基于BIM 技術(shù)的軌道橋梁運維平臺構(gòu)建與應用

丁 鵬，黎小剛，史喜華，曾 勇，譚書林，陳 勝

（林同棪國際工程咨詢（中國）有限公司，重慶 401121）

近年來，我國城市軌道交通建設(shè)速度明顯加快，預計到2021 年底，全國擁有軌道交通的城市將達到50 個，運營里程達到近10 000 km 的規(guī)模。伴隨城市軌道交通的快速發(fā)展，城市軌道橋梁的數(shù)量也逐步增長。以“橋都”重慶為例，根據(jù)最新規(guī)劃獲悉主城外環(huán)以內(nèi)運營、在建與規(guī)劃的軌道交通跨江橋梁共計29 座，其中有12 座軌道交通專用橋和17 座公軌兩用橋。

然而，基于每座軌道橋梁建成年份不同、管養(yǎng)單位不同、監(jiān)測單位不同、監(jiān)測信息未實現(xiàn)標準化及規(guī)范化等因素影響，導致正在運營的軌道橋梁均處于“一橋一系統(tǒng)”的現(xiàn)狀，造成綜合管理鏈條長、運維任務繁重、社會資源浪費；人工檢查與實時監(jiān)測獨立運行，橋梁狀態(tài)感知存在局限性、狀態(tài)評價相對片面；數(shù)智化水平低，不利于軌道橋梁智能化、信息化、高效化管理[1-2]。

隨著國家提出基礎(chǔ)設(shè)施大數(shù)據(jù)、智能化的戰(zhàn)略目標以及新一代信息技術(shù)、人工智能、大數(shù)據(jù)等高新技術(shù)的成熟應用興起，為橋梁數(shù)智運維創(chuàng)造了機遇。與此同時，構(gòu)建基于BIM 技術(shù)的軌道橋梁運維平臺，對于軌道橋梁結(jié)構(gòu)信息綜合獲取，及時有效評價預警，保證橋梁安全運營以及實現(xiàn)軌道橋梁集群化[3]、一體化[4]和智能化[5]養(yǎng)護管理，具有重大的科學意義。

1 基于BIM的運維平臺現(xiàn)狀

目前，建立融合運用BIM 技術(shù)的運維平臺已成為行業(yè)中的熱點，其中張貴忠等[6]針對大跨徑鐵路橋梁現(xiàn)代化運維和管養(yǎng)需求，提出了基于BIM 的數(shù)字化大橋管養(yǎng)平臺設(shè)計方案，明確了平臺的基本功能和物理架構(gòu)；Zou 等[7]將橋梁結(jié)構(gòu)的實時風險分解處理系統(tǒng)集成到BIM 中，提出了基于BIM 的風險可視化和信息管理方法，有效提高了橋梁管養(yǎng)質(zhì)量和效率；勾紅葉等[8]搭建了高速鐵路災害大數(shù)據(jù)分析平臺，研發(fā)了具有工程實用性的高速鐵路橋行車安全智能化評價系統(tǒng)。國內(nèi)外在橋梁運維管理平臺構(gòu)建及將BIM 技術(shù)融入運維階段方面已有諸多研究[9-12]，但是在既有研究成果中鮮有基于多維度的軌道橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)感知與評價的運維平臺。

2 運維平臺構(gòu)建

2.1 運維平臺體系架構(gòu)

運維平臺采用模塊化分層設(shè)計，通過把UI 與業(yè)務邏輯分開，實現(xiàn)系統(tǒng)的松耦合和高可用性，便于系統(tǒng)后續(xù)的升級和擴展，更能靈活滿足用戶的定制化需求，其由下向上分為六層結(jié)構(gòu)：

1）數(shù)據(jù)采集層

傳感器模塊負責采集實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，由荷載與環(huán)境監(jiān)測、結(jié)構(gòu)整體響應監(jiān)測和結(jié)構(gòu)局部響應監(jiān)測傳感器構(gòu)成，可實現(xiàn)橋梁荷載參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、結(jié)構(gòu)響應的測量。人工檢查錄入定期的檢查數(shù)據(jù)，BIM模型提供橋梁屬性數(shù)據(jù)。

2）網(wǎng)絡(luò)傳輸層

平臺支持多種傳輸方式，綜合分析橋梁現(xiàn)場環(huán)境因素，可采用如4G/5G、NB-IOT、Wifi、ZigBee、LoRa、RJ45 等方式，數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)緩存機制，保證數(shù)據(jù)的完整性。

3）數(shù)據(jù)管理層

橋梁實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)量較大，運維平臺支持主流的大型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，如Oracle、Sybase、SQL Server、Informix 等，根據(jù)業(yè)務特點，分別設(shè)置靜態(tài)數(shù)據(jù)中心，存儲人工檢查數(shù)據(jù)、病害處置數(shù)據(jù)、維修加固數(shù)據(jù)等；設(shè)置動態(tài)數(shù)據(jù)中心，存儲實時監(jiān)測數(shù)據(jù)；設(shè)置文件數(shù)據(jù)中心，存儲BIM 模型文件、設(shè)計文件、竣工文件等。為了方便后期進行橋梁監(jiān)測大數(shù)據(jù)分析，運維平臺還預留了數(shù)據(jù)倉庫（Hive）的接口。

4）數(shù)據(jù)分析層

運維平臺建立了技術(shù)狀況評價、結(jié)構(gòu)安全評價和行車影響評價的全方位評價體系，提供多維度的分析功能，如預警閾值分析、智能變形預測分析等，通過對大數(shù)據(jù)的分析，可以較好地指導橋梁運維人員開展管養(yǎng)工作。

5）應用層

運維平臺通過Restful 服務，可以對外提供多種應用，如結(jié)構(gòu)安全評價、智能預警、自動化報告、BIM三維可視化、視頻監(jiān)測，通過規(guī)范的API 調(diào)用即可獲取相應服務，具有靈活的擴展功能。

6）展示層

運維平臺使用分布式架構(gòu)設(shè)計，可以支撐多終端的訪問，如PC、手機、PAD、液晶屏等，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。

2.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

傳感器通過水工線纜連接到數(shù)據(jù)采集設(shè)備——采集儀的采集端口；采集儀通過RS-485 總線或CAN總線連接到二級控制單元——智能控制模塊；智能控制模塊通過RS-232 接口連接到DTU；DTU 通過無線通信網(wǎng)絡(luò)進入Internet，與控制中心計算機建立遠程網(wǎng)絡(luò)連接，實現(xiàn)軌道橋梁遠程自動化集群監(jiān)測應用網(wǎng)絡(luò)的組建，網(wǎng)絡(luò)關(guān)系如圖1、圖2 所示。

圖1 遠程自動化監(jiān)測應用網(wǎng)絡(luò)

圖2 運維平臺移動終端網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.3 存儲系統(tǒng)

由于軌道橋梁結(jié)構(gòu)實時監(jiān)測、信息數(shù)據(jù)連續(xù)變化，生成的數(shù)據(jù)量龐大，同時數(shù)據(jù)分析和結(jié)構(gòu)安全評價對數(shù)據(jù)的實時性要求很高，因此運維平臺中數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)必須是由高性能的分布式數(shù)據(jù)系統(tǒng)所構(gòu)成，目前運維平臺支持數(shù)據(jù)倉庫和大型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)來搭建分布式的存儲系統(tǒng)。

針對軌道橋梁實時監(jiān)測采集數(shù)據(jù)的類型，數(shù)據(jù)庫可以劃分為靜態(tài)數(shù)據(jù)庫、動態(tài)數(shù)據(jù)庫、文件數(shù)據(jù)庫。靜態(tài)數(shù)據(jù)庫主要存儲結(jié)構(gòu)的橋梁基本屬性數(shù)據(jù)、傳感器信息、結(jié)構(gòu)動力性能參數(shù)值等；動態(tài)數(shù)據(jù)庫主要存儲外部荷載、結(jié)構(gòu)整體（局部）響應和安全評價結(jié)果等；文件數(shù)據(jù)庫主要存儲BIM 模型、設(shè)計文件、竣工文件等。

2.4 運維平臺安全

運維平臺安全須遵循“系統(tǒng)自保、平臺統(tǒng)保、邊界防護、安全確?！钡脑瓌t，建立一個完備的系統(tǒng)安全技術(shù)體系，具體內(nèi)容如表1 所示。

表1 運維平臺安全技術(shù)體系

2.5 BIM與運維平臺融合

基于軌道橋梁實時監(jiān)測關(guān)鍵信息，借助建模軟件“Rhino+Grasshopper+Revit”，建立標記、動態(tài)關(guān)聯(lián)監(jiān)測信息的運維階段的三維精細化模型，點擊信息模型實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢及定位可視化、快速化，實現(xiàn)基于BIM 模型的海量監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化信息傳遞與實時更新，達成BIM 信息化服務與服務對象-軌道橋梁在現(xiàn)代化、科學化平臺下的互通互聯(lián)，驅(qū)動軌道橋梁管養(yǎng)升級。

3 運維平臺應用實踐

3.1 基于GIS技術(shù)的軌道橋梁集群監(jiān)測

結(jié)合GIS 技術(shù)與橋梁環(huán)境模擬三維空間場景，突破單一橋梁監(jiān)測信息孤島，形成軌道橋梁信息集群共享模式，同時借助720 全景漫游方式，實現(xiàn)橋梁的三維全景展示，如圖3 所示。

圖3 720全景漫游示例

3.2 BIM模型與運維平臺無縫交互

建立橋梁構(gòu)件三維精細化模型，基于Autodesk Forge 軟件平臺，利用JAVA 程序開發(fā)集成顯示BIM模型、加載監(jiān)測測點、鏈接監(jiān)測實時數(shù)據(jù)于一體的可視化平臺，實現(xiàn)監(jiān)測信息的三維可視化管理與信息檢索，如圖4 所示。

圖4 BIM與運維平臺無縫交互示例

3.3 運維平臺智能感知與預警

利用NB-IoT、LoRa 和5G 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以傳感、網(wǎng)絡(luò)應用系統(tǒng)為基礎(chǔ)，結(jié)合人工檢查的直觀性和長期監(jiān)測的實時性，在運維平臺中實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、統(tǒng)計分析以及數(shù)據(jù)挖掘，進而構(gòu)建基于技術(shù)狀況評價、結(jié)構(gòu)安全評價和行車影響評價的全方位評價體系，實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)評價自動化與預警智能化，如圖5、圖6所示。

圖5 實時監(jiān)測與人工檢查深度融合

圖6 全方位評價與智能預警示例

3.4 運維平臺自診斷分析

橋梁運維平臺中的數(shù)據(jù)失真大多是由信息獲取環(huán)節(jié)的傳感設(shè)備造成的。研究表明[13-16]，運維平臺中一半以上的警報均是由于傳感器系統(tǒng)自身的故障而產(chǎn)生的誤警。一旦傳感設(shè)備出現(xiàn)故障或失效，將無法提供客觀、準確的信息，從而對橋梁結(jié)構(gòu)安全評價與預警產(chǎn)生極大的影響。因此，高效、準確的自診斷分析對于運維平臺必不可少，自診斷分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 自診斷分析結(jié)果

4 結(jié)束語

目前，團隊自主開發(fā)的軌道橋梁運維平臺已成功接入世界最大跨自錨式懸索橋和國內(nèi)首座軌道交通專用混凝土斜拉橋等多項工程，實現(xiàn)了橋梁的信息化管理和科學維護，極大地滿足了行業(yè)市場需求，保障了軌道橋梁的安全運營，助推了智能交通行業(yè)的發(fā)展，預期效益顯著。