基于BIM 技术的轨道桥梁运维平台构建与应用

2021-12-07黎小刚史喜华谭书林

电子设计工程 2021年23期

丁鹏，黎小刚，史喜华，曾勇，谭书林，陈胜

（林同棪国际工程咨询（中国）有限公司，重庆 401121）

近年来，我国城市轨道交通建设速度明显加快，预计到2021 年底，全国拥有轨道交通的城市将达到50 个，运营里程达到近10 000 km 的规模。伴随城市轨道交通的快速发展，城市轨道桥梁的数量也逐步增长。以“桥都”重庆为例，根据最新规划获悉主城外环以内运营、在建与规划的轨道交通跨江桥梁共计29 座，其中有12 座轨道交通专用桥和17 座公轨两用桥。

然而，基于每座轨道桥梁建成年份不同、管养单位不同、监测单位不同、监测信息未实现标准化及规范化等因素影响，导致正在运营的轨道桥梁均处于“一桥一系统”的现状，造成综合管理链条长、运维任务繁重、社会资源浪费；人工检查与实时监测独立运行，桥梁状态感知存在局限性、状态评价相对片面；数智化水平低，不利于轨道桥梁智能化、信息化、高效化管理[1-2]。

随着国家提出基础设施大数据、智能化的战略目标以及新一代信息技术、人工智能、大数据等高新技术的成熟应用兴起，为桥梁数智运维创造了机遇。与此同时，构建基于BIM 技术的轨道桥梁运维平台，对于轨道桥梁结构信息综合获取，及时有效评价预警，保证桥梁安全运营以及实现轨道桥梁集群化[3]、一体化[4]和智能化[5]养护管理，具有重大的科学意义。

1 基于BIM的运维平台现状

目前，建立融合运用BIM 技术的运维平台已成为行业中的热点，其中张贵忠等[6]针对大跨径铁路桥梁现代化运维和管养需求，提出了基于BIM 的数字化大桥管养平台设计方案，明确了平台的基本功能和物理架构；Zou 等[7]将桥梁结构的实时风险分解处理系统集成到BIM 中，提出了基于BIM 的风险可视化和信息管理方法，有效提高了桥梁管养质量和效率；勾红叶等[8]搭建了高速铁路灾害大数据分析平台，研发了具有工程实用性的高速铁路桥行车安全智能化评价系统。国内外在桥梁运维管理平台构建及将BIM 技术融入运维阶段方面已有诸多研究[9-12]，但是在既有研究成果中鲜有基于多维度的轨道桥梁结构状态感知与评价的运维平台。

2 运维平台构建

2.1 运维平台体系架构

运维平台采用模块化分层设计，通过把UI 与业务逻辑分开，实现系统的松耦合和高可用性，便于系统后续的升级和扩展，更能灵活满足用户的定制化需求，其由下向上分为六层结构：

1）数据采集层

传感器模块负责采集实时监测数据，由荷载与环境监测、结构整体响应监测和结构局部响应监测传感器构成，可实现桥梁荷载参数、环境参数、结构响应的测量。人工检查录入定期的检查数据，BIM模型提供桥梁属性数据。

2）网络传输层

平台支持多种传输方式，综合分析桥梁现场环境因素，可采用如4G/5G、NB-IOT、Wifi、ZigBee、LoRa、RJ45 等方式，数据传输实现缓存机制，保证数据的完整性。

3）数据管理层

桥梁实时监测的数据量较大，运维平台支持主流的大型数据库管理系统，如Oracle、Sybase、SQL Server、Informix 等，根据业务特点，分别设置静态数据中心，存储人工检查数据、病害处置数据、维修加固数据等；设置动态数据中心，存储实时监测数据；设置文件数据中心，存储BIM 模型文件、设计文件、竣工文件等。为了方便后期进行桥梁监测大数据分析，运维平台还预留了数据仓库（Hive）的接口。

4）数据分析层

运维平台建立了技术状况评价、结构安全评价和行车影响评价的全方位评价体系，提供多维度的分析功能，如预警阈值分析、智能变形预测分析等，通过对大数据的分析，可以较好地指导桥梁运维人员开展管养工作。

5）应用层

运维平台通过Restful 服务，可以对外提供多种应用，如结构安全评价、智能预警、自动化报告、BIM三维可视化、视频监测，通过规范的API 调用即可获取相应服务，具有灵活的扩展功能。

6）展示层

运维平台使用分布式架构设计，可以支撑多终端的访问，如PC、手机、PAD、液晶屏等，实现数据的互联互通。

2.2 网络架构

传感器通过水工线缆连接到数据采集设备——采集仪的采集端口；采集仪通过RS-485 总线或CAN总线连接到二级控制单元——智能控制模块；智能控制模块通过RS-232 接口连接到DTU；DTU 通过无线通信网络进入Internet，与控制中心计算机建立远程网络连接，实现轨道桥梁远程自动化集群监测应用网络的组建，网络关系如图1、图2 所示。

图1 远程自动化监测应用网络

图2 运维平台移动终端网络架构

2.3 存储系统

由于轨道桥梁结构实时监测、信息数据连续变化，生成的数据量庞大，同时数据分析和结构安全评价对数据的实时性要求很高，因此运维平台中数据库系统必须是由高性能的分布式数据系统所构成，目前运维平台支持数据仓库和大型数据库管理系统来搭建分布式的存储系统。

针对轨道桥梁实时监测采集数据的类型，数据库可以划分为静态数据库、动态数据库、文件数据库。静态数据库主要存储结构的桥梁基本属性数据、传感器信息、结构动力性能参数值等；动态数据库主要存储外部荷载、结构整体（局部）响应和安全评价结果等；文件数据库主要存储BIM 模型、设计文件、竣工文件等。

2.4 运维平台安全

运维平台安全须遵循“系统自保、平台统保、边界防护、安全确保”的原则，建立一个完备的系统安全技术体系，具体内容如表1 所示。

表1 运维平台安全技术体系

2.5 BIM与运维平台融合

基于轨道桥梁实时监测关键信息，借助建模软件“Rhino+Grasshopper+Revit”，建立标记、动态关联监测信息的运维阶段的三维精细化模型，点击信息模型实现监测数据查询及定位可视化、快速化，实现基于BIM 模型的海量监测数据可视化信息传递与实时更新，达成BIM 信息化服务与服务对象-轨道桥梁在现代化、科学化平台下的互通互联，驱动轨道桥梁管养升级。

3 运维平台应用实践

3.1 基于GIS技术的轨道桥梁集群监测

结合GIS 技术与桥梁环境模拟三维空间场景，突破单一桥梁监测信息孤岛，形成轨道桥梁信息集群共享模式，同时借助720 全景漫游方式，实现桥梁的三维全景展示，如图3 所示。

图3 720全景漫游示例

3.2 BIM模型与运维平台无缝交互

建立桥梁构件三维精细化模型，基于Autodesk Forge 软件平台，利用JAVA 程序开发集成显示BIM模型、加载监测测点、链接监测实时数据于一体的可视化平台，实现监测信息的三维可视化管理与信息检索，如图4 所示。

图4 BIM与运维平台无缝交互示例

3.3 运维平台智能感知与预警

利用NB-IoT、LoRa 和5G 物联网技术，以传感、网络应用系统为基础，结合人工检查的直观性和长期监测的实时性，在运维平台中实现数据共享、统计分析以及数据挖掘，进而构建基于技术状况评价、结构安全评价和行车影响评价的全方位评价体系，实现桥梁结构评价自动化与预警智能化，如图5、图6所示。

图5 实时监测与人工检查深度融合

图6 全方位评价与智能预警示例

3.4 运维平台自诊断分析

桥梁运维平台中的数据失真大多是由信息获取环节的传感设备造成的。研究表明[13-16]，运维平台中一半以上的警报均是由于传感器系统自身的故障而产生的误警。一旦传感设备出现故障或失效，将无法提供客观、准确的信息，从而对桥梁结构安全评价与预警产生极大的影响。因此，高效、准确的自诊断分析对于运维平台必不可少，自诊断分析结果如图7所示。