信息化平臺(tái)在橋梁管養(yǎng)中的應(yīng)用與探討

■佘長輝

（1.福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司， 福州 350108； 2.福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 福州 350108）

近年來， 全國各地橋梁垮塌事故越發(fā)密集，比如江西上饒傍羅大橋倒塌，江蘇常州運(yùn)村運(yùn)河大橋西半幅倒塌， 山西太原市東柳林橋被超載貨車壓垮，福建南平玉坪山大橋吊桿斷裂橋梁塌陷，福建南平武夷山公館大橋垮塌，浙江錢塘江三橋塌陷，江蘇鹽城境內(nèi)328 省道通榆河橋發(fā)生垮塌等。

橋梁事故的多發(fā)，敲響橋梁安全的警鐘，也正在考驗(yàn)著政府的社會(huì)管理能力。 橋梁的垮塌事故不僅僅由于超重車輛的通車所引起，還有橋梁管理養(yǎng)護(hù)的不到位、不及時(shí)，在很大程度上直接影響了橋梁使用功能的正常發(fā)揮。 制度、人員、技術(shù)、資金等方面的制約[1]，正在影響著橋梁的安全，應(yīng)大力推進(jìn)橋梁的管養(yǎng)工作走上常態(tài)化和規(guī)范化的軌道。 橋梁的安全問題，不僅被公眾廣泛關(guān)注，也是確保公眾出行安全的一個(gè)不容忽視的重大方面。 保障城市橋梁的完好暢通，加強(qiáng)橋梁的管養(yǎng)水平已迫在眉睫。

1 橋梁管養(yǎng)現(xiàn)狀

目前，在我國大部分城市中，橋梁管養(yǎng)主要以人工管養(yǎng)為主。 由管理部門的管理人員或者委托有資質(zhì)的第三方單位技術(shù)人員直接負(fù)責(zé)本區(qū)域橋梁管養(yǎng)。 人工管養(yǎng)主要通過技術(shù)人員在橋梁現(xiàn)場(chǎng)巡查，發(fā)現(xiàn)橋梁缺損病害后，進(jìn)行人工判定橋梁受損情況，并制定維修養(yǎng)護(hù)計(jì)劃、維修養(yǎng)護(hù)方案，最后組織維修養(yǎng)護(hù)實(shí)施。 人工管養(yǎng)過程中對(duì)管理人員及技術(shù)人員專業(yè)技術(shù)要求較高，整個(gè)過程都需要專業(yè)技術(shù)作為支撐。 另外，人工管養(yǎng)中涉及技術(shù)資料檔案管理，如橋梁竣工圖紙、橋梁維修加固歷史、檢測(cè)報(bào)告、橋梁巡查報(bào)告等，長期管養(yǎng)過程中產(chǎn)生大量的橋梁結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)積累、分析及資料歸檔也是非常重要的[2]。

人工橋梁管養(yǎng)，不管是管理部門管理人員還是委托第三方單位技術(shù)人員對(duì)橋梁進(jìn)行管養(yǎng)，都要求整個(gè)橋梁管理模式要求比較完善，對(duì)人員專業(yè)素質(zhì)要求比較高，才能完成對(duì)巡查、檢測(cè)、維養(yǎng)中病害發(fā)現(xiàn)到后期病害處理整個(gè)過程的快速響應(yīng)，形成橋梁病害處理的閉環(huán)。 隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，人工橋梁管養(yǎng)也暴露了許多問題，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）傳統(tǒng)以人工為主的巡查、檢測(cè)難以確保管養(yǎng)的覆蓋率及時(shí)效性。 若配置結(jié)構(gòu)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、監(jiān)控系統(tǒng)，則受限于其高昂的部署和維護(hù)成本，也難以大范圍推廣。 （2）橋梁結(jié)構(gòu)隨著服役年齡的增長，將不可避免地面臨材料劣化、結(jié)構(gòu)損傷和性能退化等問題，且交通荷載、運(yùn)行環(huán)境等因素也可能因地理位置和時(shí)間的不同產(chǎn)生變化，動(dòng)態(tài)跟蹤結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變化便成了難題。 （3）橋梁分布廣泛、數(shù)量眾多、形式各異，如何在有限資金條件下對(duì)區(qū)域內(nèi)橋梁進(jìn)行優(yōu)先級(jí)劃分及運(yùn)維策略制定，進(jìn)而促使所有橋梁的安全都維持在一個(gè)水平線上，目前仍是一個(gè)亟待解決的復(fù)雜的多目標(biāo)優(yōu)化問題。 （4）橋梁從建設(shè)籌備開始到壽命期終止會(huì)產(chǎn)生大量的信息，但由于信息的標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化水平不高，導(dǎo)致在進(jìn)行運(yùn)維決策時(shí)容易形成信息孤島， 無法分析病害的成因和發(fā)展過程， 也無法對(duì)損傷的嚴(yán)重程度進(jìn)行合理的評(píng)判，更無法采取有效的養(yǎng)護(hù)措施。 綜上所述，單體橋梁在某一時(shí)段或某一方式下獲得的數(shù)據(jù)都難以滿足合理制定運(yùn)維策略的需求。 因此，有必要將信息的獲取提高到多來源、 全壽命、 區(qū)域化的維度， 并借助先進(jìn)的多源信息融合技術(shù)對(duì)其進(jìn)行綜合、過濾、關(guān)聯(lián)及合成，以期為區(qū)域橋梁運(yùn)維策略的制定提供全局最優(yōu)解[3-4]。該方式可在不顯著增加投資的情況下實(shí)現(xiàn)已有數(shù)據(jù)的最大化利用， 促進(jìn)運(yùn)維管理向精細(xì)化、智慧化轉(zhuǎn)變，從而降低橋梁安全事故的發(fā)生概率， 避免國家及個(gè)人生命財(cái)產(chǎn)的損失。

2 橋梁信息化管養(yǎng)平臺(tái)

橋梁信息化管養(yǎng)平臺(tái)是基于物聯(lián)網(wǎng)、 大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)， 實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁的全周期數(shù)據(jù)采集、分析、挖掘及數(shù)據(jù)價(jià)值落地。 從提效、降成本基礎(chǔ)出發(fā)，結(jié)合數(shù)據(jù)分析為管理部門提供科學(xué)可靠的數(shù)據(jù)支撐。

整個(gè)平臺(tái)可分為三大塊：數(shù)據(jù)采集層、橋梁大數(shù)據(jù)中心、橋梁應(yīng)用層。 橋梁信息化平臺(tái)工作關(guān)系圖見圖1。（1）數(shù)據(jù)采集層通過物聯(lián)網(wǎng)綜合管理平臺(tái)采集物聯(lián)傳感設(shè)備健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合APP 收集橋梁與隧道在日常運(yùn)營過程中產(chǎn)生的各種類型維度信息，如日常巡查、定期檢測(cè)、維修養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)，以及災(zāi)害、事故記錄等。 （2）橋梁大數(shù)據(jù)中心提供海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析能力，實(shí)現(xiàn)海量橋梁數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)與挖掘分析，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)價(jià)值的提煉。 （3）橋梁應(yīng)用層可以幫助管理者和技術(shù)人員全面、準(zhǔn)確地掌握橋梁隧道的運(yùn)營狀況，正確評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)物的技術(shù)狀況和安全水平，并及時(shí)、經(jīng)濟(jì)和高效地實(shí)施維修養(yǎng)護(hù)策略，以達(dá)到充分發(fā)揮橋梁營運(yùn)效能，確保交通運(yùn)輸安全通暢的目的。

圖1 橋梁信息化平臺(tái)工作關(guān)系圖

3 橋梁信息化管養(yǎng)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)

應(yīng)用信息化橋梁管養(yǎng)，可以通過信息技術(shù)來獲取橋梁的動(dòng)態(tài)技術(shù)狀況和結(jié)構(gòu)技術(shù)參數(shù)，及時(shí)了解結(jié)構(gòu)物的技術(shù)狀態(tài)，平臺(tái)使用方式示意圖見圖2。通過信息化平臺(tái)內(nèi)橋梁數(shù)據(jù)分析，信息化管養(yǎng)平臺(tái)在橋梁管養(yǎng)過程中的優(yōu)勢(shì)還表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

圖2 平臺(tái)使用方式示意圖

3.1 標(biāo)準(zhǔn)化

信息化橋梁管養(yǎng)以信息化平臺(tái)大數(shù)據(jù)為依托，具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)互通共享， 避免了因資料分散和缺失而導(dǎo)致的信息孤島。隨著數(shù)據(jù)的不斷豐富，海量數(shù)據(jù)在記錄橋梁運(yùn)行狀況的同時(shí)也蘊(yùn)含了大量的規(guī)律和趨勢(shì)信息，可為特征指標(biāo)的提煉和結(jié)構(gòu)安全的評(píng)估提供有力支撐。

3.2 智慧化

聚焦與橋梁安全、經(jīng)濟(jì)直接相關(guān)的指標(biāo)，形成系統(tǒng)性、模式化的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析方法，從而為結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估和運(yùn)維決策提供參考。 與傳統(tǒng)依靠經(jīng)驗(yàn)的方法相比，該流程的智慧化水平顯著提高，適合在區(qū)域內(nèi)多個(gè)結(jié)構(gòu)形式相近的橋梁或隧道結(jié)構(gòu)間復(fù)制并推廣應(yīng)用。

3.3 區(qū)域化

在云平臺(tái)的管理模式下，以電子地圖的形式顯示轄區(qū)內(nèi)所有橋梁的安全狀況和整體運(yùn)維性能，可為管理者提供區(qū)域?qū)蛹?jí)的視角和判斷依據(jù)，從而合理有效地分配資金，使區(qū)域內(nèi)所有結(jié)構(gòu)物的安全性能盡可能地保持在較高水平，同時(shí)使總體投入成本最低。

3.4 產(chǎn)業(yè)化

平臺(tái)面向的監(jiān)管對(duì)象靈活多樣， 既能針對(duì)少數(shù)大型復(fù)雜橋梁，亦能包含大量中小型簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)；可以是小規(guī)模示范性應(yīng)用， 也可實(shí)現(xiàn)全面的區(qū)域化覆蓋。

4 數(shù)據(jù)采集與處理

對(duì)城市道路中扮演重要角色的城市橋梁，可安裝自動(dòng)化采集設(shè)備，以釋放傳統(tǒng)人工管養(yǎng)過程中重復(fù)性高的工作。 通過長時(shí)間數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)，或連接自動(dòng)化采集設(shè)備的數(shù)據(jù)，對(duì)長期性數(shù)據(jù)的信息提取，從數(shù)據(jù)庫獲取經(jīng)處理后的長時(shí)間數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計(jì)分析、特征提取、數(shù)據(jù)挖掘的手段獲取隱含特征、長期規(guī)則、模型參數(shù)，并對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀態(tài)和行車安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，包括橋梁安全性評(píng)估、承載力評(píng)估、疲勞評(píng)估和其他專項(xiàng)評(píng)估。 同時(shí)，智能化預(yù)測(cè)橋梁的健康狀態(tài)， 為橋梁管養(yǎng)決策提供數(shù)據(jù)支撐。 數(shù)據(jù)采集見圖3、數(shù)據(jù)特征提取與分析見圖4。

圖3 平臺(tái)數(shù)據(jù)采集

圖4 數(shù)據(jù)參數(shù)分析和結(jié)構(gòu)物監(jiān)測(cè)評(píng)估

5 某地區(qū)信息化管養(yǎng)平臺(tái)應(yīng)用情況

某地區(qū)轄區(qū)內(nèi)有橋梁19 座，其中有大橋4 座，中小橋15 座。 其中2 座大橋主橋?yàn)殇摻钿摴芑炷料禇U拱橋，屬于特殊結(jié)構(gòu)橋梁；2 座橋?yàn)殇摻罨炷凉皹?；其?5 座橋梁均為連續(xù)梁橋、簡(jiǎn)支梁橋。該地區(qū)橋梁管理部門通過招投標(biāo)，將橋梁管養(yǎng)進(jìn)行檢測(cè)維養(yǎng)一體化社會(huì)服務(wù)。 主要內(nèi)容包括：橋梁日常巡查、橋梁定期檢測(cè)、2 座鋼管混凝土系桿拱橋橋梁健康監(jiān)測(cè)、橋梁維修養(yǎng)護(hù)等4 個(gè)方面。

信息化管養(yǎng)平臺(tái)在該地區(qū)落地實(shí)施后，大大提高該項(xiàng)目橋梁管養(yǎng)的工作效率， 簡(jiǎn)化工作流程、釋放重復(fù)性工作勞動(dòng)力。 通過web 與APP 結(jié)合的方式，按照業(yè)務(wù)板塊進(jìn)行劃分，實(shí)現(xiàn)如日常巡查、定期監(jiān)測(cè)、維修養(yǎng)護(hù)的數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集以及數(shù)據(jù)與平臺(tái)對(duì)接上傳，一方面，極大地減輕了該項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)工作人員的工作量， 減少重復(fù)工作投入的時(shí)間與成本，簡(jiǎn)化工作流程。 基于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)層面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)橋梁進(jìn)行評(píng)分、自動(dòng)生成監(jiān)測(cè)報(bào)告，代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工管養(yǎng)中人工采集數(shù)據(jù)和技術(shù)狀況評(píng)定，提高工作流程和效率。 另一方面，也大大提升突發(fā)安全預(yù)警應(yīng)對(duì)能力， 最大化降低橋梁安全事故的發(fā)生概率。管養(yǎng)平臺(tái)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，在線分析，通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與在線分析，快速實(shí)現(xiàn)對(duì)不同預(yù)警場(chǎng)景的告警，采取預(yù)防性養(yǎng)護(hù)和主動(dòng)養(yǎng)護(hù)，把可能出現(xiàn)的安全事故消滅在萌芽階段。

對(duì)于2 座特殊結(jié)構(gòu)橋梁，配置自動(dòng)化設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，并建立可視化模型結(jié)合動(dòng)態(tài)視頻監(jiān)測(cè)（可視化模型見圖5），可直觀顯示病害的部位，通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析及智能化預(yù)測(cè)， 模擬病害發(fā)展趨勢(shì)，提供科學(xué)化技術(shù)決策，確保橋梁的安全運(yùn)營。

圖5 橋梁可視化模型

該地區(qū)橋梁檢測(cè)維養(yǎng)項(xiàng)目平臺(tái)應(yīng)用前后主要參數(shù)對(duì)比見表1。

6 結(jié)語

橋梁信息化管養(yǎng)平臺(tái)在橋梁應(yīng)用中，主要表現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)化、可視化、智能化、自動(dòng)化、精細(xì)化等特點(diǎn)，通過智能化數(shù)據(jù)分析，為橋梁科學(xué)高效地運(yùn)維提供有力的技術(shù)支撐。

隨著橋梁管養(yǎng)技術(shù)及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，橋梁管養(yǎng)逐漸往信息化、智能化發(fā)展，橋梁管養(yǎng)信息化平臺(tái)將在未來的橋梁管養(yǎng)中逐步得到應(yīng)用，將成為智慧橋梁中重要的組成部分，為橋梁安全運(yùn)營保駕護(hù)航。