韓明祥，游元興

（1.撫州市公路事業(yè)發(fā)展中心，江西撫州 344000；2.撫州贛東公路設計院有限公司，江西撫州 334400）

0 引言

隨著城市化建設的推進，各地橋梁數(shù)量大幅增加，如何使橋梁得到全方位管理和科學養(yǎng)護，自然成為人們關注的焦點?；诖?，應以橋梁運行、結構和環(huán)境數(shù)據(jù)為落腳點，構建以監(jiān)測、養(yǎng)護為核心的平臺，為相關工作的開展提供有力支持。

1 研究背景

橋梁的運行環(huán)境極為復雜，通常需要面對地基沉降、車輛超負荷行駛、危險化學品泄漏、撞擊等風險，只有對其工況進行實時監(jiān)測，才能將上述風險所造成影響降至最低，確保橋梁使用壽命達到預期。而以往對橋梁進行管養(yǎng)的方法多為人工巡檢，不具備同步監(jiān)測各項指標的條件，導致風險監(jiān)測結果滯后，橋梁可靠性往往難以得到保證，這一情況不僅會給巡檢人員生命安全造成威脅，還會影響巡檢頻率。為使管養(yǎng)工作發(fā)揮出應有的作用，需要對工作模式進行革新，通過區(qū)域化、網(wǎng)絡化以及同步化監(jiān)測的方式，及時且高效地開展養(yǎng)護工作。

2 平臺設計相關數(shù)據(jù)的來源

2.1 前期設計

對橋梁進行設計期間所形成數(shù)據(jù)的類型較多，主要有構件尺寸、CAD 圖紙、設計模型、荷載、強度及剛度等參數(shù)。無論是在施工期間、還是在橋梁正式投運后，以上數(shù)據(jù)均發(fā)揮著極為重要的作用，例如，工作人員可根據(jù)以上數(shù)據(jù)對橋梁進行驗收，明確橋梁所存在缺陷并盡快彌補，再例如，根據(jù)以上數(shù)據(jù)對已投運橋梁的健康程度進行評估，以此來判斷橋梁是否需要進行維護。

2.2 中期施工

施工期間，橋梁極易受到環(huán)境或外界氣候的影響，進而出現(xiàn)材料老化、被腐蝕的情況，導致成品橋梁質(zhì)量無法達到設計要求。由此可見，對施工階段橋梁質(zhì)量進行管理十分重要，質(zhì)量管理過程中，通?？傻玫揭韵聰?shù)據(jù)：一是地質(zhì)數(shù)據(jù)；二是技術指標；三是可追溯資料；四是驗收記錄。

2.3 后期運營

橋梁正式投運后所獲得的數(shù)據(jù)與橋梁結構間存在極為緊密的聯(lián)系，該階段所形成的數(shù)據(jù)通常分為動態(tài)數(shù)據(jù)、靜態(tài)數(shù)據(jù)兩類，其中，動態(tài)數(shù)據(jù)由現(xiàn)場傳感器提供，其內(nèi)容主要涉及護欄撞擊、橋體撓度和應變力、路面溫度、是否存在開裂情況、路基含水量等。靜態(tài)數(shù)據(jù)指的是對橋梁工況進行評定的結論，點檢所得到的數(shù)據(jù)，還有巡檢所得到的數(shù)據(jù)。另外，為保證所獲得動態(tài)數(shù)據(jù)更加全面，可對伸縮縫、支座等受力構件進行優(yōu)化，通過引入智能化產(chǎn)品的方式，賦予上述構件測力及感知功能。

3 監(jiān)測與養(yǎng)護平臺的設計說明

3.1 平臺架構

該平臺強調(diào)以傳感器為依托，對包括交通狀況、橋梁環(huán)境和橋體情況在內(nèi)的數(shù)據(jù)信息進行采集，根據(jù)所采集信息判斷橋梁是否存在滲水、變形或裂縫等問題，根據(jù)分析所得結論判斷是否需要報警，真正做到憑借信息技術準確評估橋梁狀況，在實時監(jiān)管橋梁工況的前提下，為維保等工作的開展提供理論依據(jù)[1]。平臺架構主要分為四層，自上而下分別為用戶層、應用層、網(wǎng)絡層、感知層。

3.1.1 用戶層

用戶層的構成如圖1所示。

圖1 用戶層構成

3.1.2 應用層

應用層可被拆分成應用系統(tǒng)和服務支撐兩部分。若以業(yè)務需求為依據(jù)，可將應用系統(tǒng)層分成五部分，一是信息管理子層，二是定損檢修子層，三是應急保通子層，四是橋梁監(jiān)控子層，五是管理子層。而服務支撐層強調(diào)以底層所采集數(shù)據(jù)為核心，基于云計算、數(shù)據(jù)分析和中間件等平臺打造相應的資源庫，確保所打造資源庫可對數(shù)據(jù)進行實時更新，使業(yè)務需求得到最大限度的滿足。

3.1.3 網(wǎng)絡層

網(wǎng)絡層可通過承載網(wǎng)絡，對感知層所提供數(shù)據(jù)進行及時且高效的傳輸，確保各類信息均能夠第一時間到達應用層并為應用層所用。

3.1.4 感知層

感知層負責采集數(shù)據(jù)，同時將采集所得數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)絡層。考慮到橋梁監(jiān)測所涉及傳感器類型較多，為保證各類傳感器所采集數(shù)據(jù)均可得到充分利用，設計人員指出應對感知層適配協(xié)議、同步處理信息等能力進行提高，在此基礎上，以應用層所發(fā)布配置指令為依據(jù)，有序開展配置節(jié)點、通信以及訪問控制等工作，使所接入傳感器的優(yōu)勢得到充分發(fā)揮。

3.2 系統(tǒng)構成

3.2.1 管理系統(tǒng)

該系統(tǒng)可被拆分成三部分，分別是資源管理、權限管理以及配置管理，其中，資源管理負責管理橋梁所安裝傳感器和采集設備，確?，F(xiàn)有設備所采集數(shù)據(jù)資源均能夠得到充分利用。權限管理所管理對象以用戶為主，強調(diào)以用戶類型為依據(jù)，對其訪問、管理權限進行設置。配置管理則可以通過調(diào)整現(xiàn)場設備相關參數(shù)的方式，在橋梁、平臺間搭建起虛擬的橋梁，確?，F(xiàn)實世界與虛擬網(wǎng)絡間存在映射關系。

3.2.2 保通系統(tǒng)

對該系統(tǒng)進行建立時，設計人員應綜合考慮機械調(diào)配、項目資料和環(huán)境因素，在各部門的幫助下，確保所建立系統(tǒng)能夠起到應急保通的作用。該系統(tǒng)正式投入使用后，將大幅提高橋梁運維實效性。

3.2.3 監(jiān)控系統(tǒng)

該系統(tǒng)由三個子系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)所提供功能均有所不同，可被用來對水上交通、橋梁結構和運維條件進行監(jiān)控，其中，監(jiān)控水上交通的子系統(tǒng)主要負責為船舶提供引導，確保船舶能夠順利通過航道，該子系統(tǒng)往往需要配合防撞系統(tǒng)、報警系統(tǒng)使用，使服務水平最大限度接近預期。監(jiān)控橋梁結構的子系統(tǒng)，需要搭載相應的傳感設備，確保路橋結構和相關構件始終處于安全且可靠的狀態(tài)。而監(jiān)控運維條件的子系統(tǒng)，通常被用來對船舶通航還有車輛通行進行實時監(jiān)控，該系統(tǒng)往往會通過人工+自動監(jiān)控的方式，實現(xiàn)監(jiān)控全覆蓋[2]。

3.2.4 檢修系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要負責檢測橋梁、確定損傷程度和維修。在發(fā)生風險事件后，工作人員便可憑借該系統(tǒng)對橋梁是否受到損傷、損傷程度加以確定，為后續(xù)維修工作的開展提供參考。另外，該系統(tǒng)在維修加固的過程中，同樣發(fā)揮著極為重要的作用，可確保航運、陸運始終處于暢通的狀態(tài)。

4 平臺在橋梁監(jiān)測與養(yǎng)護中的應用要點

該平臺可被用來對大量橋梁進行運維管理，核心構件包括采集和傳輸數(shù)據(jù)的系統(tǒng)、監(jiān)測平臺。設計人員決定采取Java+Strust2+Eclipse 的設計方案，確保該平臺在性能、擴展性等方面的表現(xiàn)可達到預期，同時引入Hadoop，用以對數(shù)據(jù)進行并行分析與處理。該平臺所搭載服務器集群可提供以下功能：一是控制并處理數(shù)據(jù)，二是管理數(shù)據(jù)，三是評估結構的安全性。

4.1 采集系統(tǒng)

在確定硬件系統(tǒng)所搭載的傳感設備時，設計人員應以橋梁特征和需求為依據(jù)，對設備類型、數(shù)量加以調(diào)整。多數(shù)情況下均可采取如表1所示的布設方案。

表1 設備布設方案

在適當位置增設采集數(shù)據(jù)的機柜，負責對傳感器數(shù)據(jù)進行實時采集與處理。本項目所涉及傳感器信號，主要分為常規(guī)信號和專用信號兩類，其中，常規(guī)信號有485信號和模擬信號，專用信號包括光纖光柵、動態(tài)稱重等。鑒于此，設計人員指出應針對不同類型的信號，分別引入相應的采集模式，以時鐘同步處理為前提，將經(jīng)過處理的信號上傳到對應的監(jiān)控中心，由監(jiān)控中心負責后續(xù)工作。常規(guī)采集模式強調(diào)憑借PXI計算機完成采集工作，采集對象為應變計、位移計、加速計、溫濕度傳感器、風速儀。專用采集模式所包含設備，主要有路況傳感器、光纖傳感器、GPS、稱重儀，上述設備均由專用采集器負責采集，確保采集所得數(shù)據(jù)真實且準確。

4.2 傳輸系統(tǒng)

該平臺所搭載的傳輸網(wǎng)絡分別針對監(jiān)測中心、以太網(wǎng)配備了相應的交換機，其中，監(jiān)測中心所配備交換機的數(shù)量為1 臺，以太網(wǎng)所配備交換機的數(shù)量為2臺，上述交換機均按照TCP/IP 要求運行。一般來說，以太網(wǎng)交換機負責對采集機柜所提供數(shù)據(jù)進行存儲，經(jīng)過預處理后，再將數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)測中心，由監(jiān)測中心所配備交換機對數(shù)據(jù)進行更加系統(tǒng)的處理?，F(xiàn)場機柜、監(jiān)控中心間通過光纜連接。傳輸網(wǎng)絡可依托VLAN對原始數(shù)據(jù)、其他接入系統(tǒng)進行分類，其中，僅有負責接收數(shù)據(jù)的服務器可對采集所得原始數(shù)據(jù)進行讀取，該設計能夠避免連接過多，導致數(shù)據(jù)傳輸速度或安全性受到影響[3]。

4.3 監(jiān)測平臺

該平臺所采取管理模式為云端管理，可同步接入大量橋梁，確保任一橋梁結構均有在線模型對應，同時各個在線模型均具備實時更新的功能。該平臺所搭載功能模塊如下。

4.3.1 監(jiān)測模塊

該模塊的核心功能有兩個，一是實時監(jiān)控數(shù)據(jù)，二是查詢歷史數(shù)據(jù)，利用圖形對數(shù)據(jù)結果進行直觀顯示，保證現(xiàn)場傳感器所提供時間序列相同，與此同時，對告警信息、設備狀態(tài)相關信息進行顯示。除特殊情況外，撓度曲線的橫軸均代表時間，縱軸則代表撓度值，頁面所包含的信息還包括告警鏈接、告警閾值等[4]。

4.3.2 分析模塊

該模塊負責對比相同傳感器所提供數(shù)據(jù)、不同傳感器所提供數(shù)據(jù)，在明確數(shù)據(jù)內(nèi)在關聯(lián)的前提下，完成分析結構性能及載荷的工作。

4.3.3 巡檢模塊

該模塊主要負責點檢、日常巡檢，其中，點檢是指以巡檢所掌握資料、報警信息為依據(jù)，制定派工單，并組織維修人員前往指定區(qū)域完成維修工作。日常巡檢則需要巡檢人員以現(xiàn)有計劃為參考，根據(jù)巡檢計劃所提供地點、時間等信息，有序開展巡檢工作，同時對巡檢情況進行如實記錄[5]。

4.3.4 告警管理

該模塊可提供結構告警、設備告警功能，強調(diào)以分析所得結果為依據(jù)，綜合考慮專家評價及建議，對告警模型進行建立，在及時發(fā)布預警的前提下，為橋梁管養(yǎng)等工作提供相應的支持。

4.3.5 權限管理

該模塊可根據(jù)用戶類型，對角色進行設置，視情況賦予不同角色相應的權限。在本項目中，被使用率較高的權限為數(shù)據(jù)權限和功能權限。

4.3.6 配置管理

該模塊主要被用來建立新增橋梁相關虛擬模型，其優(yōu)勢在于無需搭配使用大量頁面以及開發(fā)功能，便能夠完成接入橋梁的工作。

4.3.7 報表管理

該模塊所提供功能較多，包括但不限于導入檢測所得結構數(shù)據(jù)、維護數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)、自動生成并打印相關評估報告。新增該模塊的目的主要是降低工作人員獲取檢測所需信息的難度，為檢測工作的高效開展助力。

5 結語

本文從智能管養(yǎng)橋梁的視角出發(fā)，對數(shù)據(jù)來源、應用方向進行分析，從而制定了監(jiān)測和養(yǎng)護平臺所適用的設計方案。為實現(xiàn)全面智能化的目標，筆者建議未來將研究中心向以下方向傾斜：其一是對數(shù)據(jù)標準進行統(tǒng)一，研發(fā)相應的采集器，對所采集數(shù)據(jù)的差異進行縮小，為傳輸工作提供便利；其二是對數(shù)據(jù)應用進行優(yōu)化，確保事故預警、定損檢測可盡快得到落實，賦予管理維護更加理想的效果。