橋梁智慧檢測邊緣計算技術(shù)及系統(tǒng)開發(fā)

李星新，袁 里，陳湘亮，陳益平

(1. 湖南城市學院 土木工程學院，湖南 益陽 413000；2. 湖南未來橋科技有限公司，長沙 410000)

截至 2020年年底，我國公路橋梁總數(shù)接近100萬座，及時、科學合理的檢測評估可保障眾多橋梁的安全服役﹒為了達到檢測評估的目的，目前有2種做法：定期檢測評估和長期健康監(jiān)測﹒健康監(jiān)測的重點在于力學性能監(jiān)測和變形監(jiān)測[1]，定期檢測的重點在于表觀技術(shù)狀態(tài)檢測，兩者結(jié)合可實現(xiàn)橋梁全方位的狀態(tài)掌控[2-3]﹒

隨著信息化技術(shù)快速發(fā)展，橋梁檢測評估手段逐步信息化和在線化﹒所有檢測數(shù)據(jù)均可通過集中式處理模型，從網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆朴嬎阒行?，并利用云計算超強的能力來集中解決計算及存儲問題[4]﹒隨著越來越多的檢測和監(jiān)測設(shè)備的現(xiàn)場安裝，橋梁檢測和監(jiān)測數(shù)據(jù)將快速增長，且 5G技術(shù)的廣泛應(yīng)用將會產(chǎn)生巨量數(shù)據(jù)，因此采用以云計算模型為核心的集中式處理模式進行計算將會越來越困難，其帶寬不足、實時性不夠、安全隱患大以及能耗高等缺陷將會愈加突出[5]﹒為了解決這些問題，邊緣計算模型應(yīng)運而生﹒

目前，邊緣計算的發(fā)展還處在初級階段，在實際應(yīng)用中還存在很多問題[6]，如優(yōu)化橋梁智慧檢測的邊緣計算性能、安全性、互操作性以及智能邊緣操作管理服務(wù)等﹒針對以上問題，本文基于邊緣計算技術(shù)設(shè)計開發(fā)了橋梁智慧檢測系統(tǒng)，以此提升其計算性能、安全性、互操作性以及智能邊緣操作管理服務(wù)能力，并將其應(yīng)用于蒙華鐵路岳陽洞庭湖大橋的健康監(jiān)測和長沙機場高速公路橋梁的定期檢測﹒

1 橋梁智慧檢測邊緣計算架構(gòu)

邊緣計算是在網(wǎng)絡(luò)邊緣執(zhí)行計算的一種新型計算模型[7]﹒該模型具有以下優(yōu)點：在靠近數(shù)據(jù)生產(chǎn)處做數(shù)據(jù)處理，無需請求云計算中心，減少了系統(tǒng)延遲；在網(wǎng)絡(luò)邊緣處理大量臨時數(shù)據(jù)而不再全部上傳云端，極大地減輕了數(shù)據(jù)中心功耗和網(wǎng)絡(luò)帶寬的壓力；邊緣計算將隱私數(shù)據(jù)存儲在網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備上，減少了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)泄露的風險﹒基于上述優(yōu)勢，邊緣計算近年來得到迅速發(fā)展﹒

橋梁監(jiān)測系統(tǒng)含有大量的現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備，單個監(jiān)測設(shè)備模塊產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以很容易地在網(wǎng)絡(luò)上進行傳輸，但大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸可能會出現(xiàn)問題﹒1個采集模塊實時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可以比較輕松，但若將數(shù)百或數(shù)千個監(jiān)測設(shè)備采集的數(shù)據(jù)進行網(wǎng)絡(luò)上傳，不僅質(zhì)量會因延遲而受到影響，而且?guī)挸杀究赡芊浅＞薮螬q橋梁監(jiān)測對象由多個分散的橋梁對象或橋梁監(jiān)測子模塊組成，每個分散的監(jiān)測對象即1個監(jiān)測單元，邊緣計算的特點特別適用于分散的橋梁監(jiān)測場景[8]﹒橋梁智慧監(jiān)測邊緣計算架構(gòu)劃分為云計算層、邊緣層和現(xiàn)場層﹒邊緣計算的架構(gòu)描述了其組件和拓撲結(jié)構(gòu)，以及相關(guān)技術(shù)，見圖1﹒

圖1 橋梁監(jiān)測邊緣計算架構(gòu)

橋梁集群監(jiān)測需對數(shù)座橋梁進行在線監(jiān)測，超大規(guī)模的橋梁集群監(jiān)測，如武漢城市橋梁集群監(jiān)測、合肥城市橋梁集群監(jiān)測以及佛山城市橋梁集群監(jiān)測等，其設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)級別的異構(gòu)性，以及由各種橋梁生成的大量不同類型數(shù)據(jù)，將使多樣化的應(yīng)用程序和服務(wù)的開發(fā)成為一項非常具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)﹒以往的監(jiān)測平臺通過監(jiān)測傳感器生成大量數(shù)據(jù)，通過對大數(shù)據(jù)進行分析，確定橋梁響應(yīng)或提取、分析統(tǒng)計數(shù)據(jù)﹒邊緣計算更適合于多個監(jiān)測模塊集成，可為大量橋梁提供有效的安全監(jiān)測服務(wù)﹒云計算層提供更深層次的計算能力和決策支持，擁有最高的服務(wù)資源配置，并為用戶提供網(wǎng)頁端或移動端的交互方式，橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)的界面展示和匯總分析主要在該層[9]；邊緣層處于云計算層和現(xiàn)場層的中間，是邊緣計算框架中的核心層，橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、傳輸及節(jié)點計算均在該層；現(xiàn)場層包括網(wǎng)絡(luò)連接傳感器、執(zhí)行器、控制系統(tǒng)等設(shè)備，也被稱為感知層或終端層﹒

2 橋梁監(jiān)測子模塊開發(fā)及應(yīng)用

邊緣計算的承載平臺為邊緣網(wǎng)關(guān)，開發(fā)環(huán)境為Linux系統(tǒng)，并包括橋梁多設(shè)備接入和管理、數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計決策等﹒圖2是系統(tǒng)邊緣網(wǎng)關(guān)功能算法流程﹒

圖2 橋梁監(jiān)測邊緣網(wǎng)關(guān)功能算法流程

2.1 橋梁監(jiān)測子模塊開發(fā)

基于邊緣網(wǎng)關(guān)功能算法流程，湖南未來橋科技有限公司開發(fā)了橋梁監(jiān)測邊緣計算模塊及云平臺，其實現(xiàn)的主要功能有：橋梁內(nèi)測站的管理、橋梁管理、與云平臺測點信息的同步、數(shù)據(jù)的采集與顯示、數(shù)據(jù)的預(yù)處理(包括最大和最小特征值)、數(shù)據(jù)的存儲等﹒

2.2 蒙華鐵路岳陽洞庭湖大橋健康監(jiān)測應(yīng)用

蒙華鐵路岳陽洞庭湖大橋是3塔鐵路斜拉橋，主橋長1 290 m﹒大橋的監(jiān)測內(nèi)容與測點布設(shè)如圖3所示﹒為實現(xiàn)大橋多點監(jiān)測，采用邊緣計算技術(shù)進行監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計和實施，部分監(jiān)測界面與數(shù)據(jù)分析如圖4和圖5所示﹒

圖3 岳陽洞庭湖大橋監(jiān)測點布設(shè)

圖4 邊緣計算平臺-大橋橋塔傾斜監(jiān)測

圖5 大橋?qū)崪y風玫瑰圖

3 橋梁定檢子模塊開發(fā)及應(yīng)用

橋梁定期檢測的傳統(tǒng)方式是將視頻記錄的裂縫等圖像上傳至云端進行處理，云端計算的負載較高，并且大量數(shù)據(jù)頻繁地傳輸會增加傳輸負載，從而導致視頻監(jiān)控的圖像處理效率不高，降低了經(jīng)視頻發(fā)現(xiàn)病害的效率﹒邊緣計算可實現(xiàn)在前端完成基于深度學習的裂縫自動識別，便于現(xiàn)場及時發(fā)現(xiàn)病害并進行更詳細的觀測﹒定檢子模塊基于邊緣計算技術(shù)，采用快捷數(shù)字輸入方式，實現(xiàn)橋梁的快速檢測[10]，可為公路橋梁快速檢測評估提供有效技術(shù)手段[11]﹒

3.1 橋梁定檢子模塊開發(fā)

深度學習網(wǎng)絡(luò)SSD是一種常用的“一段式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)”，無需先產(chǎn)生候選區(qū)域(region proposals)再分類，有著較快的檢測速度﹒為了達到更高的檢測速度和減少模型參數(shù)數(shù)量，采用專為移動客戶端邊緣計算設(shè)計的分類模型MobileNet v2代替原有SSD模型結(jié)構(gòu)中的VGG-16，用深度可分離卷積結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)卷積結(jié)構(gòu)形成了 SSD Lite-MobileNet v2模型，顯著減少了計算量和參數(shù)數(shù)量，提高了檢測速率[12]﹒采用常用的智能手機作為無人機地面站的數(shù)據(jù)接收和處理端進行邊緣計算，并針對智能手機采用Android Studio開發(fā)了裂縫邊緣計算APP模塊﹒該APP分為2個界面，界面1為裂縫識別頁，該頁的功能是將無人機拍攝的視頻實時顯示到屏幕上，同時由所訓練的輕量化SSDLite-MobileNet v2模型實時處理視頻(見圖6)；界面2為裂縫寬度測量頁，對于界面1中識別為有裂縫的圖片，重新導入到界面2上，并點選所要測量的裂縫位置即能計算該處裂縫寬度﹒

圖6 移動端邊緣計算裂縫識別

定檢子模塊主要包括軟件部分和硬件終端，其中軟件分為管理端WEB系統(tǒng)和智能定檢APP應(yīng)用，硬件部分為智能設(shè)備巡檢終端和數(shù)據(jù)中心服務(wù)器等配套IT基礎(chǔ)設(shè)備，智能設(shè)備巡檢終端采用邊緣計算技術(shù)﹒定檢子模塊由湖南未來橋科技有限公司開發(fā)，主要架構(gòu)和界面見圖7和圖8﹒

圖7 定檢子模塊總體框架

圖8 數(shù)字快捷創(chuàng)建病害(定檢APP)

未來橋智檢 APP應(yīng)用可實現(xiàn)現(xiàn)場巡檢養(yǎng)護信息的快捷、全面記錄，接收管理端指派的巡檢任務(wù)和養(yǎng)護單，為現(xiàn)場工作進行統(tǒng)籌安排和規(guī)劃；管理端 WEB系統(tǒng)通過互聯(lián)網(wǎng)向用戶提供便捷的管理方式，實現(xiàn)對橋群的GIS地圖集成應(yīng)用，對橋梁檢測信息進行集成管理，可以查看其中各個環(huán)節(jié)的詳細信息和處置流程，并通過手機APP識別和分析病害類型(見圖9)、統(tǒng)計病害數(shù)量和分布；最后采用相關(guān)技術(shù)狀況評定標準對橋梁進行評估，自動生成各類標準的報告報表(見圖10)﹒數(shù)據(jù)中心為整個系統(tǒng)提供運行環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)支持，并采用高性能服務(wù)器對數(shù)據(jù)進行存儲管理和各項應(yīng)用的分發(fā)﹒

圖9 基于邊緣計算的手機端實時識別裂縫

圖10 定檢系統(tǒng)自動生成檢測報告

3.2 長沙機場高速定期檢測應(yīng)用

長沙機場高速公路為長沙城區(qū)連接黃花機場的快速通道，全長17.338 km，為雙向四車道，設(shè)計行車速度100 km/h﹒筆者基于未來橋科技有限公司開發(fā)的定檢平臺對機場高速公路上 19座橋梁進行了定期檢測(見圖11)﹒其中，大橋4座，中橋5座，小橋10座﹒基于邊緣計算技術(shù)識別病害、統(tǒng)計病害數(shù)量和分布，對橋梁技術(shù)狀況進行了計算評估(見圖12).

圖11 長沙機場高速19座橋梁應(yīng)用平臺

圖12 橋梁技術(shù)狀況計算評估

4 結(jié)語

本文為解決傳統(tǒng)云計算技術(shù)在日益發(fā)展的橋梁健康監(jiān)測及智能定檢應(yīng)用中的帶寬不足、能耗大以及數(shù)據(jù)安全等問題，對邊緣計算在橋梁檢測中的應(yīng)用架構(gòu)展開了研究，實現(xiàn)了在橋梁現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)邊緣處理大量臨時數(shù)據(jù)，不再全部上傳云端，減輕了網(wǎng)絡(luò)帶寬和數(shù)據(jù)中心功耗的壓力；實現(xiàn)了在橋梁現(xiàn)場處做數(shù)據(jù)處理，減少了系統(tǒng)延遲且無需通過網(wǎng)絡(luò)請求云計算中心；實現(xiàn)將用戶隱私數(shù)據(jù)不再上傳，而是存儲在網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備上，減少了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)泄露風險﹒基于邊緣計算技術(shù)開發(fā)了橋梁監(jiān)測模塊和定檢模塊，并應(yīng)用于蒙華鐵路岳陽洞庭湖大橋健康監(jiān)測和長沙機場高速公路橋梁的定期檢測，與傳統(tǒng)云計算中心方式相比，邊緣計算現(xiàn)場實時分析處理數(shù)據(jù)，節(jié)約了傳統(tǒng)云計算中心大型存儲設(shè)備，充分發(fā)揮了人工智能優(yōu)勢，其檢測效率提升了約70%﹒