孫 濤， 鄧長軍， 鄒春蓉

(中鐵西南科學(xué)研究院有限公司， 四川成都 611730)

橋梁健康監(jiān)測的基本內(nèi)涵是通過對橋梁結(jié)構(gòu)性能狀態(tài)的測量、收集、處理、分析和評估，為橋梁在特殊氣候、交通條件下或橋梁運(yùn)營狀況嚴(yán)重異常時觸發(fā)預(yù)警信號，為橋梁維護(hù)管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)[1]。近年來，隨著大跨徑橋梁的輕柔化及形式與功能的復(fù)雜化，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)術(shù)界、工程界的研究熱點。21世紀(jì)80年代中后期以來，美國、英國等許多國家就開始在一些大跨徑橋梁上建立健康監(jiān)測系統(tǒng)，例如美國佛羅里達(dá)州的Sunshine Skyway Bridge橋上安裝了500多個傳感器，用來監(jiān)控橋梁施工和成橋狀態(tài)下的溫度、應(yīng)變和位移。國內(nèi)的橋梁健康監(jiān)測的起步較晚但是發(fā)展速度較快，現(xiàn)已在蘇通大橋、潤揚(yáng)長江大橋、杭州灣跨海大橋等多座大型特殊結(jié)構(gòu)橋梁上建立了健康監(jiān)測系統(tǒng)[2-3]。

隨著現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計趨于大型化、復(fù)雜化，使得橋梁健康監(jiān)測的測點數(shù)目和傳感器類型越來越多，導(dǎo)致海量的監(jiān)測數(shù)據(jù)越來越難以管理與理解。并且傳統(tǒng)的健康監(jiān)測系統(tǒng)多為二維模型，著重于結(jié)構(gòu)監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集，對于數(shù)量龐大的監(jiān)測數(shù)據(jù)如何直觀地顯示與實時動態(tài)預(yù)警管理卻涉及較少[4]。因此，本文以成都某斜拉橋為項目依托，將BIM技術(shù)三維可視化與傳統(tǒng)的健康監(jiān)測系統(tǒng)相結(jié)合，研究開發(fā)了集成系統(tǒng)三維模型顯示、數(shù)據(jù)高效采集傳輸分析處理、多平臺實時安全預(yù)警、監(jiān)控視頻互聯(lián)等技術(shù)的健康監(jiān)測系統(tǒng)。

1 橋梁健康監(jiān)測方案

1.1 工程概況

世紀(jì)城路東延線跨府河大橋(以下簡稱府河大橋)位于成都市高新區(qū)，為弧形單搭單索面斜拉橋，橋長215 m，橋?qū)?1 m，跨徑布置為130 m+57 m+28 m。主橋橋塔側(cè)面為“人”字形獨(dú)塔體系，分為主塔和副塔兩部分，采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，橋塔總高度為89.5 m，索塔基礎(chǔ)采用群樁基礎(chǔ)。主梁為鋼箱梁+預(yù)應(yīng)力混凝土箱形梁，主跨為鋼箱梁，輔跨為預(yù)應(yīng)力混凝土箱形梁，兩者之間設(shè)2 m的鋼-混凝土結(jié)合段。塔梁之間采用固結(jié)體系，斜拉索布置于橋梁中心線處，主跨和輔跨縱向非對稱布置，全橋共計斜拉索20組。

該橋索塔外形為曲線，整體造型獨(dú)特，兩側(cè)跨度的不一致、斜拉索縱向非對稱布置方式均增加了索塔受力的復(fù)雜性，為保持平衡，主塔兩側(cè)主梁材料也不一致，在結(jié)合段易出現(xiàn)應(yīng)力集中等現(xiàn)象。

1.2 監(jiān)測點位布設(shè)

世紀(jì)城路東延線跨府河大橋于2015年9月建成通車，同年12月建立了橋梁運(yùn)營期的健康監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)共布設(shè)測點184個(圖1)，監(jiān)測內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)溫度、主梁主塔位移、主梁主塔截面應(yīng)力監(jiān)測、車輛荷載、視頻監(jiān)控、橋梁結(jié)構(gòu)動力性能、斜拉索拉力。

2 健康監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)

本系統(tǒng)的總體架構(gòu)包括建立BIM模型、數(shù)據(jù)實時采集和傳輸、數(shù)據(jù)分析處理、多平臺顯示和視頻聯(lián)動四個部分，如圖2所示。

2.1 建立BIM模型

BIM是帶有設(shè)計參數(shù)的三維模型，同時也是多用戶信息交流與共享的平臺?；贐IM的橋梁健康監(jiān)測總體需求可歸納為3D-BIM建模、監(jiān)測點快速定位與直觀展示、BIM模型數(shù)據(jù)與健康監(jiān)測診斷數(shù)據(jù)融合等方面。集成到BIM的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測信息能夠有效降低數(shù)據(jù)的理解難度，提高監(jiān)測信息的管理效率[5-6]。

綜合比較國內(nèi)外多種BIM建模軟件的優(yōu)缺點，本系統(tǒng)最終選擇當(dāng)前國內(nèi)使用廣泛、建模自由度高的法國Dassault system的CATIA軟件實現(xiàn)橋梁的3D-BIM建模。采用適用于斜拉橋結(jié)構(gòu)特點和CATIA軟件的“骨架+模板”的三維建模方法。即以橋梁總體布置骨架為主導(dǎo)，以構(gòu)件設(shè)計模板為核心，結(jié)合參數(shù)化功能，實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的有效建模。

圖1 府河大橋傳感器立面布置示意

圖2 健康監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)

通過在橋梁BIM模型上建立監(jiān)測點專用族庫，利用BIM 參數(shù)化建模的特點，實現(xiàn)橋梁應(yīng)力應(yīng)變、結(jié)構(gòu)溫度、結(jié)構(gòu)變位、動力特性、斜拉索力等監(jiān)測數(shù)據(jù)與橋梁 BIM 模型的關(guān)聯(lián)集成。將監(jiān)測設(shè)備融合為橋梁的一部分，進(jìn)行BIM展示，可通過BIM快速查看監(jiān)測設(shè)備所安裝位置，編碼等信息。同時，通過編碼原則，將所有監(jiān)測設(shè)備通過編碼進(jìn)行識別，便于快速了解BIM不同位置的監(jiān)測設(shè)備所屬類型。圖3為府河大橋BIM模型，該模型實現(xiàn)了與監(jiān)測點位相關(guān)聯(lián)及測點可視化顯示。

圖3 BIM模型透視圖及測點可視化

2.2 數(shù)據(jù)實時采集和傳輸

數(shù)據(jù)實時采集和傳輸主要是數(shù)據(jù)采集模塊與數(shù)據(jù)傳輸模塊兩個單元組成。

數(shù)據(jù)采集模塊主要通過給傳感器設(shè)定固有頻率與高速不間斷頻率對結(jié)構(gòu)的動、靜態(tài)數(shù)據(jù)實施采集，在兼顧數(shù)據(jù)高精確性、高同步性、靈活性、以及傳感器維護(hù)性的同時，也為橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)安全評估提供穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸模塊是由光纖或電纜網(wǎng)絡(luò)將各傳感器采集到的數(shù)據(jù)連接到數(shù)據(jù)采集單元，再由數(shù)據(jù)采集單元整合后傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理與控制服務(wù)器。

根據(jù)調(diào)研，按照信號輸入方式和監(jiān)測的物理量不同，目前國內(nèi)外傳感設(shè)備輸出信號主要有模擬信號、數(shù)字信號和光信號三種，各廠家也提供與其傳感設(shè)備配套的采集與傳輸軟件，并提供配套軟件的定制開發(fā)服務(wù)，實現(xiàn)基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)實時采集與傳輸功能。

2.3 數(shù)據(jù)分析處理

數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)部署于云計算中心虛擬服務(wù)器上，一端與多平臺輸出端連接，一端與分布在各橋梁的現(xiàn)場監(jiān)測站數(shù)據(jù)采集與傳輸軟件相連。內(nèi)容包括對海量數(shù)據(jù)的高效管理、對監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合分析、對橋梁構(gòu)件的安全狀態(tài)進(jìn)行評估和預(yù)警，是整個健康監(jiān)測系統(tǒng)的核心和樞紐。

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)布設(shè)傳感器數(shù)量眾多，所有傳感器均為24 h連續(xù)采集，預(yù)計每小時數(shù)據(jù)量在150～200 MB之間，長期采集將形成海量數(shù)據(jù)。因此必須對數(shù)據(jù)收集與整理入庫進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃。為此，在邏輯上將整個系統(tǒng)劃分為五大數(shù)據(jù)庫：系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)庫、結(jié)構(gòu)信息數(shù)據(jù)庫、原始數(shù)據(jù)庫、處理后數(shù)據(jù)庫、健康狀態(tài)數(shù)據(jù)庫。利用統(tǒng)計法、時間序列法、自診斷技術(shù)等手段對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行實時預(yù)處理和分析[7]。若發(fā)現(xiàn)健康預(yù)警指標(biāo)出現(xiàn)明顯的異常變化，則立即發(fā)出預(yù)警信號(如光、聲、短信)，必要時刻立即中斷交通，避免二次事故的發(fā)生。

2.4 多平臺顯示和視頻聯(lián)動

為了滿足管理方多方面的監(jiān)測需求，開發(fā)了三種健康監(jiān)測系統(tǒng)顯示平臺，即橋梁三維模型仿真平臺、Web環(huán)境交互平臺、智能手機(jī)APP顯示平臺?；贑/S(客戶端/服務(wù)器)架構(gòu)的橋梁三維模型仿真平臺和BIM、3D GIS等先進(jìn)技術(shù)，搭建沉浸式橋梁三維仿真模型，將橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示與仿真模擬，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)部位的對應(yīng)分析和直觀識別，達(dá)到所見即所得的目的。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的到來，將監(jiān)測數(shù)據(jù)與處理結(jié)果進(jìn)行云同步，開發(fā)與本系統(tǒng)相匹配的Web環(huán)境交互平臺和智能手機(jī)APP顯示平臺(圖4)，可實現(xiàn)移動端的實時監(jiān)測。通過筆記本電腦、智能手機(jī)等任何可以接入4G網(wǎng)絡(luò)的移動設(shè)備，實時查詢監(jiān)測數(shù)據(jù)，獲取橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營狀態(tài)和健康預(yù)警信息。

圖4 手機(jī)APP應(yīng)用展示

同時，為了更直觀的了解監(jiān)測橋梁實際運(yùn)營情況，本系統(tǒng)建立了視頻聯(lián)動監(jiān)測模塊。通過布設(shè)于主塔上的監(jiān)控攝像頭獲得橋梁現(xiàn)場的實時影像資料，可為進(jìn)一步分析提供直觀的信息，也可以監(jiān)測橋面運(yùn)營狀態(tài)，并形成影視記錄，以便為橋梁健康評估提供實證。

3 系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)檢驗

3.1 系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)評定

系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，會由于儀器故障、傳感器或采集通道損壞、強(qiáng)電磁干擾等原因?qū)е聰?shù)據(jù)奇異或缺失。奇點率反映了奇異值與理論數(shù)據(jù)的百分比，奇異點即“不可能”數(shù)據(jù)點、重復(fù)數(shù)據(jù)點、鋒刺數(shù)據(jù)點，表現(xiàn)特征為局部時域?qū)崪y數(shù)據(jù)出現(xiàn)特別大或者特別小的錯誤數(shù)值；缺失率反應(yīng)了缺失數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的百分比，表現(xiàn)特征為數(shù)據(jù)文件中長段數(shù)據(jù)被賦0值[8-9]。將缺失率與奇點率相加得到系統(tǒng)運(yùn)行所有異常數(shù)據(jù)的百分比，將異常數(shù)據(jù)作為評定指標(biāo)，通過劃分多個評判區(qū)間，將各個監(jiān)測項目的運(yùn)行狀態(tài)劃分為良好、正常、合格、不合格四個評定等級，如表1所示。取所有監(jiān)測項目的均值，得到整個健康監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

表2為2016年1月至2018年1月的系統(tǒng)運(yùn)行期間所有監(jiān)測點位數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，最終獲取系統(tǒng)整體的運(yùn)行狀態(tài)。分析結(jié)果可知，除結(jié)構(gòu)溫度、車輛荷載的異常數(shù)據(jù)比例較高，導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)奇異和缺失外，其余監(jiān)測項目的異常數(shù)據(jù)均在5%以內(nèi)；系統(tǒng)整體的運(yùn)行狀態(tài)異常數(shù)據(jù)比例也在5 %以內(nèi)，表明系統(tǒng)所有測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)精度和準(zhǔn)確性符合要求，可靠性較高，系統(tǒng)總體運(yùn)行狀態(tài)良好。

表1 系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)指標(biāo)劃分

表2 系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)評定

3.2 系統(tǒng)自診斷技術(shù)

系統(tǒng)自診斷技術(shù)是橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)不可缺少的重要組成部分，主要實現(xiàn)在線對全橋傳感器系統(tǒng)、通訊等故障進(jìn)行自我診斷，實現(xiàn)對監(jiān)測過程中缺失數(shù)據(jù)和奇異數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，防止系統(tǒng)發(fā)出錯誤、虛假和無效警報。

針對監(jiān)測數(shù)據(jù)中的缺失問題，可通過線性拉格朗日插值函數(shù)補(bǔ)全[10]。具體方法為：首先利用傳感器的采樣頻率計算出監(jiān)測數(shù)據(jù)在某一時間段的理論采集個數(shù)n1，并統(tǒng)計出監(jiān)測數(shù)據(jù)在此時間段內(nèi)的實際采集個數(shù)n2，則需要補(bǔ)全的監(jiān)測數(shù)據(jù)采集個數(shù)為c=n1-n2，在此基礎(chǔ)上從實際監(jiān)測數(shù)據(jù)中均勻隨機(jī)選出c個插值空位，利用線性拉格朗日插值函數(shù)計算每個插值并補(bǔ)全遺漏個數(shù)。針對突然出現(xiàn)的奇點(跳點)時，在利用改進(jìn)格拉布斯判別法對異常值進(jìn)行識別后直接剔除，并同時需要利用n階拉格朗日插值多項式進(jìn)行補(bǔ)全。n階拉格朗日插值多項式為：

其中(i=0,1,2,…,n)。圖5為主梁跨中21號測點應(yīng)變異常數(shù)據(jù)的修正擬合圖。

圖5 主梁21號測點應(yīng)變擬合數(shù)據(jù)

3.3 安全預(yù)警

2017年10月20日23點28分，系統(tǒng)發(fā)出安全預(yù)警，初步分析為超載車輛過橋?qū)е孪到y(tǒng)發(fā)出警報。通過調(diào)取當(dāng)時的預(yù)警監(jiān)測數(shù)據(jù)(圖6)和監(jiān)控錄像(圖7)，發(fā)現(xiàn)在預(yù)警期間有6輛超載貨車通過主橋，主梁位移最大值超過系統(tǒng)設(shè)計閾值。

圖6 主梁位移超限實測數(shù)據(jù)圖

圖7 視頻監(jiān)控資料調(diào)取

安全預(yù)警的有效觸發(fā)驗證了本系統(tǒng)通過健康監(jiān)測自診斷技術(shù)，剔除了監(jiān)測過程中的異常數(shù)據(jù)并進(jìn)行修正擬合，實現(xiàn)了對超載事件的高效預(yù)警。

4 結(jié)論

本文以成都某斜拉橋為依托，建成了基于BIM平臺的橋梁運(yùn)營期健康監(jiān)測系統(tǒng)，且系統(tǒng)總體運(yùn)行狀態(tài)良好，實現(xiàn)了橋梁的智能化管理。該系統(tǒng)在傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，還實現(xiàn)了以下功能：

(1)基于BIM平臺，實現(xiàn)系統(tǒng)三維可視化，所見即所得，界面友好、操作方便。

(2)長期、實時、同步、連續(xù)地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)漂移小，數(shù)據(jù)精度和準(zhǔn)確性符合要求，數(shù)據(jù)可靠性較高。

(3)利用統(tǒng)計法、時間序列法、自診斷技術(shù)等手段對海量監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和分析，確保安全預(yù)警信息準(zhǔn)確高效。

(4)開發(fā)了橋梁三維模型仿真平臺、Web環(huán)境交互平臺、智能手機(jī)APP顯示平臺，并實現(xiàn)了各平臺與現(xiàn)場視頻監(jiān)控聯(lián)動，確保橋梁管理者實時掌握結(jié)構(gòu)健康狀況。