橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化存儲與分析

曹素功， 黃立浦， 張勇， 田浩， 胡皓

(1.浙江省交通運(yùn)輸科學(xué)研究院， 浙江 杭州 311305； 2.長沙學(xué)院 土木工程學(xué)院)

1 前言

橋梁是交通運(yùn)輸大動脈的重要組成部分，在國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)與社會發(fā)展中有著極為重要的地位。作為一種跨越江海河谷的架空構(gòu)造建筑結(jié)構(gòu)，橋梁一旦出現(xiàn)垮塌等安全事故，將造成難以估量的生命及財產(chǎn)損失，產(chǎn)生極為惡劣的社會影響。據(jù)2018年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報，2018年末中國公路橋梁85.15萬座，比上年增加1.90萬座，其中特大橋梁5 053座，大橋98 869座，建設(shè)水準(zhǔn)亦達(dá)到了世界級水平。龐大的橋梁基數(shù)，意味著艱巨的養(yǎng)護(hù)任務(wù)。近年來，中國很多長大橋梁實(shí)施應(yīng)用了橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，在橋梁結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位部署相應(yīng)的傳感器監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，對橋梁的環(huán)境荷載、運(yùn)營荷載、橋梁特征和橋梁響應(yīng)等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。同時，利用各種數(shù)據(jù)分析方法，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行智能處理，從而有效地評估橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀況。

近年來對結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的處理與分析也開展了不少探索性的理論研究工作，主要可分為兩個方面：基于確定性分析和基于概率分析。Seo等重點(diǎn)介紹了如何通過結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)所獲得的荷載和結(jié)構(gòu)響應(yīng)信息修正理論有限元模型；Kwon和Frangopol利用監(jiān)測數(shù)據(jù)(即鋼箱梁應(yīng)變)進(jìn)行鋼橋屈服強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度可靠度分析，其中針對的研究對象是單個構(gòu)件的可靠度，而不是整體結(jié)構(gòu)；葡萄牙學(xué)者Costa和Figueiras研究了如何利用應(yīng)變傳感器系統(tǒng)對服役期較長的鐵路鋼橋進(jìn)行性能評估；德國學(xué)者Hosser等研究并給出了如何利用結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行基于可靠度的結(jié)構(gòu)體系評估方法的整體框架；徐幼麟利用香港青馬大橋監(jiān)測系統(tǒng)所獲海量數(shù)據(jù)開展了全方位的大跨度橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和安全評估的研究；李愛群以潤揚(yáng)大橋健康監(jiān)測海量數(shù)據(jù)為研究對象，開展數(shù)據(jù)分析與評估研究，形成了系統(tǒng)的橋梁健康監(jiān)測海量數(shù)據(jù)分析和評估理論、方法和技術(shù)體系。

該文以舟山跨海大橋中的西堠門大橋、金塘大橋兩座大跨橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)為藍(lán)本，結(jié)合錢江三橋、之江大橋等橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，以及幾座較為典型的長大橋梁，對其結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)安全評估方法進(jìn)行調(diào)研，對動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理、篩選，分析不同大橋的個性和共性特征，如不同大橋相同的監(jiān)測參數(shù)信息，不同橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式、存儲方式的異同等。上述橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的情況整理統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 部分橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)

2 健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的異化原因

2.1 項(xiàng)目監(jiān)測需求不同

由表1可知：由于橋梁業(yè)主單位在項(xiàng)目投資、規(guī)劃設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)方面的原因，不同系統(tǒng)監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)行的技術(shù)參數(shù)各不相同，對系統(tǒng)采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析研究深淺不同，系統(tǒng)運(yùn)行情況也好壞不一。

2.2 傳感器命名不同

舟山跨海大橋、之江大橋、錢江三橋、蘇通大橋及潤揚(yáng)大橋傳感器編號的規(guī)律性各有差異，具體如表2所示，這對于大橋管理有直接的影響。

表2 各橋梁健康監(jiān)測傳感器命名方式對比

2.3 數(shù)據(jù)存儲形式不同

對6座大橋健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲方式進(jìn)行對比分析，具體如表3所示。

表3 各橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲方式對比

2.4 數(shù)據(jù)采樣和存儲頻率不同

(1) 舟山跨海大橋車流量數(shù)據(jù)為基于信號采集，其他監(jiān)測數(shù)據(jù)為基于時間采集，而且各類傳感器信號的采集頻率和存儲頻率一致。

(2) 之江大橋的監(jiān)測數(shù)據(jù)采集：車流量數(shù)據(jù)為基于信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，其余監(jiān)測數(shù)據(jù)為基于時間采集，但是采集頻率與存儲頻率存在不一致的情況。例如氣象數(shù)據(jù)，每10 s采集一次數(shù)據(jù)(0.1 Hz)，正常情況下每10 min存儲一次數(shù)據(jù)，當(dāng)有異常情況發(fā)生時所有采集的數(shù)據(jù)則全部存儲。

(3) 錢江三橋監(jiān)測撓度數(shù)據(jù)存儲頻率為10次/min。

(4) 杭州灣大橋監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲頻率統(tǒng)一為1次/min。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)的屬性分析

3.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)的基本屬性

橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的基本屬性主要有：數(shù)據(jù)進(jìn)制、數(shù)據(jù)單位、數(shù)據(jù)精度。舟山跨海大橋與之江大橋監(jiān)測數(shù)據(jù)均已轉(zhuǎn)為十進(jìn)制數(shù)據(jù)存儲，數(shù)據(jù)單位換算為國際單位或常用單位的較多，而數(shù)據(jù)精度與各個具體參數(shù)有關(guān)。

3.2 監(jiān)測值的生成周期與形式

以舟山跨海大橋和之江大橋?yàn)槔?，其生成周期與形式如圖1所示。

圖1 監(jiān)測數(shù)據(jù)生成周期與形式

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)的規(guī)范化

4.1 傳感器命名及信息規(guī)范化

橋梁上傳感器命名涉及的各類信息詳細(xì)分析解釋，表4為構(gòu)成橋梁傳感器命名的主要內(nèi)容。

4.2 監(jiān)測系統(tǒng)與外部系統(tǒng)交互原則

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的交互，應(yīng)遵循以下原則：

(1) 對外進(jìn)行數(shù)據(jù)交互需不影響橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的正常運(yùn)行，包括數(shù)據(jù)性的、功能性方面的操作都不能影響，需保持橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)獨(dú)立和完整性。

(2) 所有對外提供的數(shù)據(jù)信息需按照原始數(shù)據(jù)進(jìn)行十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換，確保外部系統(tǒng)在數(shù)據(jù)交換、分析和利用時，數(shù)據(jù)是真實(shí)的、有效的、客觀的。

所以，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互的邊界在橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)外部。根據(jù)橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)提供對應(yīng)的數(shù)據(jù)交互服務(wù)器，與橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器是松耦合部署的，也是對外系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互服務(wù)的邊界。

表4 傳感器及相關(guān)信息命名

4.3 橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)屬性的存儲規(guī)范

(1) 數(shù)據(jù)進(jìn)制

橋梁健康數(shù)據(jù)采用的數(shù)據(jù)分為數(shù)據(jù)類和時間類，數(shù)據(jù)類的進(jìn)制為十進(jìn)制，各類傳感器采集的機(jī)器自定義碼、二進(jìn)制、十六進(jìn)制、地理坐標(biāo)、標(biāo)志位等信息都需要換算成十進(jìn)制的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲處理。時間類的進(jìn)制為六十進(jìn)制。上述進(jìn)制的定義結(jié)合日常生活的習(xí)慣，便于理解和數(shù)據(jù)應(yīng)用。

(2) 時間和日期規(guī)定

時間和日期單位采用中國建筑工程標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會CECS 333：2012《結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求，時間采用公歷形式，最小單位為秒，具體形式為：年月日時分秒。

(3) 數(shù)據(jù)單位規(guī)定

采用中國建筑工程標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會CECS 333：2012《結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求，采用國際單位制，用國際基本單位以及與國際基本單位換算的相關(guān)單位，具體結(jié)合監(jiān)測參數(shù)使用。

(4) 數(shù)據(jù)精度

數(shù)據(jù)精度直接與數(shù)據(jù)庫存儲空間和效率有關(guān)，數(shù)據(jù)精度以滿足業(yè)務(wù)需求為主，兼顧數(shù)據(jù)的存儲空間和效益。另外，數(shù)據(jù)精度與數(shù)值計(jì)算單位有關(guān)聯(lián)，如某斜拉索橋梁的一根鋼索的索力為1 234 567.89 N，可換算為1 234.567 89 kN，而索力的監(jiān)測使用“kN”為單位，保留小數(shù)位數(shù)2位即可。

(5) 存儲頻率

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集有基于時間和基于信號采集的不同傳感器提供數(shù)據(jù)采集，由于不同傳感器技術(shù)原理不一致，導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)無法統(tǒng)一處理，但所有原始數(shù)據(jù)需保存在傳感器數(shù)據(jù)采集服務(wù)器中，供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及查證用。

4.4 數(shù)據(jù)文件命名規(guī)范化

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)中一個傳感器采集的數(shù)據(jù)對應(yīng)有一個、二個、三個或多個數(shù)據(jù)的情況：

(a) 一對一，這種形式最多，如溫度傳感器、變形傳感器、應(yīng)變傳感器等采集的數(shù)據(jù)都是一對一的。

(b) 一對二，如風(fēng)速風(fēng)向傳感器有風(fēng)速、風(fēng)向兩個數(shù)據(jù)。

(c) 一對三，如三向風(fēng)速儀、GPS設(shè)備等，基本上有X、Y、Z共3個方向的數(shù)據(jù)，有些還有記載期間最大值、最少值、平均值3個數(shù)據(jù)的。

(d) 一對多，如車載重傳感器、氣象(多維度)站，可以記錄多個不同方面的數(shù)據(jù)信息。

將同類監(jiān)測參數(shù)傳感器數(shù)據(jù)的存儲頻率進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化后，同類監(jiān)測參數(shù)的所有傳感器數(shù)據(jù)每天的個數(shù)是一致的(個別除外)，因此可以放在同一個數(shù)據(jù)庫表中，具體定義如下：

(1) 同類傳感器同一頻率每一傳感器對應(yīng)一個技術(shù)參數(shù)的，存儲在同一張表。

(2) 同類傳感器同一頻率每一傳感器對應(yīng)兩個技術(shù)參數(shù)的，存儲在同一張表，同一個傳感器的同一時間兩個技術(shù)參數(shù)數(shù)據(jù)分兩列顯示，然后為后一個傳感器的參數(shù)并列顯示，以此類推。

(3) 同類傳感器同一頻率每一傳感器對應(yīng)3個技術(shù)參數(shù)的存儲同一張表，同一個傳感器的同一時間兩個技術(shù)參數(shù)數(shù)據(jù)分3列顯示，然后為后一個傳感器的參數(shù)并列顯示，以此類推。

(4) 同一參數(shù)每一傳感器對應(yīng)多個技術(shù)參數(shù)存儲在同一張表，但顯示的方法可能與(1)、(2)、(3)不同,有兩種方式：一種類似車載車重的形式定義，見表5；另一種以一對多的監(jiān)測參數(shù)的各個屬性為字段名形成一張數(shù)據(jù)庫表。

表5 3種數(shù)據(jù)交換的比較

4.5 數(shù)據(jù)對外規(guī)范化

數(shù)據(jù)對外交換的規(guī)范主要針對與外部系統(tǒng)進(jìn)行信息交互業(yè)務(wù)而言，由于橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)相對獨(dú)立，大部分的數(shù)據(jù)對外交換是橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)對外傳輸出去的。

(1) 數(shù)據(jù)接入方職責(zé)

① 負(fù)責(zé)與橋梁業(yè)主單位溝通，解釋該接入規(guī)范具體的技術(shù)思路、數(shù)據(jù)采集的方法、數(shù)據(jù)交換的對接等應(yīng)用，使橋梁業(yè)主單位及其橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)商、運(yùn)維商理解該規(guī)范技術(shù)特點(diǎn)，協(xié)助橋梁業(yè)主單位完成按照該規(guī)范要求建設(shè)、實(shí)施、部署橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集、存儲、對外交互等工作；② 負(fù)責(zé)建立與橋梁業(yè)主單位溝通、交流、培訓(xùn)等機(jī)制，保證該規(guī)范要求的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)及時、有效、準(zhǔn)確地采集；③ 負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的符合性檢查、存儲。

(2) 橋梁業(yè)主單位職責(zé)

① 理解和分析該規(guī)范要求的技術(shù)思路特點(diǎn)，在建設(shè)、部署、實(shí)施橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)過程中，以融合、共享、互利原則按照該規(guī)范來規(guī)劃設(shè)計(jì)橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)及相關(guān)數(shù)據(jù)庫；② 保證橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)涉及的各類傳感器運(yùn)行正常，采集數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)換、存儲的系統(tǒng)運(yùn)行正常，做好日常維護(hù)工作；③ 按照該規(guī)范將橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、整理并提交給數(shù)據(jù)交互服務(wù)器指定目錄中；按照該規(guī)范數(shù)據(jù)提交周期(一般為1天一次)每天晚上24:00提交前一天0:00:00—23:59:59的數(shù)據(jù)；④ 負(fù)責(zé)每天查看前一天提交數(shù)據(jù)的情況，如果提交失敗，立即與橋梁接入方聯(lián)系，溝通問題原因，并負(fù)責(zé)聯(lián)系開發(fā)商、運(yùn)維商，直至問題解決。

5 監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析處理

目前，中國大跨徑橋梁基本都布設(shè)有不同規(guī)模的結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)，用以實(shí)時獲取大橋所處地區(qū)環(huán)境信息、車輛荷載信息以及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)響應(yīng)信息。舟山跨海大橋監(jiān)測系統(tǒng)每天產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量達(dá)到2～3 GB，全年下來監(jiān)測系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)存儲量超過1 TB。原始數(shù)據(jù)量過大并且數(shù)據(jù)有缺失、毛刺、參雜錯誤信息等各種情況，處理起來費(fèi)時費(fèi)力。此外，每次開展不同的研究都需要將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行重新處理，導(dǎo)致針對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行專業(yè)研究的時間成本大幅增加。

針對監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)的分析處理，提出了自動初步處理與人工專業(yè)分析的兩步數(shù)據(jù)處理方法，即通過自主開發(fā)數(shù)據(jù)分析軟件對采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行自動實(shí)時的分析與處理，使經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)能夠初步反映環(huán)境、車輛荷載以及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)響應(yīng)等有效信息，而后續(xù)的數(shù)據(jù)分析專業(yè)人員只需根據(jù)自己的研究專長直接調(diào)用處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步專業(yè)處理而不再需要調(diào)用原始數(shù)據(jù)，有效提高原始數(shù)據(jù)的分析處理效率，具體數(shù)據(jù)分析處理流程見圖2。

數(shù)據(jù)軟件將監(jiān)測系統(tǒng)所獲原始數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，轉(zhuǎn)變成橋梁技術(shù)人員關(guān)心的數(shù)據(jù)初步統(tǒng)計(jì)處理信息和后續(xù)結(jié)構(gòu)分析所需的專業(yè)技術(shù)信息，經(jīng)處理后的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)相比較，其數(shù)據(jù)量大量減少，可以很好地起到監(jiān)測系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)與后續(xù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析與結(jié)構(gòu)分析之間的橋梁作用，軟件框架見圖3。

圖3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)據(jù)處理完后，分析軟件將自動刪除原始數(shù)據(jù)，而將分析處理后的數(shù)據(jù)以及后續(xù)結(jié)構(gòu)分析需要用到的部分原始數(shù)據(jù)保留在SQL數(shù)據(jù)庫中，經(jīng)過方法處理后的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)相比，其容量大幅減少，每天由監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)生3 GB左右的原始數(shù)據(jù)壓縮到30 MB左右，后續(xù)的數(shù)據(jù)顯示和結(jié)構(gòu)評估只需調(diào)用經(jīng)方法處理后的數(shù)據(jù)而不再需要調(diào)用原始數(shù)據(jù)，這樣后續(xù)數(shù)據(jù)顯示和結(jié)構(gòu)評估等技術(shù)工作的效率將大幅提高。

圖2 數(shù)據(jù)處理整體框架

6 結(jié)語

雖然目前多數(shù)大橋安裝了健康監(jiān)測系統(tǒng)，但目前對海量監(jiān)測數(shù)據(jù)基本只是做到實(shí)時顯示和妥善存儲的程度，真正開始利用監(jiān)測數(shù)據(jù)開展對結(jié)構(gòu)安全性能評估工作的較少，特別是大橋管理單位日常管理養(yǎng)護(hù)工作的需求，監(jiān)測系統(tǒng)目前所具備的評估功能更是無法滿足要求。

針對專業(yè)分析對于監(jiān)測系統(tǒng)所獲海量數(shù)據(jù)的實(shí)際需求，對監(jiān)測數(shù)據(jù)命名、文件存儲形式、采樣頻率和屬性等進(jìn)行分析，提出了自動初步處理與人工專業(yè)分析的兩步數(shù)據(jù)處理方法，并自主開發(fā)了監(jiān)測數(shù)據(jù)分析軟件，能夠?qū)崟r分析處理監(jiān)測系統(tǒng)所獲得的海量原始數(shù)據(jù)，后續(xù)的數(shù)據(jù)分析專業(yè)人員只需根據(jù)分析的要求直接調(diào)用處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行下一步專業(yè)處理而不再需要使用原始數(shù)據(jù)重新處理，這樣可大幅提高后續(xù)專業(yè)分析的工作效率。