夏洪峰 劉興旺 趙大成

(1.中國鐵路武漢局集團(tuán)武漢高鐵工務(wù)段，湖北 武漢 430080；2.中鐵橋隧技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210061； 3.中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430050)

1 概述

截至2020年，鐵路十三五規(guī)劃全國鐵路營業(yè)里程達(dá)15萬km，高速鐵路里程達(dá)3萬km，其中，大跨度鐵路橋梁是鐵路運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其運(yùn)維安全是保障鐵路運(yùn)輸流暢，國民經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，具有重要的戰(zhàn)略意義。大跨度鐵路橋梁信息化管養(yǎng)平臺(tái)可以有效監(jiān)測(cè)橋梁運(yùn)營階段各類荷載及結(jié)構(gòu)響應(yīng)的變化特征，準(zhǔn)確把握橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的演化規(guī)律，是保障大跨度鐵路橋梁運(yùn)營安全的有效手段之一，已經(jīng)成為繼航空航天、國防、水利、建筑等領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究方向[1-3]。

與公路橋梁等其他基礎(chǔ)設(shè)施不同，鐵路橋梁是通過輪軌系統(tǒng)傳力方式，因此，除了監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)本身的結(jié)構(gòu)響應(yīng)以外，還需監(jiān)測(cè)軌道幾何狀態(tài)和梁端伸縮裝置等特殊構(gòu)件；其次，為保證列車運(yùn)營安全和舒適性，鐵路橋多以剛度作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，具有荷載重、運(yùn)營列車速度快、列車荷載明確、結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性要求高、“天窗”點(diǎn)檢修時(shí)間緊等特點(diǎn)，這對(duì)橋梁的信息化平臺(tái)建設(shè)的內(nèi)容、數(shù)據(jù)質(zhì)量和系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了更高的要求。既有《鐵路橋梁檢定規(guī)范》鐵運(yùn)函[2004]120號(hào)的評(píng)價(jià)體系主要是從荷載試驗(yàn)的角度進(jìn)行評(píng)價(jià)，已較難適應(yīng)現(xiàn)代大跨鐵路橋梁“狀態(tài)修”的管養(yǎng)發(fā)展要求。此外，傳統(tǒng)的以人工為主的鐵路橋梁檢測(cè)雖然是較經(jīng)濟(jì)可行的方法，但對(duì)于大跨度橋梁而言，這類方法存在明顯的不足之處：

1)人工檢測(cè)主觀性強(qiáng)，往往需要憑檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)來判斷；

2)整體性差，一般只能作局部檢查，設(shè)備不宜到達(dá)處的結(jié)構(gòu)損傷不能被外觀檢查所發(fā)現(xiàn)；

3)實(shí)時(shí)性差，不能及時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)狀態(tài)預(yù)警；

4)影響正常交通，并且缺乏科學(xué)歷史數(shù)據(jù)積累[4-6]。因此，有必要針對(duì)大跨鐵路橋梁的結(jié)構(gòu)和運(yùn)營特點(diǎn)，針對(duì)性設(shè)計(jì)大跨鐵路橋梁信息化平臺(tái)。

2 信息化管養(yǎng)需求及優(yōu)勢(shì)

大跨鐵路橋梁設(shè)計(jì)使用年限長，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且隨著運(yùn)營時(shí)間的增加，部分材料老化導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能退化以及地震、大風(fēng)、車船撞等特殊事件均對(duì)結(jié)構(gòu)的日常運(yùn)營維護(hù)增加了難度。相對(duì)傳統(tǒng)人工巡檢及監(jiān)測(cè)手段，信息化管養(yǎng)平臺(tái)在大跨鐵路橋梁運(yùn)維管理中有著明顯的優(yōu)勢(shì)，具體體現(xiàn)為：

1)平臺(tái)信息化及智能化特點(diǎn)可以得到充分的發(fā)揮，主要體現(xiàn)在平臺(tái)智能化實(shí)現(xiàn)橋梁自身的結(jié)構(gòu)信息、全橋耐久性能信息、行駛車輛信息、檢修信息的采集及分析。通過橋梁所受荷載及結(jié)構(gòu)響應(yīng)信息的采集、處理和展示，可以全方位掌握橋梁的安全性能、判斷橋梁的整體運(yùn)營狀況，從而更好地指導(dǎo)橋梁管養(yǎng)并及時(shí)養(yǎng)護(hù)。

2)針對(duì)巡檢人員難以或者無法達(dá)到的關(guān)鍵部位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保障人員安全的同時(shí)節(jié)約人力成本。

3)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)的損傷檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)橋梁的損傷與性能退化，對(duì)大型橋梁結(jié)構(gòu)在使用過程中出現(xiàn)的損傷進(jìn)行定性、定位和定量分析，實(shí)現(xiàn)防患于未然。

4)基于巡檢信息、結(jié)構(gòu)響應(yīng)信息的深入分析及處理可以有效對(duì)大橋運(yùn)營狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，給養(yǎng)護(hù)管理人員提供輔助決策依據(jù)，實(shí)施有效的養(yǎng)護(hù)、維修與加固工作，節(jié)約運(yùn)維成本。

5)在突發(fā)性事件(如：地震、大風(fēng)、車船撞)之后可對(duì)橋梁進(jìn)行安全性能和工作狀態(tài)評(píng)估，為下一步檢修等工作提供技術(shù)支撐。

6)基于橋梁海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以更加準(zhǔn)確地把握橋梁在各種荷載下的真實(shí)受力、變形狀態(tài)，有助于科研深入研究，反饋橋梁設(shè)計(jì)及施工，同時(shí)，對(duì)于同類工程的設(shè)計(jì)、建設(shè)、管理具有十分重要的參考意義。

3 信息化管養(yǎng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

大跨鐵路橋梁信息化平臺(tái)作為集結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、安全預(yù)警、狀態(tài)評(píng)估、養(yǎng)護(hù)管理于一體的綜合性信息化監(jiān)測(cè)體系，是保障結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營的重要手段。信息化平臺(tái)通過前端測(cè)點(diǎn)自動(dòng)采集獲取代表荷載源及結(jié)構(gòu)響應(yīng)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，定量分析能夠反映橋梁健康狀態(tài)的特征指標(biāo)，作為橋梁安全預(yù)警、狀態(tài)評(píng)估的判定依據(jù)。同時(shí)，基于監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)分析結(jié)構(gòu)狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)橋梁病害和損傷位置，為制定主動(dòng)、預(yù)見性的養(yǎng)護(hù)措施提供重要依據(jù)，達(dá)到輔助橋梁養(yǎng)護(hù)決策、確保結(jié)構(gòu)安全、減少橋梁管養(yǎng)成本的目的。大跨鐵路橋梁信息化管養(yǎng)平臺(tái)能夠同時(shí)管理橋梁巡檢養(yǎng)護(hù)信息、橋梁資料，并且結(jié)合電子化人工巡檢功能，將橋梁日常巡檢信息納入信息化平臺(tái)，使得橋梁預(yù)警評(píng)估更加科學(xué)。橋梁信息化平臺(tái)一般由四大子功能模塊，即結(jié)構(gòu)自動(dòng)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理子系統(tǒng)、預(yù)警評(píng)估子系統(tǒng)及用戶界面子系統(tǒng)(如果有特殊監(jiān)測(cè)要求，可增加相應(yīng)子系統(tǒng)，如異物侵入監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、防船撞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電子化巡檢系統(tǒng)等)，各個(gè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求如下：

1)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)結(jié)合大橋結(jié)構(gòu)和運(yùn)營特點(diǎn)，合理選擇和布置監(jiān)測(cè)內(nèi)容及測(cè)點(diǎn)，通過特定的采集和傳輸策略，自動(dòng)獲取結(jié)構(gòu)荷載源及動(dòng)靜力響應(yīng)特征，使用數(shù)據(jù)處理和控制設(shè)備對(duì)監(jiān)測(cè)及檢測(cè)數(shù)據(jù)作進(jìn)一步處理分析，為安全報(bào)警與狀態(tài)評(píng)估子系統(tǒng)提供分析依據(jù)，并將信息有選擇、有層次地存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理子系統(tǒng)中。

2)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理子系統(tǒng)主要管理系統(tǒng)運(yùn)營后的所有動(dòng)靜態(tài)數(shù)據(jù)(包括前期大橋的設(shè)計(jì)資料、施工工期資料、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、巡檢數(shù)據(jù)、報(bào)警評(píng)估數(shù)據(jù)、橋梁基本信息、系統(tǒng)管理信息等)，并完成數(shù)據(jù)的歸檔、查詢、存儲(chǔ)。建立本橋信息化平臺(tái)中心數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)倉庫，向其他子系統(tǒng)提供有效的信息源。

3)綜合報(bào)警與安全評(píng)估子系統(tǒng)將傳感器自動(dòng)監(jiān)測(cè)得到的各類數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)識(shí)別、處理、分析，并對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)以及行車安全異常狀態(tài)診斷、分級(jí)報(bào)警和安全評(píng)估，主要實(shí)現(xiàn)各類監(jiān)測(cè)及檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)橋梁基準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，建立系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，用于橋梁工作狀態(tài)分析和行車安全狀態(tài)評(píng)定。提出明確的報(bào)警指標(biāo)及分級(jí)預(yù)警體系，對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)狀態(tài)參數(shù)信號(hào)進(jìn)行診斷和分級(jí)報(bào)警，并對(duì)報(bào)警情況進(jìn)行記錄。

4)用戶界面子系統(tǒng)主要是向大橋管理單位、科研單位、設(shè)計(jì)單位、養(yǎng)護(hù)單位、結(jié)構(gòu)工程師等相關(guān)人員提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，提供橋梁管理人員友好的人機(jī)界面。

4 信息化平臺(tái)設(shè)計(jì)案例

天興洲長江大橋是國內(nèi)自行設(shè)計(jì)建造的特大型公鐵兩用斜拉橋,大橋橋跨布置為：4孔40.7 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁+(54.2+2×80+54.2)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁+62孔40.7 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁+(98+196+504+196+98)m五跨一聯(lián)鋼桁梁斜拉橋+15孔40.7 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁，全長4 657.1 m。其主跨為雙塔三桁三索面公鐵兩用鋼桁梁斜拉橋，上弦為公路橋面，下弦為鐵路橋面，橋長1 092 m，主塔為倒“Y”型混凝土結(jié)構(gòu)，塔高188.5 m，鋼桁梁主桁節(jié)間14 m，桁寬為30 m，桁高為14.5 m[7-9]，其實(shí)橋及斷面如圖1所示。

天興洲長江大橋健康原監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2013年實(shí)施，測(cè)點(diǎn)數(shù)量為163個(gè)，主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容有：結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)、拉索索力、鋼桁梁應(yīng)力、主塔應(yīng)力、支座位移、結(jié)構(gòu)振動(dòng)。系統(tǒng)于2020年進(jìn)行升級(jí)，轉(zhuǎn)為平臺(tái)化管理，其中，一期項(xiàng)目新增測(cè)點(diǎn)21個(gè)，平臺(tái)設(shè)計(jì)6大子系統(tǒng)功能，包括：結(jié)構(gòu)自動(dòng)檢測(cè)子系統(tǒng)、異物入侵監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、電子化巡檢子系統(tǒng)、存儲(chǔ)管理子系統(tǒng)、預(yù)警評(píng)估子系統(tǒng)及用戶界面子系統(tǒng)，其架構(gòu)如圖2所示。

為進(jìn)一步保障大橋結(jié)構(gòu)安全，便于管養(yǎng)維護(hù)，天興洲長江大橋信息化平臺(tái)設(shè)計(jì)新增異物入侵監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)及電子化巡檢子系統(tǒng)。其中，異物入侵監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)主要針對(duì)鐵路橋梁異物侵限的監(jiān)控，通過視頻攝像機(jī)及圖像識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)，配合其他子系統(tǒng)可以有效對(duì)侵限事件進(jìn)行預(yù)警和提示；電子化巡檢子系統(tǒng)綜合電子巡檢、信息管理和評(píng)價(jià)決策等功能，實(shí)現(xiàn)巡檢手冊(cè)電子化，通過數(shù)據(jù)、圖像、視頻等定性及定量描述巡檢信息，記錄病害，生成報(bào)表。

基于天興洲長江大橋信息化平臺(tái)設(shè)計(jì)，其功能主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1)從平臺(tái)運(yùn)營開始即可以建立橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息數(shù)據(jù)庫，結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征指標(biāo)庫，基于海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)深入挖掘結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)，實(shí)時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全預(yù)警評(píng)估，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)性養(yǎng)護(hù)。

2)實(shí)現(xiàn)巡檢智能化，支持流程管理、計(jì)劃任務(wù)管理、病害庫管理，將養(yǎng)護(hù)手冊(cè)電子化?；谄脚_(tái)人工電子化巡檢養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)，巡檢與檢查人員可以手持巡檢終端，現(xiàn)場(chǎng)拍照、記錄等數(shù)據(jù)錄入操作，可將數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)傳送至數(shù)據(jù)庫，管理人員在養(yǎng)護(hù)中心或通過遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)查看巡檢人員錄入的數(shù)據(jù)。人工電子化巡檢養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)可有效解決平臺(tái)監(jiān)測(cè)盲點(diǎn)，安全檢查更為全面。

3)實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制，數(shù)據(jù)處理與分析管理系統(tǒng)結(jié)合智能儀器，可遠(yuǎn)程調(diào)整測(cè)試參數(shù)，避免傳統(tǒng)儀器以及系統(tǒng)因?yàn)檫M(jìn)行參數(shù)改變而必須進(jìn)入橋梁現(xiàn)場(chǎng)的問題。另外對(duì)數(shù)據(jù)采集方式進(jìn)行控制，可以根據(jù)不同需求及狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、定時(shí)間采集、特殊狀況采集等自動(dòng)測(cè)試方式，也可進(jìn)行人工干預(yù)控制采集。

4)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線數(shù)據(jù)分析及處理，系統(tǒng)集成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊，可高效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)分類等功能，為后續(xù)的軟件自動(dòng)分析、結(jié)構(gòu)安全預(yù)警評(píng)估奠定可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析及處理采用統(tǒng)計(jì)學(xué)及機(jī)器學(xué)習(xí)原理進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)識(shí)別(如：鋼結(jié)構(gòu)疲勞、結(jié)構(gòu)模態(tài)等)、結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估(趨勢(shì)分析、原始指紋、養(yǎng)護(hù)管理評(píng)定等)功能。

5)平臺(tái)自動(dòng)生成報(bào)表并對(duì)設(shè)備自診斷，可根據(jù)系統(tǒng)自動(dòng)或者人工分析的結(jié)果，自由選擇自動(dòng)生成各類型報(bào)表，對(duì)識(shí)別的故障設(shè)備元件提示進(jìn)行檢查或維修，保證系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的完整性和有效性。

6)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全狀況預(yù)報(bào)警，通過各類傳感器以及人工巡檢的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)或預(yù)見結(jié)構(gòu)的病害及損傷部位，對(duì)橋梁的安全狀態(tài)做出預(yù)警與評(píng)估。并基于相關(guān)理論和規(guī)范預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)性能的退化演變過程以及結(jié)構(gòu)狀態(tài)的發(fā)展趨勢(shì)，為橋梁養(yǎng)護(hù)、維修、加固等工作的有效開展提供依據(jù)。

5 結(jié)語

為保障橋梁運(yùn)維安全，響應(yīng)國家信息化戰(zhàn)略，豐富智慧交通，本文結(jié)合傳統(tǒng)大跨鐵路橋梁管養(yǎng)模式，融合現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)、信息化、云平臺(tái)、大數(shù)據(jù)等相關(guān)技術(shù)，以進(jìn)一步保障橋梁結(jié)構(gòu)安全及更加科學(xué)化橋梁運(yùn)維為目標(biāo)介紹了橋梁信息化管養(yǎng)平臺(tái)設(shè)計(jì)。給出了大跨鐵路橋梁信息化管養(yǎng)平臺(tái)的基本架構(gòu)并對(duì)平臺(tái)各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行了說明。平臺(tái)設(shè)計(jì)從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、信息挖掘、預(yù)警評(píng)估、管養(yǎng)維護(hù)等方面融入各個(gè)子系統(tǒng)當(dāng)中，成功應(yīng)用于天興洲長江大橋。