng)運(yùn)工作服務(wù)化轉(zhuǎn)型的題中之義。為實(shí)現(xiàn)“大監(jiān)控、大安全”的管理理念落地，大橋管理局自行成立路政大隊(duì)，組建拯救大隊(duì)，與監(jiān)控、養(yǎng)護(hù)等人員一起構(gòu)成應(yīng)急狀態(tài)下的安全保障力量。

朱永靈說(shuō)：“進(jìn)入營(yíng)運(yùn)期后，所有建設(shè)管理人員都要有歸零再出發(fā)的意識(shí)。沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)，也就沒(méi)有條條框框，可大膽探索。”

激發(fā)品牌效應(yīng) 實(shí)現(xiàn)經(jīng)營(yíng)市場(chǎng)化

作為連接粵港澳三地的世界級(jí)跨海通道，品牌價(jià)值可開(kāi)發(fā)空間和潛力巨大，賦予了大橋更多經(jīng)濟(jì)功能和社會(huì)功能。

“經(jīng)營(yíng)市場(chǎng)化有其內(nèi)在現(xiàn)實(shí)原因和獨(dú)特資源優(yōu)勢(shì)?！贝髽蚬芾砭指本珠L(zhǎng)余烈表示，一方面項(xiàng)目投資巨大，有必要利用品牌資源、通道資源和其他資源進(jìn)行綜合開(kāi)發(fā)，以彌補(bǔ)通行費(fèi)收入不足，減輕三地政府財(cái)政負(fù)擔(dān)；另一方面，港珠澳大橋已積累了一大批具有核心技術(shù)、自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和管理成果。

“我們可把工程建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)轉(zhuǎn)化為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，為行業(yè)輸出‘港珠澳大橋標(biāo)準(zhǔn)。一些研發(fā)成果可通過(guò)與市場(chǎng)企業(yè)緊密合作，實(shí)現(xiàn)科技成果推廣轉(zhuǎn)化?！庇嗔艺f(shuō)。

靠近香港海域的東人工島二至四層為預(yù)留商業(yè)開(kāi)發(fā)及橋梁展廳。江曉霞說(shuō)，后期爭(zhēng)取三地政府充分授權(quán)，大橋管理局將利用“一橋兩岸三地”獨(dú)特優(yōu)勢(shì)資源，開(kāi)展廣告、旅游、會(huì)議會(huì)展、通道資源等經(jīng)營(yíng)業(yè)務(wù)，實(shí)施綜合開(kāi)發(fā)策略。

一項(xiàng)超級(jí)工程的完成離不開(kāi)付出努力的每一個(gè)人，離不開(kāi)作出貢獻(xiàn)的每一個(gè)企業(yè)。港珠澳大橋的順利通車，是我國(guó)跨海大橋建造實(shí)力的證明，也是科技創(chuàng)新成果的證明。