智能化養(yǎng)護跨海大橋

文/圖　中交公路規(guī)劃設計院有限公司 趙耀 鄧廣繁 胡斌

針對跨海大橋規(guī)模巨大、檢修盲區(qū)多、涉及專業(yè)多、海量數(shù)據(jù)處理效率低、數(shù)據(jù)展示不直觀的養(yǎng)護特點，筆者提出養(yǎng)護信息智能化采集、智能化分析、建立資產(chǎn)管理系統(tǒng)等技術手段，以提高跨海大橋的養(yǎng)護效率和管理效果。

我國的海岸線總長1.8萬公里，居世界第四。漫長的海岸線沿線島嶼眾多，連接大陸和島嶼的跨海大橋，成為重要的交通樞紐。目前，我國海岸線上一共分布著35座跨海大橋，其中已建成通車的有30座，在建的有5座，包括著名的港珠澳大橋、杭州灣大橋、舟山跨海大橋、泉州灣大橋、青島灣大橋等。

保持跨海大橋良好的技術狀況，是大橋養(yǎng)護管理單位的重要任務之一?？绾４髽虻酿B(yǎng)護除了具有內(nèi)陸普通橋梁養(yǎng)護時需要關注的常見問題外，還具有其自身的養(yǎng)護特點。

跨海大橋養(yǎng)護面臨的問題

跨海大橋的養(yǎng)護首先面臨的是跨海大橋線路長、規(guī)模大，檢修任務重的問題。以港珠澳大橋為例，海中主體工程包含6.7公里隧道、22.9公里橋梁和兩座海中人工島，這給養(yǎng)護工作帶來了巨大挑戰(zhàn)。此外，跨海大橋巡檢盲區(qū)多。例如，大跨徑的纜索體系橋梁，檢測人員難以到達索塔、拉索等構造復雜且存在較多隱蔽部位的高聳區(qū)域，以及大橋海底沖淤、結構基礎破損等難以檢查的部位，都是跨海大橋巡檢的盲區(qū)。加上當前大部分養(yǎng)護管理工作還停留在手工記錄、人工謄寫的階段，自動化處理程度低。

大橋的養(yǎng)護涉及到海量的數(shù)據(jù)，從建設期的設計圖紙資料、施工資料、交竣工驗收資料，到運營期的檢測、養(yǎng)護、維修等資料。涉及的資料眾多，數(shù)據(jù)龐大，需要規(guī)范管理和利用。而目前檢測、保養(yǎng)和維修等各項工作基本都委托給不同專業(yè)單位，信息也以紙質(zhì)記錄為主，未納入統(tǒng)一平臺中分析處理，客觀上形成了數(shù)據(jù)孤島，既不能有效共享信息，也導致數(shù)據(jù)處理效率極低。

除此之外，養(yǎng)護管理涉及專業(yè)眾多。不僅包括橋梁、隧道、道路、房屋等建筑結構，而且還包括監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、收費系統(tǒng)、高中低壓供配電系統(tǒng)及交安設施、綠化設施等，這些同樣是跨海大橋養(yǎng)護需要面對的問題。

養(yǎng)護信息的智能化采集

從跨海大橋養(yǎng)護所面臨的問題中，不難看出有效收集養(yǎng)護數(shù)據(jù)是大橋養(yǎng)護的前提，且收集的數(shù)據(jù)應該是結構化、標準化的，以便后續(xù)的統(tǒng)計分析與有效利用。為了解決養(yǎng)護數(shù)據(jù)的采集問題，智能化信息采集手段應運而生，具體包括無人巡檢技術、智能化人工巡檢、自動化機械巡檢、北斗系統(tǒng)短期監(jiān)測、非接觸式高清攝像等。

無人巡檢技術是大橋養(yǎng)護過程中應用較普遍的技術，包括無人機檢測技術、水下機器人檢測技術和無人駕駛梁底檢查車等。其中，使用無人機檢測技術可開展橋梁保護區(qū)內(nèi)挖沙、雜物堆積、違規(guī)建筑物的檢查，對高聳結構物如橋塔、斜拉索、主纜、錨碇的檢測，以及基于無人機技術的3D實景建模。通過實景建模，不僅了解到橋位區(qū)域的平面信息，同時可獲取到高程信息，從而使橋梁保護區(qū)得到更有效的監(jiān)控。除了空中的無人機檢測，水下機器人則可對樁基破損、沖刷深度、河床斷面等開展檢測。該技術相較于當前的蛙人探摸方法，有效擴展了檢測區(qū)域，提高了工作的效率與安全。

至于橋梁本身的檢測，無人駕駛梁底檢查車表現(xiàn)優(yōu)異。該檢查車是對現(xiàn)有梁底檢查車行走系統(tǒng)的改造，檢修人員可在橋面上利用有線（或無線）操作面板控制檢查車的行走。當行走到需要進行維修的位置時，檢修人員到檢查車上進行維修。無人駕駛梁底檢查車，可有效減少檢修人員在檢查車上的工作時間，也提高了操作的安全性。

基于BIM的VR信息展示

北斗系統(tǒng)短期監(jiān)測

自動化機械巡檢

自動化機械巡檢技術充分利用智能化檢測機器人對大橋的纜索、梁底及隧道進行檢測，該技術較當前依賴橋檢車及登高車的檢測方法，檢查效率更高、更加節(jié)省人力成本。

具體包括纜索爬索機器人、磁通量變化檢測拉索損傷設備、智能化橋梁檢測機器人、隧道多功能實時檢測系統(tǒng)、智能化道路巡查機器人等。其中纜索爬索機器人是當機器人在拉索上爬升時，控制器將4臺攝像機圖像傳輸給數(shù)據(jù)存儲器，以實現(xiàn)對拉索表面保護層全方位圖像的存儲，并通過無線傳輸子系統(tǒng)傳輸?shù)降孛鍼C機監(jiān)控系統(tǒng)上。磁通量變化檢測拉索損傷設備，是當機器人在拉索上爬升時，磁頭首先磁化索體至飽和狀態(tài)，內(nèi)嵌的霍爾傳感器通過磁通量變化可以捕捉到索體中的缺陷（如斷絲、磨損、銹蝕等），并轉(zhuǎn)換為電信號輸出處理，按照特定算法及模型轉(zhuǎn)換為圖形信號，直觀反映索體的損傷狀態(tài)。

上至大橋纜索，下至橋面、隧道，機器人的身影無處不在。智能化橋梁檢測機器人可在橋梁緊急停車帶上行進，自動避讓燈桿，實現(xiàn)對橋梁表觀裂縫、缺損、滲漏水情況的實時檢測。而智能化道路巡查機器人，則可在道路上以正常車速行進，過程中自動檢測、識別道路上影響行車安全的因素，如道路上的坑槽、護欄損壞、標志標線不清晰等，之后結合GPS信號將病害信息傳送給云端，后臺自動向養(yǎng)護隊指派維修任務。對于海底隧道的檢測，則利用搭載有檢測設備的檢查車在隧道中以正常車速行進，實 現(xiàn)對隧道的表觀檢測、滲漏水檢測、3D激光界限掃描、洞內(nèi)氣體檢測等。

智能化人工巡檢

如果說機器人是工作在數(shù)據(jù)采集的一線，那智能化人工巡檢系統(tǒng)則相當于“快遞員”，負責將采集到的數(shù)據(jù)輸送到云端。智能化人工巡檢主要包括智能外業(yè)記錄系統(tǒng)、批量報告生成器、基于BIM的VR病害信息展示等內(nèi)容。其中，智能外業(yè)記錄系統(tǒng)是利用pad實現(xiàn)無紙化記錄，現(xiàn)場操作點選錄入、記錄批量復制的方式，將數(shù)據(jù)上傳到云端，后臺自動生成可存檔的原始記錄，自動導出病害列表、圖片等信息。而系統(tǒng)從云端提取病害信息后，自動進行技術狀況評定，批量化自動生成檢測報告，這就是批量報告生成器的功勞，有效降低了工程師的現(xiàn)場工作強度，減少出錯幾率，讓工程師從簡單重復的工作中脫離出來，專注于病害分析、結構計算等更重要的工作。

系統(tǒng)從云端提取病害信息后，還可一鍵自動導入到BIM模型中，并以VR形式直觀化地展示病害詳細位置，讓展示效果更加逼真，養(yǎng)護人員能快速地了解結構物病害位置和嚴重程度。

依靠我國完全自主知識產(chǎn)權的位置服務，實現(xiàn)高程、平面坐標的短期監(jiān)測的北斗監(jiān)測系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠、可視化的數(shù)據(jù)表達、應用成功案例眾多等特點。此外，基于攝影測量與圖像識別的基本原理，綜合使用光學、數(shù)字圖像處理、模式識別等多學科理論和方法的非接觸式高清攝像，則可從拍攝的影像中提取出待檢測物體病害位置、尺寸等信息。其優(yōu)點在于不干擾被測物的自然狀態(tài)；橋梁檢測中無需封路，避免了交通審批；操作人員在空曠區(qū)域拍攝，避免在支架或掛籃上登高作業(yè)，有效保證檢測人員的人身安全。

管養(yǎng)信息的智能化

人工智能技術在各行各業(yè)的應用方興未艾，具體應用到跨海大橋的養(yǎng)護管理上，就是給橋梁賦予一個“大腦”，實現(xiàn)智能化、精準化的大橋養(yǎng)護管理。而大橋管養(yǎng)信息的智能化推送，以及數(shù)據(jù)的智能化分析都讓大橋的養(yǎng)護變得精準、高效。

管養(yǎng)信息智能化推送可實現(xiàn)向養(yǎng)護管理單位自動推送其關心的信息，如當前需要重點關注的構件、重點病害、可能的病害成因、可能的維修工藝和方法等。主要實現(xiàn)步驟為標準化的基礎數(shù)據(jù)、信息偏好計算和重點數(shù)據(jù)推送。

標準化的基礎數(shù)據(jù)，包括標準知識庫、結構化的病害信息，是后續(xù)數(shù)據(jù)推送的基準數(shù)據(jù)；基于潛在因子算法的信息偏好計算，其思想是認為每個用戶都有自己的偏好，比如某用戶對伸縮縫、混凝土等元素感興趣，如果某病害帶有這些元素，便將相關的檢測措施數(shù)據(jù)推薦給該用戶，也就是用元素去連接用戶和數(shù)據(jù)庫；重點數(shù)據(jù)推送，是對于病害情況較嚴重的構件、影響結構安全的病害，系統(tǒng)自動從后臺提取出來，推送給管養(yǎng)人員，使巡檢工作更具有針對性。

管養(yǎng)信息智能化識別是指應用人工智能技術，對智能化橋梁檢測機器人采集到的病害照片進行批量化圖像識別，獲取到病害位置、類型和尺寸等信息。還可利用三維重構技術（Structure from Motion，SFM）重構包含有景深信息的圖像，非常真實地還原結構實際的外觀狀態(tài)，甚至直接生成三維BIM模型。

管養(yǎng)信息智能化分析是針對感興趣的結構單元，在小范圍內(nèi)布設較多數(shù)量的傳感器，采集一定時間內(nèi)的數(shù)據(jù)，實施針對性的統(tǒng)計分析，獲取到管養(yǎng)單位需要的數(shù)據(jù)。此外，依據(jù)智能化道路巡查機器人獲取到的道路病害，將一定時期內(nèi)易發(fā)病害路段標出，輔助管養(yǎng)人員抓住重點管養(yǎng)路段，進而采取有效措施提高行車安全性。

跨海大橋資產(chǎn)的智能化管理

跨海大橋的資產(chǎn)管理是大橋養(yǎng)護的保障，且同樣需要智能化管理。而智能化離不開對數(shù)據(jù)的利用，因此建立標準知識庫、利用平臺規(guī)范工作流程及智能化的管養(yǎng)制度，是跨海大橋資產(chǎn)智能化管理的重要內(nèi)容。

建立標準知識庫。以數(shù)據(jù)的標準化實現(xiàn)信息化，依靠標準知識庫實現(xiàn)資產(chǎn)屬性體系的重構和關聯(lián)。標準知識庫包括構件類型庫、病害庫、病害成因庫、維修措施庫、風險庫、專家?guī)斓?。標準知識庫是資產(chǎn)管理庫的底層數(shù)據(jù)，也是實現(xiàn)各項功能的基礎。

利用平臺規(guī)范工作流程。圍繞資產(chǎn)屬性的管理，利用BIM等信息化手段，將運營檢測、預算與項目管理、檢測、采購、養(yǎng)護及維修、資產(chǎn)評估等養(yǎng)管活動統(tǒng)一在公路資產(chǎn)管理系統(tǒng)平臺上。平臺包含網(wǎng)頁端、移動終端和BIM平臺，移動端實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，網(wǎng)頁端實現(xiàn)后端數(shù)據(jù)處理，BIM平臺實現(xiàn)信息的可視化展示。

依據(jù)管養(yǎng)制度輔助管養(yǎng)決策。大型結構物標準化管養(yǎng)手冊和養(yǎng)護規(guī)劃，是跨海大橋資產(chǎn)管理系統(tǒng)的執(zhí)行標準。系統(tǒng)將規(guī)章制度電子化，根據(jù)采集到的信息自動匹配相關規(guī)章制度，為管養(yǎng)單位提供科學完備的資產(chǎn)管理輔助決策支持。此外，還應將健康監(jiān)測系統(tǒng)、檔案管理系統(tǒng)、自動化辦公系統(tǒng)、指揮調(diào)度系統(tǒng)等統(tǒng)一接入到資產(chǎn)管理系統(tǒng)中，成為統(tǒng)一的運行平臺。

跨海大橋的養(yǎng)護規(guī)模大、涉及專業(yè)多，且需要處理海量的數(shù)據(jù)，通過智能化采集、智能化分析、以及建立資產(chǎn)管理系統(tǒng)等最新科技手段，為跨海大橋的智能化養(yǎng)護、信息化養(yǎng)護提供了解決思路，同時為類似大型結構物的信息化養(yǎng)護提供了技術參考。