多源信息融合的城市橋梁綜合管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梁 柱

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

隨著城市交通的不斷發(fā)展，越來越多的城市高架橋或跨越水系的橋梁投入使用。由于景觀上的需要，部分城市橋梁造型獨(dú)特，結(jié)構(gòu)形式多樣，橋梁已經(jīng)成為城市景觀的一張名片。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市交通量和交通荷載不斷增大，加上一些建設(shè)年代較早的橋梁也日益老化，這些橋梁在為城市發(fā)展發(fā)揮積極作用的同時(shí)，也對(duì)城市橋梁管理工作提出了更高的要求。橋梁運(yùn)營(yíng)安全與人民生命財(cái)產(chǎn)安全息息相關(guān)，為了確保橋梁安全運(yùn)行，更好地進(jìn)行橋梁的監(jiān)管、養(yǎng)護(hù)工作，需要輔有先進(jìn)的技術(shù)手段對(duì)橋梁進(jìn)行現(xiàn)代化科學(xué)管理。2014年6月23日，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部下發(fā)了“關(guān)于加快城市道路橋梁建設(shè)改造的通知”(建城〔2014〕90號(hào))，通知指出“2013年底，全國(guó)城市道路33.6萬公里，城市橋梁近6萬座，城市道路橋梁養(yǎng)護(hù)管理任務(wù)日趨繁重?！蓖ㄖ蟆巴七M(jìn)城市橋梁信息系統(tǒng)建設(shè)。各地要結(jié)合城市橋梁檔案管理、維修養(yǎng)護(hù)要求，加快建立完善城市橋梁信息管理系統(tǒng)，并根據(jù)橋梁運(yùn)行期間的各種檢測(cè)數(shù)據(jù)等，及時(shí)更新城市橋梁檔案信息，實(shí)現(xiàn)城市橋梁信息數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)更新和管理?！痹谏鲜霰尘跋拢簧俪鞘虚_始推動(dòng)橋梁信息管理系統(tǒng)建設(shè)[1]。早期的城市橋梁信息管理系統(tǒng)通常側(cè)重于對(duì)橋梁的基本檔案及日常檢查、養(yǎng)護(hù)等信息的管理[2,3]，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)的發(fā)展成熟，綜合利用橋梁在線監(jiān)測(cè)、檢測(cè)、交通監(jiān)控等多種信息化手段，建立基于多源信息融合的城市橋梁信息管理系統(tǒng)可以對(duì)城市橋梁實(shí)行多技術(shù)、多層次的統(tǒng)一管理，全面掌握橋梁結(jié)構(gòu)的安全使用情況，提升橋梁管養(yǎng)科學(xué)化水平，為管養(yǎng)決策提供依據(jù)。本文以池州市橋梁綜合信息管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為例進(jìn)行介紹。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

城市橋梁綜合信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是確保城市橋梁的安全運(yùn)行，進(jìn)一步提升城市橋梁的科學(xué)化管理水平，通過整合資源、合理規(guī)劃，構(gòu)建一個(gè)集約高效、技術(shù)先進(jìn)、易于管理、開放兼容、實(shí)用經(jīng)濟(jì)、符合城市橋梁管理需求的現(xiàn)代化、信息化管理平臺(tái)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循的原則如下：

1.1 規(guī)范統(tǒng)一性

在現(xiàn)行國(guó)家及行業(yè)規(guī)范的基礎(chǔ)上，規(guī)劃設(shè)計(jì)統(tǒng)一的城市橋梁標(biāo)準(zhǔn)化檔案信息格式、統(tǒng)一的橋梁在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)處理與分析標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一的報(bào)警處理標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一的巡檢養(yǎng)護(hù)信息資料錄入標(biāo)準(zhǔn)等，確保不同結(jié)構(gòu)形式的橋梁管理體系保持統(tǒng)一。

1.2 技術(shù)先進(jìn)性

城市級(jí)橋梁綜合管理系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)涵蓋所有管理橋梁的監(jiān)測(cè)、日常巡查、檢測(cè)、養(yǎng)護(hù)、維修、視頻、過橋車輛及特殊事件管理信息，充分利用新一代信息技術(shù)如：移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)技術(shù)等，系統(tǒng)應(yīng)具有一定的技術(shù)先進(jìn)性。

1.3 經(jīng)濟(jì)性

采取點(diǎn)、面結(jié)合的方式，橋梁的信息化管理應(yīng)覆蓋全部市管橋梁，同時(shí)針對(duì)重點(diǎn)關(guān)注的大橋建立橋梁安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和交通荷載、視頻監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)以選擇代表性和關(guān)鍵部位為原則；管理中心資源盡可能功能集約、資源共享，節(jié)約投資。

1.4 穩(wěn)定可靠性

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用目前成熟、穩(wěn)定的硬件產(chǎn)品，技術(shù)性能和質(zhì)量指標(biāo)應(yīng)達(dá)到相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，采用虛擬化及雙機(jī)熱備方案，加強(qiáng)數(shù)據(jù)的定期備份，增加數(shù)據(jù)冗余度，確保系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定可靠性。

1.5 安全性

系統(tǒng)設(shè)計(jì)嚴(yán)密、高效的安全機(jī)制來控制和管理系統(tǒng)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠、維護(hù)網(wǎng)絡(luò)安全，防止“黑客”攻擊和電腦病毒的侵?jǐn)_。

1.6 可擴(kuò)展性

隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，可以預(yù)見到未來不斷有新的橋梁會(huì)接入到橋梁信息管理系統(tǒng)中進(jìn)行統(tǒng)一管理，因此系統(tǒng)平臺(tái)軟件及硬件設(shè)計(jì)應(yīng)具備良好的兼容性和可擴(kuò)展性。

2 總體設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要通過需求調(diào)研分析進(jìn)行業(yè)務(wù)功能架構(gòu)設(shè)計(jì)，目的是理清客戶功能需求和系統(tǒng)功能邊界，梳理系統(tǒng)內(nèi)部各功能之間的關(guān)系。本系統(tǒng)的功能架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能架構(gòu)圖

(1)地理信息模塊(Web GIS)。本模塊作為系統(tǒng)的主頁入口，在地理信息系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)橋梁的查詢、定位、關(guān)鍵信息展示以及接口模塊跳轉(zhuǎn)等功能。

(2)橋梁基本信息管理子系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)橋梁基本信息和檔案資料的管理，包括錄入、查詢、修改等，建立橋梁，為每座橋梁建立數(shù)字化“橋梁檔案”。

(3)橋梁巡查和養(yǎng)護(hù)子系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)橋梁日常巡查、定期檢查、特殊檢查、日常養(yǎng)護(hù)工作的閉環(huán)管理，包括巡檢和養(yǎng)護(hù)計(jì)劃的制定、巡檢和養(yǎng)護(hù)現(xiàn)場(chǎng)錄入(基于移動(dòng)終端和APP)、巡檢和養(yǎng)護(hù)記錄查詢、巡檢和養(yǎng)護(hù)結(jié)果統(tǒng)計(jì)等。

(4)橋梁大中修工程管理子系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁大中修特殊工程的管理，包括維修計(jì)劃的制定、項(xiàng)目審批、維修結(jié)果錄入、項(xiàng)目驗(yàn)收等。

(5)橋梁健康監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)。利用現(xiàn)代傳感、測(cè)試、分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)橋梁的在線監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)展示與實(shí)時(shí)預(yù)警的功能。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過通信運(yùn)營(yíng)商光纖專線接入到城市橋梁管理中心機(jī)房。

(6)車輛動(dòng)態(tài)稱重及視頻監(jiān)控子系統(tǒng)。利用動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)(WIM)實(shí)現(xiàn)對(duì)上橋車輛的總重、軸載、交通量的監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)橋梁不間斷視頻監(jiān)控的功能。

(7)橋梁健康評(píng)估子系統(tǒng)。融合橋梁巡檢、檢測(cè)、在線安全監(jiān)測(cè)、交通荷載監(jiān)測(cè)獲得的數(shù)據(jù)，對(duì)橋梁運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行綜合分析評(píng)估。

(8)后臺(tái)管理模塊。實(shí)現(xiàn)用戶權(quán)限、構(gòu)件庫、病害庫、措施庫、橋梁配置、登錄日志等系統(tǒng)管理功能。

池州市橋梁綜合信息管理系統(tǒng)的業(yè)務(wù)拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能拓?fù)鋱D

2.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)功能，形成本項(xiàng)目系統(tǒng)總體架構(gòu)?？傮w架構(gòu)分別為基礎(chǔ)設(shè)施層、軟件平臺(tái)層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層、終端服務(wù)層，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2.3 技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)軟件開發(fā)架構(gòu)。系統(tǒng)軟件開發(fā)設(shè)計(jì)采用B/S架構(gòu)，其中前端Web界面開發(fā)應(yīng)采用最新的HTML5標(biāo)準(zhǔn)，后臺(tái)服務(wù)端采用Java作為主要開發(fā)語言，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集采用分布式消息隊(duì)列(如Kfaka)作為數(shù)據(jù)異步處理主要機(jī)制，采用分布式數(shù)據(jù)庫以提高系統(tǒng)吞吐量，采用分布式緩存技術(shù)提高系統(tǒng)查詢速度，采用原生語言開發(fā)基于Android系統(tǒng)的移動(dòng)端應(yīng)用軟件。

(2)大數(shù)據(jù)技術(shù)。綜合管理系統(tǒng)中的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)24小時(shí)不間斷進(jìn)行采集，隨著時(shí)間的增加，數(shù)據(jù)量越來越龐大，將產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，如果使用傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫軟件來管理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)的處理、寫入以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、讀取上都會(huì)越來越慢，如果不經(jīng)過及時(shí)的維護(hù)及清理，最終會(huì)導(dǎo)致整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的崩潰。近年來，隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，采用分布式計(jì)算[4]、分布式存儲(chǔ)[5]等大數(shù)據(jù)技術(shù)可以解決數(shù)據(jù)的高并發(fā)、大容量等問題。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)建議采用流式大數(shù)據(jù)處理架構(gòu)[6](如Storm)和分布式數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)系統(tǒng)來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和管理。

(3)云計(jì)算技術(shù)。云計(jì)算和大數(shù)據(jù)是兩個(gè)互相促進(jìn)的技術(shù)方向，云計(jì)算可為大數(shù)據(jù)應(yīng)用和管理提供良好的可靠的平臺(tái)[7]?？紤]到數(shù)據(jù)的安全性和私密性，在橋梁管理中心構(gòu)建自己的云計(jì)算平臺(tái)(私有云)成為一個(gè)可行的解決方案。根據(jù)系統(tǒng)的當(dāng)前規(guī)模，管理中心云計(jì)算平臺(tái)設(shè)計(jì)由一臺(tái)虛擬資源管理服務(wù)器、三臺(tái)高性能云計(jì)算服務(wù)器和一臺(tái)磁盤陣列組成，未來可根據(jù)接入橋梁數(shù)量的增多進(jìn)行資源的彈性擴(kuò)展。

(4)虛擬化技術(shù)。虛擬化技術(shù)可以將服務(wù)器物理資源抽象成邏輯資源，變成多臺(tái)相互隔離的虛擬服務(wù)器，讓CPU、內(nèi)存、磁盤、I/O等硬件變成可以動(dòng)態(tài)管理的“資源池”， 所有的虛擬資源可以統(tǒng)一管理及調(diào)度，從而提高資源的利用率，對(duì)業(yè)務(wù)的變化更具適應(yīng)力[8]。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)將除了虛擬化資源管理服務(wù)器以外，其他所有服務(wù)器均設(shè)計(jì)為虛擬化架構(gòu)，可以根據(jù)具體應(yīng)用的負(fù)載水平進(jìn)行服務(wù)器資源的分配及在線遷移，具有高度的可管理性。

3 多源信息融合

多源信息融合技術(shù)是把從不同空間或時(shí)間上獲得的多個(gè)來源的同質(zhì)或異構(gòu)信息進(jìn)行不同抽象層次的合并或集成，以得到有關(guān)實(shí)體、關(guān)系或事件的更完整、更精確、更可靠的信息或推論[9]。早期的城市橋梁信息管理系統(tǒng)通常側(cè)重于對(duì)橋梁的基本檔案及日常檢查、養(yǎng)護(hù)等信息的管理，僅僅基于定期的、表觀的橋梁檢查結(jié)果進(jìn)行的橋梁管養(yǎng)，已經(jīng)不能滿足智慧城市建設(shè)背景下市政基礎(chǔ)設(shè)施管理的需要，基于多源信息的橋梁綜合管理系統(tǒng)是綜合利用橋梁基礎(chǔ)信息、在線監(jiān)測(cè)信息、日常巡查信息、定期檢測(cè)信息、養(yǎng)護(hù)和維修加固信息、交通荷載信息、視頻監(jiān)控信息等多種信息化手段進(jìn)行信息融合，實(shí)時(shí)、系統(tǒng)掌握橋梁運(yùn)行使用狀態(tài)，為管理者提供更全面、更準(zhǔn)確的管養(yǎng)決策。

根據(jù)處理信息源所在的層次，信息融合可分為數(shù)據(jù)層融合、特征層融合和決策層融合[10]。

(1)數(shù)據(jù)層融合。數(shù)據(jù)層融合是對(duì)未經(jīng)預(yù)處理的各類數(shù)據(jù)直接進(jìn)行歸納分析，例如對(duì)多個(gè)同類傳感器如應(yīng)變傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析；對(duì)橋梁檢查出的病害按類型和數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分類，提取結(jié)構(gòu)損傷指標(biāo)和材料性能退化指標(biāo)；對(duì)安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、超載情況進(jìn)行實(shí)時(shí)告警等，建議車輛荷載模型；根據(jù)視頻監(jiān)控進(jìn)行突發(fā)事件的識(shí)別等。

(2)特征層融合。特征層融合是在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理并對(duì)局部特征進(jìn)行提取的基礎(chǔ)上，對(duì)所獲特征進(jìn)行關(guān)聯(lián)處理，從而完成目標(biāo)的融合識(shí)別過程。例如根據(jù)橋梁巡檢和檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)橋梁進(jìn)行技術(shù)狀況等級(jí)評(píng)定，融合車輛荷載模型、橋梁基準(zhǔn)模型、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、演變趨勢(shì)進(jìn)行橋梁安全性評(píng)估和綜合評(píng)估；融合超載預(yù)警、結(jié)構(gòu)安全預(yù)警、視頻特殊事件識(shí)別進(jìn)行綜合性預(yù)警。

(3)決策層融合。決策層融合是在數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征提取并取得初步?jīng)Q策的基礎(chǔ)上，綜合所有信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)、融合取得最終聯(lián)合決策結(jié)果，即綜合利用橋梁技術(shù)狀況評(píng)定、安全性評(píng)估、綜合評(píng)估、綜合預(yù)警等初步?jīng)Q策，給出最終的橋梁管養(yǎng)決策。

橋梁綜合管理中的多源信息融合架構(gòu)如圖4所示。

圖4 橋梁綜合管理多源信息融合架構(gòu)

4 結(jié)束語

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，城市基礎(chǔ)設(shè)施智慧化、科學(xué)化管理要求也不斷提高。橋梁作為城市生命線工程，是城市重要的基礎(chǔ)設(shè)施。綜合利用新一代信息技術(shù)手段，建立基于多源信息融合的城市橋梁信息管理系統(tǒng)可以對(duì)城市橋梁實(shí)行多技術(shù)、多層次的統(tǒng)一管理，為管理者提供更全面、更準(zhǔn)確的管理決策支持，提高城市基礎(chǔ)設(shè)施管理智能化水平。