基于大數(shù)據(jù)的青島市混凝土橋梁智慧管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)研發(fā)

譚甲凱，呂明航，劉 暢，鞏 濤，趙建鋒

(青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院 青島市 266525)

0 引言

橋梁管理系統(tǒng)最早出現(xiàn)在美國。20世紀(jì)70年代，美國聯(lián)邦公路局建立了世界第一個國家橋梁檔案數(shù)據(jù)庫。國內(nèi)橋梁管理系統(tǒng)開發(fā)于上世紀(jì)80年代末，最早由交通部公路研究所與北京公路處聯(lián)合開發(fā)了以北京為試點(diǎn)的“公路橋梁省級信息管理系統(tǒng)”第一期工程，其主要內(nèi)容包括：橋梁基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、病害程度及維修歷史等九個數(shù)據(jù)庫和一個地理信息系統(tǒng)組成的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，這是我國第一個橋梁管理系統(tǒng)[1]。

近十年來我國各城市都紛紛開展了智能交通系統(tǒng)建設(shè)，但在橋梁管理方面，控制手段單一，系統(tǒng)彼此孤立[2]。橋梁管理系統(tǒng)經(jīng)歷了三個不同的發(fā)展階段：第一階段橋梁管理系統(tǒng)只是儲存、檢索和統(tǒng)計(jì)功能；第二階段橋梁管理系統(tǒng)不僅包括橋梁數(shù)據(jù)庫，還包括橋梁技術(shù)狀況評估、維修記錄等信息；第三階段橋梁管理系統(tǒng)在第二階段的基礎(chǔ)上增加了橋梁仿真分析和橋梁輔助決策等功能[3]。但近幾十年我國橋梁的數(shù)量和規(guī)模迅速提升，上述傳統(tǒng)的橋梁管理系統(tǒng)已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代化運(yùn)維的要求，故有必要開發(fā)設(shè)計(jì)一種更加智慧和自動化的橋梁管理系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理和智慧管理的目標(biāo)，基于大數(shù)據(jù)并借助機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能等現(xiàn)代化技術(shù)提出了一種全新的橋梁智慧管理系統(tǒng)。

1 青島市橋梁管理需求

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止到2018年，青島市共有橋梁724座。按照傳統(tǒng)的管理模式，青島市橋梁的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料、定期檢修和日常巡查養(yǎng)護(hù)情況都是通過紙質(zhì)資料進(jìn)行存檔記錄，不利于查看分析，離科學(xué)管理的目標(biāo)有一定的差距。傳統(tǒng)的人工巡檢需要各部門投入大量的人力物力，不僅不能對突發(fā)事件進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，還會留下一些人工難以管理的死角和盲區(qū)。因此，為了提高管理效率并實(shí)現(xiàn)智能管理，采用一種新型化、高效化和智能化的橋梁管理系統(tǒng)是有一定需求的。

2 智慧管理系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

橋梁智能管理系統(tǒng)需要運(yùn)用各種現(xiàn)代化智能技術(shù)，對設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營各個過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化的處理和分析，并通過機(jī)器學(xué)習(xí)不斷優(yōu)化數(shù)據(jù)處理方式，可以對橋梁結(jié)構(gòu)、狀態(tài)預(yù)測和檢修安排做出智能響應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)橋梁的智能管理[4]。從宏觀的功能實(shí)現(xiàn)來說，橋梁智能管理系統(tǒng)可以分為數(shù)據(jù)模塊、分析模塊和決策模塊三大主要模塊，各模塊之間的關(guān)系如圖1所示。

2.1 數(shù)據(jù)模塊

數(shù)據(jù)模塊是橋梁智能管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)，由動態(tài)數(shù)據(jù)、靜態(tài)數(shù)據(jù)、輔助數(shù)據(jù)、病害數(shù)據(jù)與評估數(shù)據(jù)等多個數(shù)據(jù)庫組成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集上傳與備份存儲等

圖1 系統(tǒng)功能模塊劃分

功能。

動態(tài)數(shù)據(jù)主要依靠傳感器和現(xiàn)場檢測的視頻分析對橋梁的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和運(yùn)行情況進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。

靜態(tài)數(shù)據(jù)主要包括橋梁的基本參數(shù)、檢測資料、施工單位信息和歷年維修資料等。橋梁的基本參數(shù)主要包括橋梁長度、橋梁跨度、地理位置信息和設(shè)計(jì)等級信息等，可結(jié)合橋梁的設(shè)計(jì)資料和實(shí)際情況將基本參數(shù)上傳平臺。

輔助數(shù)據(jù)主要包括國家規(guī)范和地方規(guī)范。通過將現(xiàn)行規(guī)范分類整理和重點(diǎn)標(biāo)注，為輔助決策提供依據(jù)。

病害數(shù)據(jù)主要是各類病害的圖片和主要特征，如腐蝕、裂縫和銹蝕等。平臺會將各種病害數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)和智能分類，可以做到精準(zhǔn)識別并給出評估建議。

評估數(shù)據(jù)主要是各類狀況的閾值數(shù)據(jù)，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過閾值時，系統(tǒng)會給出預(yù)警信息并通過終端對管理人員進(jìn)行通知。

2.2 分析模塊

分析模塊是智慧管理系統(tǒng)的核心部分，主要功能為對上一個數(shù)據(jù)模塊中的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，并通過云計(jì)算、大數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)和人工智能等現(xiàn)代化技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的信息化、輸出友好化和關(guān)聯(lián)分析等目標(biāo)。

機(jī)器學(xué)習(xí)是分析模塊中不可或缺的一部分，平臺將不斷優(yōu)化算法來修正已有分析模型，并根據(jù)新的情景給出正確的判斷。

數(shù)據(jù)整合是對數(shù)據(jù)庫中的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行合理整合，進(jìn)而可以對一座橋梁進(jìn)行信息建模，為后續(xù)評估監(jiān)測提供基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)分類是對監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行提純處理和分類存儲，主要是為了便于平臺調(diào)用某一部分的數(shù)據(jù)，減輕每次調(diào)用海量數(shù)據(jù)的運(yùn)算壓力。

性能演化是根據(jù)設(shè)定好的評價體系將當(dāng)前結(jié)構(gòu)狀況與歷史狀態(tài)進(jìn)行比對并與數(shù)據(jù)庫中其他時期的橋梁狀態(tài)進(jìn)行對比，給出橋梁結(jié)構(gòu)在未來可能出現(xiàn)的變化。

計(jì)劃優(yōu)化主要結(jié)合長期積累的數(shù)據(jù)并考慮經(jīng)濟(jì)因素，建立橋梁管理檢修的經(jīng)濟(jì)模型，依據(jù)具體橋梁的結(jié)構(gòu)性能對巡檢安排做出一定的優(yōu)化處理。

安全評價主要是通過各種監(jiān)測數(shù)據(jù)來修正橋梁的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，建立橋梁運(yùn)營的基準(zhǔn)狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，進(jìn)而對結(jié)構(gòu)安全和行車狀態(tài)做出及時合理的預(yù)警。

2.3 決策模塊

決策模塊可對橋梁運(yùn)營過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行評估并給出相應(yīng)決策(包括檢測時間、人員和對象)，還要將出現(xiàn)的問題分類推送給管理人員以便于進(jìn)行后續(xù)維護(hù)工作。相對于以往的決策流程(人工報修后管理人員再進(jìn)行決策)，本平臺的決策模塊可以為日常檢查計(jì)劃、故障搶修計(jì)劃以及大范圍維修計(jì)劃提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，實(shí)現(xiàn)真正的智慧決策。

風(fēng)險預(yù)測可對橋梁在運(yùn)營期間出現(xiàn)的風(fēng)險(如橋梁疲勞失效、橋梁承載力下降、橋梁超載和橋梁傾覆等)進(jìn)行有效的預(yù)防并提前安排檢修。

狀態(tài)預(yù)警是以風(fēng)險為導(dǎo)向的預(yù)警，可通過系統(tǒng)自動診斷和專項(xiàng)檢查來實(shí)現(xiàn)橋梁運(yùn)行狀態(tài)的確認(rèn)，進(jìn)而確保橋梁在運(yùn)營過程中狀態(tài)良好。

交通引導(dǎo)可根據(jù)駕駛員的行車習(xí)慣，對出現(xiàn)惡劣天氣和交通事故時的橋梁異常進(jìn)行公告并對車輛進(jìn)行引導(dǎo)。在大數(shù)據(jù)的背景下，智慧管理系統(tǒng)可以對橋梁常見的交通事故和天氣環(huán)境數(shù)據(jù)等進(jìn)行分析，并根據(jù)橋梁的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)布交通提示或者異常公告，實(shí)現(xiàn)更加個性化的定制服務(wù)。

消息推送是智能管理系統(tǒng)與管理人員的雙向交互，可依托于各種終端(如APP、微信小程序或架構(gòu)者PC端等)，將巡檢任務(wù)和預(yù)警信息等各種消息推送給管理人員。

應(yīng)急處理可在極端情況下讓智慧管理系統(tǒng)基于機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能給出一套臨時解決方案來保證橋梁的臨時運(yùn)營。在萬物互聯(lián)的背景下，應(yīng)急處理可以變得更具時效性，比如，可根據(jù)以往地震情況下橋梁的結(jié)構(gòu)變化，利用地震局等提供的即時消息鎖定地震情況，進(jìn)而實(shí)時對橋梁進(jìn)行性能演化和車輛行駛狀態(tài)評價，在此基礎(chǔ)上對災(zāi)害做出等級評價并及時輸出應(yīng)急處理決策。

3 智慧管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

青島市橋梁智慧管理系統(tǒng)的主要服務(wù)目標(biāo)是依托于大數(shù)據(jù)技術(shù)，對各種橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，總結(jié)規(guī)律并結(jié)合專業(yè)知識對橋梁狀態(tài)進(jìn)行權(quán)重評估，然后可以通過多終端與管理人員交互，與各級部門進(jìn)行多維聯(lián)動，從而實(shí)現(xiàn)橋梁的智能化管理。根據(jù)青島市智慧橋梁管理系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)和服務(wù)對象，系統(tǒng)由“多橋”“1中心”“1平臺”構(gòu)成，系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖2所示，其中，藍(lán)色箭頭代表數(shù)據(jù)單向流動，綠色加號代表著連接部分?jǐn)?shù)據(jù)共用，藍(lán)色雙向箭頭代表著數(shù)據(jù)輸出與反饋雙向流動。

圖2 青島市橋梁智慧管理系統(tǒng)架構(gòu)

(1)“多橋”是指管理系統(tǒng)的主要服務(wù)對象，即，青島市范圍內(nèi)的混凝土橋梁。在青島市橋梁智能管理系統(tǒng)中，橋梁的信息采集是重中之重，通過多種監(jiān)測模式(如視頻監(jiān)測、人工巡檢、傳感器實(shí)時監(jiān)測等)建立智能化的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)。橋梁的各種信息(包括結(jié)構(gòu)響應(yīng)(變形和應(yīng)變等)、運(yùn)行情況(交通流量、車重和車速等)、基本參數(shù)(橋梁長度、橋梁跨度、地理位置信息和設(shè)計(jì)等級信息等)以及施工單位的養(yǎng)護(hù)信息)可以實(shí)時上傳數(shù)據(jù)平臺進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析。如果預(yù)先重點(diǎn)監(jiān)測的信息超過設(shè)定閾值，系統(tǒng)會及時發(fā)出預(yù)警信息，并可以通過微信、電話等形式通知管理人員，來確保橋梁的安全運(yùn)營。此外，智慧管理系統(tǒng)還可以通過大數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)對每個橋梁形成相應(yīng)的管理方案，并按照優(yōu)先級進(jìn)行養(yǎng)護(hù)管理。

(2)“1中心”是指管理系統(tǒng)的主要服務(wù)器，包括數(shù)據(jù)上傳平臺和數(shù)據(jù)庫等。借助多個終端進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳，巡檢人員在日常巡檢發(fā)現(xiàn)病害時可以及時將信息上傳。在平臺的系統(tǒng)中，巡檢人員可以將橋梁的信息完整全面地上傳至數(shù)據(jù)庫，包括橋梁的基本信息、巡檢信息和實(shí)時信息，方便后續(xù)管理人員進(jìn)行養(yǎng)護(hù)安排。數(shù)據(jù)庫則是將各類信息進(jìn)行分類整合，管理人員還可以檢索病害圖片、病害等級和處理措施等，來幫助進(jìn)行巡檢決策。相對傳統(tǒng)的存儲模式，數(shù)據(jù)庫這種模式可靠性高并且安全性有保障，通過數(shù)據(jù)備份和數(shù)據(jù)遷移等技術(shù)可以保證數(shù)據(jù)的丟失率降到最低，為科學(xué)管理提供了保障。

(3)“1平臺”是指青島市橋梁智能管理系統(tǒng)平臺。青島市范圍內(nèi)所有的混凝土橋梁統(tǒng)一納入智能管理系統(tǒng)，進(jìn)行科學(xué)統(tǒng)一的管理。橋梁的施工信息和養(yǎng)護(hù)信息等重點(diǎn)信息會被平臺監(jiān)控，進(jìn)行全行業(yè)監(jiān)管。橋梁的巡檢數(shù)據(jù)通過平臺處理，建立橋梁立體管理模型，分析常見病害數(shù)據(jù)，及時安排養(yǎng)護(hù)檢查，進(jìn)而規(guī)范維修養(yǎng)護(hù)體系。通過橋梁智能管理平臺，管理人員與系統(tǒng)之間可以進(jìn)行高效的信息雙向互動。當(dāng)平臺監(jiān)測到超過閾值的數(shù)據(jù)時，會自動鎖定問題橋梁，并將地理位置和病害問題下發(fā)巡檢養(yǎng)護(hù)人員，做到科學(xué)智能的橋梁管理。在日常的巡檢中，巡檢人員也可以通過平臺數(shù)據(jù)有針對性地進(jìn)行巡檢，節(jié)省人力物力資源。后期平臺也可與市政系統(tǒng)、公安系統(tǒng)、交管系統(tǒng)等進(jìn)行聯(lián)動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)真正的智慧城市。

4 展望

信息化橋梁管理模式的首要目標(biāo)是管養(yǎng),首要任務(wù)是性能監(jiān)測及評估(包括狀態(tài)監(jiān)測和趨勢評估)，橋梁管理系統(tǒng)及健康監(jiān)測系統(tǒng)在這兩方面各有自己的優(yōu)勢。橋梁管理系統(tǒng)作為網(wǎng)絡(luò)級橋梁管理的重要手段,其優(yōu)勢在于評估理論的研究[5]。目前世界各國都普遍采取的是以橋梁構(gòu)件損傷狀況為基礎(chǔ)的評估方法，其缺點(diǎn)在于依靠定期的外觀檢測信息，盡管這種檢測管理方法直觀、快速，但無法準(zhǔn)確反映橋梁實(shí)際工作狀態(tài)；健康監(jiān)測系統(tǒng)可針對單一的橋梁結(jié)構(gòu)，采用先進(jìn)的傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)橋梁荷載及響應(yīng)的實(shí)時量化采集，但是數(shù)據(jù)的分析處理及狀態(tài)評估仍然沒有很好地解決，而且也無法對轄區(qū)內(nèi)橋梁的管養(yǎng)提供足夠的技術(shù)支持。因此，信息化橋梁管理模式的發(fā)展方向必然是橋梁管理系統(tǒng)與橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合,再借助于大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代化技術(shù)，可最終建立一套完整且科學(xué)的橋梁智能管理系統(tǒng)。