大跨铁路桥梁信息化管养平台设计研究★

夏洪峰 刘兴旺 赵大成

(1.中国铁路武汉局集团武汉高铁工务段，湖北 武汉 430080；2.中铁桥隧技术有限公司，江苏 南京 210061； 3.中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北 武汉 430050)

1 概述

截至2020年，铁路十三五规划全国铁路营业里程达15万km，高速铁路里程达3万km，其中，大跨度铁路桥梁是铁路运输的关键节点，其运维安全是保障铁路运输流畅，国民经济稳定的关键因素，具有重要的战略意义。大跨度铁路桥梁信息化管养平台可以有效监测桥梁运营阶段各类荷载及结构响应的变化特征，准确把握桥梁结构状态的演化规律，是保障大跨度铁路桥梁运营安全的有效手段之一，已经成为继航空航天、国防、水利、建筑等领域的热点研究方向[1-3]。

与公路桥梁等其他基础设施不同，铁路桥梁是通过轮轨系统传力方式，因此，除了监测桥梁结构本身的结构响应以外，还需监测轨道几何状态和梁端伸缩装置等特殊构件；其次，为保证列车运营安全和舒适性，铁路桥多以刚度作为设计标准，具有荷载重、运营列车速度快、列车荷载明确、结构安全稳定性要求高、“天窗”点检修时间紧等特点，这对桥梁的信息化平台建设的内容、数据质量和系统的稳定性提出了更高的要求。既有《铁路桥梁检定规范》铁运函[2004]120号的评价体系主要是从荷载试验的角度进行评价，已较难适应现代大跨铁路桥梁“状态修”的管养发展要求。此外，传统的以人工为主的铁路桥梁检测虽然是较经济可行的方法，但对于大跨度桥梁而言，这类方法存在明显的不足之处：

1)人工检测主观性强，往往需要凭检测人员的经验来判断；

2)整体性差，一般只能作局部检查，设备不宜到达处的结构损伤不能被外观检查所发现；

3)实时性差，不能及时进行结构状态预警；

4)影响正常交通，并且缺乏科学历史数据积累[4-6]。因此，有必要针对大跨铁路桥梁的结构和运营特点，针对性设计大跨铁路桥梁信息化平台。

2 信息化管养需求及优势

大跨铁路桥梁设计使用年限长，结构复杂，并且随着运营时间的增加，部分材料老化导致结构性能退化以及地震、大风、车船撞等特殊事件均对结构的日常运营维护增加了难度。相对传统人工巡检及监测手段，信息化管养平台在大跨铁路桥梁运维管理中有着明显的优势，具体体现为：

1)平台信息化及智能化特点可以得到充分的发挥，主要体现在平台智能化实现桥梁自身的结构信息、全桥耐久性能信息、行驶车辆信息、检修信息的采集及分析。通过桥梁所受荷载及结构响应信息的采集、处理和展示，可以全方位掌握桥梁的安全性能、判断桥梁的整体运营状况，从而更好地指导桥梁管养并及时养护。

2)针对巡检人员难以或者无法达到的关键部位进行监测，保障人员安全的同时节约人力成本。

3)实现实时或准实时的损伤检测，及时发现桥梁的损伤与性能退化，对大型桥梁结构在使用过程中出现的损伤进行定性、定位和定量分析，实现防患于未然。

4)基于巡检信息、结构响应信息的深入分析及处理可以有效对大桥运营状态进行评价，给养护管理人员提供辅助决策依据，实施有效的养护、维修与加固工作，节约运维成本。

5)在突发性事件(如：地震、大风、车船撞)之后可对桥梁进行安全性能和工作状态评估，为下一步检修等工作提供技术支撑。

6)基于桥梁海量监测数据可以更加准确地把握桥梁在各种荷载下的真实受力、变形状态，有助于科研深入研究，反馈桥梁设计及施工，同时，对于同类工程的设计、建设、管理具有十分重要的参考意义。

3 信息化管养平台设计

大跨铁路桥梁信息化平台作为集结构监测、数据传输、数据存储、安全预警、状态评估、养护管理于一体的综合性信息化监测体系，是保障结构安全运营的重要手段。信息化平台通过前端测点自动采集获取代表荷载源及结构响应信息的实时监测数据，定量分析能够反映桥梁健康状态的特征指标，作为桥梁安全预警、状态评估的判定依据。同时，基于监测大数据分析结构状态，及时发现桥梁病害和损伤位置，为制定主动、预见性的养护措施提供重要依据，达到辅助桥梁养护决策、确保结构安全、减少桥梁管养成本的目的。大跨铁路桥梁信息化管养平台能够同时管理桥梁巡检养护信息、桥梁资料，并且结合电子化人工巡检功能，将桥梁日常巡检信息纳入信息化平台，使得桥梁预警评估更加科学。桥梁信息化平台一般由四大子功能模块，即结构自动监测子系统、数据存储管理子系统、预警评估子系统及用户界面子系统(如果有特殊监测要求，可增加相应子系统，如异物侵入监测系统、防船撞监测系统、电子化巡检系统等)，各个子系统设计要求如下：

1)自动化监测子系统结合大桥结构和运营特点，合理选择和布置监测内容及测点，通过特定的采集和传输策略，自动获取结构荷载源及动静力响应特征，使用数据处理和控制设备对监测及检测数据作进一步处理分析，为安全报警与状态评估子系统提供分析依据，并将信息有选择、有层次地存入数据存储与管理子系统中。

2)数据存储管理子系统主要管理系统运营后的所有动静态数据(包括前期大桥的设计资料、施工工期资料、实时监测数据、巡检数据、报警评估数据、桥梁基本信息、系统管理信息等)，并完成数据的归档、查询、存储。建立本桥信息化平台中心数据库及数据存储仓库，向其他子系统提供有效的信息源。

3)综合报警与安全评估子系统将传感器自动监测得到的各类数据，进行统一的数据识别、处理、分析，并对桥梁结构以及行车安全异常状态诊断、分级报警和安全评估，主要实现各类监测及检测数据对桥梁基准数据进行修正，建立系统运行时的基准数据库，用于桥梁工作状态分析和行车安全状态评定。提出明确的报警指标及分级预警体系，对实时监测结构状态参数信号进行诊断和分级报警，并对报警情况进行记录。

4)用户界面子系统主要是向大桥管理单位、科研单位、设计单位、养护单位、结构工程师等相关人员提供监测数据分析结果，提供桥梁管理人员友好的人机界面。

4 信息化平台设计案例

天兴洲长江大桥是国内自行设计建造的特大型公铁两用斜拉桥,大桥桥跨布置为：4孔40.7 m预应力混凝土简支箱梁+(54.2+2×80+54.2)m预应力混凝土连续箱梁+62孔40.7 m预应力混凝土简支箱梁+(98+196+504+196+98)m五跨一联钢桁梁斜拉桥+15孔40.7 m预应力混凝土简支箱梁，全长4 657.1 m。其主跨为双塔三桁三索面公铁两用钢桁梁斜拉桥，上弦为公路桥面，下弦为铁路桥面，桥长1 092 m，主塔为倒“Y”型混凝土结构，塔高188.5 m，钢桁梁主桁节间14 m，桁宽为30 m，桁高为14.5 m[7-9]，其实桥及断面如图1所示。

天兴洲长江大桥健康原监测系统于2013年实施，测点数量为163个，主要监测内容有：结构温度场、拉索索力、钢桁梁应力、主塔应力、支座位移、结构振动。系统于2020年进行升级，转为平台化管理，其中，一期项目新增测点21个，平台设计6大子系统功能，包括：结构自动检测子系统、异物入侵监测子系统、电子化巡检子系统、存储管理子系统、预警评估子系统及用户界面子系统，其架构如图2所示。

为进一步保障大桥结构安全，便于管养维护，天兴洲长江大桥信息化平台设计新增异物入侵监测子系统及电子化巡检子系统。其中，异物入侵监测子系统主要针对铁路桥梁异物侵限的监控，通过视频摄像机及图像识别技术实现，配合其他子系统可以有效对侵限事件进行预警和提示；电子化巡检子系统综合电子巡检、信息管理和评价决策等功能，实现巡检手册电子化，通过数据、图像、视频等定性及定量描述巡检信息，记录病害，生成报表。

基于天兴洲长江大桥信息化平台设计，其功能主要体现在以下几个方面：

1)从平台运营开始即可以建立桥梁结构状态信息数据库，结构响应特征指标库，基于海量监测数据深入挖掘结构的安全状态，实时进行结构安全预警评估，指导结构性养护。

2)实现巡检智能化，支持流程管理、计划任务管理、病害库管理，将养护手册电子化。基于平台人工电子化巡检养护系统，巡检与检查人员可以手持巡检终端，现场拍照、记录等数据录入操作，可将数据现场网络传送至数据库，管理人员在养护中心或通过远程网络查看巡检人员录入的数据。人工电子化巡检养护系统可有效解决平台监测盲点，安全检查更为全面。

3)实现对硬件系统远程控制，数据处理与分析管理系统结合智能仪器，可远程调整测试参数，避免传统仪器以及系统因为进行参数改变而必须进入桥梁现场的问题。另外对数据采集方式进行控制，可以根据不同需求及状况进行实时监控、定时间采集、特殊状况采集等自动测试方式，也可进行人工干预控制采集。

4)实现实时在线数据分析及处理，系统集成监测数据预处理模块，可高效实现数据清洗、数据压缩、数据分类等功能，为后续的软件自动分析、结构安全预警评估奠定可靠的数据基础。监测数据分析及处理采用统计学及机器学习原理进行结构参数识别(如：钢结构疲劳、结构模态等)、结构的安全评估(趋势分析、原始指纹、养护管理评定等)功能。

5)平台自动生成报表并对设备自诊断，可根据系统自动或者人工分析的结果，自由选择自动生成各类型报表，对识别的故障设备元件提示进行检查或维修，保证系统采集数据的完整性和有效性。

6)实现结构安全状况预报警，通过各类传感器以及人工巡检的实时监测数据，及时发现或预见结构的病害及损伤部位，对桥梁的安全状态做出预警与评估。并基于相关理论和规范预测结构性能的退化演变过程以及结构状态的发展趋势，为桥梁养护、维修、加固等工作的有效开展提供依据。

5 结语

为保障桥梁运维安全，响应国家信息化战略，丰富智慧交通，本文结合传统大跨铁路桥梁管养模式，融合现代互联网、信息化、云平台、大数据等相关技术，以进一步保障桥梁结构安全及更加科学化桥梁运维为目标介绍了桥梁信息化管养平台设计。给出了大跨铁路桥梁信息化管养平台的基本架构并对平台各个子系统进行了说明。平台设计从数据采集、数据传输、数据存储、信息挖掘、预警评估、管养维护等方面融入各个子系统当中，成功应用于天兴洲长江大桥。