大數(shù)據(jù)背景下城市輕軌橋梁檢測(cè)策略研究
——以金義東軌道交通為例

應(yīng)俊杰

（浙江橫店影視職業(yè)學(xué)院）

0 引言

新時(shí)代下，我國(guó)仍然以一定規(guī)模建設(shè)輕軌，其中大部分以混凝土橋梁為主。橋梁在運(yùn)行中受到風(fēng)、雨、雪等惡劣天氣的侵蝕以及極寒極炎的環(huán)境影響，極易出現(xiàn)損傷的情況，若未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)或處理，將會(huì)影響輕軌的正常運(yùn)行。2022 年7 月24 日，遼寧鞍山一橋梁坍塌致4車5 人墜河。眾多橋梁坍塌事故的直接原因就是沒有及時(shí)對(duì)橋梁進(jìn)行維護(hù)。若設(shè)置對(duì)應(yīng)的養(yǎng)護(hù)管理辦法和應(yīng)用加固維護(hù)技術(shù)，不僅能夠保障出行人員的切身安全，還能延長(zhǎng)橋梁的使用壽命，減少相應(yīng)的各項(xiàng)損失。大數(shù)據(jù)背景下，我們面對(duì)橋梁檢測(cè)出的海量信息數(shù)據(jù)需要有能夠快速判斷、多樣化數(shù)據(jù)處理、信息自動(dòng)篩選的能力。

因此，在輕軌項(xiàng)目建設(shè)、運(yùn)營(yíng)過程中，各方單位應(yīng)重視橋梁檢測(cè)，利用好大數(shù)據(jù)技術(shù)，為輕軌平穩(wěn)運(yùn)營(yíng)保駕護(hù)航。

1 橋梁檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

早期的橋梁檢測(cè)方法是專業(yè)檢測(cè)人員通過實(shí)際經(jīng)驗(yàn)對(duì)橋梁進(jìn)行定期結(jié)構(gòu)性損傷檢查[1]。由于橋梁結(jié)構(gòu)的特殊性，需要借助大型的設(shè)備，如橋檢車等進(jìn)行戶外作業(yè)。有些結(jié)構(gòu)無法通過肉眼觀察，檢測(cè)結(jié)果往往是不客觀的，對(duì)橋梁損傷等級(jí)正確評(píng)估也成了一個(gè)難題。另外，由于檢測(cè)設(shè)備限制，某些橋梁構(gòu)件不能通過外觀判斷內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷情況，缺乏橋梁結(jié)構(gòu)損傷記錄，因此也就錯(cuò)過了最佳橋梁檢測(cè)和維修的窗口期，導(dǎo)致內(nèi)部損傷持續(xù)惡化。綜上，我國(guó)橋梁檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用困難如下：①傳統(tǒng)肉眼巡檢方式不全面，無法檢測(cè)出全部橋梁病害；②人工檢測(cè)容錯(cuò)率高，主觀意識(shí)與經(jīng)驗(yàn)意識(shí)主導(dǎo)檢測(cè)方式無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)病害且危險(xiǎn)性較高，增大成本；③檢測(cè)效率低；④無精確的橋梁病害動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，不利于政府有關(guān)部門養(yǎng)護(hù)和判斷。

雖然我國(guó)許多大型橋梁已經(jīng)采用了先進(jìn)的技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。例如超聲相控技術(shù)解決內(nèi)部焊縫在運(yùn)營(yíng)期無法進(jìn)行內(nèi)部自檢的難題；利用超聲波技術(shù)直觀查看角焊縫情況等。但是在大數(shù)據(jù)背景下，全面智能化檢測(cè)的應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路。

1.2 國(guó)外現(xiàn)狀

在大數(shù)據(jù)背景下橋梁檢測(cè)領(lǐng)域美國(guó)走在前列。如：采用聲發(fā)射技術(shù)[2]，全方位檢測(cè)懸索橋主纜斷絲情況，檢測(cè)重點(diǎn)位置損傷特性（橋面板裂縫類型、伸縮縫等情況）；美國(guó)的羅格斯大學(xué)利用無損檢測(cè)技術(shù)開發(fā)無損檢測(cè)機(jī)器人[3]用于路面檢測(cè)，并在海馬基特大橋上成功應(yīng)用；日本政府針對(duì)在笹子隧道發(fā)生的垮塌事故，采用無人機(jī)、機(jī)器人、激光雷達(dá)掃描等智能檢測(cè)技術(shù)提高橋梁檢測(cè)的精度。

2 智能裝備檢測(cè)

文章主要介紹三種主流的智能裝備檢測(cè)技術(shù)，分別是計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)、無損檢測(cè)技術(shù)、大數(shù)據(jù)與云技術(shù)，有效結(jié)合了各方優(yōu)勢(shì)，為實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)背景下的智能化橋梁檢測(cè)提供思路。

2.1 計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)

計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)去替代人眼識(shí)別圖像、視頻等信息，最終輸出結(jié)果[4]，生活中常見的應(yīng)用如：汽車無人駕駛識(shí)別道路與障礙物、醫(yī)學(xué)病癥識(shí)別等。在橋梁檢測(cè)中，該技術(shù)主要應(yīng)用在病害識(shí)別、位移測(cè)量、交通管理、施工管理等方面。計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)需要以大量的數(shù)據(jù)為前提，通過一定的編程語言，用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，不斷提高識(shí)別的準(zhǔn)確率，十分適合在大數(shù)據(jù)的背景下進(jìn)行應(yīng)用。相比傳統(tǒng)的人工拍照識(shí)別病害，計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)可以量化圖片中病害位置、類型、面積，而且一秒鐘可以直接識(shí)別上百甚至上千圖片，大大提高識(shí)別的速度和工作量。但是，準(zhǔn)確高的計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)需要算力佳的計(jì)算機(jī)、與時(shí)俱進(jìn)的深度學(xué)習(xí)模型、數(shù)據(jù)量足夠龐大的數(shù)據(jù)集，三者缺一不可。目前，已有對(duì)橋梁裂縫進(jìn)行識(shí)別的智能化檢測(cè)技術(shù)，識(shí)別精度已達(dá)1mm內(nèi)，應(yīng)用在橋檢車和無人機(jī)檢測(cè)的平臺(tái)中，應(yīng)用的廣度和深度還有一段路要走。

圖1 無人機(jī)檢測(cè)作業(yè)

2.2 無損檢測(cè)技術(shù)

無損檢測(cè)技術(shù)是指在不損害橋梁結(jié)構(gòu)和性能的基礎(chǔ)上，利用光、電、聲音等方式，獲取物理信息情況的一種橋梁檢測(cè)技術(shù)[5]。因此，該技術(shù)有顯而易見的優(yōu)點(diǎn)：①方便；②快速；③精確度高；④不影響橋梁使用。常見的無損檢測(cè)技術(shù)有探地雷達(dá)法、紅外熱成像法、聲發(fā)射法、超聲探傷法等。其中GNSS 技術(shù)主要用于橋梁變形檢測(cè)，通過接收衛(wèi)星信號(hào)和基站信號(hào)之間的差分信息，精確計(jì)算出檢測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)別精度誤差的實(shí)時(shí)連續(xù)靜動(dòng)態(tài)測(cè)量。目前，已有多座大橋采用該系統(tǒng)，如武漢的鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋使用搭載了GPS 接收器、慣性單元IMU 組成的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，解決了橋塔遮擋GPS 失鎖以及長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)漂移兩大問題。在橋梁檢測(cè)的應(yīng)用領(lǐng)域中，又可分為橋梁撓度監(jiān)測(cè)、橋墩沉降監(jiān)測(cè)、橋面位移監(jiān)測(cè)、橋塔位移監(jiān)測(cè)等。近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展，無損檢測(cè)技術(shù)向著智能化、系統(tǒng)化的方向發(fā)展，應(yīng)用的場(chǎng)景也較為廣闊。

2.3 云計(jì)算與大數(shù)據(jù)技術(shù)

目前，國(guó)家正在大力推廣“互聯(lián)網(wǎng)+”，為橋梁檢測(cè)的創(chuàng)新發(fā)展，實(shí)現(xiàn)智慧交通、智慧工地、智能檢測(cè)提供了良好的發(fā)展環(huán)境。云技術(shù)是一種基于云計(jì)算的商業(yè)模式，是信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、管理平臺(tái)技術(shù)、整合技術(shù)等的總稱，具有信息流通便利流、信息交流快速等優(yōu)勢(shì)[6]。大數(shù)據(jù)解決了數(shù)據(jù)分析低效以及計(jì)算能力不足問題，使橋梁監(jiān)測(cè)應(yīng)用存在可能性。橋梁檢測(cè)信息與大數(shù)據(jù)基本特征十分貼切：橋梁檢測(cè)數(shù)據(jù)規(guī)模龐大、所涉及的信息維度多、具備增速快、流轉(zhuǎn)快的特征。大型橋梁健康檢測(cè)具有數(shù)據(jù)量龐大、類型復(fù)雜的特點(diǎn)。整合利用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算與大數(shù)據(jù)技術(shù)，在強(qiáng)大的運(yùn)算能力、存儲(chǔ)能力和兼容能力支持下，便能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)大橋梁的集約化、網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)化管理。隨著科技發(fā)展，云計(jì)算與大數(shù)據(jù)技術(shù)也將逐漸應(yīng)用到橋梁施工監(jiān)控、梁廠加工信息管理等幾個(gè)方面，為橋梁管理、養(yǎng)護(hù)決策提供有力的技術(shù)支撐。

圖2 云計(jì)算與大數(shù)據(jù)技術(shù)工作原理

3 橋梁檢測(cè)策略研究—以金義東軌道交通為例

3.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

金義東軌道交通工程是浙中城市群城際軌道交通網(wǎng)絡(luò)的重要部分，全長(zhǎng)約107.17km，由金義段（金華站至秦塘站）和義東段（義烏高鐵站到明清宮站），設(shè)有31站（13座地下站，18座高架站），設(shè)計(jì)時(shí)速120km/h，是國(guó)內(nèi)目前單條線路最長(zhǎng)的市域軌道交通項(xiàng)目。其中，高架線路長(zhǎng)約77km，地下線路長(zhǎng)約22.6km，其余為山嶺隧道和過渡段。目前已投入運(yùn)營(yíng)使用，截至2022 年8 月29日，金華軌道交通金義東線（金義段）試乘累計(jì)總客運(yùn)量達(dá)到484.19萬人次，日均客運(yùn)量約2.33萬人次。

3.2 金義東軌道交通特點(diǎn)

圖3 金義東市域軌道交通線路走向示意圖

金義東軌道交通工程串聯(lián)起金華城區(qū)、金義新區(qū)、義烏城區(qū)、東陽城區(qū)、橫店影視城。建設(shè)維護(hù)好金義東軌道交通是推動(dòng)金義同城化，助力大都市建設(shè)的重要支撐，也為金武永東軌道交通項(xiàng)目提供技術(shù)保證。根據(jù)調(diào)研情況，可知金義東軌道交通有以下特點(diǎn)。

3.2.1軌道線路長(zhǎng)

金義東軌道交通工程是國(guó)內(nèi)市域軌道單條線路最長(zhǎng)項(xiàng)目。若根據(jù)規(guī)范要求定期檢測(cè)，其運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本也是隨著線路長(zhǎng)度而線性增加。如果長(zhǎng)期依靠傳統(tǒng)的人工檢測(cè)方法，不僅嚴(yán)重影響了軌道正常運(yùn)行，而且會(huì)大大提高了檢測(cè)成本，甚至因?yàn)檫^久的檢測(cè)時(shí)間嚴(yán)重影響發(fā)現(xiàn)病害，無法做到及時(shí)維修，不利于長(zhǎng)期、健康發(fā)展。

3.2.2站點(diǎn)分布離散

依據(jù)金華地區(qū)地勢(shì)情況為南北高、中部低，“三川環(huán)山夾一盆”特貌以及奇特的地質(zhì)情況，金義東軌道交通的31 個(gè)站點(diǎn)分布極具意義，但是也造成了站點(diǎn)分布離散問題。從金華南站至塘雅站以及從東華街站到義亭站距離十分遙遠(yuǎn)，而從金華站到金華南站，距離較近，但是中間還分布了雙溪西路站等5 個(gè)站點(diǎn)，而其余站點(diǎn)分布較為相近。各個(gè)站點(diǎn)之間不乏隧道、山洞、河流、丘陵等復(fù)雜情況，很難簡(jiǎn)單地選擇其中一種或多種檢測(cè)方法進(jìn)行。

圖4 站點(diǎn)分布示意圖

3.2.3簡(jiǎn)支梁橋多

金義東軌道交通以高架為主，主要由混凝土預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支梁橋和預(yù)應(yīng)力連續(xù)現(xiàn)澆梁組成，但是又以預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支梁橋絕大多數(shù)。雖然混凝土簡(jiǎn)支梁均由工廠預(yù)制完成，承載力可靠，但是受力結(jié)構(gòu)單一，受環(huán)境影響較大，若不及時(shí)定期對(duì)其檢測(cè)，隨著時(shí)間的推移會(huì)出現(xiàn)橋梁病害，主要表現(xiàn)有：混凝土碳化、橋面坑槽、橋面鋪裝混凝土開裂、鋼筋裸露、伸縮縫損壞，橋臺(tái)損壞等，將嚴(yán)重影響上部結(jié)構(gòu)承載力，直接影響到輕軌正常運(yùn)營(yíng)。因此，定期橋梁檢測(cè)十分重要也很必要，金義東軌道交通的檢測(cè)需求十分龐大。

圖5 金義東軌道交通某標(biāo)段簡(jiǎn)支橋梁

結(jié)合金義東軌道交通特點(diǎn)，得出檢測(cè)費(fèi)用高、檢測(cè)方法選擇困難、檢測(cè)需求大3 個(gè)結(jié)論，而這直接影響了政府主管部門的監(jiān)管，難以對(duì)軌道交通建設(shè)全局把控，影響浙中地區(qū)第二條市域輕軌的規(guī)劃、建設(shè)。

3.3 橋梁檢測(cè)策略研究

為了能全壽命運(yùn)營(yíng)好金義東軌道交通，需巧用大數(shù)據(jù)的技術(shù)，達(dá)到經(jīng)濟(jì)利益、便民服務(wù)、使用成效的最大化的效果。因此，檢測(cè)的開展需依次做好三套系統(tǒng)建設(shè)，分別是傳感器選擇與設(shè)置、數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)分析平臺(tái)搭建，通過有效的整體協(xié)作，最終實(shí)現(xiàn)輕軌的實(shí)時(shí)檢測(cè)。文章將基于大數(shù)據(jù)技術(shù)角度開展研究。

3.3.1理論基礎(chǔ)研究

⑴傳感器選擇與設(shè)置

通過實(shí)地考察、專家論證等方式確定關(guān)鍵橋梁最不利情況，安裝好GPS 定位裝置、混凝土應(yīng)力與應(yīng)變傳感器、溫度傳感器、位移傳感器、橋墩沉降傳感器、撓度傳感器等。同時(shí)，利用NB-IoT 技術(shù)或LoRa 智能傳感網(wǎng)絡(luò)方法，提高數(shù)據(jù)無線傳播能力，將相關(guān)情況實(shí)時(shí)傳輸至總部數(shù)據(jù)中心備份，實(shí)現(xiàn)信息動(dòng)態(tài)監(jiān)控。

⑵數(shù)據(jù)信息處理

在信息處理方面，利用計(jì)算機(jī)視覺檢測(cè)技術(shù)實(shí)時(shí)識(shí)別病害情況，利用CNN 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將整條線路上的病害進(jìn)行識(shí)別并分類，來解決好計(jì)算機(jī)主動(dòng)發(fā)現(xiàn)病害的難題。分類完成后，利用圖像分割技術(shù)，如：FCN、UNet、Vet 網(wǎng)絡(luò)將病害進(jìn)行具體的細(xì)化，如裂縫長(zhǎng)度和寬度，蜂窩麻面的面積大小，伸縮縫堵塞面積等，來解決好計(jì)算機(jī)主動(dòng)對(duì)病害發(fā)展情況判定的難題。最終，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)將所有圖像、視頻數(shù)據(jù)上傳至總部云端進(jìn)行備份，以供工作人員參考。

⑶輸出病害實(shí)時(shí)檢測(cè)表

通過無人機(jī)和實(shí)地檢測(cè)情況以及傳感器實(shí)時(shí)傳輸結(jié)果情況將結(jié)果輸出為病害實(shí)時(shí)檢測(cè)表。記錄好病害發(fā)生位置、檢測(cè)時(shí)間點(diǎn)、氣溫情況，具體構(gòu)件部位，相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力變化情況，位移情況，病害類型，病害發(fā)展方向，計(jì)算機(jī)主動(dòng)判斷系統(tǒng)預(yù)警情況。通過大數(shù)據(jù)技術(shù)，將橋梁以動(dòng)態(tài)發(fā)展的情況，及時(shí)掌握病害發(fā)生位置，來預(yù)判病害發(fā)生的可能性，實(shí)現(xiàn)更廣泛、高效地為金義東軌道交通保駕護(hù)航。

3.3.2實(shí)地開展

⑴人工檢測(cè)，全面排查

由于金義東軌道交通剛投入使用，橋梁運(yùn)營(yíng)情況佳，建議前三年通過人工檢測(cè)的方式，摸排一輪整條線路的實(shí)際情況，建立一套初始的數(shù)據(jù)情況，根據(jù)地理位置情況，環(huán)境狀況，分類判別區(qū)域適用的檢測(cè)方法，哪些區(qū)域可以用智能裝備檢測(cè)，哪些區(qū)域必須人工檢測(cè)。例如：高空橋梁段可以采用無人機(jī)巡檢的方式，對(duì)于狀況較差或者檢測(cè)不便利的路段，建議在合適的構(gòu)件和位置安裝傳感器和攝像頭。同時(shí)，如有病害發(fā)生，工作人員需第一時(shí)間詳細(xì)記錄位置和病害發(fā)生情況，并通過圖像記錄保存上傳至數(shù)據(jù)中心處理。

⑵建立動(dòng)態(tài)病害數(shù)據(jù)庫(kù)

由于大數(shù)據(jù)技術(shù)基于龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)才能得以發(fā)揮最大作用，建議在第三年開始，啟用利用該技術(shù)方法。利用無人機(jī)或公路檢測(cè)車實(shí)時(shí)將輕軌具體情況上傳至系統(tǒng)，利用GPS 技術(shù)對(duì)智能設(shè)備找到的病害進(jìn)行標(biāo)記，通過計(jì)算機(jī)視覺檢測(cè)技術(shù)對(duì)病害做好分門別類的工作，生成病害數(shù)據(jù)庫(kù)。同時(shí)，無人機(jī)等設(shè)備要定期巡檢拍攝病害發(fā)展情況。這些動(dòng)態(tài)變化的數(shù)據(jù)庫(kù)是大數(shù)據(jù)技術(shù)的寶藏，金義東軌道交通作為國(guó)內(nèi)市域軌道單條線路最長(zhǎng)項(xiàng)目，能提供的數(shù)據(jù)量可想而知。經(jīng)過長(zhǎng)年累月的觀測(cè)，動(dòng)態(tài)病害數(shù)據(jù)庫(kù)也將足夠龐大，極具價(jià)值。

⑶數(shù)據(jù)重新訓(xùn)練，提高識(shí)別準(zhǔn)確率

例如chatgpt、AlphaGo 等都是利用人工智能技術(shù)，讓計(jì)算機(jī)對(duì)龐大的數(shù)據(jù)進(jìn)行不間斷地訓(xùn)練才得以實(shí)現(xiàn)。而金義東軌道交通在運(yùn)營(yíng)之初數(shù)據(jù)庫(kù)病害信息較少，導(dǎo)致FCN、UNet 等網(wǎng)絡(luò)模型數(shù)據(jù)處理的病害識(shí)別準(zhǔn)確率低，很難發(fā)揮大數(shù)據(jù)技術(shù)的作用。因此，整套系統(tǒng)能夠順利完成的關(guān)鍵就在于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)和人工智能技術(shù)的識(shí)別率情況。需要在采集數(shù)據(jù)的同時(shí)訓(xùn)練模型，在不斷循環(huán)中達(dá)到良性發(fā)展的目的。最終，經(jīng)過金義東軌道交通實(shí)地訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)模型不僅能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)輸出病害實(shí)時(shí)檢測(cè)表，供工作人員判斷。

這“三步走”方法很好地解決了未來金義東輕軌橋梁檢測(cè)過程中可能會(huì)碰到的問題，并提出了一個(gè)效率高、可持續(xù)發(fā)展、動(dòng)態(tài)檢測(cè)的方法，也為其他地區(qū)橋梁智能化檢測(cè)提供極大的幫助。

4 結(jié)語

大數(shù)據(jù)時(shí)代下，橋梁檢測(cè)有了更多實(shí)用的方法，金義東軌道交通作為首條金華建設(shè)的輕軌線路，亟需出現(xiàn)科學(xué)、高效、可持續(xù)的橋梁健康檢測(cè)方法。本文介紹了國(guó)內(nèi)外橋梁檢測(cè)的現(xiàn)狀，分析了三種智能裝備檢測(cè)方法的適用情況和優(yōu)劣，綜合金義東輕軌建設(shè)情況，提出一種城市輕軌橋梁檢測(cè)策略的思路，為未來橋梁檢測(cè)方法創(chuàng)新提供了新思路。