基于WebGIS技術(shù)的蘇州市橋梁管理信息系統(tǒng)的研制

楊朝輝，陳志輝，唐 毅，何繼崢

（蘇州科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州215009）

基于WebGIS技術(shù)的蘇州市橋梁管理信息系統(tǒng)的研制

楊朝輝，陳志輝，唐 毅，何繼崢

（蘇州科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州215009）

隨著我國城市建設(shè)的大規(guī)模發(fā)展，如何對橋梁進行有效的管理、分析與維護已是一項迫切的問題。根據(jù)蘇州市橋梁管理的現(xiàn)狀，研制開發(fā)了基于WebGIS技術(shù)的蘇州市橋梁管理信息系統(tǒng)。首先介紹了系統(tǒng)研究與開發(fā)的總體思路、功能結(jié)構(gòu)設(shè)計與數(shù)據(jù)庫設(shè)計，然后重點對數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測、數(shù)據(jù)管理與顯示、數(shù)據(jù)分析與健康評價等主要模塊進行了闡述。該系統(tǒng)整合了攝影測量監(jiān)測與橋梁健康評價等新功能，具備一定的實用性和擴展性。系統(tǒng)的試運行結(jié)果表明，結(jié)合WebGIS與數(shù)據(jù)庫等技術(shù)對蘇州市橋梁信息進行管理，能夠有效整合橋梁屬性數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)，并且科學(xué)地評價橋梁健康狀態(tài)。系統(tǒng)具有操作簡單、可視化強的特點，可提升橋梁信息管理的工作效率，為社會提供有益的服務(wù)。

地理信息系統(tǒng)；橋梁；健康評價；網(wǎng)絡(luò)GIS

橋梁管理信息系統(tǒng)是近年來出現(xiàn)的一個多學(xué)科、跨領(lǐng)域的工程技術(shù)集成系統(tǒng)，它涵蓋了橋梁結(jié)構(gòu)工程、工程管理、系統(tǒng)科學(xué)、信息科學(xué)、計算機科學(xué)等多種相關(guān)學(xué)科[1－2]，以橋梁的各類監(jiān)測數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過對橋梁綜合狀況進行科學(xué)合理的監(jiān)測、分析與評定，將橋梁劃分為健康狀況良好、局部輕微破損、結(jié)構(gòu)性能退化、功能喪失等不同的健康狀態(tài)，據(jù)此對橋梁的未來健康狀態(tài)進行預(yù)測，從而實現(xiàn)對橋梁安全性的分析、評定和評價。系統(tǒng)對于改善橋梁維護和管理水平，確保行人和車輛的通行安全，合理地優(yōu)化配置維護資金能起到很好的作用，為橋梁的維護和加固提供科學(xué)的決策方案[3]。橋梁管理信息系統(tǒng)最早始于20世紀70年代的美國，經(jīng)歷了由簡單到復(fù)雜、由單項數(shù)據(jù)分析到多項數(shù)據(jù)綜合分析的信息處理的發(fā)展過程[4]。經(jīng)過多年的努力，美國、加拿大、英國、澳大利亞和日本等國家已經(jīng)建立起了可實際應(yīng)用的橋梁管理信息系統(tǒng)。國內(nèi)橋梁管理信息系統(tǒng)的發(fā)展始于20世紀80年代中期，與國外相比起步相對較晚，大部分由各省市的橋梁養(yǎng)護管理部門根據(jù)各自的需求來開發(fā)研制。目前我國已先后開發(fā)了四川、廣東、北京等地的橋梁管理信息系統(tǒng)[5]?？傮w而言，上述系統(tǒng)大多通過構(gòu)建橋梁各類信息的龐大數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)而提供基本的查詢、檢索與報表等服務(wù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能都相對簡單，沒有過多的包括對橋梁技術(shù)狀況的評價功能、維修養(yǎng)護計劃決策功能與橋梁健康綜合狀況評估功能，在實際應(yīng)用中有很大的局限性，較難幫助橋梁管理者做出快速正確的決策。

作為江南水鄉(xiāng)的蘇州市，市域內(nèi)河網(wǎng)水系發(fā)達，橋梁在蘇州交通網(wǎng)絡(luò)中起著至關(guān)重要的作用，橋梁的維護管理工作非常繁重。蘇州市形式多樣的橋梁不僅數(shù)量大，結(jié)構(gòu)體系也比較復(fù)雜，橋梁設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)差異巨大，承載力各不相同。這些特點都給蘇州市橋梁的監(jiān)測、檢查、評價與維護帶來了許多困難。傳統(tǒng)的管理方法與模式已不能匹配蘇州市橋梁的現(xiàn)代化管理，會造成橋梁信息分散、程序繁瑣、管理效率低下，很難對橋梁進行科學(xué)有效的評價和正確的決策，從而導(dǎo)致橋梁的使用安全隱患。目前，蘇州市現(xiàn)有的橋梁管理系統(tǒng)基本上屬于橋梁檔案數(shù)據(jù)庫，功能和結(jié)構(gòu)比較簡單。少數(shù)的監(jiān)測與分析模塊功能也比較單一，尚處于研究的初級階段。在此背景下，筆者研制了基于WebGIS技術(shù)的橋梁信息管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)在橋梁信息數(shù)字化管理與顯示的基礎(chǔ)上，融合了攝影測量監(jiān)測與健康評價等功能，能夠得出更客觀科學(xué)的評價結(jié)果，為橋梁的健康提供良好的決策依據(jù)。進一步促進蘇州市橋梁管理的科學(xué)化、系統(tǒng)化、數(shù)字化與規(guī)范化，有效地避免橋梁災(zāi)難性事故的發(fā)生，切實保護人民群眾的人身安全。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 總體思路

橋梁管理信息系統(tǒng)是集橋梁數(shù)據(jù)監(jiān)測、養(yǎng)護管理、統(tǒng)計分析等功能的綜合管理系統(tǒng)。地理信息系統(tǒng)（Geographical Information System，GIS）技術(shù)具有強大的圖形表現(xiàn)與三維可視化展示能力。將GIS技術(shù)應(yīng)用于橋梁管理信息系統(tǒng)，可以提供給用戶特定的橋梁地理信息，并實現(xiàn)對橋梁的快速查詢與有效的數(shù)據(jù)空間管理[6]?；贕IS技術(shù)的橋梁管理信息系統(tǒng)主要應(yīng)具有以下作用：（1）快速采集橋梁相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)，并方便導(dǎo)入系統(tǒng)；（2）有效地管理橋梁數(shù)據(jù)，并進行生動形象的三維展示；（3）提供經(jīng)濟合理的維護策略和手段，實現(xiàn)橋梁健康評價等復(fù)雜分析功能，為管理部門及時準(zhǔn)確地作出科學(xué)決策提供技術(shù)支持。

文中基于WebGIS技術(shù)的橋梁信息管理系統(tǒng)研制的總體思路如下：（1）獲取包含橋梁矢量數(shù)據(jù)的蘇州市數(shù)字地圖，并根據(jù)橋梁信息特點和橋梁管理的需求，構(gòu)造橋梁信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。（2）運用WebGIS技術(shù)建立網(wǎng)絡(luò)版的蘇州市橋梁信息管理系統(tǒng)，在客戶端提供友好的人機交互或條件查詢界面，在線向用戶發(fā)布橋梁健康狀態(tài)信息和運營情況。使數(shù)據(jù)資源可以在不同的機構(gòu)、部門與組織之間進行共享，服務(wù)于整個社會。在提高橋梁信息數(shù)據(jù)利用率的同時降低整個系統(tǒng)的運行成本。（3）在對原始監(jiān)測數(shù)據(jù)進行空間查詢、統(tǒng)計分析與回歸分析的基礎(chǔ)上，進一步研制攝影測量橋梁健康監(jiān)測方法與開發(fā)橋梁健康評價等復(fù)雜分析功能，運用GIS強大的空間分析能力和對橋梁空間結(jié)構(gòu)信息管理的優(yōu)越性，實現(xiàn)高效準(zhǔn)確的橋梁信息監(jiān)測與健康評價，并通過圖形或報表等形式進行直觀形象的可視化顯示，為相關(guān)管理部門提供科學(xué)的決策依據(jù)。

1.2 功能結(jié)構(gòu)設(shè)計

在充分借鑒國內(nèi)外橋梁管理系統(tǒng)先進經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，選擇ArcGIS Server作為開發(fā)工具，借助數(shù)據(jù)庫技術(shù)、軟件工程技術(shù)與傳感器技術(shù)，并結(jié)合C#、ASP.NET Ajax和SQL Server 2012數(shù)據(jù)庫，開發(fā)出能夠真實反映橋梁相關(guān)信息與當(dāng)前狀態(tài)，并能夠?qū)蛄航】禒顟B(tài)進行科學(xué)評價的蘇州市橋梁管理信息系統(tǒng)。

該系統(tǒng)基于B/S模式，主要包括了Web服務(wù)器、客戶端瀏覽器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器三個部分，可實現(xiàn)跨平臺、分布式的數(shù)據(jù)訪問和管理，展示橋梁相關(guān)的地形、地貌、結(jié)構(gòu)物以及附屬物等空間與屬性信息，并可以實現(xiàn)定位、查詢、統(tǒng)計、監(jiān)測、分析與健康評價等功能。為實現(xiàn)橋梁信息處理與管理的網(wǎng)絡(luò)化，整個系統(tǒng)的開發(fā)與運行基于客戶服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)的思想。系統(tǒng)主要框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

系統(tǒng)功能模塊主要包括數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測、數(shù)據(jù)管理與顯示、數(shù)據(jù)分析與健康評價、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置等主要模塊。系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

1.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

空間數(shù)據(jù)庫是該系統(tǒng)的重要組成部分，結(jié)合SQL Server大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫和GIS數(shù)據(jù)庫來建立?？臻g數(shù)據(jù)庫由動態(tài)數(shù)據(jù)庫、靜態(tài)數(shù)據(jù)庫和分析評價結(jié)果數(shù)據(jù)庫等組成的建立在服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫[7]，用來管理從傳感器采集來的監(jiān)測數(shù)據(jù)、橋梁與傳感器的信息與各類分析評價的結(jié)果。建立靜態(tài)數(shù)據(jù)庫存貯那些不變或較少變化的靜態(tài)空間與屬性數(shù)據(jù)；建立動態(tài)數(shù)據(jù)庫存貯隨時間變化的監(jiān)測數(shù)據(jù)，動態(tài)數(shù)據(jù)庫需要定期備份和更新，可以被不同用戶所共享；建立分析評價結(jié)果數(shù)據(jù)庫存貯橋梁分析與健康評價結(jié)果，比如載荷響應(yīng)分析、結(jié)構(gòu)健康分析、損傷探測以及疲勞分析等。用戶在客戶端使用系統(tǒng)的瀏覽、定位或查詢功能，可以從服務(wù)器端調(diào)出各類傳感器在任意時間段內(nèi)采集的原始監(jiān)測數(shù)據(jù)，也可以得到進一步的分析評價結(jié)果。同時，可利用系統(tǒng)的可視化顯示功能，對原始數(shù)據(jù)、計算過程與分析評價結(jié)果以圖形圖像的形式直觀地展示給用戶。

2 系統(tǒng)主要模塊

2.1 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊提供人機交互界面，使得開發(fā)人員與用戶可以方便地改變系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，并可以按照不同的級別對登錄人員進行使用授權(quán)，有利于系統(tǒng)安全和數(shù)據(jù)信息查看、數(shù)據(jù)正確錄入等。

2.2 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測模塊通過激光測量裝置、攝影測量裝置、疲勞探測儀、位移傳感器、加速度計等設(shè)備完成橋梁壓力、結(jié)構(gòu)和振動等參數(shù)采集、實時監(jiān)測、遠程傳輸及系統(tǒng)導(dǎo)入功能，為其他相關(guān)模塊提供監(jiān)測數(shù)據(jù)源，從而滿足數(shù)據(jù)處理、分析、評價、決策與維護等的需要。其中，可將無線傳輸模塊部署在橋梁附近，實現(xiàn)對橋梁的傳感器數(shù)據(jù)進行采集和傳輸。采集數(shù)據(jù)通過GPRS/CDMA通訊模塊、TCP/IP通訊模塊和串口通訊模塊可傳入橋梁信息系統(tǒng)控制組件，并貯存入數(shù)據(jù)庫。

橋梁數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測的內(nèi)容主要包括：（1）橋梁工作環(huán)境監(jiān)測。包括橋址處的溫度、風(fēng)速風(fēng)向、交通載荷及其分布情況。（2）三維位移監(jiān)測。主要包括塔偏、主梁撓度及伸縮縫（裂縫）位移監(jiān)測[8]。結(jié)合三維位移監(jiān)測數(shù)據(jù)與工作環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，可進一步分析位移與溫度之間的關(guān)系、位移與車輛載荷的關(guān)系、位移與風(fēng)速的關(guān)系等。（3）橋梁力學(xué)性能監(jiān)測。包括橋梁結(jié)構(gòu)控制部位的應(yīng)力應(yīng)變測量、索力測量、振動頻率測量等。

以基于數(shù)字攝影測量的伸縮縫（裂縫）位移監(jiān)測方法為例。首先使用數(shù)碼相機對橋梁裂縫進行拍攝，采集裂縫的單張影像（圖3）；其次在相機標(biāo)定的基礎(chǔ)上完成對原始影像的畸變糾正；然后使用Wong-Trinder圓點定位算子自動定位出10個控制點并進行二維直接線性變換，將影像投影于物方空間；最后采用基于卡方檢驗的邊緣檢測算子精確提取出裂縫邊緣[9]，并用最短距離法計算出裂縫的寬度，實現(xiàn)橋梁裂縫的位移監(jiān)測。該方法的流程如圖4所示。

圖3 基于攝影測量的橋梁裂縫位移監(jiān)測

2.3 數(shù)據(jù)管理與顯示

數(shù)據(jù)管理與顯示模塊實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)的管理與可視化顯示，提供空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的維護、定位與報表打印，以及空間數(shù)據(jù)三維可視化顯示等功能。系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)實行數(shù)據(jù)庫分級存儲與管理，可以進行橋梁信息的查詢、管理與報表輸出。通過報表處理模塊，可以進行實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)的自動提取，并根據(jù)要求生成日報表、月報表與年報表等。報表內(nèi)容包括監(jiān)測數(shù)據(jù)單項統(tǒng)計、技術(shù)狀況統(tǒng)計、維修數(shù)量統(tǒng)計、維修經(jīng)費統(tǒng)計、橋梁結(jié)構(gòu)健康評價等。

系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)的可視化顯示功能，可以導(dǎo)入整合各類原始采集與監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行解算與初步分析，并對分析處理結(jié)果以三維圖表等形式進行可視化顯示，例如監(jiān)測點在三維方向上的位移曲線圖、溫度與橋梁載荷之間的關(guān)系圖等。這種可視化顯示是直觀分析橋梁健康的強有力手段，可以清楚地反映出橋梁結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化情況，并且方便用戶在客戶端進行查看（圖5）。

另外，使用影像全站儀和激光掃描儀等設(shè)備構(gòu)建橋梁的三維模型，全方位查看橋梁的結(jié)構(gòu)與局部部件，真實地反映橋梁局部部件之間位置和與整體之間的關(guān)系，為進一步進行結(jié)構(gòu)分析和橋梁健康評價提供詳實的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

圖4 基于攝影測量的橋梁伸縮縫（裂縫）位移監(jiān)測流程圖

圖5 客戶端顯示界面

2.4 數(shù)據(jù)分析與健康評價

數(shù)據(jù)分析與健康評價模塊提供數(shù)據(jù)的監(jiān)測、查詢與統(tǒng)計，以及變形預(yù)測分析、橋梁健康評價等核心功能，并提供各種分析評價報告的查詢、顯示、打印和下載功能。此模塊是該系統(tǒng)的核心，采用算法倉庫，針對各類信息進行相應(yīng)的處理，以保證數(shù)據(jù)的有效性和可用性[10]。

2.4.1 變形預(yù)測分析

通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的科學(xué)分析，不僅可以了解到橋梁結(jié)構(gòu)過去和現(xiàn)在的工作狀況，還可以預(yù)測未來狀況的趨勢。如何從眾多監(jiān)測數(shù)據(jù)中準(zhǔn)確提取出與結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的信息并作出準(zhǔn)確的變形預(yù)測，是進行橋梁健康狀況精確評估的基礎(chǔ)。

以某橋梁鋼箱梁撓度變形預(yù)測分析為例，影響預(yù)測目標(biāo)橋梁撓度的因素有很多種，采用多元線性回歸模型可以有效解決多因素間的相關(guān)關(guān)系。多元線性回歸模型的原理是使用最小二乘法來確定多元線性回歸模型的回歸系數(shù)和常數(shù)項[11]。多元線性回歸模型的形式如下

式中，x1，x2，…，xm是影響預(yù)測目標(biāo)橋梁撓度的多個因素（比如混凝土收縮、鋼束預(yù)應(yīng)力損失等），y是變形預(yù)測值，β0，β1…，βm是未知的參數(shù)，ε 是隨機誤差。

2.4.2 橋梁結(jié)構(gòu)健康評價

橋梁結(jié)構(gòu)健康評價是近年來橋梁健康監(jiān)測領(lǐng)域的發(fā)展新趨勢，它融合了現(xiàn)代傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、信號處理與分析、數(shù)據(jù)管理方法、計算機視覺、知識挖掘和決策理論等交叉領(lǐng)域的知識和技術(shù)，極大地拓展了橋梁健康評價的內(nèi)涵，提高了評價的科學(xué)性與可靠性[12]。

橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)主要包括橋梁的適用性、耐久性、安全性、可靠性和協(xié)調(diào)性。橋梁狀態(tài)評定指標(biāo)的一般公式為[13]

式中，PI為橋梁健康狀態(tài)指標(biāo)；Ki為第i個缺陷權(quán)重；Fi表示第i個缺陷；a，b，c，…為對應(yīng)的缺陷屬性。

綜合考慮橋梁外觀檢查、日常巡檢及結(jié)構(gòu)健康檢查分析結(jié)果，得到橋梁健康綜合狀態(tài)評分公式[12]，該公式依據(jù)橋梁管理的主觀評分和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的定量分析結(jié)果。

式中，i=1，2，…，n是對橋梁狀態(tài)有重要影響的橋梁單元；Wi為構(gòu)件在整個橋梁系統(tǒng)的權(quán)重；ki為Wi的標(biāo)準(zhǔn)值；Ri是對橋梁上每個單元最差的狀態(tài)評分，公式如下

其中Wi1為目測及巡檢結(jié)果對應(yīng)的權(quán)重，Wi2為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測分析結(jié)果對應(yīng)的權(quán)重，Wi1+Wi2=1。

3 結(jié)語

以蘇州市橋梁為研究對象，結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)、傳感器技術(shù)和軟件工程等技術(shù)，基于ArcGIS Server研制了蘇州市橋梁管理信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)在實現(xiàn)常規(guī)的橋梁信息采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，補充了基于數(shù)字攝影測量的伸縮縫（裂縫）位移監(jiān)測等新方法，重點開發(fā)了整合橋梁外觀檢查、日常巡檢及結(jié)構(gòu)健康檢查分析結(jié)果的橋梁健康綜合評價功能，使之能科學(xué)、有效、合理地對橋梁進行評定、評價維護和管理，實現(xiàn)對橋梁信息數(shù)據(jù)科學(xué)管理的目的，提高橋梁現(xiàn)代化管理效率和管理水平，并且基于網(wǎng)絡(luò)B/S開發(fā)模式實現(xiàn)資源的信息化與共享化，為社會提供有效的服務(wù)。

當(dāng)然橋梁管理信息系統(tǒng)的研制是一項復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，與許多學(xué)科緊密聯(lián)系，所涉及的問題較多。該系統(tǒng)使用的監(jiān)測數(shù)據(jù)仍不全面，數(shù)據(jù)分析方法、橋梁健康評價等模型仍需在今后的研究工作中作進一步的補充與完善。

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責(zé)任編輯：謝金春

Web GIS-based bridge management information system of Suzhou

YANG Zhaohui，CHEN Zhihui，TANG Yi， HE Jizheng
（School of Environmental Science and Engineering，SUST，Suzhou 215009，China）

With the large-scale development of municipal construction,how to manage，analyze and maintain the bridges efficiently becomes an urgent task.According to the current status of the bridges'management in Suzhou,we developed a Web GIS-based bridge management information system of Suzhou.First，we introduced the main design idea,the design of functional configuration and of database.Then，we described the main modules of data collection and monitoring，data management and visualization，data analysis and health assessment.This system,practical and extendable，integrated the new functions of photogrammetry monitoring and health assessment.The experimental results show that using Web GIS and database technology，the combination of bridges'attribute data and spatial data is efficient and the health assessment is reasonable.With the features of simple operation and interaction visualization，this system can improve the efficiency of bridge information management and provide helpful services for the society.

geographical information system；bridge；health assessment；Web GIS

P208

A

2096－3289（2017）04－0059－06

2016－02－22

江蘇省建設(shè)系統(tǒng)科技項目（2014JH35）；江蘇省環(huán)境科學(xué)與工程重點實驗室開放課題（Zd131208）

楊朝輝（1976-），男，江蘇常州人，副教授，博士，研究方向：GIS與攝影測量。