交通基础设施群智能监测与预警系统建设方案研究

乔 盘

（1河北省交通规划设计院试验检测中心，河北 石家庄 050091；2河北省道路工程智能监测与运维技术创新中心；3 河北瑞志交通技术咨询有限公司）

1 引言

目前，国内已有200 多座单体桥梁、隧道安装了安全监测系统，实现了实时远程监测、在线评估预警的功能[1，2]。近年来，国内出现了基础设施群安全监测方面的研究与探索，其中武汉市在三环选取42 座重点桥梁开展了桥梁群监测系统的设计与实施[3]，大连理工大学在湖北宜昌选取5座重点桥梁、1座隧道和6处边坡，进行了监测系统建设方案研究与设计，这是国内对基础设施集群智能监测首次探索[4]。

2018 年2 月，交通运输部发布“关于加快推进新一代国家交通控制网和智慧公路试点的通知”，提出选取桥梁、隧道、边坡等，建设基础设施智能监测传感网，实现交通基础设施安全状态综合感知、分析及预警功能。2018年5月，河北省交通运输厅要求全面推进延崇（延庆-崇礼）智慧高速公路试点建设，推广特殊构筑物等基础设施的集群智能监测技术，增强全面感知、分析、预警能力，建设全寿命周期的建管养运安平台[5，6]。

从国内外发展趋势看，公路基础设施监测正经历由单体监测向集群监测、由单一结构类型监测向不同结构类型集群监测的方向发展。但基础设施群智能监测与预警系统建设在目前的实际应用实践中，尚存在一些比较普遍的问题，包括缺少完整的集群监测的建设理念，缺乏集群监测的总体框架、监测对象的筛选原则、功能场景的要求。

2 集群监测的建设理念

在充分调研分析已有研究成果[7-12]的基础上，以智慧高速公路试点建设要求为遵旨，结合高速公路基础设施群的具体特点，总结提出集群监测的建设理念：

①在标准化层面上，基础设施群监测系统采用统一标准进行设计、施工和运维，避免了单体结构单独建设导致难以集中统筹管理和有效扩展的问题。

②在硬件层面上，通过在基础设施群的关键部位布设智能传感硬件，将实时采集的表征结构安全状态的关键指标信息汇总于集群监测系统平台，实现重点桥梁、特长隧道等基础设施群全寿命周期运行状态的远程综合感知；共用监控中心硬件设备，降低建设成本。

③在软件层面上，搭建标准统一、稳定开放的集群监测系统，实现了基于BIM 的基础设施群的集中展示和新增监测项目的便捷添加。

④在数据层面上，接入施工期数据，具有完整的全寿命监测数据；与机电大数据平台共享计重、环境气象等多源数据，建立全寿命多维的基础设施群安全监测数据库。

⑤在智能层面上，实现重载车辆的主动安全预警，将分级预警结果和应急预案同步推送至养护管理人员，确保预警事件从发生到处理的快速、高效。

3 集群监测的总体框架

遵循基础设施集群的建设理念，集群监测的总体目标为：以高速公路沿线重点桥梁、特长隧道等基础设施群为对象，综合应用最新智能感知监测技术，构建基础设施群多种类智能监测传感网，结合BIM、GIS、大数据分析技术，开发与集成高速公路基础设施群综合运行智能监测与预警系统，实现高速公路基础设施群安全状态的智能感知、分析及预警功能，为高速公路服役期安全提供保障。

集群监测的总体框架如图1所示。

基础设施监测系统根据其规模和复杂程度可分为如下三类：

①全面监测：适用于同时具有多个监测目标的特大桥、大桥中特殊结构类型主桥。

②重点监测：适用于特大桥、大桥中常规跨径钢结构桥梁、混凝土结构桥梁。

③常规监测：适用于考虑经济性和相似性原则的其他相同结构类型桥梁。

图1 总体架构示意图

4 集群监测对象筛选的原则

对于一条（段）高速公路，各个基础设施结构形式、跨径组合、规模不一，但同一类型结构在受力特性上具有一致性和相似性。考虑资金投入和经济性，选取典型桥梁、重特大桥梁以及典型隧道、特长隧道进行监测，适当兼顾部分典型中小桥梁，以点带线，实现对交通基础设施群的智能安全监测。

4.1 桥梁监测原则

①针对特大桥、大桥中特殊结构类型主桥进行全面监测；监测指标按照文献5 执行，预留混凝土裂缝开合度监测的采集设备接口，并接入机电系统称重、视频等数据。

②针对特大桥、大桥中常规跨径钢结构桥梁、混凝土结构桥梁，考虑结构典型性、对称性以及经济性原则，每种结构类型选取不少于1 座代表性桥梁（从跨径具有代表性、施工重点关注、未来交通量较大等几个方面综合考虑）进行重点监测，每座桥梁监测孔跨不少于两孔（包括边跨和中跨），监测指标包括车辆荷载、温湿度、结构温度等荷载作用，结构挠度、振动、位移等结构整体响应，以及结构应力应变等结构局部响应，预留混凝土裂缝开合度监测的采集设备接口，并接入机电系统称重、视频等数据。

③针对特大桥、大桥中相同结构类型桥梁跨径组合、规模不一，但同一类型结构在受力特性上具有一致性和相似性。考虑经济性原则，其他相同结构类型选取不少于一孔（选取最不利孔跨）进行常规监测，监测指标包括车辆荷载、结构温度等荷载作用，结构振动、结构应力应变等结构响应，可接入机电系统称重、视频等数据。

4.2 隧道监测原则

①对于特长隧道，应针对Ⅴ级围岩、不良地质（断裂带、富水带）、较大塌方等关键区段进行全面监测，平均每公里不少于一个监测断面；出现连续塌方区段应增加监测断面；出现大塌方区段应加密拱顶应变测点，测点间距不大于5m。监测指标包括围岩压力、孔隙水压力等荷载作用，以及二次衬砌应力应变、结构收敛变形、结构温度等，并接入机电系统温湿度、空气质量、亮度等数据。

②对于中短隧道，应针对Ⅴ级围岩、不良地质（断裂带、富水带）、较大塌方等关键区段进行重点监测，平均每300m不少于一个监测断面；出现连续塌方区段应增加监测断面；出现大塌方区段应加密拱顶应变测点，测点间距不大于5m。监测指标包括二次衬砌应力应变、结构收敛变形、结构温度等，可接入机电系统温湿度、空气质量、亮度等数据。

此外，桥梁隧道监测尚应遵循设施复用原则。结合机电工程监测设施，充分考虑数据格式和接口标准的统一，共享机电工程出口称重、视频抓拍、环境气象等数据；监测设施接入机电工程供电、通信等设施，尽量共用监测设施，避免重复建设。

5 应用场景

场景一：基础设施群运行状态综合感知。

通过在延崇高速重点桥梁、特长隧道等基础设施群的关键部位布设智能传感硬件，采用专用的采集传输设备，将实时采集的表征结构安全状态的关键指标信息汇总于集群综合运行监测系统平台，实现延崇高速重点桥梁、特长隧道等基础设施群全寿命周期运行状态的远程综合感知。

场景二：基于BIM+GIS监测数据展示。

通过BIM+GIS 技术的综合应用，实现高速公路全寿命周期数据资源和实体模型的形象展示和统筹管理，实现交通荷载、环境气象、结构状态响应、特殊状况等监测信息与BIM模型无缝对接及可视化展示。

场景三：基础设施群运行状态分级预警。

通过动态称重系统及视频监控对通行重车进行监测，在GIS 地图上显示车辆位置及超载超速信息并报警；对通行车辆进行仿真分析，模拟其通过全线构造物的结构响应情况，针对出现安全风险的位置进行提前主动预警，并根据预警情况构造车辆通行安全度地图，实现对预警情况的记录、跟踪、管理等功能。

场景四：基础设施群运行状态信息展示发布。

系统可为司乘人员提供延崇高速路域气象信息、通行状况信息和交通引导信息，可为养护人员提供实时监测信息、主动预警信息、安全应急处置信息、安全评估报表和跟踪溯源信息，可为交警人员提供交通拥堵信息、超载超限车辆信息和突发事件信息，可为路政人员提供重车信息、设施状态信息和应急事件信息。

场景五：自动生成安全评估报告。

系统可按日、月、年定期自动生成基础设施群运行状态评估报告，提出巡检决策建议；定期将监测数据与检查结果进行比对和分析，自动生成综合评估报告，提出管养决策建议；当自然灾害或突发事件发生时，系统可快速分析灾害前后结构响应数据，评估灾害对结构的影响，出具灾后应急处置建议。

场景六：与其他系统共享数据。

系统充分集成及共享工程全生命周期数据。共享桥梁、隧道监控数据、荷载试验数据，与系统初始状态数据结合；共享（智慧高速）智慧服务综合平台的各项监控数据和GIS、BIM数据，同时向平台提供预警数据；共享其他相关数据。

6 结语

①在总结已有成果的基础上，结合智慧高速公路试点建设要求，从标准化、硬件、软件、数据、智能等五个层面提出集群监测的创新性建设理念。

②按照集群监测的目标要求，建立了集群监测系统从底层泛在感知到顶层智能应用的四级总体框架。

③考虑资金投入和经济性，按照重要性排序构建全面监测、重点监测和常规监测三个规模层次，提出集群监测对象的筛选准则，介绍了宜监测的指标内容和测点优化布设方法。

④总结提炼出集群监测的应用场景要求，可为管养部门提供综合感知、可视化展示、分级预警、信息发布、自动化安全评估和共享数据等六项服务，可为同类相关智能基础设施设计、建设提供借鉴。