基于BIM的桥梁健康监测系统的设计与实现

梁雪　齐善鲁　马徳俊

摘要：文章针对梁式桥梁，根据《CJJ 99-2017 城市桥梁养护技术标准》，设计了基于BIM的桥梁健康监测系统，描述了系统的结构层次设计、功能设计、数据库设计的主要内容，并运用Mybatis、ECharts等技术实现了对桥梁健康监测系统的开发。

关键词：梁式桥梁;BIM;桥梁健康监测系统

中图分类号：TP311        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）07-00112-02

1 概述

自20世纪90年代末桥梁监测技术传入中国以来，研究人员开展了一系列针对桥梁健康监测的研究和试验，不仅成功搭建了如港珠澳大桥[1]、南京长江大桥[2]、东江大桥[3]等大桥的健康监测系统，监测技术和监测设备也不断推陈出新[4-6]，成果斐然。与此同时，我国公路桥梁建设总数已超过100万座，数量众多，监测系统的市场需求量很大。根据用户需求，本文针对梁式桥梁，对基于BIM的桥梁健康监测系统进行设计与实现。

2 系统结构层次设计

系统在桥梁监测平台的实现上主要分为四个层次：数据采集层、数据传输层、业务逻辑层、界面展示层。数据采集层是整个平台的基础部分，主要包括人工巡检和实时监测数据采集两部分。通过传感器等设备实现桥梁结构信息与环境信息到监测数据的转换，数据采集模块对数据进行预处理和储存。数据传输层是将采集到的数据传输到已创建好的数据库中，并且通过一些去噪算法，把部分非法数据和噪声数据过滤。业务逻辑层主要是响应来自前台展示层的业务请求，并根据编写的框架对数据进行封装处理，以统一的JSON（JavaScript Object Notation，一种轻量级的数据交换格式）数据格式返回给展示层进行展示。界面展示层主要根据用户的操作，把请求提交给后台业务逻辑层，并根据业务层返回的数据以某种特定的形式进行展示。其系统结构层次图如图1所示。

3 系统功能设计

系统主要包含基本信息模块、模型展示模块、数据采集模块、数据管理模块、系统管理模块。如图2所示。

基本信息模块主要对检测的桥梁的基本信息、传感器基本信息及监测项目、布设信息、预警等级信息等进行管理，监测的项目参照《CJJ 99-2017 城市桥梁养护技术标准》中给出的内容进行设定。

模型展示模块利用BIM技术，通过Revit软件将桥梁进行三维建模，主要完成测点在检测平台Web页面中的展示，包括测点的位置、数据以及测点的实际健康状况等，直观准确地反映桥梁的信息。并且，用户能够实现对三维模型的旋转、放大缩小等操作。

数据采集模块分为实时监测和人工巡检。实时监测部分利用布设的有线、无线传感器网络和其他实时监测设备对桥梁结构数据信息进行实时监控;人工巡检部分采用专业的仪器设备，以人工检查的方式，对桥梁必要的检测部位进行定期检测或者灾后紧急检测，并将检测数据传入系统，实现对人工检测数据的规范化管理。

数据管理模块主要是将采集的数据传入MySQL数据库中，然后利用ECharts图形库对数据在平台中进行可视化展示，通过绿、黄、红三级预警等级的阈值（根据桥梁具体设计、实际状况与相关规定得出）进行判断与预警，并且能够实现数据和数据报表的查看、下载功能。

系统管理模块主要实现对用户、前台和数据库的管理，进行增删改查等操作，保证系统的安全性、可操作性和交互界面的友好性。

4 系统数据库设计

设计合理的数据库是系统的基础，关系着系统从开发到应用的全部过程。本系统应用后需要长期运行，存储时间周期长;且各类构件和传感器种类多，监测点采集频率高，数据量大，因此选用灵活性高、可靠性高的关系型数据库MySQL[7]，数据库的连接通过Mybatis技术实现。

在进行数据库设计时，除了要满足范式原则，还要满足系统的需求。数据库中包含用户、桥梁、桥梁构件、监测项目、桥梁传感器等实体。其中，桥梁、桥梁构件、监测项目、桥梁传感器4个实体之间均是顺序的一对多关系，增加了实体操作的灵活性，也能够满足系统监测项目、传感器数量较多的需求;用户可以按照权限设置查看自己能够查看的数据模块;人工巡检检查结果包含各种类型的数据，如检测项目、巡检时间、桥梁构件、使用设备、巡检人、现场照片等;系统根据传感器监测的实时数据和预警等级信息中的阈值进行对比产生预警信息，实现桥梁健康状况的实时预警。系统简要E-R图如图3所示。

5 功能实现

系统在装有Windows 7 64位操作系统的计算机上实现。系统后端采用了Mybatis、SpringBoot框架，在IDEA 2020 软件上使用Java、SQL语言进行开发;前端采用渐进式框架VUE和基于JavaScript的数据可视化图表库ECharts在Visual Studio Code软件上使用HTML、CSS、JavaScript语言进行开发;数据库采用的是MySQL8.0。

系统通过Chrome浏览器运行，用户输入正确的用户名、密码后登录系统。首页通过百度地图展示桥梁具体地点并弹出示例桥梁的详情介绍，界面上方和右方都有可以进行操作的菜单栏，方便操作。系统首页如图4所示。

三維模型展示属于桥梁的模型展示模块，用户通过拖动鼠标即可实现对模型的放大、缩小、旋转等功能，示例桥梁显示界面如图5所示。

监测屏幕功能能够对用户比较关注的多个重点监测项目进行集中的动态数据展示，数据内容更加丰富，显示界面如图6所示。

6 总结

基于BIM的桥梁健康监测系统是国内外研究的热点。本文通过结合BIM技术，利用其可视化的特点，设计并实现了针对梁式桥梁的健康监测系统。系统的应用对保障桥梁安全，提高桥梁的运维、管理效率，节约成本等方面都具有十分积极的意义。

参考文献：

[1] 周永川.港珠澳大桥结构健康监测系统总体设计及应用[J].中国交通信息化，2012（10）：71-73.

[2] 储彤，刘志强，冯良平，等.南京长江第四大桥结构健康监测系统设计[J].中国交通信息化，2013（S2）：62-65.

[3] 张丰.东江大桥健康监测系统设计[J].中外公路，2016，36（4）：202-206.

[4] 罗剑.地面干涉雷达技术在公路桥梁动态检测中的应用[J].工程与建设，2019，33（4）：564-566.

[5] 邸昊.基于转角及振型参量的桥梁挠度监测方法[J].铁道工程学报，2019，36（10）：72-76.

[6] 蒋依坛.基于改进遗传算法的桥梁监测传感器测点优化布置研究及监测信号处理[D].成都：西南交通大学，2017.

[7] 李金海.桥梁健康监测信息化管理系统设计与实现[D].成都：电子科技大学，2019.

【通联编辑：闻翔军】

收稿日期：2021-11-08

作者简介：梁雪（1994—），女，山东高密人，硕士研究生，研究方向为智能信息系统;齐善鲁（1998—），男，山东东阿县人，硕士研究生，研究方向为智能信息系统;马徳俊（1996—），男，安徽阜阳人，硕士研究生，研究方向为智能信息系统。