基于數(shù)據(jù)流驅(qū)動的BIM技術(shù)城市橋梁群監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計研究

文＿崔 玉（廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，副教授、高級工程師，碩士）

廖艷屏（廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，講師、高級工程師，碩士）

陳鈺婷（廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，講師、工程師，碩士）

彭 來（廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，講師、工程師，碩士）

目前，我國先進(jìn)的橋梁建設(shè)技術(shù)快速升級，橋梁建設(shè)工程蓬勃發(fā)展，也涌現(xiàn)出許多造型獨特的大型、特大型橋梁。但與此同時，我國的橋梁養(yǎng)護(hù)管理水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上橋梁建設(shè)技術(shù)發(fā)展的步伐。交通運輸部于2005年發(fā)布的《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》及住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部于2003年發(fā)布的《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》，都對橋梁技術(shù)狀況監(jiān)測與評估的內(nèi)容、方法、周期做了相應(yīng)規(guī)定。《公路水運工程試驗檢測管理辦法》對橋梁監(jiān)（檢）測的機具和設(shè)備等參數(shù)做了明確要求。而現(xiàn)行規(guī)范中將橋梁檢查分為經(jīng)常檢查、定期檢查和特殊檢查項目，經(jīng)實踐證明，這些項目對于大型橋梁的養(yǎng)護(hù)管理遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，由于大型橋梁的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、影響受力的因素眾多，國內(nèi)交通系統(tǒng)、鐵路系統(tǒng)、市政系統(tǒng)的監(jiān)測規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)均在制定過程中，但截至目前尚未有批復(fù)執(zhí)行的針對大型橋梁、特殊結(jié)構(gòu)橋梁完整的安全監(jiān)測技術(shù)評定標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，仍需要根據(jù)每座大型橋梁、特殊結(jié)構(gòu)橋梁的特點制定特定的監(jiān)（檢）測系統(tǒng)。若無特定的、有效的先進(jìn)技術(shù)手段做后盾，日常養(yǎng)護(hù)管理的工作量十分巨大，管理的效率和監(jiān)管效果也難以保障。近年來國內(nèi)外橋梁倒塌事件頻繁發(fā)生，一個個血的教訓(xùn)促使管理者急需轉(zhuǎn)變管理理念、完善管理體系、提高管理技術(shù)水平。一般管理部門除分析橋梁荷載作用下結(jié)構(gòu)靜動力響應(yīng)數(shù)據(jù)外，還應(yīng)記錄橋梁構(gòu)件及附屬設(shè)施外部環(huán)境，對橋梁外觀進(jìn)行檢測和監(jiān)控，以及對各類資料及圖像的篩選分析。

本文對在建的某市城市級橋群監(jiān)測管理平臺進(jìn)行深入研究，分析監(jiān)測平臺數(shù)據(jù)交換共享的關(guān)鍵難點，提出利用BIM技術(shù)高度集成橋梁工程信息的方法，實現(xiàn)在全壽命周期中動態(tài)管理工程項目數(shù)據(jù)。設(shè)計利用5D BIM完成橋群監(jiān)測管理的電子沙盤的構(gòu)建，高效管理橋梁（群）工程的質(zhì)量、進(jìn)度、資料，致力于橋梁監(jiān)控協(xié)同可視化，推進(jìn)橋群管理水平的發(fā)展。

一、平臺架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)平臺在架構(gòu)上必須先總體滿足系統(tǒng)功能要求。GIS平臺及分布式數(shù)據(jù)庫將作為整個系統(tǒng)的上層管理架構(gòu)，結(jié)合線上云平臺，創(chuàng)立一個專門針對城市級橋梁群的具備三層B/S及C/S混合架構(gòu)的安全監(jiān)管平臺。該平臺可以把通訊光纜作為傳輸網(wǎng)絡(luò)信息的介質(zhì)，將控制中心與現(xiàn)場結(jié)構(gòu)測量點緊密地結(jié)合成分布式的整體，同時Remote User（遠(yuǎn)程用戶）可以通過云平臺鏈接至現(xiàn)場各大橋的管理中心，并通過調(diào)取數(shù)據(jù)、控制及監(jiān)控的方式對橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)評估。Remote User可以直接從數(shù)據(jù)采集服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)，多個數(shù)據(jù)采集服務(wù)器可以并行提供數(shù)據(jù)傳輸，使Remote User能夠同時獲取多個橋梁結(jié)構(gòu)上的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)。整個系統(tǒng)利用GIS技術(shù)將空間信息和非空間信息結(jié)合起來，以滿足數(shù)字化、資源利用高效化和可持續(xù)發(fā)展的要求。系統(tǒng)總體平臺架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體平臺架構(gòu)圖

橋梁結(jié)構(gòu)安全評估方法架構(gòu)步驟如下。

（1）對新建大橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、風(fēng)險評估和構(gòu)件易損性分析，找出結(jié)構(gòu)關(guān)注重點。

（2）依據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)注重點，建立監(jiān)測方案和巡檢方案。監(jiān)測方案主要包括監(jiān)測項、監(jiān)測頻率、監(jiān)測特征值等。巡檢方案包括巡檢內(nèi)容、巡檢方法（儀器、頻率等）、相應(yīng)的電子化人工巡檢系統(tǒng)。

（3）監(jiān)測和巡檢的數(shù)據(jù)共同構(gòu)成監(jiān)測預(yù)警和結(jié)構(gòu)安全評估的基礎(chǔ)。

（4）依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及構(gòu)件評定標(biāo)準(zhǔn)，建立預(yù)警方案和預(yù)警閾值。

（5）根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)和巡檢數(shù)據(jù)架構(gòu)結(jié)構(gòu)安全評估方法，進(jìn)行技術(shù)狀況評估和專項評估。

各單橋健康監(jiān)測系統(tǒng)由于建設(shè)單位不同，地理位置分散，需要充分考慮各個已建成橋梁、在建橋梁及未來規(guī)劃待建橋梁的健康監(jiān)測系統(tǒng)的整合與接入，將各橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)統(tǒng)一納入本系統(tǒng)平臺，初期計劃使用電信或移動等通信運營商專線網(wǎng)絡(luò)將各單橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)接入集成管控平臺。

集成管控平臺的數(shù)據(jù)來源可以劃分為橋梁基本靜態(tài)數(shù)據(jù)庫、在線監(jiān)測動態(tài)數(shù)據(jù)庫和電子化人工巡檢數(shù)據(jù)庫三類。橋梁基本靜態(tài)數(shù)據(jù)庫包括橋梁總體信息、橋梁上部結(jié)構(gòu)、橋梁下部結(jié)構(gòu)、橋梁橋面結(jié)構(gòu)、橋梁設(shè)計、橋梁附屬設(shè)施。在線監(jiān)測動態(tài)數(shù)據(jù)庫包含各傳感器實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)、超限預(yù)警數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)等。電子化人工巡檢數(shù)據(jù)庫包含橋梁巡查信息、病害統(tǒng)計信息、技術(shù)狀況評定信息、根據(jù)模型推演的橋梁退化預(yù)測信息、決策優(yōu)化信息等。

本文介紹的數(shù)據(jù)計算分析系統(tǒng)作為平臺核心服務(wù)組件，通過對上述三大數(shù)據(jù)庫的管理、分析及挖掘，為平臺提供數(shù)據(jù)交換整合、數(shù)據(jù)可視化展示、數(shù)據(jù)查詢與統(tǒng)計綜合分析與決策支持等服務(wù)，進(jìn)而實現(xiàn)平臺數(shù)字化監(jiān)測、在線實時監(jiān)管、安全報警及巡檢養(yǎng)護(hù)等核心功能。平臺框架結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2 平臺總體結(jié)構(gòu)

二、基于數(shù)據(jù)流驅(qū)動的BIM技術(shù)橋梁監(jiān)測管控研究

（一）BIM監(jiān)測平臺

集成管控平臺根據(jù)現(xiàn)有各橋梁子監(jiān)控中心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，集成相關(guān)的硬件、建立數(shù)據(jù)庫、開發(fā)應(yīng)用軟件、完成橋梁結(jié)構(gòu)安全的BIM信息化管理。通過健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和日常養(yǎng)護(hù)信息的有機整合，實現(xiàn)市管橋梁安全的實時監(jiān)控。

由于各數(shù)據(jù)采集終端地理位置相距遙遠(yuǎn)，因此有必要建立便于操作的界面，使開發(fā)人員與用戶能夠及時改變系統(tǒng)的設(shè)置。這就導(dǎo)致在安裝調(diào)試初期，需要通過經(jīng)常改變參數(shù)設(shè)置以大幅減低調(diào)試時長。

對于數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊的硬件部分，考慮系統(tǒng)中使用的傳感測試設(shè)備類型眾多，針對不同的設(shè)備特性和輸出信號類型，數(shù)據(jù)采集與傳輸需采取不同方案。所選擇的數(shù)據(jù)采集設(shè)備、傳輸設(shè)備和供電設(shè)備均符合工業(yè)級的要求，利用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，選用光纖冗余環(huán)網(wǎng)，實現(xiàn)大橋外場與監(jiān)控中心（內(nèi)場）的可靠連接，確保網(wǎng)絡(luò)通信順暢。

數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊的軟件部分，主要用于完成原始數(shù)據(jù)的獲取與傳輸，是連接現(xiàn)場采集設(shè)備和監(jiān)控中心應(yīng)用軟件的中轉(zhuǎn)站，要求系統(tǒng)有較高的穩(wěn)定性和可自修復(fù)性，故采用當(dāng)今主流的Linux平臺作為采集軟件的運行平臺。相比其他平臺操作系統(tǒng)，Linux實時響應(yīng)性能較強，在多任務(wù)處理及可靠性、穩(wěn)定性、可擴展性上均滿足BIM監(jiān)測平臺的需求。針對路橋監(jiān)測系統(tǒng)的特點，基于Linux平臺搭載數(shù)據(jù)采集軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測的抗干擾性強、實時性強、精度高、穩(wěn)定性和可靠性都不錯的特點。

監(jiān)測平臺作為集成管控平臺的一個重要組成部分，根據(jù)前期對實際管養(yǎng)業(yè)務(wù)的調(diào)查、分析，擬具備以下幾個功能。

（1）開放式的分層架構(gòu)；

（2）組織、用戶、權(quán)限管理；

（3）基于表單的工作量引擎；

（4）文檔信息管理；

（5）即時消息通訊。

通過設(shè)置BIM監(jiān)測平臺，打破嚴(yán)重限制各個職能部門和業(yè)務(wù)系統(tǒng)協(xié)作的“信息孤島”現(xiàn)象，為不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)搭建數(shù)據(jù)共享平臺并形成一個整體信息庫。同時，通過數(shù)據(jù)交換平臺統(tǒng)一化為各個業(yè)務(wù)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換提供單一安全的渠道，在信息共享的基礎(chǔ)上確保數(shù)據(jù)信息安全。

（二）主要技術(shù)路線

在系統(tǒng)建設(shè)與設(shè)備選型上，系統(tǒng)平臺強調(diào)系統(tǒng)設(shè)備先進(jìn)性、可靠性、可擴展性和兼容性，使用能適應(yīng)目前發(fā)展趨勢的先進(jìn)技術(shù)，并充分考慮技術(shù)成熟程度、關(guān)鍵設(shè)備使用硬件備份與冗余，建立安全防護(hù)與容災(zāi)備份機制，以確保應(yīng)急平臺的安全、順利運行。

本系統(tǒng)以J2EE平臺為基礎(chǔ)，利用JSON數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)及SOA框架將多種業(yè)務(wù)封裝成為松散耦合的模塊，通過對XML數(shù)據(jù)包增加標(biāo)簽數(shù)據(jù)（元數(shù)據(jù)），使得調(diào)用接口富有彈性，從而為終端用戶及開發(fā)商提供企業(yè)級的應(yīng)用與開發(fā)設(shè)計平臺。

技術(shù)路線方面，組件化技術(shù)的應(yīng)用可以將BROWER-APPSERVER-DBSERVER多層構(gòu)架模型激活。通過交換平臺實現(xiàn)可靠、穩(wěn)定、及時的外部數(shù)據(jù)交換，各個應(yīng)用終端利用客戶端瀏覽器根據(jù)不同的權(quán)限實現(xiàn)數(shù)據(jù)的添加、刪除、修改和檢查。整個系統(tǒng)采用B/S多層體系架構(gòu)，其中客戶（請求消息）、流程（請求處理）和數(shù)據(jù)（運算）將獨立運作。多層架構(gòu)就是把展示層和業(yè)務(wù)邏輯層分離開的更加靈活的架構(gòu)，它意味著業(yè)務(wù)代碼相互獨立，業(yè)務(wù)邏輯層居中，這樣的架構(gòu)可以帶給用戶更好的交互體驗，減少對后端系統(tǒng)的依賴，對系統(tǒng)擴展有大幫助，多層結(jié)構(gòu)下系統(tǒng)的安全性實現(xiàn)也更有保障。

在一個多層次系統(tǒng)中，每一個層次都由一個應(yīng)用程序獨立構(gòu)成?？蛻魴C正常地執(zhí)行描述邏輯，應(yīng)用服務(wù)器則執(zhí)行業(yè)務(wù)處理邏輯。事務(wù)處理中，客戶機只需向應(yīng)用服務(wù)器發(fā)送一個請求，大大降低網(wǎng)絡(luò)通信難度。每個應(yīng)用程序的所有用戶可以共享該程序的業(yè)務(wù)邏輯以更好地控制業(yè)務(wù)處理進(jìn)度，并在事務(wù)處理因修改發(fā)生變更時大大簡化變更的實現(xiàn)過程。數(shù)據(jù)服務(wù)器可以對數(shù)據(jù)存儲管理和讀取方式進(jìn)行優(yōu)化。

系統(tǒng)服務(wù)器端采用Apache+Tomcat作為底層平臺框架，服務(wù)器端開發(fā)框架采用SpringBoot/Mybatis等最新的BIM軟件開發(fā)技術(shù)，采用模塊化設(shè)計理念，實現(xiàn)高內(nèi)聚、低耦合的功能模塊研發(fā)，具體系統(tǒng)平臺技術(shù)框架如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)平臺技術(shù)框架

（三）平臺功能設(shè)計

平臺功能設(shè)計的首要工作是業(yè)務(wù)功能架構(gòu)設(shè)計，旨在厘清系統(tǒng)功能邊界、梳理系統(tǒng)內(nèi)功能間的關(guān)系、刻畫信息宏觀流動方式。

系統(tǒng)的主要業(yè)務(wù)功能包括橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的接入、橋梁巡檢養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)的建立、交通實時監(jiān)控管理及與其他部門之間的數(shù)據(jù)共享。

根據(jù)本項目需求分析，城市級橋群信息化監(jiān)管平臺設(shè)計包含：GIS橋群管理、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測子系統(tǒng)、安全預(yù)警評估子系統(tǒng)、中心數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)交換接口等功能模塊，各子系統(tǒng)通過用戶權(quán)限管理整合為一個統(tǒng)一的綜合監(jiān)管集成管控平臺。

根據(jù)橋梁構(gòu)件的特點、風(fēng)險分析和規(guī)范要求，對橋梁各主要構(gòu)件進(jìn)行單元離散化解析，建立構(gòu)件庫終身ID編碼體系，讓每個單元都可以通過ID編碼與相關(guān)的靜態(tài)和動態(tài)屬性信息（如建設(shè)期信息、運營期監(jiān)測和維護(hù)數(shù)據(jù)等）進(jìn)行唯一性關(guān)聯(lián)。采用BIM技術(shù)從橋梁構(gòu)件特性出發(fā)，以風(fēng)險分析和規(guī)范要求為原則，進(jìn)行單元離散化解析并構(gòu)建單元終身ID編碼體系，形成構(gòu)件庫。構(gòu)件庫與風(fēng)險庫、維修措施庫、病害庫、檢查措施庫可進(jìn)行交互，共同組成本系統(tǒng)的五大基礎(chǔ)知識庫，是本系統(tǒng)的基石，體現(xiàn)系統(tǒng)開發(fā)單位橋梁專業(yè)技術(shù)水平、經(jīng)驗和底蘊。

基于橋梁構(gòu)件離散、精細(xì)化的橋梁構(gòu)件編碼體系，實現(xiàn)專業(yè)化管養(yǎng)編碼。編碼體系的設(shè)計標(biāo)志著可實現(xiàn)信息標(biāo)準(zhǔn)化管理的橋梁監(jiān)控體系。編碼是數(shù)據(jù)處理效率的重要影響因素，同時也決定各功能模塊業(yè)務(wù)處理功能的便利性和準(zhǔn)確性。所有的信息編碼均具備符號序列、符號排列規(guī)則和根據(jù)特定的符號序列表達(dá)特定的信息內(nèi)容三個要素。橋梁構(gòu)件解析與編碼示意如圖4所示。

圖4 橋梁構(gòu)件解析與編碼示意

依據(jù)單元特性、危險性和結(jié)構(gòu)分析，建立構(gòu)件的屬性特征。橋梁構(gòu)件單元屬性特征由動態(tài)信息，靜態(tài)信息以及知識信息組成。橋梁構(gòu)件屬性如圖5所示。

圖5 橋梁構(gòu)件屬性

靜態(tài)信息包括材料信息、幾何信息、圖紙信息等參數(shù)信息，以及檢查頻率、檢查要求、養(yǎng)護(hù)要求等。

動態(tài)信息包括歷次病害信息、檢查信息、維修信息和評定信息等。

知識信息包括風(fēng)險庫、檢查檢測措施庫、病害庫和維修病害庫等。

三、結(jié)語

本文依據(jù)上述BIM技術(shù)橋梁監(jiān)控平臺設(shè)計研究，研發(fā)了基于數(shù)據(jù)流驅(qū)動的BIM技術(shù)橋梁監(jiān)測管控云平臺，并成功應(yīng)用于城市橋群、造型獨特的大型橋梁等。

利用BIM技術(shù)平臺建設(shè)橋梁監(jiān)控系統(tǒng)，可以顯著降低橋梁監(jiān)控系統(tǒng)運維成本?；跀?shù)據(jù)流驅(qū)動的數(shù)據(jù)交換技術(shù)，橋梁監(jiān)測管控云平臺設(shè)計能夠打破當(dāng)前“信息孤島”現(xiàn)象，在實現(xiàn)信息共享的基礎(chǔ)上確保數(shù)據(jù)信息的安全，為未來新業(yè)務(wù)系統(tǒng)的建設(shè)提供標(biāo)準(zhǔn)，減少數(shù)據(jù)采集方面的資本投入，并提高效率和服務(wù)水平。構(gòu)建基于全面的監(jiān)測、檢測綜合分析的平臺，可將原本單一的、有限范圍的主體結(jié)構(gòu)監(jiān)測、檢測、養(yǎng)護(hù)轉(zhuǎn)為全橋全面、完整、立體的系統(tǒng)監(jiān)管體系，有利于后期形成一個分級城市綜合監(jiān)管或者公路級平臺統(tǒng)一體系，適合我國橋梁“管、建”分家的特點，能解決目前橋梁養(yǎng)護(hù)管理人員相關(guān)專業(yè)技能相對薄弱的問題，并規(guī)范他們的日常養(yǎng)護(hù)管理操作。