基于BIM+GIS的橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

任曉春，王瑋，周權(quán)

[摘要]介紹了基于BIM+GIS的橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)，給出了從前端數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)分析與可視化的完整設(shè)計(jì)方案，旨在解決當(dāng)前橋梁健康管理中存在的不足，提高橋梁在運(yùn)維過程中的安全指數(shù)并降低管養(yǎng)成本。

[關(guān)鍵詞]智慧監(jiān)測； BIM； GIS; 傳感器； 信息化

[中國分類號(hào)]U446.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

0引言

交通運(yùn)輸作為國家國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大動(dòng)脈，其良好運(yùn)行對支撐國家經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速健康發(fā)展起到關(guān)鍵作用，而橋梁工程是保障公共交通暢通無阻的重要一環(huán)。一座橋梁建成使用后需要服役幾十年甚至上百年時(shí)間。雖然在橋梁工程已經(jīng)采用科學(xué)合理的計(jì)算設(shè)計(jì)與準(zhǔn)確安全的施工來保證橋梁結(jié)構(gòu)的可靠性，但由于這些工程的建設(shè)和運(yùn)營在空間和時(shí)間上的跨度都很大，諸多預(yù)想不到的因素影響會(huì)造成橋梁工程結(jié)構(gòu)在完工后或運(yùn)營一段時(shí)間后的實(shí)際狀態(tài)和設(shè)計(jì)理論狀態(tài)產(chǎn)生偏差。同時(shí)，由于橋梁的特殊性，其工程結(jié)構(gòu)需要長期暴露在自然環(huán)境中，在自然風(fēng)雨、自然災(zāi)害、有害物質(zhì)以及車輛荷載的長期影響下，橋梁結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)疲勞以及材料老化等現(xiàn)象。這些現(xiàn)象會(huì)直接影響橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力，有可能會(huì)引起橋梁倒塌事故［1］。

近10年來，國內(nèi)外橋梁倒塌的事例屢見不鮮，不僅威脅著人們生命財(cái)產(chǎn)安全，還造成了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的損失。為了提高橋梁日常管養(yǎng)水平，降低由橋梁結(jié)構(gòu)疲勞導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)，近年來我國橋梁業(yè)主單位開始改變了思路，由“重建設(shè)”慢慢轉(zhuǎn)變成“建養(yǎng)并重”，推動(dòng)了橋梁健康監(jiān)測技術(shù)在我國的發(fā)展。朱小忠［2］以長門特大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)為背景，論述了自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測與人工巡檢相結(jié)合的必要性。杜立嬋等［3］基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建了C/S和B/S架構(gòu)搭建了遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一種橋梁健康遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過采集預(yù)埋的振弦式傳感器信息，實(shí)時(shí)反應(yīng)橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)。目前，國內(nèi)蘇通大橋、潤揚(yáng)長江大橋、杭州灣跨海大橋等多座橋梁已建立了健康監(jiān)測系統(tǒng)。雖然近年來，基于信息化、自動(dòng)化與無人化的橋梁健康技術(shù)受到了廣泛關(guān)注，但整體來看當(dāng)前國內(nèi)的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建仍處于探索及嘗試階段，這些已有橋梁監(jiān)測系統(tǒng)仍普遍存在以下幾個(gè)問題。

（1）三維場景可視化度不高，現(xiàn)有橋梁監(jiān)測系統(tǒng)普遍使用二維圖紙查詢傳感器位置信息，其展示方式缺乏直觀性。

（2）性能指標(biāo)的預(yù)測不精確，部分監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)精度低，預(yù)測方式單一，對不同類型的傳感器的數(shù)據(jù)預(yù)測適用性不高。

（3）結(jié)構(gòu)健康判斷機(jī)制不完善，很多工程結(jié)構(gòu)損傷檢測與診斷的方法只停留在理論上的推演，缺乏與實(shí)際監(jiān)測系統(tǒng)融合。

（4）預(yù)警機(jī)制準(zhǔn)確度和及時(shí)性有待提高。

基于此，本文研究了基于BIM（Building Infomation Model，建筑信息模型）與GIS GIS（Geographic Information System，地理信息系統(tǒng)）的橋梁健康監(jiān)測方法，同時(shí)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、通信、可視化等技術(shù)，給出了集橋梁健康監(jiān)測、信息可視化管理和橋梁結(jié)構(gòu)健康指標(biāo)預(yù)警等于一體的智能橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路與方法。

1BIM與GIS技術(shù)

BIM是建筑物模型數(shù)字化的表現(xiàn)形式，以一種三維虛擬現(xiàn)實(shí)建模為基礎(chǔ)，將建筑施工所涉及的涉及、規(guī)劃、建造、運(yùn)營等各個(gè)環(huán)節(jié)中的相關(guān)信息進(jìn)行集成所得到的工程數(shù)據(jù)模型，其不僅包含了三維幾何形狀信息，還涉及了建筑構(gòu)件的材質(zhì)、價(jià)格、重量和進(jìn)度等非幾何信息。為管理者和參與者提供工程項(xiàng)目信息并協(xié)同工作，提高了建筑項(xiàng)目的績效水平［4］。

GIS則是在計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)的支撐下，以測繪為基礎(chǔ)，融合計(jì)算機(jī)圖形和數(shù)據(jù)庫于一體的空間信息系統(tǒng)。其主要用來對整個(gè)地球表層空間中的地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)，進(jìn)而完成對數(shù)據(jù)成圖和分析［5］。

BIM與GIS技術(shù)優(yōu)勢互補(bǔ)，它們的結(jié)合實(shí)質(zhì)是宏觀與微觀的集成。GIS擁有強(qiáng)大的空間分析、查詢的能力，將彌補(bǔ)BIM缺少設(shè)施周邊宏觀環(huán)境的不足，為BIM的管理提供宏觀決策支持，也將推動(dòng)BIM的應(yīng)用從精細(xì)化單體模型設(shè)計(jì)提升至多維空間數(shù)據(jù)層面。利用GIS技術(shù)可以在大范圍內(nèi)對項(xiàng)目中的每座橋梁進(jìn)行定位，并對橋梁周圍的自然與地質(zhì)進(jìn)行呈現(xiàn)。而高精度的BIM模型將成為GIS的重要微觀數(shù)據(jù)來源。在定位到橋梁的基礎(chǔ)上，可以利用BIM高精度三維模型對橋梁監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行定位，并對傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、存儲(chǔ)、顯示、分析等［6］。

2基于BIM+GIS橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)了基于BIM+GIS橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)包括智能感知采集層、通信傳輸層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、智能分析層、服務(wù)層、應(yīng)用層、用戶訪問層幾個(gè)主要層次。

（1）. 智能感知采集層：由各類傳感器組成，主要實(shí)現(xiàn)外部多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的采集，是整個(gè)健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的來源。

（2）. 通信傳輸層：由通信線纜、無線傳輸模塊等設(shè)備組成，負(fù)責(zé)將采集的信號(hào)傳輸至存儲(chǔ)設(shè)備。

（3）. 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層：負(fù)責(zé)前端采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)并對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。采用分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及災(zāi)備模式，確保證數(shù)據(jù)的安全性。

（4）. 智能分析層：基于可靠度理論并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)等算法對預(yù)處理后的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立橋梁健康狀況的評(píng)價(jià)和預(yù)測模型。

（5）. 服務(wù)層：提供各獨(dú)立功能模塊的具體實(shí)現(xiàn)，各服務(wù)模塊之間相互協(xié)作提供功能。

（6）. 應(yīng)用層：讓使用者直接在線使用溫江區(qū)城市橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測、橋梁環(huán)境信息監(jiān)測、城市協(xié)同管理、橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、橋梁狀態(tài)評(píng)估、橋梁管養(yǎng)決策支持、橋梁管養(yǎng)維護(hù)管理等功能。

（7）. 用戶訪問層：與用戶交互的入口，兼容多端設(shè)備。

3前端數(shù)據(jù)采集與傳輸方案設(shè)計(jì)

由于橋梁空間約束點(diǎn)多、結(jié)構(gòu)變形復(fù)雜，為獲得反映整個(gè)橋梁健康狀態(tài)的參數(shù)，需要在橋梁的各個(gè)重要部位設(shè)計(jì)、布設(shè)并安裝各種不同類型的傳感器。這些不同類型的傳感器離散的分布在橋梁上，組成了傳感器網(wǎng)絡(luò)。要實(shí)時(shí)獲得這些傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)，需要配套建立起自動(dòng)化采集系統(tǒng)，而采用分布式設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)最適合工程需要的。另外由于橋梁空間有一定的跨度，經(jīng)常是幾十上百米，這就要求這個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有一定遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸能力。

3.1數(shù)據(jù)采集

傳感數(shù)據(jù)采集設(shè)備包含傳感器與數(shù)據(jù)采集卡。由于橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)感知主要是對橋梁關(guān)鍵截面、部位應(yīng)力、位移、撓度與沉降等進(jìn)行監(jiān)測，因此需要采用相應(yīng)的傳感器完成相應(yīng)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集。

（1） 橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力情況能夠反映橋梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度狀況，可采用應(yīng)力傳感器來進(jìn)行監(jiān)測。應(yīng)力傳感器一般安裝于橋梁結(jié)構(gòu)控制截面，如梁橋跨中截面的梁下緣。

（2）橋梁支座缺陷是中小型橋梁的主要病害，不及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處置將導(dǎo)致梁體受力不均直至造成梁體扭轉(zhuǎn)等結(jié)構(gòu)性損傷。支座缺陷可用位移傳感器來進(jìn)行監(jiān)測，位移傳感器一般布置在橋梁梁底與墩臺(tái)連接部位，在工作的過程中，實(shí)時(shí)獲取橋梁梁底與橋梁墩臺(tái)之間的距離值，當(dāng)支座發(fā)生塌陷、銹蝕扭轉(zhuǎn)等病害致使梁體出現(xiàn)姿態(tài)異常時(shí)，提前感知并進(jìn)行預(yù)警。

（3） 橋梁撓度與沉降在一定程度上體現(xiàn)了橋梁的剛度情況與變形情況，是橋梁健康情況直接的表征之一。當(dāng)橋梁出現(xiàn)嚴(yán)重病害會(huì)導(dǎo)致剛度下降。而在長期運(yùn)營過程中出現(xiàn)水底淤泥流動(dòng)、墩臺(tái)沉降、橋臺(tái)扭轉(zhuǎn)傾斜等問題都將導(dǎo)致橋梁撓度情況發(fā)生異常，固實(shí)時(shí)監(jiān)測橋梁撓度與沉降特性是橋梁智慧監(jiān)測的重要環(huán)節(jié)。橋梁撓度與沉降均可以采用靜力水準(zhǔn)儀來進(jìn)行監(jiān)測。

3.2數(shù)據(jù)傳輸

在傳感器完成數(shù)據(jù)采集后，需要采用合適的通信手段，將采集數(shù)據(jù)傳輸回服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析，在傳輸技術(shù)上，可以采用幾種方案：

（1） 傳感器通過光纖接入上位機(jī)，上位機(jī)對多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚后再利用4G/5G公網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳回服務(wù)器。

（2） 傳感器通過RS-485串口與數(shù)據(jù)傳輸單元（DTU）相連，再通過4G/5G無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)回傳。

（3） 有源傳感器可以配備4G/5G模塊，直接將采集數(shù)據(jù)傳回服務(wù)器。

4基于BIM+GIS橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1BIM+GIS橋梁模型三維場景展示

三維橋梁模型采用BIM+GIS技術(shù)來展示。GIS是以地理空間數(shù)據(jù)為對象的空間分析技術(shù)，其突出特點(diǎn)是能顯示橋梁的空間屬性，將橋梁與周圍的場景相銜接，為橋梁賦予地理坐標(biāo)。由于GIS的應(yīng)用停留在瀏覽查看橋梁的外部方面，所以需要BIM技術(shù)將橋梁相關(guān)信息有效集成和應(yīng)用在三維模型上，實(shí)現(xiàn)所有的結(jié)構(gòu)信息都可方便查詢，大到橋梁墩臺(tái)，小到伸縮縫和支座的螺栓都可利用BIM模型進(jìn)行查閱。同時(shí)，利用第三方BIM+GIM平臺(tái)，不僅可以對橋梁結(jié)構(gòu)等細(xì)節(jié)精確展示，還可以通過第三方天氣API接口，模擬不同天氣下的三維場景。

4.2傳感器管理

軟件系統(tǒng)可利用 BIM 模型的三維可視化特性，對橋梁上的傳感器進(jìn)行可視化，由此解決二維表格羅列無法直觀展示傳感器空間分布的問題。同時(shí)，為了方便管理傳感器并查看采集的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可采用樹形結(jié)構(gòu)將傳感器關(guān)聯(lián)至橋梁構(gòu)件樹上，即把傳感器作為子節(jié)點(diǎn)掛載到橋梁的某個(gè)構(gòu)件下。圖2給出了傳感器關(guān)聯(lián)至橋梁構(gòu)件的示意圖，從中可以看到，整個(gè)橋梁分為了很多個(gè)不同類型的構(gòu)件，不同構(gòu)件下又有不同的結(jié)構(gòu)塊，最后各個(gè)傳感器將掛載到這些結(jié)構(gòu)塊中。管理人員通過點(diǎn)擊構(gòu)件樹的某個(gè)節(jié)點(diǎn)，可以展開該節(jié)點(diǎn)下的全部傳感器。

從數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的角度來看，在數(shù)據(jù)庫中保存?zhèn)鞲衅鞯慕?jīng)緯度位置、高度、傳感器模型的長、寬、高、半徑、拉伸高度等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。用戶可以在BIM模型中點(diǎn)擊對應(yīng)的傳感器查看相應(yīng)傳感器的信息，如圖3所示。而當(dāng)用戶在傳感器結(jié)構(gòu)樹視角下點(diǎn)擊傳感器葉子節(jié)點(diǎn)時(shí)也可獲取每一個(gè)傳感器的位置信息，并將視角切換至BIM模型視角，定位到相應(yīng)傳感器的位置上。

軟件系統(tǒng)還需要傳感器管理模塊實(shí)現(xiàn)對傳感器的高效管理。如圖4所示的傳感器管理模塊中，頁面左側(cè)為結(jié)構(gòu)樹，右側(cè)為傳感器信息表格。點(diǎn)擊結(jié)構(gòu)樹中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)后，將在右側(cè)表格中顯示該節(jié)點(diǎn)下所部署的全部傳感器的信息，傳感器信息包括傳感器唯一編號(hào)、名稱、圖片、閾值上限、閾值下限、傳感器類型等。

4.3采集數(shù)據(jù)顯示與報(bào)警

在橋梁健康監(jiān)控系統(tǒng)中，對傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行合理與高效是非常重要的。為此，軟件系統(tǒng)需要提供傳感器采集數(shù)據(jù)的可視化功能，對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行呈現(xiàn)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)將展現(xiàn)傳感器當(dāng)前采集到的數(shù)據(jù)，且隨著時(shí)間的推進(jìn)自動(dòng)更新圖表。歷史數(shù)據(jù)將展示傳感器過去某段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)。通過點(diǎn)擊頁面中的“歷史曲線”和“實(shí)時(shí)曲線”兩個(gè)按鈕，可以切換圖表，分別查看傳感器采集的某段時(shí)間內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)或?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)。

在數(shù)據(jù)采集與顯示的基礎(chǔ)上，橋梁健康管理人員可以為每一個(gè)傳感器設(shè)置采集數(shù)值的閾值上限和閾值下限數(shù)值，以便從圖中可以查看到某個(gè)特定數(shù)值是否超過了設(shè)定的閾值。在閾值設(shè)置合理的前提下，一旦采集的實(shí)際數(shù)值超過或低于設(shè)定的閾值上下限時(shí)，表明此時(shí)可能存在發(fā)生災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)，需要健康監(jiān)測人員做好災(zāi)害預(yù)警與處理。同時(shí)，在BIM模型中，存在異常數(shù)據(jù)的傳感器也會(huì)以閃動(dòng)的形式提醒健康監(jiān)測人員盡快對異常進(jìn)行查看，以采取進(jìn)一步措施，該過程如圖5所示。

5結(jié)論

為了提高我國橋梁健康管理水平，保障橋梁運(yùn)維安全，響應(yīng)國家智慧交通的號(hào)召，本文研究了基于BIM+GIS的橋梁智慧監(jiān)測技術(shù)。在給出了BIM+GIS橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)通用邏輯架構(gòu)的基礎(chǔ)上，本文詳細(xì)闡述了在橋梁健康監(jiān)測中的傳感器數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析以及三維可視化等步驟的設(shè)計(jì)思路，為同類型橋梁健康監(jiān)測平臺(tái)的設(shè)計(jì)提供參考。

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