重庆轨道交通桥梁智慧运营监测平台

文：张雁珍，白亮亮，孔云森丨重庆市轨道交通（集团）有限公司

近年来，我国城市轨道交通运营里程不断增长，对运营安全提出了更高的要求，发展轨道交通智慧运营监测成为当前城轨运营企业的研究热点之一。重庆轨道交通在桥梁智慧运营监测方面进行了积极探索，并先后建设了重庆轨道交通3号线嘉陵江轨道专用桥、环线高家花园轨道专用桥等桥梁健康监测系统，为桥梁智慧运营监测平台建设积累了一定的经验。本文对桥梁智慧运营监测平台建设目标、产品选型、系统设计等进行了阐述，为城轨桥梁智慧运营监测提供一定的指导借鉴意义。

随着我国城市轨道交通建设高速发展，发展智慧运营技术成为当前各大城轨运营企业更好适应城轨交通网络化运营需求、提升设备设施运营管理水平、推动创新技术装备落地应用的主要方式，但同时面临诸多挑战及制约因素。

目前，城轨桥梁智慧运营监测存在两个方面不足：一是由于各地城轨桥梁智慧运营监测系统基本处于平台搭建或规划阶段，工程实践探索不足，经验缺乏，同时检测监测装备技术发展程度所限，城轨桥梁状态智能感知水平较低、手段较少，桥梁结构健康监测技术在城轨领域应用较少，近年来涌现的综合检测列车、智能机器人、无人机等智能巡检装备也处于探索应用阶段，监测感知设备有待进一步研发；同时，监测钢筋、混凝土等土建结构所用的传感器自身寿命不足或可靠性不够，也是一大制约因素。二是智慧运营标准体系有待健全，针对城轨桥梁结构状态性能评价评估体系尚不完善，部分指标评价方法参照铁路领域或其他相关领域，其适用性难以保证，检测评估技术发展的不充分，造成当前数据积累不足以及相关联因素状态参数信息的缺失，以至于现阶段仍然无法形成全面、有效的城轨桥梁智慧化运营监测、诊断、评估、预测能力，更难以产生智慧决策应用。

一、建设目标与路线规划

通过重庆轨道交通桥梁智慧运营监测平台建设，实现如下目标：一是及时掌握轨道桥梁的性能和运营状态，发现安全隐患并实时预警处置；有效降低大桥的运营养护成本，延长桥梁的使用年限，保障桥梁安全，为后续管养维护提供参考依据。二是为城轨桥梁的科学化有序管养提供技术平台和示范带动作用，建立城轨桥梁运营监测全寿命期的数字化和信息化“档案”库，为城轨桥梁科学化运营管养水平的提升提供重要支撑。

主要建设规划综合考虑城轨桥梁特点，进行前期调研和针对性需求分析等前期工作，综合城轨桥梁健康监测布标需求、传统桥梁健康监测系统软硬件及系统控制等方面的先进技术和功能模块组织管理架构进行以“设计-实施-运营”的总体规划设计和系统架构布局，必要情况下开展关键监测技术测试，形成轨道交通桥梁长期运营监测技术方案，最后对监测方案效用进行分析、评估与后续修正，基于最终监测技术方案建设出适宜于城轨桥梁的高可靠性、高针对性、高先进性智慧运营监测平台。建设路线见图1。

图1 城轨桥梁智慧运营监测平台建设路线

二、产品选型

（一）传感器、数据采集系统设备选型

传感器是桥梁监测系统中的重要组成部分之一。传感器及后续传输的选型很大程度上决定城轨桥梁智慧运营监测平台的有效性和可靠性。本系统监测设备的选型除满足可靠性、精确性、耐久性、简便性、经济实用性、自动化性的基本要求，内容涵盖传统公路桥梁监测项目之外，进一步考量城轨桥梁的设计桥型以及智慧运营监测需求，在监测项目上进行适度补充，对传感器设备选型和技术指标上进行深度优化。

在主梁挠度监测方面，考虑到轨道桥的竖向挠度较大，选取精度高、分辨率高、重复性好、稳定可靠、寿命长、安装方便、环境适应性强的差压变送器。在主梁振动特性监测方面，考虑到轨道车通行这一振源因素，选取高灵敏度、高信噪比、频率响应范围广的加速度传感器。

针对风荷载作用下，以斜拉桥为桥型的城轨桥梁的主要构件（斜拉索、主梁和主塔）将产生振动，引起疲劳损伤累积，导致桥梁抗力衰减。通过监测风速和风向，可以得出风荷载与结构响应关系，为分析桥梁的工作环境、评估大桥在极限风荷载作用下的易损性以及验证桥梁风振理论提供依据。考虑到三向超声波风速风向仪精度高，频响范围大，但受雨的影响较大，而螺旋桨风速仪则受雨的影响较小，因此在轨道交通斜拉桥上同时选取并布设这两种风速仪，方便进行测量的互补和数据有效对比。

以斜拉桥为桥型的轨道交通桥梁，斜拉索是其重要的受力构件，索力的变化直接反映桥梁结构受力状态的变化，关系到整座大桥的安全，通过索力的监测能够为运营期间的安全性提供直接的预警信息和状态评估信息。考虑轨道交通桥梁索力监测过程中地铁列车通行过程中对索力监测信号的干扰问题，采用单轴向低频IEPE型加速度传感器，该类型传感器集成了灵敏的电子器件，并使其尽量靠近传感器，以保证更好的抗噪声性并更容易封装。

（二）数据处理与预警系统技术选型

桥梁运营监测每天会产生大量数据，从海量监测信息中能够发现、挖掘出能够反映桥梁运营状态的隐含的、未知的、有潜在价值的关系、模式，进一步地，为后续的结构异常分析和预警指标与系统的构建打下坚实基础。随着计算机技术与人工智能的飞速发展，本监测平台在数据处理与预警子系统中将信号处理、数据挖掘、机器学习、统计分析领域的研究成果与技术手段应用到桥梁监测的海量数据分析和后续预警当中，为城轨桥梁结构智慧运营监测与安全评估提供了科学参考依据。

数据预处理方面，采用粗差处理、信号滤波、重采样及数据补完等技术对收集到的监测数据进行预处理，滤除掉因外界干扰产生的不可靠数据，提高桥梁结构数据挖掘的准确性；在线预警方面，采用设备故障自诊断技术和有限元模型修正技术进行设备异常状态预警及桥梁结构异常状态预警；离线分析方面，采用小波趋势提取、时域融合分析和统计检验相关技术作出桥梁运营发展趋势的估计。

三、实施过程及应用系统内容

（一）方案设计

现有的健康监测系统可分为硬件部分和软件部分。硬件部分由各种传感器、采集设备、传输设备和管线等设备组成，生产厂家的质保期往往不满足监控系统的设计需求。因此，对于硬件系统设计，首先应从仪器原理和生产厂家方面选取可靠性高的设备，其次，进行可更换式设计，最后，应重视安装工艺，形成标准化流程，对于软件系统设计，在设计时做到标准化、模块化，以便后期进行升级，且做到可以扩容。

总体设计原则为可靠性、实用性、先进性、前瞻性与经济性相结合，在各个部分的具体设计原则为：

一是状态监测与数据采集—找准关键参数、关键部位，适当冗余 ；硬件设备先进、可靠，易维护、可升级、可更换，性价比综合平衡；二是数据传输与管理—高效传输数据，有效管理海量数据；三是综合预警与安全评估—动静结合，评估方法实用性强，评估结论可靠度高；四是用户界面及管理—先进性高、兼容性好、易扩展性、易操作。

根据具体的桥梁结构特点、并结合桥梁预警、评估及管养等需求，参考国内外健康监测系统设计主流框架，以重庆轨道交通环线高家花园轨道专用桥为例，健康监测系统采用以下构架，如图2所示。

图2 重庆轨道交通环线高家花园轨道专用桥桥梁健康监测系统构架

（二）主要监测内容

对桥梁结构重要的、存在较严重病害的部位或构件进行重点监测，根据监测数据发出预警，监测内容及功能包括：(1)风速风向；(2)环境温湿度；(3)拉索索力；(4)索塔变位与索塔应力；(5)主梁挠度、主梁横向位移、主梁应力、振动特性与疲劳性能；(6)伸缩缝位移；(7)结构温度；(8)桥梁视频；(9)混凝土裂缝；(10)基础沉降；(11)桥墩腐蚀；(12)钢筋锈蚀、氯离子含量；(13)接入桥梁施工期间埋设的传感器，与施工监控工作有良好的衔接；(14)提交监测报告，包括监测系统运行情况、监测数据分析、阈值设置、技术状况评估等内容；若遇极端突发事件发生，则及时提交极端事件专题分析报告。

（三）测点布设

通过有限元建模，对桥梁进行恒载作用、活载作用、温度荷载作用和风荷载作用下的变形以及内力分析，结合模态分析以及温度、拉索损失等敏感度分析，确定桥梁的测点布设。主要有以下几种情况：

对于斜拉桥，需要对全桥索力、箱梁内部温湿度、伸缩缝、索塔应力、索塔偏移、基础沉降等进行监测，还应在主梁的跨中、1/4跨径（对称）、墩顶等截面进行应力和疲劳性监测，在主桥跨中、1/4跨径、1/8跨径、3/8跨径、3/4跨径等截面进行竖向振动或绕纵桥扭转等空间变形监测。

对于悬索桥，需要对全桥的基础沉降、塔顶偏移、锚梁位移、主缆索股力、吊索索力等进行监测，还应在主梁的跨中、1/4跨径（对称）、墩顶等截面进行应力和疲劳性监测，在主桥跨中、1/4跨径、1/8跨径、3/8跨径、3/4跨径等截面进场竖向振动或绕纵桥扭转等空间变形监测。

对于连续刚构桥，需要对全桥的基础沉降、温湿度、典型裂缝进行自动化监测，还应在主梁正弯控制和负弯控制截面以及L/4截面和3L/4截面进行应力和疲劳性监测，在L/2、L/4、以及L/8等截面进行挠度和空间变形监测。

（四）数据采集与传输系统

数据采集与传输子系统由现场设备、监控室设备、网络设备及相关软件四部分组成，各部分的具体配置及总体设计与传感器子系统密切相关：传感器输出信号的类型决定采集模块的类型，各类传感器的数量决定采集模块的数量，传感器的位置分布决定数据采集子站的分布，而这一切又将影响到传输网络的布设，以及采集与传输软件的设计开发。

桥梁现场数据采集设备与监控中心之间的通讯方式除采用远程无线传输如GPRS、3G或4G等技术之外，还需采用2用2备光纤线路传输至桥梁健康监测室(监控中心)进行分析处理，确保传输数据稳定可靠。以重庆轨道交通环线高家花园轨道专用桥为例，数据采集与传输如图3所示。

图3 高家花园轨道专用桥数据采集与传输示意图

（五）数据处理与分析系统

将采集的数据通过信号滤波等技术进行预处理后，采用信号处理、数据挖掘技术从监测数值本身、数据发展趋势、变量关联性等多个角度全方位表征监测数据特性，充分描述桥梁运营状态，对硬件设备及桥梁结构的异常情况进行在线预警。

比如图4是某桥应变监测点自2016年4月20日至5月10日实测数据，其中蓝色曲线表示应变，红色曲线表示温度。该桥在4月27日至29日三天时间内正在进行荷载试验。从图中可以看到，曲线在4月28日10:00左右出现尖峰，由于监测数值未超过该点许用范围，故系统没有发出“超许用值”警告，但由于该测点的趋势变化量发生了突变，故系统发出“趋势突变”报警，这与桥梁实际情况相符。

图4 某桥应变测点实测数据曲线

（六）用户界面系统

用户界面系统是健康监测系统的终端窗口，是桥梁管理和维护人员了解、查询桥梁结构各种监测信息的交互式平台。完整的运营监测系统不但需要面对专业技术人员和管理人员，也必须面对其他用户，例如政府职能管理部门等，用户界面系统应综合考虑用户的各种需求。在监控中心，专业技术人员应能对大桥各种监测数据和评估结果进行详细查看和处理；此外，一般桥梁管理人员、业主、专家和政府监管部分等其他人员在不同时间、地点都能查阅到大桥的相关监测信息。用户界面软件包括Web用户界面软件和手机App用户界面软件。

四、建设成效及经验总结

重庆轨道交通已建立重庆轨道交通3号线嘉陵江轨道专用桥及引桥运营监测系统、环线一期高家花园轨道专用桥健康监测系统、环线鹅公岩轨道专用桥长期健康监测系统、6号线二期蔡家嘉陵江大桥长期健康监测系统等一系列成功工程示范项目。通过结合当下先进桥梁健康监测技术，在根据城市轨道交通桥梁特点的基础上，从方案设计、设备选型、监测内容设置和预警评估等一系列流程，进一步优化并建设重庆轨道交通桥梁智慧运营监测平台，将在降低大桥的运营养护成本、延长桥梁的使用年限、保障桥梁安全、桥梁科学化运营管养水平的提升等方面发挥卓越成效。针对轨道交通桥梁运营监测系统方案设计及平台建设成果分析总结经验如下：

针对不同桥型的城轨桥梁，除了考虑传统桥梁结构健康监测系统的基本组成之外，还需要综合城轨桥梁所处环境、受力特点以及重要性程度，因地制宜地对桥梁结构监测系统设计标准或规程进行针对性的调整。当下研究热点多聚焦于桥梁运营监测平台建设及其相关技术，而忽视了后续监测数据的最大化利用。在利用基于轨道交通桥梁运营监测系统提取的长期监测数据进行结构状态或安全评估的同时，更需要进一步扩展，将运营监测数据与结构定期巡检、维护与后期养护方案设计建立有效关联，将原本各自独立的监测预警系统和维护管养系统进行有机融合与联结，构建智慧运维一体化的桥梁管理平台，最终实现为轨道交通桥梁的长期服役性能评价及智慧化管养提供综合性科学指导的终极目标。

整个城市轨道交通运营监测设施中不仅包含轨道桥梁主体，轨道、隧道、边坡等同样是监测设施的重要组成部分。当前城轨单位仍多采用各监测设施、各专业独立开展运维的传统工作模式，造成各专业集成度、体系性、信息共享程度低的困境。而城轨云建设的关键在于开展顶层设计、全局部署是《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》总体目标之一，要求我们在后续城轨智慧运维建设中进一步将轨道基础设施体系中各个独立项进行互通互联、有机管理，实现各专业各设施的协同运维，提高整体效率。