摘要：基于公路橋梁健康監(jiān)測在實際工程應(yīng)用中存在的監(jiān)測終端布設(shè)困難、采集方式與傳輸方式較為落后等問題，本文采取“前端優(yōu)化、后端升級”的模式進行優(yōu)化研究，輕量化公路橋梁健康監(jiān)測的系統(tǒng)性應(yīng)用，體系化解決公路橋梁安全運營難題。通過融合前端新一代公路橋梁智能監(jiān)測儀器、升級后端以云平臺為核心的公路橋梁健康監(jiān)測與安全預(yù)警系統(tǒng)，搭建形成集公路橋梁AIoT開放平臺（PaaS）、公路橋梁健康監(jiān)測與安全預(yù)警系統(tǒng)（SaaS）于一體的新型公路橋梁健康監(jiān)測與安全預(yù)警云平臺，以全面保障公路橋梁的安全運行。

關(guān)鍵詞：公路橋梁；健康監(jiān)測；安全預(yù)警

中圖分類號：U446"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文獻標識碼：A"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文章編號：1673?6478（2023）03-0123-05

Design and Application of a New Cloud Platform for Highway Bridge Health Monitoring and Safety Warning

HE Xiaopeng ZHENG Yibin LUO Xiaoling ZHANG Yan

（1. Xiamen Gnss Development amp; Application Co.， Ltd.， Xiamen Fujian 361008， China; 2. Xiamen Witbee Technology Co.， Ltd.， Xiamen Fujian 361001， China）

Abstract： Based on the difficulties in the layout of monitoring terminals and the relatively backward collection and transmission modes in the practical engineering application of highway bridge health monitoring， this paper adopts the mode of \"front?end optimization and back?end upgrade\" to conduct optimization research， and systematically solves the safety operation problems of highway bridge through the systematic application of lightweight highway bridge health monitoring. A new highway bridge health monitoring and safety early warning cloud platform integrating highway bridge AIoT open platform （PaaS） and highway bridge health monitoring and safety early warning system （SaaS） is built by integrating a new generation of highway bridge intelligent monitoring instruments at the front end and upgrading the highway bridge health monitoring and safety early warning system at the back end. To guarantee the safety of highway bridge operation.

Key words： highway bridge; health monitoring; safety warning

0 引言

橋梁是公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分，橋梁健康監(jiān)測是復(fù)雜的系統(tǒng)性工程。目前公路橋梁以人工巡檢方式為主，普遍存在危病、老舊和低荷載橋梁多等問題，部分橋梁處于超負荷、老化和腐蝕等狀態(tài)。在自然災(zāi)害疊加影響下，橋梁易損性將愈來愈大，橋梁未老先衰等中長期風(fēng)險交織疊加，存在復(fù)雜周期性問題。

近年來，國內(nèi)多所高等院校和科研院所相繼投入到公路橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究及應(yīng)用行列，并在傳感器的優(yōu)化布設(shè)、自動監(jiān)測的智能控制、實時監(jiān)測信息的網(wǎng)絡(luò)共享、損傷識別的自動診斷、橋梁承載能力和結(jié)構(gòu)可靠度分析、橋梁剩余壽命估計等方面取得一定成果[1]。但是在實際工程應(yīng)用中，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)終端布設(shè)困難，需要根據(jù)具體不同的橋型及橋位環(huán)境進行設(shè)置，導(dǎo)致公路特大橋、大橋普及率比較低，其他一般性橋梁基本未覆蓋[2]。另外，傳統(tǒng)的橋梁健康監(jiān)測終端采集方式、傳輸方式相對比較落后，數(shù)據(jù)采集多基于電纜進行傳輸，傳輸策略耗費時間且安裝費用昂貴，同時存在一個單點橋梁監(jiān)測采用上百個傳感器的情況，其數(shù)據(jù)量龐大，導(dǎo)致橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)往往難以獲得理想的監(jiān)測結(jié)果，對突發(fā)事件的反應(yīng)不及時，給交通安全帶來了不小的威脅。

1 總體思路

基于公路橋梁健康監(jiān)測在實際工程應(yīng)用中存在的終端布設(shè)困難、采集方式與傳輸方式較為落后等問題[3]，本文采取“前端優(yōu)化、后端升級”的模式進行優(yōu)化研究，輕量化公路橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用，系統(tǒng)性緩解公路橋梁安全運營問題。通過融合前端新一代公路橋梁智能監(jiān)測儀器、升級后端以云平臺為核心的公路橋梁健康監(jiān)測與安全預(yù)警系統(tǒng)，搭建形成集公路橋梁AIoT開放平臺（PaaS）、公路橋梁健康監(jiān)測與安全預(yù)警系統(tǒng)（SaaS）于一體的新型公路橋梁健康監(jiān)測與安全預(yù)警云平臺，以全面保障公路橋梁的安全運行。

1.1 前端優(yōu)化

公路橋梁健康監(jiān)測傳感器的匹配選擇、優(yōu)良程度決定了獲取數(shù)據(jù)的真實性，為全面掌握公路橋梁的服役環(huán)境和安全狀態(tài)，針對以往公路橋梁健康監(jiān)測傳感器性價比低、部署困難、運維復(fù)雜、分體獨立、功能單一、信息孤島、無法認知等問題[4]，新一代公路橋梁智能監(jiān)測儀器作為無線傳輸、邊緣計算、國產(chǎn)加密和超低功耗的智能監(jiān)測儀器，具備高性價比、開箱即用、運維簡單、高度集成、多維感知、融合共享、邊緣智能分析等優(yōu)點，通過快速部署、靈活拓展可形成公路橋梁全面感知體系。

在終端布設(shè)優(yōu)化層面，新一代公路橋梁智能監(jiān)測儀器屬于一體化小型機，3～5分鐘極簡安裝，即裝即用，上電即上云，可極大縮短施工時間和減輕維護量。同時，單款智能監(jiān)測儀器集成10多項結(jié)構(gòu)體征健康監(jiān)測指標，相較于傳統(tǒng)單款單指標監(jiān)測方式，亦可減少終端布設(shè)數(shù)量。

在數(shù)據(jù)采集層面，新一代公路橋梁智能監(jiān)測儀器作為超級邊緣終端，可將多維感知、自主算法、邊緣計算、數(shù)據(jù)存儲、儲能、國產(chǎn)加密、北斗衛(wèi)星結(jié)合于一體，原始數(shù)據(jù)不必回傳云端，可提高彈性并減少網(wǎng)絡(luò)負載，利用多自由度微振動診斷算法和多維度結(jié)構(gòu)健康無損識別等核心專利技術(shù)，多層次分析發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)早期損傷與隱患。

在數(shù)據(jù)傳輸層面，新一代公路橋梁智能監(jiān)測儀器傳輸策略與傳統(tǒng)電纜傳輸方式相比，基于4G/5G通信可提供靈活的數(shù)據(jù)傳輸方式，也可快速安裝并獨立對各采樣數(shù)據(jù)進行分批預(yù)處理。同時，智能監(jiān)測儀器可以單臺或是組群方式，結(jié)合自主算法、邊緣計算、天文授時、EOS底層系統(tǒng)、北斗衛(wèi)星、國產(chǎn)加密和數(shù)據(jù)存儲能力使10多項結(jié)構(gòu)體征監(jiān)測原始數(shù)據(jù)本地處理（不必傳回云端），提取的特征值數(shù)據(jù)經(jīng)過加密后利用4G/5G推送至云端服務(wù)器。

1.2 后端升級

傳統(tǒng)的公路橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)多為獨立項目，投資較大、性價比有限且軟件復(fù)用性低，系統(tǒng)研發(fā)、調(diào)試、部署周期長，橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、利用難度較大，尤其不利于在一些中小型橋梁上推廣和應(yīng)用[5]。此外，系統(tǒng)建設(shè)完成并交付后，后期的系統(tǒng)維護、管理也存在一定困難，不僅維護費用高，還存在維護難度大等問題。

從現(xiàn)階段公路橋梁管養(yǎng)工作實際現(xiàn)狀來看，公路橋梁管養(yǎng)任務(wù)比較繁重，為了解決上述問題，本文通過搭建形成集公路橋梁AIoT開放平臺（PaaS）、公路橋梁健康監(jiān)測與安全預(yù)警系統(tǒng)（SaaS）于一體的新型公路橋梁健康監(jiān)測與安全預(yù)警云平臺?；谠破脚_的強大運算、存儲和兼容能力支撐，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、集約化管理，全面監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)運營狀態(tài)，準確識別橋梁各構(gòu)件的損傷情況，從而及時準確地發(fā)現(xiàn)公路橋梁病害，并對潛在安全隱患進行預(yù)警，輔助公路管理人員評估橋梁結(jié)構(gòu)安全性。

2 系統(tǒng)設(shè)計

傳統(tǒng)的橋梁健康監(jiān)測終端采集方式、傳輸方式相對比較落后，數(shù)據(jù)采集多基于電纜進行傳輸，傳輸策略耗費時間且安裝費用昂貴，同時存在一個單點橋梁監(jiān)測采用上百個傳感器的情況，其數(shù)據(jù)量龐大，導(dǎo)致橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)往往難以獲得理想的監(jiān)測結(jié)果，對突發(fā)事件的反應(yīng)不及時，給交通安全帶來了不小的威?脅[6]。

本文基于新一代公路橋梁智能監(jiān)測儀器在布設(shè)配置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫娴膬?yōu)勢，研發(fā)設(shè)計了由公路橋梁AIoT開放平臺（PaaS）、公路橋梁健康監(jiān)測與安全預(yù)警系統(tǒng)（SaaS）組成的新型云平臺系統(tǒng)，可高效提供公路橋梁運行體征監(jiān)測數(shù)據(jù)和秒級預(yù)警信息，并有力支撐公路橋梁高效運行和突發(fā)事件快速智能響應(yīng)。

2.1 智能監(jiān)測儀器配置

新一代公路橋梁智能監(jiān)測儀器布設(shè)將根據(jù)公路橋梁長度和資金預(yù)算，選擇變形大、具有代表性的截面，以間隔0.05～0.1km原則進行橋梁兩側(cè)對稱布設(shè)。

同時，新一代公路橋梁智能監(jiān)測儀器主要應(yīng)用于大橋和其他一般性橋梁，若要應(yīng)用于公路特大橋，則需要根據(jù)橋梁監(jiān)測要求搭配裂縫針、拉繩式位移傳感器、振弦式應(yīng)變傳感器、三向超聲風(fēng)速儀等其他監(jiān)測設(shè)備進行組合性監(jiān)測。

（１）創(chuàng)新性集成10多項結(jié)構(gòu)體征健康監(jiān)測指標，更全面感知動態(tài)變化

新一代公路橋梁智能監(jiān)測儀器具備SHM結(jié)構(gòu)健康診斷技術(shù)，利用多自由度微振動診斷算法和多維度結(jié)構(gòu)健康無損識別等核心專利技術(shù)，可實時監(jiān)測位移、沉降、傾斜、加速度、振幅、頻率、地震烈度、溫濕度、動態(tài)平衡和人體舒適度，基于AIoT開放平臺實時解算毫米級衛(wèi)星定位、橋梁伸縮縫、橋面撓度、索力、車船撞擊報警、電子羅盤等數(shù)據(jù)服務(wù)。

（２）即裝即用，部署和運維成本均下降95%

新一代公路橋梁智能監(jiān)測儀器屬于一體化小型機，3～5分鐘極簡安裝，即裝即用，上電即上云，可極大縮短施工時間和減輕維護量，降低使用成本。

（３）超級邊緣終端，提高彈性并減少網(wǎng)絡(luò)負載

新一代公路橋梁智能監(jiān)測儀器作為超級邊緣終端，將多維感知、自主算法、邊緣計算、數(shù)據(jù)存儲、儲能、國產(chǎn)加密、北斗衛(wèi)星和4G/5G通信結(jié)合于一體，可提高彈性并減少網(wǎng)絡(luò)負載。同時，新一代公路橋梁智能監(jiān)測儀器可以單臺或是組群方式，結(jié)合自主算法、邊緣計算、天文授時、EOS底層系統(tǒng)、北斗衛(wèi)星、國產(chǎn)加密和數(shù)據(jù)存儲能力使原始數(shù)據(jù)本地處理（不必傳回云端），提取的特征值數(shù)據(jù)經(jīng)過加密后利用4G/5G推送至云端服務(wù)器。

（４）具備1.5毫米級北斗高精度定位能力

新一代公路橋梁智能監(jiān)測儀器結(jié)合北斗地基增強微基站，具備北斗高精度定位能力和高性能四星全頻測量接收能力，可支持北斗、GLONASS、GPS、Galileo等1.5毫米級全球衛(wèi)星定位服務(wù)，水平精度 1.5mm，高程精度 3mm，同時可提供國產(chǎn)芯片級底層數(shù)據(jù)安全加密防御能力、手機NFC近場通信、納秒級天文授時海量數(shù)據(jù)高精度時間同步能力以及智能續(xù)航充放電管理能力。

2.2 云端平臺系統(tǒng)設(shè)計

采用云平臺方式建立新型公路橋梁健康監(jiān)測與安全預(yù)警系統(tǒng)，不僅能夠有效降低系統(tǒng)建設(shè)成本，還能夠顯著提高后期系統(tǒng)運維、管理效率，更有利于為客戶提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)。同時，基于大數(shù)據(jù)架構(gòu)的新型公路橋梁健康監(jiān)測與安全預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計能夠解決大量無線智能監(jiān)測儀器高頻信號的并發(fā)采集處理、海量數(shù)據(jù)存儲與分析等關(guān)鍵技術(shù)問題。

如圖5所示，新型公路橋梁健康監(jiān)測與安全預(yù)警云平臺主要由公路橋梁AIoT開放平臺（PaaS）、公路橋梁健康監(jiān)測與安全預(yù)警系統(tǒng)（SaaS）組成。

（１）公路橋梁AIoT開放平臺（PaaS）

公路橋梁AIoT開放平臺重點在于提供PaaS應(yīng)用。平臺可實時解算毫米級衛(wèi)星定位、撓度、索力、伸縮縫、船撞報警，并可定時監(jiān)測電子羅盤（朝向）、海拔高度以及提供北斗高精度定位、天文授時等服務(wù)。平臺支持多云部署，平臺API或智能終端底層協(xié)議接入能力，“云?端?邊”架構(gòu)高效協(xié)同，極簡接入，設(shè)備上電即上云。具備設(shè)備管理、數(shù)據(jù)計算、事務(wù)規(guī)則和模型算法等智能引擎能力，提供態(tài)勢感知實時預(yù)警、數(shù)據(jù)匯聚分析、能力開放服務(wù)的優(yōu)質(zhì)聯(lián)接體驗。平臺支持第三方平臺軟件通過API接口，獲得高精度數(shù)據(jù)差分處理服務(wù)和結(jié)構(gòu)動態(tài)健康診斷指數(shù)，同時支持第三方平臺API接口數(shù)據(jù)共享（例如氣象數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、車輛荷載等）。

（２）公路橋梁健康監(jiān)測與安全預(yù)警系統(tǒng)（SaaS）

公路橋梁健康監(jiān)測與安全預(yù)警系統(tǒng)重點在于提供SaaS應(yīng)用。系統(tǒng)可即時推送監(jiān)測的安全預(yù)警信息，可通過PC端、APP端和IOC公路指揮中心大屏等多端方式，展示公路橋梁結(jié)構(gòu)健康預(yù)警信息和歷史運行數(shù)據(jù)。通過及時提供公路橋梁運行體征監(jiān)測數(shù)據(jù)和預(yù)警信息，支撐公路橋梁高效運行和突發(fā)事件快速智能響應(yīng)。系統(tǒng)可提供實時數(shù)據(jù)采集、趨勢分析和異常預(yù)警，運用大數(shù)據(jù)處理能力、健康評價方法和橋梁養(yǎng)護方法對橋梁進行結(jié)構(gòu)健康運行狀況評級，可提高對公路橋梁突發(fā)事件的應(yīng)對能力，提升公路橋梁安全保障水平。系統(tǒng)支持公路橋梁靜態(tài)響應(yīng)分析、動態(tài)響應(yīng)分析、意外震動分析、交通荷載統(tǒng)計分析、擾度分析和模態(tài)分析等，可實現(xiàn)公路橋梁養(yǎng)護管理工作的數(shù)字化和智能化，有效降低結(jié)構(gòu)管理養(yǎng)護成本和提高結(jié)構(gòu)物耐久性，延長公路橋梁的使用壽命[7]。

3 應(yīng)用效果

3.1 預(yù)期成效

基于新一代公路橋梁智能監(jiān)測儀器在布設(shè)配置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫娴膬?yōu)勢，新型公路橋梁健康監(jiān)測與安全預(yù)警云平臺可達到如下預(yù)期成效：

（１）便捷的安裝施工和運維能力

新一代公路橋梁智能監(jiān)測儀器屬于一體化小型機，3～5分鐘極簡安裝，即裝即用，上電即上云，具備高性價比、開箱即用、運維簡單、高度集成邊緣智能分析等優(yōu)點，部署和運維成本預(yù)期可下降95%（已在實際落地項目中得到驗證），可有效解決以往公路橋梁健康監(jiān)測傳感器性價比低、部署困難、運維復(fù)雜、分體獨立、功能單一、信息孤島、無法認知等問題，

（２）實時的北斗高精度定位能力

新一代公路橋梁智能監(jiān)測儀器結(jié)合北斗地基增強微基站，具備實時的北斗高精度定位能力和高性能四星全頻測量接收能力，可支持北斗、GLONASS、GPS、Galileo等1.5毫米級全球衛(wèi)星定位服務(wù)，水平精度 1.5mm，高程精度 3mm，同時可提供國產(chǎn)芯片級底層數(shù)據(jù)安全加密防御能力、手機NFC近場通信、納秒級天文授時海量數(shù)據(jù)高精度時間同步能力以及智能續(xù)航充放電管理能力。

（３）領(lǐng)先的結(jié)構(gòu)健康診斷識別技術(shù)

基于新一代公路橋梁智能監(jiān)測儀器結(jié)合結(jié)構(gòu)所處時空、環(huán)境和微振動特征樣本的無損采集技術(shù)，進行宏微觀、動靜態(tài)和高精度監(jiān)測，利用多自由度微振動診斷算法和多層次分析發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)早期損傷與隱患，可使公路橋梁結(jié)構(gòu)健康診斷識別技術(shù)處于行業(yè)領(lǐng)先水平。

（４）高效的橋梁實時智能監(jiān)測水平

通過融合云平臺、大數(shù)據(jù)和智能物聯(lián)網(wǎng)，打造覆蓋公路橋梁“云?端?邊”實時智能監(jiān)測網(wǎng)，研發(fā)新型公路橋梁健康監(jiān)測與安全預(yù)警云平臺，可全面實現(xiàn)對公路橋梁運行監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、匯聚和分析，高效監(jiān)測公路橋梁的實時狀態(tài)和安全情況[8]。相較于傳統(tǒng)公路橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，本文所提出的新型公路橋梁健康監(jiān)測與安全預(yù)警云平臺具有高效、協(xié)議開放、彈性延展、極簡接入等功能，可實現(xiàn)公路橋梁運行體征監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取的實時性和同步性，能夠更準確反映橋梁結(jié)構(gòu)健康狀況。

3.2 應(yīng)用案例

平和縣橋梁群結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)是新一代公路橋梁智能監(jiān)測儀器以及公路橋梁健康監(jiān)測與安全預(yù)警云平臺的典型應(yīng)用案例。通過在橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置布設(shè)新一代公路橋梁智能監(jiān)測儀器、氣象環(huán)境和視頻監(jiān)控等感知終端，實時采集平和縣域內(nèi)橋梁所處的靜態(tài)、動態(tài)、環(huán)境、載荷等信息，為公路橋梁安全預(yù)警、安全分析評估提供數(shù)據(jù)依據(jù)，及時了解公路橋梁結(jié)構(gòu)缺陷與損傷，并評估分析其在所處環(huán)境條件下的可能發(fā)展態(tài)勢及其對結(jié)構(gòu)安全運營造成的潛在風(fēng)險，實現(xiàn)對公路橋梁結(jié)構(gòu)全生命周期的監(jiān)測和管理。

通過打造平和縣橋梁群結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，為縣域內(nèi)5座重要公路橋梁提供安全監(jiān)測，并已成功預(yù)警8起大型車輛非法上橋，為橋梁運維單位提供12處橋梁維修建議，在一定程度上提升了平和縣5座重要公路橋梁安全耐久水平，服務(wù)惠及253km2轄區(qū)面積與27萬人民群眾。

4 結(jié)語

本文基于新一代公路橋梁智能監(jiān)測儀器在布設(shè)配置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫娴膬?yōu)勢，研發(fā)設(shè)計了由公路橋梁AIoT開放平臺（PaaS）、公路橋梁健康監(jiān)測與安全預(yù)警系統(tǒng)（SaaS）組成的新型公路橋梁健康監(jiān)測與安全預(yù)警云平臺，可高效提供公路橋梁運行體征監(jiān)測數(shù)據(jù)和秒級預(yù)警信息，并有力支撐公路橋梁高效運行和突發(fā)事件快速智能響應(yīng)。

同時，結(jié)合新一代公路橋梁智能監(jiān)測儀器實時的北斗高精度定位能力、領(lǐng)先的結(jié)構(gòu)健康診斷識別能力，可將其拓展應(yīng)用于公路邊坡、隧道、路面等交通設(shè)施健康監(jiān)測領(lǐng)域，實現(xiàn)隱患風(fēng)險的及時感知、早期監(jiān)測預(yù)警和高效處置應(yīng)對，確保交通設(shè)施運行的主動式安全保障。未來一段時間，甚至可將新一代公路橋梁智能監(jiān)測儀器探索應(yīng)用于城市安全運行監(jiān)測領(lǐng)域，通過構(gòu)建城市生命線監(jiān)測系統(tǒng)（應(yīng)用場景涵蓋市政、建筑、管廊、排水、河湖等），賦能傳統(tǒng)城市生命線工程安全運營和人居環(huán)境改善，讓城市安全隱患消除在萌芽狀態(tài)，提升城市安全韌性，促進改善民生服務(wù)、維護公共安全、提升突發(fā)事件應(yīng)對能力。

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