基于“互联网+”的港口基础设施运营安全监管措施研究

刘红彪

（交通运输部天津水运工程科学研究院，天津 300456）

港口工程在我国经贸发展、海岛和海洋国土资源开发维护及国防建设中发挥着十分重要的作用。目前，针对码头等港口基础设施健康状态的获取，仍采用人工检测方法，这种检测方法属于定期检测，时效性差，受现场环境影响大，恶劣天气状况下难以实施，且无法及时掌握突发荷载状况下的结构力学性能特征状态，不可实现结构的灾变预警。为了及时了解大型码头等港口水工建筑物的安全状态，加强交通运输安全监管，提升应急保障能力，迫切需要建立港口水工建筑物的长期安全运营监管系统及灾变预警系统，保障港口生产安全，提高气象、地质、地震灾害防御能力。

一、港口基础设施检测与监测技术现状分析

由于测试系统、数据处理技术以及数据传输技术的发展，长期的结构健康监测成为评估结构表现性能的重要手段。自从20世纪90年代以来，长期结构健康监测系统在欧洲、美国、加拿大、日本、韩国被成功地应用在了大跨桥梁的健康监测和安全预警方面，比如丹麦的大贝尔特东桥、加拿大的联邦大桥、香港的青马大桥，等等[1-2]。随着监测技术的发展，基于长期监测系统的超高层建筑安全状态及疲劳寿命评估技术得到了进一步的发展，香港理工大学的倪一清教授已将长期健康监测系统成功应用到了中国的广州塔和深圳证券交易中心总部大楼的结构健康监测和安全状态评估方面[3-4]。理论研究表明，基于长期健康监测系统的结构重要构件的应变数据比基于结构振动的加速度信号更能直接反映材料的抗力及结构构件的安全可靠度，基于应变数据的健康监测系统在许多大型结构已有较多应用，基于应变数据的结构安全性评估方法也有进一步的发展[5-8]；同时，各种不同的应变测试仪器也被成功的应用，如电子应变仪、振弦式应变仪以及光纤应变仪等[9-10]。

但目前国内针对码头等港口水工建筑物健康监测技术的相关研究比较少，针对码头等港口水工建筑物长期健康监测系统应用的相关报道很少，据2019年最新发表的一篇论文描述，截止目前港口水工建筑物结构健康监测技术方面的论文全世界不足30篇，文献记载的工程应用不到15个[11]。孙英学（2005），黄长虹（2009）提出了海港码头的损伤机理，描述了码头健康监测的实施方法，但没有实际的监测系统应用[12-13]。朱彤（2011）在大连新港某30万吨级原油码头的沉箱式靠船墩及附属的拱桥上建立了健康监测系统，并获得了相关的数据，但并没有提出基于实测数据的码头结构安全状态评估方法且系统的测试能力较弱，仅是码头健康监测系统的初探[14]。刘现鹏（2016）等人在天津港某在役高桩码头结构上设计并施工了健康监测系统，这是国内首次将结构健康监测系统应用于在役高桩码头结构的案例[15]，对推动港口水工建筑物结构健康监测技术的发展和进步具有重要意义。而对于新建高桩码头结构，目前还没有结构健康监测系统应用的报道，尤其是针对船舶撞击力的长期在线监测技术方面研究较少。目前，对于船舶撞击力测试方面的研究多为试验性质，一般属于临时性测试，测试完成便马上拆除，并非长期连续监测，而且测试时一般是独立安装测力装置，测力装置并不在码头护舷位置[16]，这样导致测到的撞击力与实际靠泊状态不太一致。而对于利用码头护舷测试船舶撞击力的研究，测试时通过测试护舷的变形量，然后通过护舷的性能曲线反算船舶撞击力大小[17]，这种做法不直接且精度低，不适合船舶撞击力的长期在线监测。另一方面，针对钢筋混凝土结构的耐久性监测技术仍不完善，尽管有德国的阳极梯监测系统、丹麦的锈蚀监测系统以及美国的ECI监测系统，但在监测数据评定方面没有统一的标准，导致目前监测数据评定方面做法不一，影响了钢筋混凝土结构耐久性监测技术的发展。

根据以上国内外文献记载，结构健康监测技术在土木工程中的应用始于20世纪70年代末，而结构健康监测技术首次在港口码头中的应用时间是2000年；在中国，结构健康监测技术在港口码头中的第一个工程应用案例出现于2011年。可见，港口水工建筑物结构健康监测技术的发展明显滞后于其它结构领域。因此，用于港口水工建筑物的长期健康监测系统及基于此的结构安全状态评估方法需进一步研究。

码头等港口水工建筑物是货品装卸运输的重要平台，港口工程设施的结构安全状况直接影响到船舶停靠与货品装卸过程的安全性，及时获取码头结构的健康状态数据是保证码头生产运营安全的关键。但码头等港口设施服役的海洋环境条件恶劣，结构在承受较大工作荷载的同时，还经受着如大浪、风暴潮、台风等荷载的共同作用，在这种服役环境下，码头等港口设施极易出现损伤，导致结构整体抗力降低，引起港口设施的安全性降低。但目前针对港口设施健康状态的获取多采用人工定期检测的方式进行，其缺点是属于定期检测，时效性差，受现场环境影响大，恶劣天气状况下难以实施工作，且无法及时掌握突发荷载状况下的结构力学性能状态，不可实现结构的灾变预警。因此，为了实现港口水工建筑物的健康监测与安全预警，开展港口工程结构健康实时在线监测技术研究很有必要。由于码头等港口水工建筑物的服役海洋环境复杂恶劣，给传感器的布设增加了一定的困难，但耐腐蚀较好的光纤应变仪可以解决这一困难[18]，且桥梁、建筑等领域的健康监测技术及相关评估方法可以引用吸收，故开展基于“互联网+”的港口基础设施运营安全监管措施研究是可行的。

鉴于此，本文以港口水工建筑物结构健康监测为研究对象，开展基于“互联网+”的港口基础设施运营安全监管措施研究，针对现有港口水工建筑物检测技术方面的局限性，提出智能化的港口水工建筑物全寿命期健康在线监测技术方法，为港口基础设施维护智能化管理探索一条新的道路，提高港口设施维护管理技术水平。

二、港口基础设施运营安全监管系统框架构建

港口基础设施安全监管的有效手段是建立基于“互联网+”的港口基础设施安全运营监管系统，监管系统的核心是在港口基础设施上加装结构健康监测系统。港口水工建筑物结构健康监测系统是通过安置在结构各重要构件上的传感器，对结构的物理力学性能进行无损监测，实时监控结构的健康状态，对结构的损伤位置及程度进行诊断，并开展结构的安全性、使用性和耐久性评估，实现结构的灾变预警，为港口工程结构的运营、维修、养护与管理决策提供依据和指导。健康监测不仅对港口工程结构的安全运营起到实质保障作用，同时也为检测人员带来了极大的便利，提高了港口工程结构安全监测的自动化、智能化水平。

结构健康监测技术是一项综合学科，涉及到传统的结构力学、断裂力学、建设材料学、工程地质学等基础理论，同时采用了当下流行的数据自动采集、数据无线传输、数据处理等相关先进技术，利用各类传感器对结构的特征信息进行采集，然后基于相关算法对采集的数据进行处理，来预测结构的各种响应及限定一些不利于结构正常运行的响应，从而形成一种适合沿海港口水工建筑物结构安全运行和评定的健康监测系统。

港口水工建筑物全寿命周期健康监测系统是集结构监测、系统辨识和结构评估于一体的综合监测系统。一般大型结构健康监测系统需要对以下结构性能进行监测：一是正常荷载作用下的结构响应和力学状态；二是结构在突发事件（如地震、大风、大浪或其他严重事故等）的结构响应；三是结构构件的耐久性监测，主要是监控混凝土结构的钢筋锈蚀状态；四是重要的非结构构件和附属设施的工作状态；五是结构所处的环境条件，如环境温度、风、浪、流等。

因此，港口水工建筑物全寿命周期健康监测不只是传统结构检测技术的简单改进，而是利用现代化传感设备与光电通信技术以及BIM技术，实时监测结构服役阶段在各种环境条件下的结构响应行为以及结构耐久性能状态，获取反映结构状况和环境因素的信息，并由此分析结构健康状态，评估结构的可靠性，为结构的管理与维护提供科学依据。并且，在突发偶然事件时，可通过监测数据识别结构的损伤和关键部位的变化，对结构安全性和可靠性做出客观的、定量的评价。

基于上述分析，参考桥梁、建筑领域中结构健康监测系统的组成，并根据港口水工建筑物结构的安全因素及损伤机理分析，结合考虑沿海港口水工建筑物的服役环境，设计并确定了港口基础设施全寿命周期运营安全监管系统框架，如附图所示。考虑沿海港口工程结构的健康监测要求，围绕信息化系统设计的科学性与先进性，港口基础设施全寿命周期运营安全监管系统由传感器与数据采集子系统、数据传输与存储子系统和基于BIM技术的运营安全监管运维平台三部分组成。

附图 港口基础设施全寿命周期运营安全监管系统框架示意图

传感器与数据采集子系统主要由传感器单元和数据自动采集单元构成。传感器单元主要作用是通过安装于被测构件上的各种传感器将监测物理量转化为电信号（或光信号），用于数据采集，由各类监测传感器、数据传输介质以及设备数据接口等硬件组成，如应变传感器、位移传感器、信号放大器、数据连接线缆及数据采集接口。数据自动采集单元主要作用是对现场各类监测传感器数据信号的自动采集过程，包括数据采集仪及相应的数据转发设备，安装于被测结构现场，采集传感器单元的数据并进行初步处理。

数据传输与存储子系统包括现场监测系统组网、监测数据的传输以及数据的存储。监测系统组网是指通过有线或者无线的方式将现场各传感器与数据采集子系统组成一个监测网，统一接入现场的工控机中，用于整体信号数据的采集。数据传输是通过现场工控机安装的数据发射模块将采集到的数据通过网络通讯的方式传送到远端服务器或云端，包括监测系统数据采集平台、数据传输模块与服务器。数据存储是指将现场采集的数据以远端服务器存储或云存储，同时现场工控机本地存储，进行数据备份。存储的数据用于后期处理和应用。

基于BIM技术的运营安全监管运维平台是数据的展示与应用部分，包括计算机终端、运维平台客户端软件、被测结构的BIM模型、基于BIM技术的监测数据三维展示模块、数据处理方法及结构安全状态评估与预警方法。该系统首先采用BIM技术建立目标结构的三维信息模型，然后将采集并预处理过的监测数据传输到该子系统中，进行数据的处理分析和三维显示，利用结构安全状态评估方法，判断结构损伤的程度和位置，对结构健康状况做出评估，基于评估结果，系统发出相应预警信息。

三、港口基础设施运营安全监管对策建议

（一）完善港口设施维护发展规划，强化指导性

研究建立国家水运工程基础设施维护发展规划，推动中国水运工程基础设施管养工作，完善水运工程基础设施维护管理体系，形成层次清晰、功能完善、权责分明的水运工程基础设施管养网络，指导全国水运工程建设、养护管理工作。

（二）完善港口设施管理规定，强化基于“互联网+”的港口设施安全监管信息化应用的导向

对于港口设施维护管理规定进行适当修编，增加基于“互联网+”的港口设施安全监管信息化应用的相关规定。同时，允许各省针对本省的实际情况制定适合本省实际需要的港口基础设施安全运营信息化、自动化安全监管的管理规定，推动基于“互联网+”的港口设施安全监管信息化应用发展。

（三）完善港口设施维护技术规范标准，做到港口设施安全监管信息化应用有法可依

对于国家或行业标准规范进行适当修编，增加基于“互联网+”的港口设施安全监管信息化应用的相关规定。或者直接编写基于“互联网+”的港口设施安全监管技术规范，做到港口设施安全监管信息化应用有法可依。同时，允许各省、各港口企业针对本省的、本辖区的港口基础设施实际情况制定适合各自实际需要的设计标准或指南。

（四）建立资金保障机制，推进监管信息化进程

为推动基于“互联网+”的港口设施安全监管方式的推广应用，应建立资金保障机制，建议将信息化监管的费用支出列支为安全生产费用，以保证港口设施安全监管信息化进程的推进。

四、结语

该研究成果可实现港口水工建筑物全寿命周期的健康监测，监测过程不受恶劣环境影响，监测传感系统可满足海水环境的长期服役，可实现结构的灾变预警，具有自动化程度高、无人化操作、三维展示、对突发状况反应及时等优点，可提升我国水运工程结构健康监测技术水平，为港口设施维护与安全监管提供了新思路、新方法，可提高港口设施维护管理信息化、智能化程度，对促进港口基础设施养护管理水平的提升、推动智能化码头建设具有重要作用，可为港口经济科学发展、保障港口码头运营安全提供科学依据。