桥梁健康监测及养护平台设计研究

韩明祥，游元兴

（1.抚州市公路事业发展中心，江西抚州 344000；2.抚州赣东公路设计院有限公司，江西抚州 334400）

0 引言

随着城市化建设的推进，各地桥梁数量大幅增加，如何使桥梁得到全方位管理和科学养护，自然成为人们关注的焦点。基于此，应以桥梁运行、结构和环境数据为落脚点，构建以监测、养护为核心的平台，为相关工作的开展提供有力支持。

1 研究背景

桥梁的运行环境极为复杂，通常需要面对地基沉降、车辆超负荷行驶、危险化学品泄漏、撞击等风险，只有对其工况进行实时监测，才能将上述风险所造成影响降至最低，确保桥梁使用寿命达到预期。而以往对桥梁进行管养的方法多为人工巡检，不具备同步监测各项指标的条件，导致风险监测结果滞后，桥梁可靠性往往难以得到保证，这一情况不仅会给巡检人员生命安全造成威胁，还会影响巡检频率。为使管养工作发挥出应有的作用，需要对工作模式进行革新，通过区域化、网络化以及同步化监测的方式，及时且高效地开展养护工作。

2 平台设计相关数据的来源

2.1 前期设计

对桥梁进行设计期间所形成数据的类型较多，主要有构件尺寸、CAD 图纸、设计模型、荷载、强度及刚度等参数。无论是在施工期间、还是在桥梁正式投运后，以上数据均发挥着极为重要的作用，例如，工作人员可根据以上数据对桥梁进行验收，明确桥梁所存在缺陷并尽快弥补，再例如，根据以上数据对已投运桥梁的健康程度进行评估，以此来判断桥梁是否需要进行维护。

2.2 中期施工

施工期间，桥梁极易受到环境或外界气候的影响，进而出现材料老化、被腐蚀的情况，导致成品桥梁质量无法达到设计要求。由此可见，对施工阶段桥梁质量进行管理十分重要，质量管理过程中，通常可得到以下数据：一是地质数据；二是技术指标；三是可追溯资料；四是验收记录。

2.3 后期运营

桥梁正式投运后所获得的数据与桥梁结构间存在极为紧密的联系，该阶段所形成的数据通常分为动态数据、静态数据两类，其中，动态数据由现场传感器提供，其内容主要涉及护栏撞击、桥体挠度和应变力、路面温度、是否存在开裂情况、路基含水量等。静态数据指的是对桥梁工况进行评定的结论，点检所得到的数据，还有巡检所得到的数据。另外，为保证所获得动态数据更加全面，可对伸缩缝、支座等受力构件进行优化，通过引入智能化产品的方式，赋予上述构件测力及感知功能。

3 监测与养护平台的设计说明

3.1 平台架构

该平台强调以传感器为依托，对包括交通状况、桥梁环境和桥体情况在内的数据信息进行采集，根据所采集信息判断桥梁是否存在渗水、变形或裂缝等问题，根据分析所得结论判断是否需要报警，真正做到凭借信息技术准确评估桥梁状况，在实时监管桥梁工况的前提下，为维保等工作的开展提供理论依据[1]。平台架构主要分为四层，自上而下分别为用户层、应用层、网络层、感知层。

3.1.1 用户层

用户层的构成如图1所示。

图1 用户层构成

3.1.2 应用层

应用层可被拆分成应用系统和服务支撑两部分。若以业务需求为依据，可将应用系统层分成五部分，一是信息管理子层，二是定损检修子层，三是应急保通子层，四是桥梁监控子层，五是管理子层。而服务支撑层强调以底层所采集数据为核心，基于云计算、数据分析和中间件等平台打造相应的资源库，确保所打造资源库可对数据进行实时更新，使业务需求得到最大限度的满足。

3.1.3 网络层

网络层可通过承载网络，对感知层所提供数据进行及时且高效的传输，确保各类信息均能够第一时间到达应用层并为应用层所用。

3.1.4 感知层

感知层负责采集数据，同时将采集所得数据上传到网络层。考虑到桥梁监测所涉及传感器类型较多，为保证各类传感器所采集数据均可得到充分利用，设计人员指出应对感知层适配协议、同步处理信息等能力进行提高，在此基础上，以应用层所发布配置指令为依据，有序开展配置节点、通信以及访问控制等工作，使所接入传感器的优势得到充分发挥。

3.2 系统构成

3.2.1 管理系统

该系统可被拆分成三部分，分别是资源管理、权限管理以及配置管理，其中，资源管理负责管理桥梁所安装传感器和采集设备，确保现有设备所采集数据资源均能够得到充分利用。权限管理所管理对象以用户为主，强调以用户类型为依据，对其访问、管理权限进行设置。配置管理则可以通过调整现场设备相关参数的方式，在桥梁、平台间搭建起虚拟的桥梁，确保现实世界与虚拟网络间存在映射关系。

3.2.2 保通系统

对该系统进行建立时，设计人员应综合考虑机械调配、项目资料和环境因素，在各部门的帮助下，确保所建立系统能够起到应急保通的作用。该系统正式投入使用后，将大幅提高桥梁运维实效性。

3.2.3 监控系统

该系统由三个子系统组成，各子系统所提供功能均有所不同，可被用来对水上交通、桥梁结构和运维条件进行监控，其中，监控水上交通的子系统主要负责为船舶提供引导，确保船舶能够顺利通过航道，该子系统往往需要配合防撞系统、报警系统使用，使服务水平最大限度接近预期。监控桥梁结构的子系统，需要搭载相应的传感设备，确保路桥结构和相关构件始终处于安全且可靠的状态。而监控运维条件的子系统，通常被用来对船舶通航还有车辆通行进行实时监控，该系统往往会通过人工+自动监控的方式，实现监控全覆盖[2]。

3.2.4 检修系统

该系统主要负责检测桥梁、确定损伤程度和维修。在发生风险事件后，工作人员便可凭借该系统对桥梁是否受到损伤、损伤程度加以确定，为后续维修工作的开展提供参考。另外，该系统在维修加固的过程中，同样发挥着极为重要的作用，可确保航运、陆运始终处于畅通的状态。

4 平台在桥梁监测与养护中的应用要点

该平台可被用来对大量桥梁进行运维管理，核心构件包括采集和传输数据的系统、监测平台。设计人员决定采取Java+Strust2+Eclipse 的设计方案，确保该平台在性能、扩展性等方面的表现可达到预期，同时引入Hadoop，用以对数据进行并行分析与处理。该平台所搭载服务器集群可提供以下功能：一是控制并处理数据，二是管理数据，三是评估结构的安全性。

4.1 采集系统

在确定硬件系统所搭载的传感设备时，设计人员应以桥梁特征和需求为依据，对设备类型、数量加以调整。多数情况下均可采取如表1所示的布设方案。

表1 设备布设方案

在适当位置增设采集数据的机柜，负责对传感器数据进行实时采集与处理。本项目所涉及传感器信号，主要分为常规信号和专用信号两类，其中，常规信号有485信号和模拟信号，专用信号包括光纤光栅、动态称重等。鉴于此，设计人员指出应针对不同类型的信号，分别引入相应的采集模式，以时钟同步处理为前提，将经过处理的信号上传到对应的监控中心，由监控中心负责后续工作。常规采集模式强调凭借PXI计算机完成采集工作，采集对象为应变计、位移计、加速计、温湿度传感器、风速仪。专用采集模式所包含设备，主要有路况传感器、光纤传感器、GPS、称重仪，上述设备均由专用采集器负责采集，确保采集所得数据真实且准确。

4.2 传输系统

该平台所搭载的传输网络分别针对监测中心、以太网配备了相应的交换机，其中，监测中心所配备交换机的数量为1 台，以太网所配备交换机的数量为2台，上述交换机均按照TCP/IP 要求运行。一般来说，以太网交换机负责对采集机柜所提供数据进行存储，经过预处理后，再将数据上传到监测中心，由监测中心所配备交换机对数据进行更加系统的处理。现场机柜、监控中心间通过光缆连接。传输网络可依托VLAN对原始数据、其他接入系统进行分类，其中，仅有负责接收数据的服务器可对采集所得原始数据进行读取，该设计能够避免连接过多，导致数据传输速度或安全性受到影响[3]。

4.3 监测平台

该平台所采取管理模式为云端管理，可同步接入大量桥梁，确保任一桥梁结构均有在线模型对应，同时各个在线模型均具备实时更新的功能。该平台所搭载功能模块如下。

4.3.1 监测模块

该模块的核心功能有两个，一是实时监控数据，二是查询历史数据，利用图形对数据结果进行直观显示，保证现场传感器所提供时间序列相同，与此同时，对告警信息、设备状态相关信息进行显示。除特殊情况外，挠度曲线的横轴均代表时间，纵轴则代表挠度值，页面所包含的信息还包括告警链接、告警阈值等[4]。

4.3.2 分析模块

该模块负责对比相同传感器所提供数据、不同传感器所提供数据，在明确数据内在关联的前提下，完成分析结构性能及载荷的工作。

4.3.3 巡检模块

该模块主要负责点检、日常巡检，其中，点检是指以巡检所掌握资料、报警信息为依据，制定派工单，并组织维修人员前往指定区域完成维修工作。日常巡检则需要巡检人员以现有计划为参考，根据巡检计划所提供地点、时间等信息，有序开展巡检工作，同时对巡检情况进行如实记录[5]。

4.3.4 告警管理

该模块可提供结构告警、设备告警功能，强调以分析所得结果为依据，综合考虑专家评价及建议，对告警模型进行建立，在及时发布预警的前提下，为桥梁管养等工作提供相应的支持。

4.3.5 权限管理

该模块可根据用户类型，对角色进行设置，视情况赋予不同角色相应的权限。在本项目中，被使用率较高的权限为数据权限和功能权限。

4.3.6 配置管理

该模块主要被用来建立新增桥梁相关虚拟模型，其优势在于无需搭配使用大量页面以及开发功能，便能够完成接入桥梁的工作。

4.3.7 报表管理

该模块所提供功能较多，包括但不限于导入检测所得结构数据、维护数据、统计数据、自动生成并打印相关评估报告。新增该模块的目的主要是降低工作人员获取检测所需信息的难度，为检测工作的高效开展助力。

5 结语

本文从智能管养桥梁的视角出发，对数据来源、应用方向进行分析，从而制定了监测和养护平台所适用的设计方案。为实现全面智能化的目标，笔者建议未来将研究中心向以下方向倾斜：其一是对数据标准进行统一，研发相应的采集器，对所采集数据的差异进行缩小，为传输工作提供便利；其二是对数据应用进行优化，确保事故预警、定损检测可尽快得到落实，赋予管理维护更加理想的效果。