市政橋梁智能移動巡檢App應用研究

崔營營,王淼,徐文城

（中交公路規(guī)劃設計院有限公司，北京100088）

1 引言

與傳統(tǒng)的公路橋梁相比，市政橋梁有著橋梁形式眾多、結(jié)構(gòu)新穎獨特、地域分布密集、交通流量大等特點。本文通過深入分析市政橋梁管養(yǎng)現(xiàn)狀，結(jié)合橋梁監(jiān)管部門業(yè)務需求，設計開發(fā)了市政橋梁智能移動巡檢App 軟件，并提出了基于地理圍欄的橋梁巡查定位技術(shù)，設計采用R 樹索引優(yōu)化方法進行考勤模塊的開發(fā)，大大提高了移動巡檢App 軟件的使用便利性，滿足了市政橋梁管養(yǎng)精細化、實時性的要求。

2 市政橋梁管養(yǎng)現(xiàn)狀

在橋梁運營過程中，由于長期遭受環(huán)境、荷載及材料老化等多重因素作用，結(jié)構(gòu)安全使用性能不斷退化，安全承載水平不斷降低，極端災害下的耦合作用可能導致橋梁結(jié)構(gòu)整體或局部安全失效破壞。

目前，國內(nèi)市政橋梁管養(yǎng)普遍存在著以下突出問題：

1）橋梁管理跨部門多，城市橋梁管理完全不同于公路行業(yè)，橋梁的投資建設部門、建成后的管理部門、橋上通行車輛的管理均屬城市不同的管理機構(gòu)，相互之間信息互通、數(shù)據(jù)共享難度大。

2）橋梁養(yǎng)護人員短缺，懂“橋”的專業(yè)管理人員更是極度稀缺，我國中等城市市政橋梁數(shù)量大約為幾百座，大城市市政橋梁數(shù)量可達上千座，市政橋梁管養(yǎng)部門工作壓力巨大。

3）橋梁養(yǎng)護自動化水平有待提高。目前，我國多數(shù)橋梁日常養(yǎng)護工作還停留在人工目視巡查，紙質(zhì)記錄等傳統(tǒng)的方式，養(yǎng)護手段單一低效、養(yǎng)護效果無法有效監(jiān)管。

4）重大事故頻發(fā)，應急監(jiān)管能力低。由于市政橋梁每日承擔巨大的交通壓力，近年來發(fā)生船撞卡橋、重車過橋乃至橋梁垮塌等重大事故時有發(fā)生，作為橋梁管養(yǎng)部門因缺乏必要的監(jiān)測手段和數(shù)據(jù)支撐，往往對事件的處置不夠及時有效，影響了交通安全[1]。

3 總體架構(gòu)及功能設計

為解決以上突出矛盾，本文設計開發(fā)基于安卓系統(tǒng)的市政橋梁智能移動巡檢App 軟件，實現(xiàn)了市政橋梁電子化、精細化管養(yǎng)的目標。

3.1 總體架構(gòu)

智能巡檢App 包含運行在手機或平板端的App 程序和運行在監(jiān)控中心的Web 端平臺2 部分，手機端App 主要實現(xiàn)便攜式巡查定位、養(yǎng)護維修、病害錄入等功能，Web 端平臺主要實現(xiàn)巡查任務制定及下發(fā)、巡查信息存儲管理等功能。手機端和Web 平臺端通過4G 網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)通信與傳輸。其總體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 智能巡檢App 總體架構(gòu)

3.2 功能設計

手機端智能移動巡檢App 主要實現(xiàn)以下功能。

3.2.1 GIS 橋梁定位

本模塊采用GIS 矢量地圖圖層，設計將跨江特大橋、區(qū)域中小橋和高架橋進行分類分圖層顯示，同時支持模糊定位，便于快速查找目標橋梁。

3.2.2 巡查病害錄入

對于跨江特大橋，按照橋梁結(jié)構(gòu)規(guī)范進行精細化構(gòu)件拆分，形成橋梁構(gòu)件結(jié)構(gòu)目錄樹。用戶巡查過程中定位構(gòu)件可輸入病害類型、病害描述、標度及附件照片等信息。

對于中小橋梁，系統(tǒng)內(nèi)置日常檢查項表單，用戶可通過語音、手寫或輸入法等多種方式進行日常檢查數(shù)據(jù)的錄入并保存。

對于高架橋梁，主要實現(xiàn)橋梁巡查軌跡的記錄、回放及上傳功能，并可查看巡查軌跡范圍內(nèi)的檢查記錄信息。

3.2.3 維修養(yǎng)護管理

本模塊可對橋梁巡查時發(fā)現(xiàn)的病害進行維修養(yǎng)護，通過Web 端制定維修養(yǎng)護任務，并指派給相應的養(yǎng)護人員，養(yǎng)護人員接到維養(yǎng)任務后上橋完成維修養(yǎng)護后記錄維修工作量并拍照保存維修前后現(xiàn)場照片，同時可將維修記錄一鍵發(fā)送Web 端平臺。

3.2.4 智能考勤管理

為規(guī)范巡查人員日常養(yǎng)護工作，防止作弊情況的發(fā)生，設計基于地理圍欄技術(shù)的考勤打卡模塊。系統(tǒng)為每座橋梁設置多邊形坐標作為地理圍欄，當巡查人員啟動巡檢任務時，系統(tǒng)自動判斷用戶是否在地理圍欄范圍內(nèi)，如果不在范圍內(nèi)則無法錄入病害信息，以此規(guī)范養(yǎng)護人員巡查行為，保證巡查數(shù)據(jù)準確性。

4 關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 地理圍欄技術(shù)簡介

地理圍欄（Geo-fencing）是一種新型的LBS 應用技術(shù)，其原理是用多個地理坐標圍出一個虛擬地理多邊形（見圖2），當系統(tǒng)判斷用戶進入、離開某個特定地理區(qū)域，或在該區(qū)域內(nèi)活動時，觸發(fā)相應的服務，如消息推送、互聯(lián)網(wǎng)廣告等[2]。

本文設計采用地理圍欄技術(shù)實現(xiàn)巡檢人員的考勤管理功能，系統(tǒng)預先為每座市政橋梁內(nèi)置地理坐標邊界，當巡檢人員達到橋梁地理圍欄范圍內(nèi)，才可進行考勤打卡、病害記錄等相關(guān)操作。

圖2 地理圍欄示意圖

4.2 R樹索引優(yōu)化算法

判斷當前點是否落入某多邊形范圍內(nèi)是地理圍欄的關(guān)鍵，一般通過射線法進行判斷，其判斷方法為：從當前點出發(fā)沿X軸方向畫一條射線，依次判斷該射線與多邊形各邊的交點，如果交點個數(shù)為奇數(shù)，則當前點在多邊形內(nèi)部（如圖3 中有3 個交點），如果交點數(shù)為偶數(shù)，則在外部，射線法能夠適用于凸多邊形和非凸多邊形，復雜度為O（n）（n為多邊形邊數(shù)）。

當?shù)乩韲鷻跀?shù)量較少時，可逐個遍歷各多邊形，再用射線法進行判斷[3]。在實際應用中，由于市政橋梁多達幾百座，且分布較為密集，也就相當于有幾百個多邊形需要同時執(zhí)行射線法計算，造成計算時間的延遲，針對以上問題，在智能巡查定位模塊開發(fā)過程中提出了R 樹索引加速判斷法，解決了地理圍欄判斷的時間延遲問題。

圖3 射線法判斷點在多邊形內(nèi)部示意

R 樹索引主要原理為：（1）通過粗篩法快速找到符合條件的少量多邊形；（2）對粗篩后的多邊形使用射線法判斷，使射線法的執(zhí)行次數(shù)大大降低，進而提高搜索效率。

本文通過對多邊形區(qū)域建立R 樹索引，通過R 樹遍歷快速判斷當前點是否在多邊形內(nèi)，實現(xiàn)考勤定位。

1）對地理圍欄區(qū)域A 建立最小外包矩形，如圖4 所示。

圖4 多邊形最小外包矩形

2）外包矩形建立R 樹索引，示意圖如圖5 所示。

圖5 R樹索引示意

3）執(zhí)行R 樹查詢操作。（1）采用R 樹索引方法判斷當前用戶（紅點處）是否在外包矩形內(nèi)，如圖6 所示，紅色點代表用戶所在位置［注：采用R 樹查詢復雜度為Oz（Log（N）），N為多邊形個數(shù)］；（2）若當前點不在任何外包矩形內(nèi)，則返回當前點狀態(tài)為多邊形外；（3）若當前點在外包矩形內(nèi)，則采用射線法進一步判斷該點是否在此外包矩形的某個多邊形內(nèi)部，如此遞歸判斷，最終判斷出當前點是否落入地理圍欄所在多邊形內(nèi)。

圖6 R樹索引查詢操作流程

4.3 系統(tǒng)開發(fā)驗證

經(jīng)過編寫代碼實際開發(fā)驗證，在可視范圍內(nèi)有600 個地理圍欄多邊形的情況下，采用依次遍歷每個多邊形的方法，其查詢響應時間約為5s，而通過在內(nèi)存中建立R 樹索引，地理圍欄平均響應時間降低到450ms。采用該技術(shù)對手機巡檢App考勤打卡功能進行性能優(yōu)化（見圖7），提升了系統(tǒng)使用體驗。

圖7 智能巡檢App 考勤打卡界面

5 結(jié)語

本文分析了我國市政橋梁管養(yǎng)存在的問題，據(jù)此提出了市政橋梁移動巡檢App 總體架構(gòu)及功能設計方案。針對市政橋梁分布密集的特點，提出了基于R 樹索引的優(yōu)化算法，并采用該技術(shù)開發(fā)了手機巡檢App 考勤管理模塊，提升了系統(tǒng)使用體驗，滿足對于橋梁巡查人員考勤監(jiān)管的需求。