基于数据流驱动的BIM技术城市桥梁群监测系统设计研究

文＿崔 玉（广西交通职业技术学院，副教授、高级工程师，硕士）

廖艳屏（广西交通职业技术学院，讲师、高级工程师，硕士）

陈钰婷（广西交通职业技术学院，讲师、工程师，硕士）

彭 来（广西交通职业技术学院，讲师、工程师，硕士）

目前，我国先进的桥梁建设技术快速升级，桥梁建设工程蓬勃发展，也涌现出许多造型独特的大型、特大型桥梁。但与此同时，我国的桥梁养护管理水平远远跟不上桥梁建设技术发展的步伐。交通运输部于2005年发布的《公路桥涵养护规范》及住房和城乡建设部于2003年发布的《城市桥梁养护技术规范》，都对桥梁技术状况监测与评估的内容、方法、周期做了相应规定。《公路水运工程试验检测管理办法》对桥梁监（检）测的机具和设备等参数做了明确要求。而现行规范中将桥梁检查分为经常检查、定期检查和特殊检查项目，经实践证明，这些项目对于大型桥梁的养护管理远远不够，由于大型桥梁的结构复杂、影响受力的因素众多，国内交通系统、铁路系统、市政系统的监测规范和标准均在制定过程中，但截至目前尚未有批复执行的针对大型桥梁、特殊结构桥梁完整的安全监测技术评定标准与规范，仍需要根据每座大型桥梁、特殊结构桥梁的特点制定特定的监（检）测系统。若无特定的、有效的先进技术手段做后盾，日常养护管理的工作量十分巨大，管理的效率和监管效果也难以保障。近年来国内外桥梁倒塌事件频繁发生，一个个血的教训促使管理者急需转变管理理念、完善管理体系、提高管理技术水平。一般管理部门除分析桥梁荷载作用下结构静动力响应数据外，还应记录桥梁构件及附属设施外部环境，对桥梁外观进行检测和监控，以及对各类资料及图像的筛选分析。

本文对在建的某市城市级桥群监测管理平台进行深入研究，分析监测平台数据交换共享的关键难点，提出利用BIM技术高度集成桥梁工程信息的方法，实现在全寿命周期中动态管理工程项目数据。设计利用5D BIM完成桥群监测管理的电子沙盘的构建，高效管理桥梁（群）工程的质量、进度、资料，致力于桥梁监控协同可视化，推进桥群管理水平的发展。

一、平台架构设计

系统平台在架构上必须先总体满足系统功能要求。GIS平台及分布式数据库将作为整个系统的上层管理架构，结合线上云平台，创立一个专门针对城市级桥梁群的具备三层B/S及C/S混合架构的安全监管平台。该平台可以把通讯光缆作为传输网络信息的介质，将控制中心与现场结构测量点紧密地结合成分布式的整体，同时Remote User（远程用户）可以通过云平台链接至现场各大桥的管理中心，并通过调取数据、控制及监控的方式对桥梁结构健康状态进行系统评估。Remote User可以直接从数据采集服务器获取数据，多个数据采集服务器可以并行提供数据传输，使Remote User能够同时获取多个桥梁结构上的实时状态数据。整个系统利用GIS技术将空间信息和非空间信息结合起来，以满足数字化、资源利用高效化和可持续发展的要求。系统总体平台架构如图1所示。

图1 系统总体平台架构图

桥梁结构安全评估方法架构步骤如下。

（1）对新建大桥进行结构健康监测、风险评估和构件易损性分析，找出结构关注重点。

（2）依据结构关注重点，建立监测方案和巡检方案。监测方案主要包括监测项、监测频率、监测特征值等。巡检方案包括巡检内容、巡检方法（仪器、频率等）、相应的电子化人工巡检系统。

（3）监测和巡检的数据共同构成监测预警和结构安全评估的基础。

（4）依据监测数据及构件评定标准，建立预警方案和预警阈值。

（5）根据监测数据和巡检数据架构结构安全评估方法，进行技术状况评估和专项评估。

各单桥健康监测系统由于建设单位不同，地理位置分散，需要充分考虑各个已建成桥梁、在建桥梁及未来规划待建桥梁的健康监测系统的整合与接入，将各桥梁健康监测系统统一纳入本系统平台，初期计划使用电信或移动等通信运营商专线网络将各单桥梁健康监测系统接入集成管控平台。

集成管控平台的数据来源可以划分为桥梁基本静态数据库、在线监测动态数据库和电子化人工巡检数据库三类。桥梁基本静态数据库包括桥梁总体信息、桥梁上部结构、桥梁下部结构、桥梁桥面结构、桥梁设计、桥梁附属设施。在线监测动态数据库包含各传感器实时监测数据、历史统计数据、超限预警数据、视频监控数据等。电子化人工巡检数据库包含桥梁巡查信息、病害统计信息、技术状况评定信息、根据模型推演的桥梁退化预测信息、决策优化信息等。

本文介绍的数据计算分析系统作为平台核心服务组件，通过对上述三大数据库的管理、分析及挖掘，为平台提供数据交换整合、数据可视化展示、数据查询与统计综合分析与决策支持等服务，进而实现平台数字化监测、在线实时监管、安全报警及巡检养护等核心功能。平台框架结构设计如图2所示。

图2 平台总体结构

二、基于数据流驱动的BIM技术桥梁监测管控研究

（一）BIM监测平台

集成管控平台根据现有各桥梁子监控中心基础数据管理系统的空间数据和属性数据，集成相关的硬件、建立数据库、开发应用软件、完成桥梁结构安全的BIM信息化管理。通过健康监测数据的采集和日常养护信息的有机整合，实现市管桥梁安全的实时监控。

由于各数据采集终端地理位置相距遥远，因此有必要建立便于操作的界面，使开发人员与用户能够及时改变系统的设置。这就导致在安装调试初期，需要通过经常改变参数设置以大幅减低调试时长。

对于数据采集与传输模块的硬件部分，考虑系统中使用的传感测试设备类型众多，针对不同的设备特性和输出信号类型，数据采集与传输需采取不同方案。所选择的数据采集设备、传输设备和供电设备均符合工业级的要求，利用工业以太网技术，选用光纤冗余环网，实现大桥外场与监控中心（内场）的可靠连接，确保网络通信顺畅。

数据采集与传输模块的软件部分，主要用于完成原始数据的获取与传输，是连接现场采集设备和监控中心应用软件的中转站，要求系统有较高的稳定性和可自修复性，故采用当今主流的Linux平台作为采集软件的运行平台。相比其他平台操作系统，Linux实时响应性能较强，在多任务处理及可靠性、稳定性、可扩展性上均满足BIM监测平台的需求。针对路桥监测系统的特点，基于Linux平台搭载数据采集软件，能够实现数据监测的抗干扰性强、实时性强、精度高、稳定性和可靠性都不错的特点。

监测平台作为集成管控平台的一个重要组成部分，根据前期对实际管养业务的调查、分析，拟具备以下几个功能。

（1）开放式的分层架构；

（2）组织、用户、权限管理；

（3）基于表单的工作量引擎；

（4）文档信息管理；

（5）即时消息通讯。

通过设置BIM监测平台，打破严重限制各个职能部门和业务系统协作的“信息孤岛”现象，为不同业务系统搭建数据共享平台并形成一个整体信息库。同时，通过数据交换平台统一化为各个业务系统间的数据交换提供单一安全的渠道，在信息共享的基础上确保数据信息安全。

（二）主要技术路线

在系统建设与设备选型上，系统平台强调系统设备先进性、可靠性、可扩展性和兼容性，使用能适应目前发展趋势的先进技术，并充分考虑技术成熟程度、关键设备使用硬件备份与冗余，建立安全防护与容灾备份机制，以确保应急平台的安全、顺利运行。

本系统以J2EE平台为基础，利用JSON数据交换标准及SOA框架将多种业务封装成为松散耦合的模块，通过对XML数据包增加标签数据（元数据），使得调用接口富有弹性，从而为终端用户及开发商提供企业级的应用与开发设计平台。

技术路线方面，组件化技术的应用可以将BROWER-APPSERVER-DBSERVER多层构架模型激活。通过交换平台实现可靠、稳定、及时的外部数据交换，各个应用终端利用客户端浏览器根据不同的权限实现数据的添加、删除、修改和检查。整个系统采用B/S多层体系架构，其中客户（请求消息）、流程（请求处理）和数据（运算）将独立运作。多层架构就是把展示层和业务逻辑层分离开的更加灵活的架构，它意味着业务代码相互独立，业务逻辑层居中，这样的架构可以带给用户更好的交互体验，减少对后端系统的依赖，对系统扩展有大帮助，多层结构下系统的安全性实现也更有保障。

在一个多层次系统中，每一个层次都由一个应用程序独立构成。客户机正常地执行描述逻辑，应用服务器则执行业务处理逻辑。事务处理中，客户机只需向应用服务器发送一个请求，大大降低网络通信难度。每个应用程序的所有用户可以共享该程序的业务逻辑以更好地控制业务处理进度，并在事务处理因修改发生变更时大大简化变更的实现过程。数据服务器可以对数据存储管理和读取方式进行优化。

系统服务器端采用Apache+Tomcat作为底层平台框架，服务器端开发框架采用SpringBoot/Mybatis等最新的BIM软件开发技术，采用模块化设计理念，实现高内聚、低耦合的功能模块研发，具体系统平台技术框架如图3所示。

图3 系统平台技术框架

（三）平台功能设计

平台功能设计的首要工作是业务功能架构设计，旨在厘清系统功能边界、梳理系统内功能间的关系、刻画信息宏观流动方式。

系统的主要业务功能包括桥梁健康监测系统的接入、桥梁巡检养护管理系统的建立、交通实时监控管理及与其他部门之间的数据共享。

根据本项目需求分析，城市级桥群信息化监管平台设计包含：GIS桥群管理、结构健康监测子系统、安全预警评估子系统、中心数据库子系统、数据交换接口等功能模块，各子系统通过用户权限管理整合为一个统一的综合监管集成管控平台。

根据桥梁构件的特点、风险分析和规范要求，对桥梁各主要构件进行单元离散化解析，建立构件库终身ID编码体系，让每个单元都可以通过ID编码与相关的静态和动态属性信息（如建设期信息、运营期监测和维护数据等）进行唯一性关联。采用BIM技术从桥梁构件特性出发，以风险分析和规范要求为原则，进行单元离散化解析并构建单元终身ID编码体系，形成构件库。构件库与风险库、维修措施库、病害库、检查措施库可进行交互，共同组成本系统的五大基础知识库，是本系统的基石，体现系统开发单位桥梁专业技术水平、经验和底蕴。

基于桥梁构件离散、精细化的桥梁构件编码体系，实现专业化管养编码。编码体系的设计标志着可实现信息标准化管理的桥梁监控体系。编码是数据处理效率的重要影响因素，同时也决定各功能模块业务处理功能的便利性和准确性。所有的信息编码均具备符号序列、符号排列规则和根据特定的符号序列表达特定的信息内容三个要素。桥梁构件解析与编码示意如图4所示。

图4 桥梁构件解析与编码示意

依据单元特性、危险性和结构分析，建立构件的属性特征。桥梁构件单元属性特征由动态信息，静态信息以及知识信息组成。桥梁构件属性如图5所示。

图5 桥梁构件属性

静态信息包括材料信息、几何信息、图纸信息等参数信息，以及检查频率、检查要求、养护要求等。

动态信息包括历次病害信息、检查信息、维修信息和评定信息等。

知识信息包括风险库、检查检测措施库、病害库和维修病害库等。

三、结语

本文依据上述BIM技术桥梁监控平台设计研究，研发了基于数据流驱动的BIM技术桥梁监测管控云平台，并成功应用于城市桥群、造型独特的大型桥梁等。

利用BIM技术平台建设桥梁监控系统，可以显著降低桥梁监控系统运维成本。基于数据流驱动的数据交换技术，桥梁监测管控云平台设计能够打破当前“信息孤岛”现象，在实现信息共享的基础上确保数据信息的安全，为未来新业务系统的建设提供标准，减少数据采集方面的资本投入，并提高效率和服务水平。构建基于全面的监测、检测综合分析的平台，可将原本单一的、有限范围的主体结构监测、检测、养护转为全桥全面、完整、立体的系统监管体系，有利于后期形成一个分级城市综合监管或者公路级平台统一体系，适合我国桥梁“管、建”分家的特点，能解决目前桥梁养护管理人员相关专业技能相对薄弱的问题，并规范他们的日常养护管理操作。