信息化平臺在橋梁管養(yǎng)中的應用與探討

■佘長輝

（1.福建省建筑科學研究院有限責任公司， 福州 350108； 2.福建省綠色建筑技術重點實驗室， 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，江蘇常州運村運河大橋西半幅倒塌， 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，也正在考驗著政府的社會管理能力。 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)護的不到位、不及時，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、資金等方面的制約[1]，正在影響著橋梁的安全，應大力推進橋梁的管養(yǎng)工作走上常態(tài)化和規(guī)范化的軌道。 橋梁的安全問題，不僅被公眾廣泛關注，也是確保公眾出行安全的一個不容忽視的重大方面。 保障城市橋梁的完好暢通，加強橋梁的管養(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的第三方單位技術人員直接負責本區(qū)域橋梁管養(yǎng)。 人工管養(yǎng)主要通過技術人員在橋梁現(xiàn)場巡查，發(fā)現(xiàn)橋梁缺損病害后，進行人工判定橋梁受損情況，并制定維修養(yǎng)護計劃、維修養(yǎng)護方案，最后組織維修養(yǎng)護實施。 人工管養(yǎng)過程中對管理人員及技術人員專業(yè)技術要求較高，整個過程都需要專業(yè)技術作為支撐。 另外，人工管養(yǎng)中涉及技術資料檔案管理，如橋梁竣工圖紙、橋梁維修加固歷史、檢測報告、橋梁巡查報告等，長期管養(yǎng)過程中產生大量的橋梁結構數(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人員對橋梁進行管養(yǎng)，都要求整個橋梁管理模式要求比較完善，對人員專業(yè)素質要求比較高，才能完成對巡查、檢測、維養(yǎng)中病害發(fā)現(xiàn)到后期病害處理整個過程的快速響應，形成橋梁病害處理的閉環(huán)。 隨著信息技術的快速發(fā)展，人工橋梁管養(yǎng)也暴露了許多問題，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）傳統(tǒng)以人工為主的巡查、檢測難以確保管養(yǎng)的覆蓋率及時效性。 若配置結構自動化監(jiān)測、監(jiān)控系統(tǒng)，則受限于其高昂的部署和維護成本，也難以大范圍推廣。 （2）橋梁結構隨著服役年齡的增長，將不可避免地面臨材料劣化、結構損傷和性能退化等問題，且交通荷載、運行環(huán)境等因素也可能因地理位置和時間的不同產生變化，動態(tài)跟蹤結構狀態(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區(qū)域內橋梁進行優(yōu)先級劃分及運維策略制定，進而促使所有橋梁的安全都維持在一個水平線上，目前仍是一個亟待解決的復雜的多目標優(yōu)化問題。 （4）橋梁從建設籌備開始到壽命期終止會產生大量的信息，但由于信息的標準化、數(shù)字化水平不高，導致在進行運維決策時容易形成信息孤島， 無法分析病害的成因和發(fā)展過程， 也無法對損傷的嚴重程度進行合理的評判，更無法采取有效的養(yǎng)護措施。 綜上所述，單體橋梁在某一時段或某一方式下獲得的數(shù)據(jù)都難以滿足合理制定運維策略的需求。 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， 并借助先進的多源信息融合技術對其進行綜合、過濾、關聯(lián)及合成，以期為區(qū)域橋梁運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現(xiàn)已有數(shù)據(jù)的最大化利用， 促進運維管理向精細化、智慧化轉變，從而降低橋梁安全事故的發(fā)生概率， 避免國家及個人生命財產的損失。

2 橋梁信息化管養(yǎng)平臺

橋梁信息化管養(yǎng)平臺是基于物聯(lián)網、 大數(shù)據(jù)、人工智能技術， 實現(xiàn)對橋梁的全周期數(shù)據(jù)采集、分析、挖掘及數(shù)據(jù)價值落地。 從提效、降成本基礎出發(fā)，結合數(shù)據(jù)分析為管理部門提供科學可靠的數(shù)據(jù)支撐。

整個平臺可分為三大塊：數(shù)據(jù)采集層、橋梁大數(shù)據(jù)中心、橋梁應用層。 橋梁信息化平臺工作關系圖見圖1。（1）數(shù)據(jù)采集層通過物聯(lián)網綜合管理平臺采集物聯(lián)傳感設備健康監(jiān)測數(shù)據(jù)，結合APP 收集橋梁與隧道在日常運營過程中產生的各種類型維度信息，如日常巡查、定期檢測、維修養(yǎng)護數(shù)據(jù)，以及災害、事故記錄等。 （2）橋梁大數(shù)據(jù)中心提供海量數(shù)據(jù)存儲與分析能力，實現(xiàn)海量橋梁數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲與挖掘分析，實現(xiàn)數(shù)據(jù)價值的提煉。 （3）橋梁應用層可以幫助管理者和技術人員全面、準確地掌握橋梁隧道的運營狀況，正確評價結構物的技術狀況和安全水平，并及時、經濟和高效地實施維修養(yǎng)護策略，以達到充分發(fā)揮橋梁營運效能，確保交通運輸安全通暢的目的。

圖1 橋梁信息化平臺工作關系圖

3 橋梁信息化管養(yǎng)平臺的優(yōu)勢

應用信息化橋梁管養(yǎng)，可以通過信息技術來獲取橋梁的動態(tài)技術狀況和結構技術參數(shù)，及時了解結構物的技術狀態(tài)，平臺使用方式示意圖見圖2。通過信息化平臺內橋梁數(shù)據(jù)分析，信息化管養(yǎng)平臺在橋梁管養(yǎng)過程中的優(yōu)勢還表現(xiàn)在以下幾個方面。

圖2 平臺使用方式示意圖

3.1 標準化

信息化橋梁管養(yǎng)以信息化平臺大數(shù)據(jù)為依托，具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準，各個模塊之間的數(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)在記錄橋梁運行狀況的同時也蘊含了大量的規(guī)律和趨勢信息，可為特征指標的提煉和結構安全的評估提供有力支撐。

3.2 智慧化

聚焦與橋梁安全、經濟直接相關的指標，形成系統(tǒng)性、模式化的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析方法，從而為結構狀態(tài)評估和運維決策提供參考。 與傳統(tǒng)依靠經驗的方法相比，該流程的智慧化水平顯著提高，適合在區(qū)域內多個結構形式相近的橋梁或隧道結構間復制并推廣應用。

3.3 區(qū)域化

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

3.4 產業(yè)化

平臺面向的監(jiān)管對象靈活多樣， 既能針對少數(shù)大型復雜橋梁，亦能包含大量中小型簡單結構；可以是小規(guī)模示范性應用， 也可實現(xiàn)全面的區(qū)域化覆蓋。

4 數(shù)據(jù)采集與處理

對城市道路中扮演重要角色的城市橋梁，可安裝自動化采集設備，以釋放傳統(tǒng)人工管養(yǎng)過程中重復性高的工作。 通過長時間數(shù)據(jù)的采集與存儲，或連接自動化采集設備的數(shù)據(jù)，對長期性數(shù)據(jù)的信息提取，從數(shù)據(jù)庫獲取經處理后的長時間數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計分析、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)，并對橋梁結構的技術狀態(tài)和行車安全性進行評價，包括橋梁安全性評估、承載力評估、疲勞評估和其他專項評估。 同時，智能化預測橋梁的健康狀態(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 平臺數(shù)據(jù)采集

圖4 數(shù)據(jù)參數(shù)分析和結構物監(jiān)測評估

5 某地區(qū)信息化管養(yǎng)平臺應用情況

某地區(qū)轄區(qū)內有橋梁19 座，其中有大橋4 座，中小橋15 座。 其中2 座大橋主橋為鋼筋鋼管混凝土系桿拱橋，屬于特殊結構橋梁；2 座橋為鋼筋混凝土拱橋；其余15 座橋梁均為連續(xù)梁橋、簡支梁橋。該地區(qū)橋梁管理部門通過招投標，將橋梁管養(yǎng)進行檢測維養(yǎng)一體化社會服務。 主要內容包括：橋梁日常巡查、橋梁定期檢測、2 座鋼管混凝土系桿拱橋橋梁健康監(jiān)測、橋梁維修養(yǎng)護等4 個方面。

信息化管養(yǎng)平臺在該地區(qū)落地實施后，大大提高該項目橋梁管養(yǎng)的工作效率， 簡化工作流程、釋放重復性工作勞動力。 通過web 與APP 結合的方式，按照業(yè)務板塊進行劃分，實現(xiàn)如日常巡查、定期監(jiān)測、維修養(yǎng)護的數(shù)據(jù)現(xiàn)場采集以及數(shù)據(jù)與平臺對接上傳，一方面，極大地減輕了該項目現(xiàn)場工作人員的工作量， 減少重復工作投入的時間與成本，簡化工作流程。 基于業(yè)務數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)層面實現(xiàn)自動對橋梁進行評分、自動生成監(jiān)測報告，代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工管養(yǎng)中人工采集數(shù)據(jù)和技術狀況評定，提高工作流程和效率。 另一方面，也大大提升突發(fā)安全預警應對能力， 最大化降低橋梁安全事故的發(fā)生概率。管養(yǎng)平臺提供實時數(shù)據(jù)采集，在線分析，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時采集與在線分析，快速實現(xiàn)對不同預警場景的告警，采取預防性養(yǎng)護和主動養(yǎng)護，把可能出現(xiàn)的安全事故消滅在萌芽階段。

對于2 座特殊結構橋梁，配置自動化設備對數(shù)據(jù)實時采集，并建立可視化模型結合動態(tài)視頻監(jiān)測（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)分析及智能化預測， 模擬病害發(fā)展趨勢，提供科學化技術決策，確保橋梁的安全運營。

圖5 橋梁可視化模型

該地區(qū)橋梁檢測維養(yǎng)項目平臺應用前后主要參數(shù)對比見表1。

6 結語

橋梁信息化管養(yǎng)平臺在橋梁應用中，主要表現(xiàn)在標準化、可視化、智能化、自動化、精細化等特點，通過智能化數(shù)據(jù)分析，為橋梁科學高效地運維提供有力的技術支撐。

隨著橋梁管養(yǎng)技術及互聯(lián)網技術的進步，橋梁管養(yǎng)逐漸往信息化、智能化發(fā)展，橋梁管養(yǎng)信息化平臺將在未來的橋梁管養(yǎng)中逐步得到應用，將成為智慧橋梁中重要的組成部分，為橋梁安全運營保駕護航。