基于BIM+GIS的在役橋梁智慧運(yùn)管平臺(tái)架構(gòu)研究

黃 穎 許永吉 劉冠國

(1.福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福州 350007； 2.福建省交通建設(shè)工程試驗(yàn)檢測有限公司，福州 350008； 3.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 211100)

引言

交通運(yùn)輸是興國之器、強(qiáng)國之基，是促進(jìn)社會(huì)大發(fā)展、大繁榮的重要前提。2019年9月,黨中央國務(wù)院發(fā)布《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》，標(biāo)志著我國由交通大國向交通強(qiáng)國邁進(jìn)[1]。我國交通運(yùn)輸安全仍是交通強(qiáng)國建設(shè)的短板，已成為國家安全戰(zhàn)略關(guān)注的重點(diǎn)，也成為國家安全生產(chǎn)戰(zhàn)役的主戰(zhàn)場。橋梁作為交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施的“咽喉”，其安全性關(guān)系著交通網(wǎng)絡(luò)的暢通與否，是交通安全的重要組成部分，也是社會(huì)安全生產(chǎn)的重要一環(huán)。

改革開放以來，我國橋梁建設(shè)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2019年底，我國公路橋梁總數(shù)已達(dá)到87.83萬座、6 063.46萬m，比上年增加2.68萬t、494.86萬m；其中，特大橋梁5 716座(1 033.23萬m)，大橋108 344座(2 923.75萬m)[1]。我國新建橋梁總數(shù)已占全世界的47%，且建成了一批創(chuàng)造世界記錄的特大橋梁，如蘇通大橋、江陰大橋、杭州灣大橋、港珠澳大橋、西堠門大橋等一大批橋梁，在跨徑、技術(shù)難度和技術(shù)質(zhì)量方面均處于世界同類橋梁前列。同時(shí)，我國主持和參與了一批國際知名橋梁工程，如巴拿馬運(yùn)河三橋、新奧克蘭海灣橋等，也榮獲了多項(xiàng)著名國際大獎(jiǎng)?！爸袊鴺蛄骸比〉玫妮x煌成就已越來越得到社會(huì)認(rèn)可，已成為六張國家名片之一，為國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展大局作出服務(wù)和貢獻(xiàn)。

隨著我國大量橋梁建成通車，已建橋梁的橋齡增加，以及交通量和載重量的持續(xù)增長，橋梁養(yǎng)護(hù)和管理的壓力日增，確保其結(jié)構(gòu)健康、安全運(yùn)營的形勢已日益嚴(yán)峻。一方面，歐美和日本等發(fā)達(dá)國家的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)證明其在經(jīng)濟(jì)騰飛時(shí)建造的橋梁性能衰退最快。根據(jù)我國最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在目前近90萬座公路橋梁中就有約7萬余座為四、五類危橋，危橋數(shù)量一直居高不下。另一方面，隨著現(xiàn)代大跨橋梁設(shè)計(jì)與建設(shè)水平的提高，橋梁正向著更長、更輕柔、結(jié)構(gòu)形式與功能更復(fù)雜的方向發(fā)展。在役長大橋梁安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對我國184座有公開資料表明確定事故成因的橋梁垮塌事故進(jìn)行了分析，如圖1所示。同時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)室所收集的248座運(yùn)營期橋梁垮塌事故資料，繪制我國典型橋梁垮塌事故分布圖如圖2所示。

圖1 中國184起事故橋梁原因數(shù)據(jù)圖

圖2 我國典型橋梁垮塌事故分布圖

從圖1可見，就橋梁事故的具體原因來說，施工、碰撞、水害、設(shè)計(jì)失誤、超載等，形成了事故的主要原因。然而，誘發(fā)橋梁事故的原因，往往是多種不利因素的共同作用。對于184起事故橋例，施工原因占23.4%，其次為地震水害原因占23.3%、超載占16.6%，碰撞占15%，還有腐蝕、疲勞等其他原因占17.4%，設(shè)計(jì)僅4.3%。總的來看，橋梁運(yùn)營期人為因素和管養(yǎng)不足是造成橋梁事故頻發(fā)的最主要原因。在目前正由“大規(guī)模建設(shè)”向“建養(yǎng)并重”乃至“管養(yǎng)為主”轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時(shí)期，橋梁運(yùn)營期的安全問題已成為需要社會(huì)長期持續(xù)關(guān)注的重要研究方向。

我國當(dāng)前橋梁安全問題形勢依然嚴(yán)峻，橋梁結(jié)構(gòu)安全隱患診斷領(lǐng)域技術(shù)仍然薄弱，其主要表現(xiàn)在：相比于歐美發(fā)達(dá)國家，我國在無損檢測技術(shù)手段、檢測數(shù)據(jù)的可對比性、可繼承性、橋梁性能衰退模型研究等方面仍存在一定差距。總體來說，傳統(tǒng)檢測需要大量的人力物力，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，費(fèi)用昂貴，而且存在較多的測量盲點(diǎn)，亟需結(jié)合利用深度學(xué)習(xí)等先進(jìn)技術(shù)對結(jié)構(gòu)的服役狀態(tài)進(jìn)行智能檢測，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的外觀與內(nèi)部病害快速檢測和精準(zhǔn)評估； 現(xiàn)階段的健康監(jiān)測技術(shù)雖然在及時(shí)預(yù)警方面起到了積極的作用，但是成本高昂且缺乏有效的海量數(shù)據(jù)處理方法，亟需開發(fā)一系列輕型化、高集成、長耐久的傳感與采集、通訊設(shè)備，并利用數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)等大數(shù)據(jù)應(yīng)用層相關(guān)技術(shù)，使得健康監(jiān)測系統(tǒng)具有更高效地自動(dòng)化判別數(shù)據(jù)異常以及區(qū)分結(jié)構(gòu)異常和系統(tǒng)異常； 此外，在橋梁安全監(jiān)管階段均存在海量的檢監(jiān)測數(shù)據(jù)，但由于檢監(jiān)測系統(tǒng)的相對獨(dú)立，監(jiān)測數(shù)據(jù)和檢測數(shù)據(jù)之間無法建立有效溝通機(jī)制和相互校驗(yàn)程序，導(dǎo)致數(shù)據(jù)利用率低，數(shù)據(jù)繁且無用，難以共同成為橋梁狀態(tài)評估的理想數(shù)據(jù)來源。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，以及我國擁有大型橋梁群的巨大規(guī)模，迫切需要建立橋梁群智能管養(yǎng)平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)橋梁檢測、監(jiān)測與試驗(yàn)檢驗(yàn)一體化分析。由于數(shù)據(jù)資料來源豐富，格式及參數(shù)不一致，需要選擇合適的數(shù)據(jù)中心平臺(tái)進(jìn)行綜合處理，提高決策效率和可靠性。目前，美國、日本、歐洲各國相繼開發(fā)了橋梁管理系統(tǒng)(BMS)和隧道管理系統(tǒng)(TMS)，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)基本數(shù)據(jù)、日常檢測、狀態(tài)評估、維護(hù)對策等項(xiàng)目的信息化管理。然而，此類信息管理系統(tǒng)以結(jié)構(gòu)管養(yǎng)檢監(jiān)測信息為主，缺乏針對結(jié)構(gòu)快速檢測評估的高集成度綜合管理能力，需要解決如何有效地實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)融合、如何科學(xué)地實(shí)現(xiàn)智慧化決策等關(guān)鍵問題。

1 在役橋梁智慧運(yùn)管平臺(tái)研究現(xiàn)狀

建筑信息模型(BIM)[2]集成了工程項(xiàng)目從設(shè)計(jì)、施工到管養(yǎng)全過程相關(guān)信息，依托三維可視化協(xié)同技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)融合互通，為在役橋梁的智慧運(yùn)管提供了豐富有效的數(shù)據(jù)支撐。而地理信息系統(tǒng)(GIS)對整個(gè)或部分地球表層空間中的信息進(jìn)行宏觀分析，清晰表達(dá)了結(jié)構(gòu)物與地理環(huán)境的關(guān)系，具有極強(qiáng)的空間綜合分析能力。依托BIM與GIS集成技術(shù)開發(fā)在役橋梁的智慧管養(yǎng)平臺(tái)，可以實(shí)時(shí)獲取橋梁基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)和狀態(tài)監(jiān)測信息，是運(yùn)營、維護(hù)、提升橋梁實(shí)物資產(chǎn)的戰(zhàn)略性和系統(tǒng)性的過程，重點(diǎn)是基于高質(zhì)量的數(shù)據(jù)信息，通過工程和經(jīng)濟(jì)分析，確定檢查、保養(yǎng)、修復(fù)、更換活動(dòng)的結(jié)構(gòu)性序列，使橋梁資產(chǎn)在全壽命周期內(nèi)以最小的實(shí)際成本保持預(yù)期狀態(tài)，大大提高了工作效率和管理水平。

目前，無論是在科研方面或?qū)嶋H應(yīng)用方面，BIM+GIS技術(shù)的探索主要集中于橋梁工程的施工階段。王強(qiáng)通過SuperMap GIS 9D搭建了基于BIM+GIS的設(shè)計(jì)階段數(shù)字孿生系統(tǒng)，對BIM+GIS在橋梁初步設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了探索[3]。劉金巖等針對橋梁工程中GIS與BIM信息轉(zhuǎn)化的問題，提出了包含不同細(xì)節(jié)層次的轉(zhuǎn)換框架，實(shí)現(xiàn)了橋梁工程數(shù)據(jù)的集成[4]。秦利等人采用C/S系統(tǒng)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了基于BIM+GIS的橋梁施工進(jìn)度、質(zhì)量、成本的三維數(shù)字化管理[5]。郝蕊等人采用快速建模方法，通過基于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的BIM+GIS融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)了鐵路工程建設(shè)項(xiàng)目和工程結(jié)構(gòu)的信息化、精細(xì)化管理[6]。賈金鑫將BIM模型轉(zhuǎn)化為GIS數(shù)據(jù)源，研究了基于BIM+GIS的橋梁動(dòng)態(tài)施工管理系統(tǒng)的開發(fā)，通過對功能的分析實(shí)現(xiàn)以及數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對橋梁施工過程的動(dòng)態(tài)管理[7]。劉延宏對BIM模型進(jìn)行輕量化處理，采用B/S與C/S相結(jié)合的系統(tǒng)構(gòu)架，通過Web Service接口進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)合，搭建了GIS+BIM的橋梁工程施工管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了BIM模型的地理定位以及工程狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控[8]。蔣海里等人將橋梁施工的三維圖形引擎引入企業(yè)級橋梁施工管理平臺(tái)，并將BIM和GIS技術(shù)融合，構(gòu)建了動(dòng)態(tài)控制的BIM+GIS“全景展現(xiàn)”模塊，可視化地展現(xiàn)施工現(xiàn)場的全貌[9]。

運(yùn)營階段的BIM+GIS應(yīng)用相對較為稀少。張松介紹了基于GIS+BIM的養(yǎng)護(hù)管理信息技術(shù)體系的基本構(gòu)成和總體框架的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)闡述了數(shù)據(jù)資源規(guī)劃、三維建模技術(shù)、網(wǎng)格劃分和平臺(tái)構(gòu)建等關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)[10]。陳玉龍?zhí)岢鲆环N基于多分辨率層次模型的BIM-GIS數(shù)據(jù)集成可視化的方法，實(shí)現(xiàn)了BIM-GIS輕量化[11]。劉萬斌探討了BIM與GIS宏觀微觀管理一體化開發(fā)的技術(shù)[12]。王秋蘭基于GIS+BIM的集成技術(shù)，研究設(shè)計(jì)了公路隧道智慧管養(yǎng)系統(tǒng)框架[13]。孫玉梅等建立了隧道空間及周邊地理環(huán)境三維一體可視化全信息模型，實(shí)現(xiàn)了隧道的信息監(jiān)測、健康檢測、應(yīng)用管理和安全預(yù)警等智慧運(yùn)維管養(yǎng)功能[14]。

2 在役橋梁智慧運(yùn)管系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)

首先通過影像采集車、無人機(jī)、導(dǎo)航衛(wèi)星、遙感影像、人工采集等方式采集在役橋梁基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、建模及集成，同時(shí)保持?jǐn)?shù)據(jù)更新功能，構(gòu)建基于GIS+BIM的集中統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心，包含地理空間數(shù)據(jù)(影像數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù))、GIS二維數(shù)據(jù)、BIM三維數(shù)據(jù)以及橋梁屬性信息(集成屬性、檔案資料(一橋一檔)、運(yùn)行狀況)，其中工程信息包含檢查與檢測數(shù)據(jù)(日常巡查、經(jīng)常性檢查、定期檢測、特殊檢測)、維修數(shù)據(jù)(日常小修與專項(xiàng)維修)、處治方案信息(含工程量信息)；其次，在業(yè)務(wù)層開展技術(shù)狀況評定、實(shí)施健康監(jiān)測及電子化巡檢，利用BIM+GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)橋梁可視化、病害可視化、地理信息展示，形成橋梁技術(shù)狀況評定報(bào)告及輔助養(yǎng)護(hù)計(jì)劃的制定。平臺(tái)堅(jiān)持“數(shù)據(jù)統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、管理統(tǒng)一、應(yīng)用統(tǒng)一”的原則，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、應(yīng)用共享及技術(shù)共享的目的。系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)簡圖如圖3所示。

圖3 平臺(tái)架構(gòu)簡圖

3 基于BIM+GIS的在役橋梁智慧運(yùn)管平臺(tái)的主要功能

應(yīng)用移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)、4D建模、GIS、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集成技術(shù)，建立BIM+GIS在役橋梁智慧運(yùn)管平臺(tái)，平臺(tái)包括：運(yùn)維BIM+GIS模型、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)感知與傳輸系統(tǒng)、數(shù)字化巡檢系統(tǒng)、評估與預(yù)警決策系統(tǒng)以及運(yùn)維與管養(yǎng)系統(tǒng)。該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)在役橋梁管養(yǎng)全過程的動(dòng)態(tài)模擬、信息共享、準(zhǔn)確評估、快速預(yù)警、信息傳遞、高效決策。平臺(tái)包含系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 平臺(tái)包含系統(tǒng)

3.1 運(yùn)維BIM+GIS模型

BIM與GIS相輔相成，GIS提供宏觀集成框架，BIM提供結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)信息模型，BIM使用IFC數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，GIS采用City GML數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，通過對兩種數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的語義擴(kuò)展，進(jìn)行模型整合，之后通過對兩個(gè)平臺(tái)及WEB數(shù)據(jù)庫的二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)兩種模型的有機(jī)融合。

橋梁運(yùn)維BIM+GIS模型，包含施工竣工交付的橋梁空間結(jié)構(gòu)模型，以及監(jiān)測系統(tǒng)模型，監(jiān)測系統(tǒng)模型包括監(jiān)測系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)、傳感器的信息等，如圖5所示。

圖5 運(yùn)維BIM+GIS模型

3.2 橋梁感知與傳輸系統(tǒng)

橋梁感知系統(tǒng)，在橋梁的重點(diǎn)及關(guān)鍵部位安裝傳感及采集設(shè)備，針對各種荷載與環(huán)境信息，包括車輛、震動(dòng)、風(fēng)速、雨量、水流等單一或耦合作用，獲得結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)。采用遠(yuǎn)程高效傳輸系統(tǒng)，形成橋梁實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫。通過多災(zāi)變耦合作用下集群工程實(shí)時(shí)感知分析系統(tǒng)，感知結(jié)構(gòu)整體及局部響應(yīng)，預(yù)測災(zāi)變行為，構(gòu)成遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)感知系統(tǒng)，如圖6所示。

圖6 遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)感知系統(tǒng)

3.3 數(shù)字化巡檢系統(tǒng)

系統(tǒng)充分發(fā)揮BIM、GIS、移動(dòng)測繪、智能識(shí)別等技術(shù)在現(xiàn)代工程中的巨大作用，實(shí)時(shí)采集巡檢位置、路線、時(shí)間、人員等信息，并通過平臺(tái)為巡檢人員提供巡檢手冊、巡檢技術(shù)要求等支持。 巡檢信息上傳平臺(tái)后，可實(shí)現(xiàn)巡檢信息的可視化查詢。具體分為以下三個(gè)子模塊：

(1)缺陷病害管理

養(yǎng)護(hù)單位巡檢作業(yè)的詳細(xì)信息由養(yǎng)護(hù)單位管理系統(tǒng)維護(hù)，并通過專用接口將巡檢后發(fā)現(xiàn)的缺陷、病害導(dǎo)入運(yùn)維管理平臺(tái)，并使用 BIM 三維模型管理巡檢工作中發(fā)現(xiàn)的缺陷與病害信息與狀態(tài)；

(2)巡檢支持

通過手持終端支持養(yǎng)護(hù)人員對現(xiàn)場巡檢地點(diǎn)竣工模型及竣工信息、既有缺陷病害的查詢，并獲取巡檢現(xiàn)場的圖片資料；

(3)巡檢作業(yè)管理

綜合應(yīng)用移動(dòng)應(yīng)用技術(shù)，對巡檢作業(yè)軌跡進(jìn)行跟蹤管理。

3.4 評估與預(yù)警決策系統(tǒng)

評估與預(yù)警決策系統(tǒng)包含大數(shù)據(jù)挖掘與識(shí)別分析、安全評估與預(yù)警、管理與決策模塊，如圖7所示。通過建立橋梁災(zāi)害作用預(yù)警級別與預(yù)警閾值，利用大數(shù)據(jù)挖掘與識(shí)別分析方法，對荷載與環(huán)境信息、結(jié)構(gòu)響應(yīng)等檢監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評估，實(shí)時(shí)在線安全預(yù)警，最后為管養(yǎng)部門提供日常決策、專項(xiàng)決策、應(yīng)急決策及綜合決策。

圖7 評估與預(yù)警決策系統(tǒng)

3.5 運(yùn)維管理系統(tǒng)

橋梁管養(yǎng)部門綜合應(yīng)用BIM和移動(dòng)智能測繪等相關(guān)技術(shù)，集成養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)中相關(guān)作業(yè)信息，通過BIM可視化方式輔助維修養(yǎng)護(hù)施工，并實(shí)現(xiàn)設(shè)施設(shè)備維修養(yǎng)護(hù)信息的可視化查詢。通過手持終端支持養(yǎng)護(hù)人員對現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)地點(diǎn)竣工資料、既有缺陷病害的可視化查詢，并獲取養(yǎng)護(hù)現(xiàn)場的圖片資料。同時(shí)，通過評估與預(yù)警決策系統(tǒng)得到橋梁技術(shù)狀況評估結(jié)果，提出相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)意見，最后可以形成可執(zhí)行的養(yǎng)護(hù)方案。

4 結(jié)語

本文主要介紹了BIM+GIS集成技術(shù)在既有橋梁管養(yǎng)平臺(tái)建設(shè)中的使用，利用BIM技術(shù)形成的精細(xì)化模型信息融合空間地理信息，形成在役橋梁多維聯(lián)動(dòng)的全信息數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了在役橋梁群可視化信息共享，達(dá)到橋梁精細(xì)化、動(dòng)態(tài)化管理的目的，建立在役橋梁數(shù)字化、信息化檔案，及時(shí)“感知橋梁”，為橋梁管養(yǎng)提供詳實(shí)的數(shù)據(jù)支撐，極大地提高了在役橋梁的運(yùn)維管理能力。