周 敏，岳麗娜

(1.武漢理工光科股份有限公司，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學(xué) 光纖傳感技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430070)

基于物聯(lián)網(wǎng)和云技術(shù)的橋梁結(jié)構(gòu)安全信息平臺(tái)設(shè)計(jì)

周 敏1，岳麗娜2

(1.武漢理工光科股份有限公司，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學(xué) 光纖傳感技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430070)

為強(qiáng)化路網(wǎng)橋梁安全信息化管理，基于物聯(lián)網(wǎng)和云技術(shù)，整合橋梁健康監(jiān)測(cè)、人工巡檢、專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)等橋梁結(jié)構(gòu)安全信息，構(gòu)建橋梁結(jié)構(gòu)安全信息平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多橋信息的集成化管理，開(kāi)展有據(jù)可循的橋梁決策咨詢(xún)與管理工作，提升橋梁管養(yǎng)水平。該平臺(tái)采用通用化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，安全、可靠、可擴(kuò)展，易于產(chǎn)業(yè)化推廣和應(yīng)用。

物聯(lián)網(wǎng)；云技術(shù)；橋梁；結(jié)構(gòu)安全；信息平臺(tái)

隨著橋梁建設(shè)年限的增加，橋梁結(jié)構(gòu)日趨陳舊老化，加之普遍出現(xiàn)的貨運(yùn)超載現(xiàn)象，對(duì)橋梁運(yùn)營(yíng)形成了較大的安全隱患。橋梁安全問(wèn)題已成為各級(jí)公路管理部門(mén)工作的重點(diǎn)與難點(diǎn)。目前橋梁管理多采用傳統(tǒng)的手段和方法，但傳統(tǒng)方法個(gè)體差異性大，造成橋梁管理工作難以標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，有限的養(yǎng)護(hù)資金難以發(fā)揮最大效益[1]。雖然各級(jí)公路橋梁管養(yǎng)責(zé)任主體針對(duì)橋梁管理信息化已各自開(kāi)展了相關(guān)前期工作[2]，但現(xiàn)存的橋梁屬地管理模式造成相關(guān)經(jīng)營(yíng)主體均自行負(fù)責(zé)信息系統(tǒng)建設(shè)，橋梁信息化安全管理模式較為松散。且依據(jù)傳統(tǒng)手段所提供的檢測(cè)信息個(gè)性化特征明顯，對(duì)反映橋梁結(jié)構(gòu)安全的重要參量無(wú)廉價(jià)、快速的檢測(cè)手段，形成的檢測(cè)結(jié)果多偏重于病害描述，而非安全結(jié)論。該現(xiàn)狀造成了上級(jí)公路橋梁管養(yǎng)責(zé)任主體無(wú)法得到統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)口徑的橋梁信息，所依據(jù)的現(xiàn)有信息難以支撐路網(wǎng)橋梁的安全質(zhì)量評(píng)判，這不僅是人力、物力、財(cái)力的浪費(fèi)，還不利于緊急情況下形成相關(guān)部門(mén)之間的快速聯(lián)動(dòng)機(jī)制。為此，筆者利用物聯(lián)網(wǎng)[3]和云技術(shù)[4]，從傳統(tǒng)的面向過(guò)程的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向面向?qū)ο?、面向服?wù)的設(shè)計(jì)，搭建集成化的橋梁結(jié)構(gòu)安全信息平臺(tái)，由平臺(tái)服務(wù)器統(tǒng)一管理各橋安全信息，提供開(kāi)放的對(duì)外服務(wù)接口，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)之間信息的網(wǎng)絡(luò)互通，便于管理者統(tǒng)籌規(guī)劃養(yǎng)護(hù)資金和決策養(yǎng)護(hù)計(jì)劃。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)和云技術(shù)的橋梁結(jié)構(gòu)安全信息平臺(tái)

基于物聯(lián)網(wǎng)各橋梁結(jié)構(gòu)安全信息接入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)集中管理，信息交換，進(jìn)一步提高系統(tǒng)智能化水平，降低人工的強(qiáng)度與難度。同時(shí)針對(duì)結(jié)構(gòu)安全管理不能直接使用原始采集數(shù)據(jù)的特性，通過(guò)云技術(shù)解決海量時(shí)間序列數(shù)據(jù)處理、專(zhuān)業(yè)計(jì)算分析、存儲(chǔ)、接口服務(wù)需求。云技術(shù)將相關(guān)能力以服務(wù)的方式提供給用戶(hù)，允許用戶(hù)在不了解提供服務(wù)的技術(shù)、沒(méi)有相關(guān)知識(shí)及設(shè)備操作能力的情況下，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)獲取所需要的服務(wù)。在橋梁結(jié)構(gòu)安全信息管理領(lǐng)域，該平臺(tái)的云技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)問(wèn)題的兩個(gè)方面，兩者均以互聯(lián)網(wǎng)為重要基礎(chǔ)，云技術(shù)側(cè)重于增強(qiáng)系統(tǒng)應(yīng)用的專(zhuān)業(yè)性并提高計(jì)算分析智能化水平，物聯(lián)網(wǎng)是獲取橋梁結(jié)構(gòu)信息的基本保證，兩者互相融合，相輔相成。

1.1 平臺(tái)搭建總體方案

按照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[5-6]，有針對(duì)性地獲取橋梁結(jié)構(gòu)安全所需的關(guān)聯(lián)信息，結(jié)合橋梁目前實(shí)施最多的橋梁人工巡檢、專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)及在線(xiàn)健康監(jiān)測(cè)[7-9]工作進(jìn)行電子化、網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)化的信息獲取，搭建安全信息平臺(tái)進(jìn)行橋梁安全數(shù)據(jù)集成管理，標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、計(jì)算評(píng)估、鏡像存儲(chǔ)、對(duì)外服務(wù)及提供運(yùn)營(yíng)決策信息，形成橋梁數(shù)據(jù)信息管理規(guī)范和制度。

(1)安全信息平臺(tái)架構(gòu)。橋梁結(jié)構(gòu)安全信息由信息平臺(tái)負(fù)責(zé)搜集和整理。信息平臺(tái)架構(gòu)基于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)B/S模式，完成對(duì)橋梁群信息的管理決策，并為各級(jí)應(yīng)用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)和功能服務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和功能復(fù)用。在數(shù)據(jù)中心通過(guò)IIS搭建應(yīng)用服務(wù)，實(shí)現(xiàn)基于權(quán)限分配的多用戶(hù)管理訪(fǎng)問(wèn)。橋梁安全信息平臺(tái)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 橋梁安全信息平臺(tái)總體構(gòu)架

(2)WebGIS調(diào)用開(kāi)發(fā)。建立調(diào)用WebGIS[10]的橋梁群網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)平臺(tái)，在統(tǒng)一的空間信息框架基礎(chǔ)上提供橋梁群空間屬性信息。以橋梁群空間信息的共享和建設(shè)為主線(xiàn)，整合橋梁地理空間信息，為空間數(shù)據(jù)的共享、業(yè)務(wù)系統(tǒng)的建設(shè)及各層次的輔助決策等提供空間支持和服務(wù)。通過(guò)網(wǎng)頁(yè)交互操作GIS地圖，直觀查找某種查詢(xún)規(guī)則下橋梁的位置、圖片信息及文字資料，如圖2所示。

圖2 橋梁安全信息平臺(tái)GIS界面

1.2 平臺(tái)構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)

從傳統(tǒng)的單一系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法轉(zhuǎn)向集中化、專(zhuān)業(yè)化和產(chǎn)品化實(shí)施體制，采用大型分布式分級(jí)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的硬件、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集、通訊、存儲(chǔ)、備份、安裝部署、服務(wù)接口、性能、決策支持、系統(tǒng)診斷等功能。

(1)橋梁結(jié)構(gòu)安全數(shù)據(jù)庫(kù)。構(gòu)建橋梁結(jié)構(gòu)安全數(shù)據(jù)庫(kù)，保障橋梁結(jié)構(gòu)安全多期信息的延續(xù)性和可比性，并兼顧信息平臺(tái)在不斷發(fā)展中擴(kuò)充、升級(jí)及優(yōu)化。該平臺(tái)的數(shù)據(jù)可以分為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)與非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)[11]，其中結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)是指可以用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的表和視圖的形式存貯和表示的數(shù)據(jù)。非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)主要是以文檔形式存在的數(shù)據(jù)，部分文檔數(shù)據(jù)也可以具有一定的結(jié)構(gòu)。平臺(tái)將采用分布式關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)(各橋梁數(shù)據(jù)庫(kù))到集中式數(shù)據(jù)中心(橋梁數(shù)據(jù)集成平臺(tái))的方式管理結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)與非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。為了實(shí)現(xiàn)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)一管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)，同時(shí)考慮海量數(shù)據(jù)管理和性能的問(wèn)題，系統(tǒng)選用可跨越多版本服務(wù)器平臺(tái)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)SQL Server作為數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)[12]。橋梁結(jié)構(gòu)安全數(shù)據(jù)庫(kù)原始層負(fù)責(zé)記錄橋梁結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)、人工巡檢、專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)等動(dòng)態(tài)橋梁數(shù)據(jù)和靜態(tài)橋梁屬性檔案，標(biāo)準(zhǔn)化管理未經(jīng)處理的橋梁結(jié)構(gòu)基本屬性資料、動(dòng)態(tài)更新信息；基礎(chǔ)層面向監(jiān)管和服務(wù)功能，在獲取的橋梁各類(lèi)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上根據(jù)專(zhuān)家評(píng)估系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息匹配關(guān)聯(lián)與二次處理，實(shí)現(xiàn)信息查詢(xún)、展現(xiàn)所需數(shù)據(jù)源關(guān)鍵字段識(shí)別，結(jié)構(gòu)安全數(shù)據(jù)庫(kù)如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)安全數(shù)據(jù)庫(kù)

(2)基于網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸。橋梁安全信息平臺(tái)與各橋梁數(shù)據(jù)通過(guò)同步方式或異步方式，實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)拷貝，利用分布式到集中式的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理統(tǒng)一各類(lèi)數(shù)據(jù)的一體化集成。結(jié)合國(guó)家最新規(guī)范要求及橋梁管理養(yǎng)護(hù)工作在規(guī)范實(shí)施中存在的難點(diǎn)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全信息主要包括在線(xiàn)健康監(jiān)測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)人工巡檢和結(jié)構(gòu)專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)信息等進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化傳輸，作為橋梁結(jié)構(gòu)安全信息平臺(tái)長(zhǎng)期、穩(wěn)定、可靠的信息源，具體如圖4所示。

圖4 信息采集和處理

(3)基于安全信息平臺(tái)的監(jiān)管和服務(wù)功能。安全信息平臺(tái)監(jiān)管和服務(wù)目標(biāo)是為公路橋梁管養(yǎng)責(zé)任主體決策橋梁安全管理重點(diǎn)和方向，為養(yǎng)護(hù)資金分配和計(jì)劃管理提供量化依據(jù)，如圖5所示。信息平臺(tái)專(zhuān)家決策系統(tǒng)的主要功能包括：①分級(jí)進(jìn)行功能定位與權(quán)限安全約束；②圖表方式進(jìn)行信息分類(lèi)統(tǒng)計(jì)查詢(xún)；③程序化、規(guī)則化進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評(píng)價(jià)信息的多期、多評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算；④動(dòng)態(tài)信息評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)分類(lèi)，制定面向不同需求設(shè)計(jì)自動(dòng)分類(lèi)結(jié)果的排序規(guī)則，基于自動(dòng)分類(lèi)排序結(jié)果制定管理養(yǎng)護(hù)預(yù)案策略。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)和云技術(shù)的橋梁結(jié)構(gòu)安全信息平臺(tái)實(shí)施

(1)實(shí)施技術(shù)路線(xiàn)?；谖锫?lián)網(wǎng)和云技術(shù)的橋梁安全信息平臺(tái)搭建需由包括橋梁結(jié)構(gòu)工程、儀器與測(cè)量技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)、信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)等專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員聯(lián)合實(shí)施，橫跨多個(gè)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，體系規(guī)模龐大，監(jiān)測(cè)對(duì)象屬性復(fù)雜，專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)。該平臺(tái)圍繞從橋梁靜態(tài)屬性信息與反映橋梁結(jié)構(gòu)安全的動(dòng)態(tài)信息錄入角度，開(kāi)展橋梁基本屬性分類(lèi)、人工巡檢電子化、橋梁專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)及多信息網(wǎng)絡(luò)化定位接入；從信息的使用角度，構(gòu)建橋梁結(jié)構(gòu)安全信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，開(kāi)展以保證橋梁結(jié)構(gòu)安全、及時(shí)管理養(yǎng)護(hù)為目標(biāo)的專(zhuān)家系統(tǒng)。總體實(shí)施技術(shù)路線(xiàn)框架如圖6所示。

(2)平臺(tái)應(yīng)用。該系統(tǒng)的界面采用當(dāng)前主流深色調(diào)UI界面、多色彩數(shù)據(jù)高亮顯示方式，如圖7所示。系統(tǒng)主界面可進(jìn)行多橋橋梁切換展示，提供平臺(tái)服務(wù)功能、橋梁檔案功能、結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)功能、人工巡檢功能、專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)功能、領(lǐng)導(dǎo)查詢(xún)功能、系統(tǒng)管理功能等，并提供公網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)職能，系統(tǒng)功能界面，如圖8所示。

圖5 安全信息平臺(tái)監(jiān)管和服務(wù)

圖7 平臺(tái)登錄界面

圖8 人工巡檢功能界面

3 結(jié)論

筆者以物聯(lián)網(wǎng)和云技術(shù)為基礎(chǔ)，搭建橋梁結(jié)構(gòu)安全信息平臺(tái)，整合橋梁在線(xiàn)健康監(jiān)測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)人工巡檢和結(jié)構(gòu)專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)信息，在橋梁結(jié)構(gòu)安全信息數(shù)據(jù)量大的基礎(chǔ)上提高了標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化程度，對(duì)多橋信息化集成管理實(shí)現(xiàn)了分期開(kāi)展，提升了橋梁科學(xué)管養(yǎng)水平。

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TheKeyTechniquesofBridgeStructureSafetyInformationPlatformBasedonInternetofThingsandCloudTechnology

ZHOUMin,YUELina

In view of the road network bridge safety information management, based on the internet of things and cloud technology, integration of bridge health monitoring, artificial inspection and special testing to construct bridge, the safety information platform was built. It can realize the bridge information integrated management, carry out the effective bridge decision consultation and management, enhance the level of bridge maintenance. The platform design meets the general utilization and standardization. It is safe, reliable and extensible. This techniques is easy to industrial popularize and application.

internet of things；cloud technology；bridge；structure safety；information platform

2095-3852(2017)06-0765-04

A

2017-06-06.

周敏(1979-)，女，湖北武漢人，武漢理工光科股份有限公司高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)安全狀態(tài)分析與評(píng)估、安全信息分析.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61402345).

U446.2

10.3963/j.issn.2095-3852.2017.06.023

ZHOUMin:Senior Engineer; Wuhan WUTOS Co. Ltd., Wuhan 430070, China.