市政桥梁智能移动巡检App应用研究

2020-05-24崔营营王淼徐文城

工程建设与设计 2020年8期

崔营营,王淼,徐文城

（中交公路规划设计院有限公司，北京100088）

1 引言

与传统的公路桥梁相比，市政桥梁有着桥梁形式众多、结构新颖独特、地域分布密集、交通流量大等特点。本文通过深入分析市政桥梁管养现状，结合桥梁监管部门业务需求，设计开发了市政桥梁智能移动巡检App 软件，并提出了基于地理围栏的桥梁巡查定位技术，设计采用R 树索引优化方法进行考勤模块的开发，大大提高了移动巡检App 软件的使用便利性，满足了市政桥梁管养精细化、实时性的要求。

2 市政桥梁管养现状

在桥梁运营过程中，由于长期遭受环境、荷载及材料老化等多重因素作用，结构安全使用性能不断退化，安全承载水平不断降低，极端灾害下的耦合作用可能导致桥梁结构整体或局部安全失效破坏。

目前，国内市政桥梁管养普遍存在着以下突出问题：

1）桥梁管理跨部门多，城市桥梁管理完全不同于公路行业，桥梁的投资建设部门、建成后的管理部门、桥上通行车辆的管理均属城市不同的管理机构，相互之间信息互通、数据共享难度大。

2）桥梁养护人员短缺，懂“桥”的专业管理人员更是极度稀缺，我国中等城市市政桥梁数量大约为几百座，大城市市政桥梁数量可达上千座，市政桥梁管养部门工作压力巨大。

3）桥梁养护自动化水平有待提高。目前，我国多数桥梁日常养护工作还停留在人工目视巡查，纸质记录等传统的方式，养护手段单一低效、养护效果无法有效监管。

4）重大事故频发，应急监管能力低。由于市政桥梁每日承担巨大的交通压力，近年来发生船撞卡桥、重车过桥乃至桥梁垮塌等重大事故时有发生，作为桥梁管养部门因缺乏必要的监测手段和数据支撑，往往对事件的处置不够及时有效，影响了交通安全[1]。

3 总体架构及功能设计

为解决以上突出矛盾，本文设计开发基于安卓系统的市政桥梁智能移动巡检App 软件，实现了市政桥梁电子化、精细化管养的目标。

3.1 总体架构

智能巡检App 包含运行在手机或平板端的App 程序和运行在监控中心的Web 端平台2 部分，手机端App 主要实现便携式巡查定位、养护维修、病害录入等功能，Web 端平台主要实现巡查任务制定及下发、巡查信息存储管理等功能。手机端和Web 平台端通过4G 网络进行数据通信与传输。其总体架构如图1 所示。

图1 智能巡检App 总体架构

3.2 功能设计

手机端智能移动巡检App 主要实现以下功能。

3.2.1 GIS 桥梁定位

本模块采用GIS 矢量地图图层，设计将跨江特大桥、区域中小桥和高架桥进行分类分图层显示，同时支持模糊定位，便于快速查找目标桥梁。

3.2.2 巡查病害录入

对于跨江特大桥，按照桥梁结构规范进行精细化构件拆分，形成桥梁构件结构目录树。用户巡查过程中定位构件可输入病害类型、病害描述、标度及附件照片等信息。

对于中小桥梁，系统内置日常检查项表单，用户可通过语音、手写或输入法等多种方式进行日常检查数据的录入并保存。

对于高架桥梁，主要实现桥梁巡查轨迹的记录、回放及上传功能，并可查看巡查轨迹范围内的检查记录信息。

3.2.3 维修养护管理

本模块可对桥梁巡查时发现的病害进行维修养护，通过Web 端制定维修养护任务，并指派给相应的养护人员，养护人员接到维养任务后上桥完成维修养护后记录维修工作量并拍照保存维修前后现场照片，同时可将维修记录一键发送Web 端平台。

3.2.4 智能考勤管理

为规范巡查人员日常养护工作，防止作弊情况的发生，设计基于地理围栏技术的考勤打卡模块。系统为每座桥梁设置多边形坐标作为地理围栏，当巡查人员启动巡检任务时，系统自动判断用户是否在地理围栏范围内，如果不在范围内则无法录入病害信息，以此规范养护人员巡查行为，保证巡查数据准确性。

4 关键技术研究

4.1 地理围栏技术简介

地理围栏（Geo-fencing）是一种新型的LBS 应用技术，其原理是用多个地理坐标围出一个虚拟地理多边形（见图2），当系统判断用户进入、离开某个特定地理区域，或在该区域内活动时，触发相应的服务，如消息推送、互联网广告等[2]。

本文设计采用地理围栏技术实现巡检人员的考勤管理功能，系统预先为每座市政桥梁内置地理坐标边界，当巡检人员达到桥梁地理围栏范围内，才可进行考勤打卡、病害记录等相关操作。

图2 地理围栏示意图

4.2 R树索引优化算法

判断当前点是否落入某多边形范围内是地理围栏的关键，一般通过射线法进行判断，其判断方法为：从当前点出发沿X轴方向画一条射线，依次判断该射线与多边形各边的交点，如果交点个数为奇数，则当前点在多边形内部（如图3 中有3 个交点），如果交点数为偶数，则在外部，射线法能够适用于凸多边形和非凸多边形，复杂度为O（n）（n为多边形边数）。

当地理围栏数量较少时，可逐个遍历各多边形，再用射线法进行判断[3]。在实际应用中，由于市政桥梁多达几百座，且分布较为密集，也就相当于有几百个多边形需要同时执行射线法计算，造成计算时间的延迟，针对以上问题，在智能巡查定位模块开发过程中提出了R 树索引加速判断法，解决了地理围栏判断的时间延迟问题。

图3 射线法判断点在多边形内部示意

R 树索引主要原理为：（1）通过粗筛法快速找到符合条件的少量多边形；（2）对粗筛后的多边形使用射线法判断，使射线法的执行次数大大降低，进而提高搜索效率。

本文通过对多边形区域建立R 树索引，通过R 树遍历快速判断当前点是否在多边形内，实现考勤定位。

1）对地理围栏区域A 建立最小外包矩形，如图4 所示。

图4 多边形最小外包矩形

2）外包矩形建立R 树索引，示意图如图5 所示。

图5 R树索引示意

3）执行R 树查询操作。（1）采用R 树索引方法判断当前用户（红点处）是否在外包矩形内，如图6 所示，红色点代表用户所在位置［注：采用R 树查询复杂度为Oz（Log（N）），N为多边形个数］；（2）若当前点不在任何外包矩形内，则返回当前点状态为多边形外；（3）若当前点在外包矩形内，则采用射线法进一步判断该点是否在此外包矩形的某个多边形内部，如此递归判断，最终判断出当前点是否落入地理围栏所在多边形内。