桥梁智慧管理系统的探索与实践

王亚飞，钟继卫，李 成，姚文凡

(1.桥梁结构健康与安全国家重点实验室，湖北 武汉 430034;2.中铁大桥科学院研究院有限公司，湖北 武汉 430034)

随着我国经济的高速发展，货物运量呈爆发式增长，部分桥梁长时间处于超负荷服役，桥梁处于风险相对高发期。桥梁是道路的咽喉，是道路网中最脆弱、最昂贵的部分，桥梁管养质量的高低，直接影响到道路的安全和通行能力，如何管理好桥梁，保证桥梁安全运营，是桥梁管理单位的重要责任和挑战。

桥梁管理工作主要包括桥梁设施移交管理、桥梁检测维修养护、桥面环境卫生、桥梁安全保护区及桥下空间、桥梁荷载、净空管理、超限车过桥管理等方面。其中，桥梁检测维修养护工作是桥梁管理的核心，具体包括巡查、监测评估、保养小修、中修大修、加固改扩建、建立桥梁档案和桥梁安全防护等内容。但由于桥梁结构较为复杂，对管理养护人员的技术水平要求较高，限于自身的技术装备水平和长期的习惯，形成了“养路不养桥，重建不重养”的思维，导致部分桥梁长期处于“失养”状态。面对众多的桥梁，推进桥梁管养工作的信息化、智慧化显得尤为迫切。

城市桥梁集群管养工作的不足主要表现在以下5个方面。

(1)桥梁档案资料不全，甚至有的资料缺失。档案记录着养护工作的设计方案、工作进程、质量情况等重要的数据信息。由于桥梁档案的专业性较强，包含图纸、检测报告、巡查报告、养护维修等方面的专业信息，传统的档案管理手段逐渐不能满足管理的需求。目前，存在档案整合度不够，信息难以有效采集、提取和利用，信息更新不及时，档案登记记录存在不完整的情况，信息残缺或不全的情况时有发生，甚至出现了混乱。可见在一个平台保存一份维护良好的桥梁档案信息，对有效管理桥梁资产、追踪桥梁性能变化、科学管养决策具有重要的作用。

(2)桥梁管养单位专业能力不足。桥梁是一种专业性、技术性较复杂的建筑物，由于历史原因，有的管养单位缺乏专门的技术人员和技术工人，既有桥梁管养人员对桥梁养护管理方面的知识和专业技能比较欠缺。为此，有必要加强对各级公路管理部门技术干部、技术工人的培训工作。通过技术培训提高他们对桥梁养护管理的认识水平，使其掌握桥梁检查、检测维修及加固的基本方法。此外，通过将管和养分离，将桥梁养护发包给有资质有经验的专业单位，充分利用行业技术优势，提高桥梁管理水平。这意味着要对承揽单位进行有效的监管，对其完成的巡检养护工作的计划、过程和最终质量进行全流程监管。城市桥梁众多且相对分散，需采用智慧化的监管平台对承揽单位进行监管，以确保承揽单位按时、保质保量高效经济地完成任务。

(3)桥梁的技术状态更新时效性差。桥梁巡检制度是基于桥梁的重要性来制定检查周期的，桥梁的巡检工作也主要由目视完成。目视检查对于一些显著的、外在的病害比较容易发现，但是对于桥梁的内在损伤很难及时发现和定量评估。这项工作需要依赖检查周期更长的定期检查来完成。因此，桥梁的最新技术状态，特别是病害较为突出的老旧桥梁，其技术状态的演变情况无法及时掌握，有些重大事故就是在定检周期内发展和恶化的。对病害严重或较为重要的桥梁设计实用、经济的自动安全检测系统可以及时掌握桥梁技术状态，针对病害的演变和恶化提前预警，有效降低由于检测周期较长无法及时发现技术状态急剧恶化造成的桥梁失效风险。

(4)桥梁视频监控系统智慧化水平低。不少桥梁现场有公安、交管及桥梁管养单位等布设的摄像头。但这些摄像头智慧化水平普遍较低，一般只有发生重大特殊事件时，才会人工查阅录像，信息的利用率不高。利用最新的技术，基于智能视频可以及时发现异物侵入、火灾、脱落等威胁桥梁安全的风险，还可以实现按照固定周期和路线巡检，替代部分人工巡检工作，提高工作效率。

(5)桥梁管理工作信息化水平不高。传统的桥梁管理系统主要是管养资料填报系统，该系统缺乏对桥梁状态的感知能力和决策能力。而桥梁健康监测系统大多是针对特定超大型桥梁，重点监测大桥的运营环境和结构损伤。但是针对城市桥梁中占比最多、交通承载量最大的中小跨度桥梁，如何进行有效的安全监测和智慧化的管养还缺乏系统的研究。

1 桥梁智慧管理体系研究

1.1 研究背景

随着我国城市化进程明显加快，城市人口、功能和规模不断扩大，发展方式、产业结构和区域布局发生了深刻变化，城市运行系统日益复杂，安全风险不断增加[1]。城市道路、桥梁、隧道等基础设施是城市的生命线，一旦处于风险状态，将对社会生产生活产生极其不利的影响。2018年1月，中央印发的《关于推进城市安全发展的意见》指出，要强化城市安全保障能力，加强城市安全监管信息化建设，加快实现城市安全管理的系统化、智能化。深入推进城市生命线工程建设，积极研发和推广应用先进的风险防控、灾害防治、预测预警、监测监控、个体防护、应急处置、工程抗震等安全技术和产品。

武汉享有百湖之市、九省通衢之称，全市城市桥梁、隧道数量达到了700余座，且规模还在快速扩展中。为确保城市桥梁、隧道的安全运行，武汉制定了地方桥隧管理条例，要求建立城市桥梁、隧道安全信息监控管理系统，实现对城市桥隧的安全监测预警。

在此背景下，武汉市研究实施了城市级桥梁智慧管理系统[2-3]。将全市所有桥梁纳入统一平台管理，对桥梁的检测维修养护全流程管理，对重点桥梁的安全状态自动监测。城市级桥梁智慧管理系统于2017年建设，2018年进入试运行，取得了良好的运行效果。

1.2 桥梁智慧管理系统的建设目标

桥梁智慧管理系统建设的目标是增强桥梁的安全性、提高工作效率、提升公众满意度和增加经济效益[4]。以此作为城市桥梁智慧管理系统各模块设计和实施的指导思想，构建智慧感知、智能联动、信息融合、数据驱动的智慧化桥梁管理系统平台。

(1)保证桥梁安全运营是管理者的首要职责。桥梁智慧管理系统的核心是通过各类传感器、现场视频、巡查终端等数据采集技术，记录桥梁运行环境、掌控桥梁通行荷载、感知桥梁结构响应、巡查桥下空间堆土与火灾风险源、发现和处置桥梁病害。通过尽早发现影响桥梁的安全隐患，预警桥梁的性能退化，提高管理者对桥梁安全状态的管控能力，便于其采取相应的维修加固、限行限载等临时或永久性措施，修复桥梁达到安全状态，提高桥梁运营安全水平。

(2)提高工作效率是智慧管理系统的建设目标。通过分解桥梁管理流程，采用数据驱动的闭环管理，提高信息传递速度，有效提升桥梁日常维护中从病害的发现到病害的养护销案的效率。集中管控桥梁档案信息，在生产中实时归集档案，解决桥梁档案查询困难、使用不便、甚至需要在多个档案馆间辗转、效率低下的问题。此外，在智慧管理系统中增设办公OA模块，从相关业务的信息发布、自动办公、信息统计、报表定制等多个方面提高工作效率。

(3)提升公众满意度是智慧桥梁管理系统的建设宗旨。城市桥梁是城市交通的咽喉，是曝光度最高的城市基础设施之一，除了利用自动化监测系统实时监测并向公众进行实时信息发布外，还开辟了公众"随手拍"功能模块，人民群众可通过手机拍摄桥梁桥面、护栏、屏障、照明、伸缩缝等设施的照片上传至系统，同时可实时监督所上传病害的处理过程，此外系统会及时向公众发布桥梁上起火、结冰、坠物等异常事件，将群众参与桥梁管养与监督功能纳入到系统中，提升市民的满意度。

(4)增加经济效益是检验智慧管理系统的落脚点。桥梁是投资巨大的基础性工程，智慧管理系统通过趋势判断提前预警，进行预防性养护，提前发现处置小病害，避免小毛病发展成大问题，从而避免昂贵的维修加固施工，是体现系统经济效益的重点。利用全流程信息化管控，优化维护方案，降低维护成本。利用桥梁状态精准评估，精准设置桥梁限载，有效撤除限高架提升桥梁利用效率，也是提升整体社会经济效益的有效方法。

1.3 桥梁智慧管理的内涵

为保障桥梁完好和安全运行，桥梁需要完善的管理工作包括桥梁资产管理、桥梁档案管理、桥梁运营安全管理及桥梁检、养、修管理等方面。桥梁是城市运营的重要基础性资产，除桥梁主体工程，依附于桥梁上对城市运行有重要影响的资产还包括过桥电缆、水管、燃气暖气管、交通安全标志、限高架等，这些资产的形成、更新与灭失需要进行全面的管理，才能有效实现投资目标，提高资产管理水平。桥梁的安全运行，需要定期对桥梁进行检查和状态评定，对桥梁的安全区、桥下空间进行管控，对超载车辆的通行进行管理。桥梁持续安全运行离不开对桥梁的持续更新，包括日常的小修保养维护、大中修及改扩建工程等管理。

针对桥梁管理的需求，国内外研发了多种桥梁管理系统(bridge manage system)[5]，这些传统桥梁管理系统以信息的记录和管理为主，不具备自我感知和判断反应的能力。目前物联网、云计算、大数据等新一代信息技术正蓬勃发展，已成为智慧城市建设的主要驱动力量，将上述技术融入到桥梁的管理和安全监测中，对提升桥梁管理工作的精度、深度和服务品质至关重要。

智慧桥梁是智慧城市的重要组成部分，推进智慧桥梁建设是创新桥梁管理模式、提升城市功能品质的重要途径。智慧桥梁管理的概念虽已广泛传播，但人们对桥梁智慧管理的内涵尚未形成统一的认识[6-8]。为探讨智慧管理系统的核心内涵，可借鉴智慧生物的基本特征进行研究。观察人类自身，感官和神经系统用于感知生物体内部状态和外部环境；大脑用于处理、记忆神经网络传递的各类信息；肌体用于做出相应动作响应刺激或执行计划；语言用来进行知识的管理和不同个体间的信息交换媒介。观察这些基本特征，可将其总结为感知能力、判断能力、反应能力和学习能力。根据桥梁的结构特点、运营规律和服务水准的管理目标，给出桥梁智慧管理的相关内涵，如表1所示。

表1 桥梁智慧管理的内涵

2 武汉城市桥梁智慧管理系统探索

武汉湖泊密布、长江汉江在城中交汇，水域面积占全市面积的四分之一，因此建设了大量的桥梁。武汉城市桥梁面积超800万m2，跨长江桥梁达到11座。武汉城市桥梁建设规模发展如图1所示，可以看出武汉城市桥梁的快速扩张是从2010年左右出现的，全市80%的桥梁是在近20年内建设的。

图1 武汉城市桥梁建设规模发展图

武汉城市桥梁的管理单位共25家，不同的桥梁管理单位的技术装备和人员专业素养各不相同。桥梁数量多、增速快、责任单位分散、桥梁结构日趋复杂等诸多因素，对桥梁管理人员的知识水平和专业素养提出了更高要求，对保证桥梁高服务水平提出了挑战，也更加迫切需要新的管理方法和管理工具的出现。

2.1 武汉城市桥梁智慧管理系统功能构成

武汉市城市桥梁智慧管理系统包括3个层次的服务目标：①所有城市桥梁接入同一管理平台，有利于行业监管；②建设单位自管桥梁的巡查、维修、验收全程监管；③重点桥梁重点部位的安全自动监测。根据智慧桥梁建设目标和服务对象，武汉城市智慧桥梁管理系统由“1云”“1终端”“1集群”“1平台”构成，系统总体架构如图2所示。

图2 武汉城市桥梁智慧管理系统架构

(1)“1云”是指桥梁安全云。传统的桥梁健康监测系统通常采用有线传输、现场布置机房及处理程序等手段，用以实现数据的采集、传输和处理，这种方式效率低且受条件限制较多，用户使用体验一般[9]。随着各种传感和通讯技术的发展，健康监测系统逐渐向无线化、轻量化、云端化、智能化发展[10]。武汉城市桥梁智慧管理系统采集端采用分布式嵌入系统，可实现测点最优布置，前端采用智能“云盒子”进行采集，能实现大容量存储、前端数据分析、多种采集模式(触发、连续、定时)、二维码信息化配置等多种功能，性能稳定且成本较低。传输端采用有线、无线、Lora、AP热点等多种传输方式相结合，能够适应各种现场条件。存储处理端采用云平台服务，整合了计算、网络和存储等技术。这种采集传输架构具备以下3个优点：可靠性高，硬件冗余度高，故障率低；安全性高，具有较高的防攻击能力，可以实现快速备份，出现故障自动迁移，数据永不丢失；灵活性高，通过设置可在任意位置和网络环境进行访问，并且用户可以随时增加云服务器的配置，扩展空间。

(2)“1终端”是指基于移动互联网的桥梁巡检智能终端。传统的桥梁巡检一般是通过“手工记录→数据录入→导入系统”等一系列繁琐步骤来完成，存在信息流转缓慢、管理可溯性较差等管理难点。为此，智慧管理系统中嵌入了智能巡检终端APP，巡检人员可以通过终端APP对桥梁上发现的病害进行拍照、病害分类、上传等，直接利用移动终端进行数字化信息采集。病害信息通过移动终端网络上传至桥梁智慧管理系统进行集中管理，并被分发到相应的科室进行统一处理。从病害的发现、病害初步评估到维修计划的制定、维修成果的对比验收，系统可以全流程覆盖、全流程追踪，确保发现病害无遗漏，都得到完善处置。另外，巡检人员通过智能语音交互系统，使用简短的语音指令来完成日常工作，从而提高现场检测人员的工作效率。

(3)“1集群”是指市域级桥梁安全监测集群。在桥梁智慧管理系统中，安装在桥梁上的传感器和采集系统实现了对桥梁运营状况的实时监测，主要监测内容包括桥梁车辆荷载、桥址环境条件(温度、湿度、风速、日照状况等)、桥梁结构响应(应变、变形、位移、振动、倾角、温度、裂缝宽度变化等)。通过采集传输可以实现实时数据查看，当监测数据超过阈值时，系统会自动发出预警信息，通过短信、邮件、微信推送等方式通知桥梁管理人员，触发对桥梁安全状态的专题检查流程，确保桥梁的安全运营。此外，还可以通过对监测数据的分析运算，形成专项评估方案，包括对环境参数、重载识别、车辆监测、裂缝发展、桥墩倾斜、匝道抗倾覆性能、伸缩缝性能等多个专题，全方位地对桥梁的运营状况进行评估。

车辆荷载是桥梁承受的主要外部荷载，超重车也是危害城市桥梁结构的重要杀手，因此对超重车辆的管控也是桥梁管理工作中的重难点。桥梁动态称重(BWIM)系统是一种有效的监管方法，以桥梁为载体，基于车辆过桥时的实测应变来实时监控车辆的轴重、轴距和速度等信息。利用车辆称重系统、车辆荷载识别系统对上桥车辆荷载进行识别、记录、统计分析；分析车辆荷载轴重及总重有无超限，计算超重率；分析车辆荷载的概率分布形式，计算桥面车辆荷载超越设计荷载的概率，并分析超载车辆对桥梁结构安全的影响，当超载率超越安全限值时，将触发预警机制，对桥梁进行交通管控，安装限载设施。同时，在监测断面布置高清摄像头，事先设置监测断面方向的预置位，通过BWIM系统的车载识别功能，出现超载车辆时自动触发摄像头转向监测断面，拍摄记录并上报现场情况，最终形成事件保存录像，方便事后追溯。

(4)“1平台”是指城市桥梁管理统一平台。所有城市桥梁纳入统一管理平台，进行行业监管。桥梁的档案信息、消防照明等资产录入平台。针对桥梁的检测维修养护工作，通过智能终端，将大量的巡检数据采集到智慧桥梁管理系统。根据病害桥梁、病害构件、病害种类等信息，建立多维度信息集成的病害数据库，能快速实现病害的分类管理，关联有效处理措施及维修养护过程，形成规范的管养步骤和流程。建立标准化的病害库，采用图像识别技术、深度学习技术，通过大量典型病害照的训练建立病害分类和处置人工智能数据模型，实现桥梁病害的智能识别。基于此技术，现场巡查人员可以利用移动终端对新病害进行拍照，并上传相关信息到数据库，系统根据上传的照片及相关信息对病害类型、位置、数量、程度进行判断、统计，形成病害记录，并给出处置建议。

桥梁智慧管理系统实现了集群桥梁安全监测与桥梁人工巡查的双向互动。当安全监测系统监测到异常时，会自动下发巡查任务，自动关联巡查目标地理信息，巡查重点关注对象。日常巡查中发现的病害也可以绑定安全监测数据，方便查看病害发展与数据变化之间的关联关系。该系统实现了与市民互动，与智慧市政、110等系统联动，处理相关病害或投诉，方便市民参与病害的发现及对维护工作的监督。

2.2 系统运行情况

武汉城市桥梁智慧管理系统监控中心如图3所示，目前系统已运行近一年的时间，已经建立和完善了700余座桥梁的档案资料，通过系统上报和处置病害14 000多项，摒弃了纸笔记录纸质文档流转，大幅提高了工作效率。

图3 桥梁智慧管理系统监控中心

以风险为导向的桥梁安全监测系统，通过深入挖掘海量监测数据，提出了多种应用场景的成套解决方案，主要包括：①装配式梁桥横向连接刚度识别方案；②曲线梁桥滑移与倾覆监测方案；③基于动应变的重载识别方案；④伸缩缝状态监测预警方案；⑤桥墩倾斜监测方案；⑥裂缝监测方案；⑦智能视频应用解决方案；⑧动态称重及抓拍应用场景。系统运行期内已成功对多座桥梁伸缩缝状态、桥下堆土导致的桥墩倾斜进行预警，对桥梁安全保驾护航。此外，系统获得的车辆动态称重数据与交管部门进行了资源共享，便于其执法参考。对获得的市域级的各类型桥梁温度场数据进行了分析提炼，获得了武汉地区温度场分布规律。这表明该系统不仅有较高的实用价值，还有很高的科研价值。

2.3 实践经验

桥梁智慧管理系统是多学科交叉的信息化平台，需要桥梁工程、计算机工程、机电系统工程、通信工程等多专业技术人员相互协作[11-15]。笔者参与该项目设计、实施等全过程，项目建设过程积累的主要经验有：

(1)对项目可行性深入调研。项目实施之前应以桥梁工程专业人员为主导，对项目展开深入调研，了解桥梁管养部门的实际需求、行业痛点和难点问题，在项目实施过程中利用信息化、智能化手段进行解决。

(2)安全监测测点布设应以实际要解决的问题应用为导向。传统的桥梁健康监测系统测点布设基本上是设计人员根据经验进行布设，布置了大量的传感器设备，后期数据分析无从下手。在进行测点布设之前，需经过多次讨论论证，论证过程应包括桥梁存在哪些安全隐患、采用哪种监测手段、测点如何布设、数据如何分析、如何通过数据分析来对安全隐患进行预警和说明等。

(3)软件平台、硬件平台应做好顶层规划。在深入调研的基础上，桥梁工程专业人员对系统软件平台进行详细设计，由计算机工程专业人员实现，并反复修改。硬件平台架构设计以机电工程和通信工程人员为主，架构尽量轻量化设计，采用无线AP、Lora、5G、无线网关、有线等多种传输方式进行组网。

(4)监测设备选型应以监测目的为依据。选择技术可行、技术成熟、精度、量程等均满足监测要求的传感器设备，避免出现由于传感器选择失误导致数据分析困难。同时传感器设备安装前，要对施工人员进行培训和技术交底，保证传感器安装工艺、质量满足监测要求。

(5)对系统使用人员进行全方位培训。由于桥梁管养部门人员水平参差不齐，桥梁智慧管理系统又属于多学科交叉的信息化平台，为避免系统“建而不用”，在系统试运行后应多次对系统使用人员进行全方位培训，使系统用户愿意并喜欢用，极大地提高其工作效率。

3 结论

随着在建桥梁数量不断增多，在役桥梁的服役时间越来越长，桥梁管养的压力也越来越大。桥梁智慧管理系统的研发和应用可以提高桥梁管养的效率，增加管理工作的精细度和覆盖面，极大地释放了桥梁管理工作的人力物力资源占用，以统一化、标准化、流程化的方式规范了桥梁管理工作，促进了桥梁管理机构的改革和发展。

利用现代传感、信息化、可视化等技术，桥梁智慧管理系统能够自动感知桥梁响应，全面助力桥梁管理信息化，在部分领域实现基于人工智能的辅助管理。但桥梁智慧管理系统的智慧化程度仍处于初级阶段，亟待向智能化程度更高的方向演化。未来需结合规范和标准，梳理并构建桥梁结构性能评价的基本指标体系，辅助和优化桥梁的管理策略和养护顺序，实现基于“数据决策”的智慧桥梁管理体系，为今后类似工程的设计、施工、运营和养护提供技术依据，推动桥梁工程事业的发展和进步。