盧露

摘要：文章以南寧大沖邕江特大橋為主要研究對象，分析5G技術(shù)在特大城市橋梁中應(yīng)用的意義，科學設(shè)計項目方案，研究項目技術(shù)的創(chuàng)新成果。同時，將5G技術(shù)和結(jié)構(gòu)監(jiān)測評估系統(tǒng)相互結(jié)合，準確識別結(jié)構(gòu)損傷和狀態(tài)評估，再從環(huán)境效益、經(jīng)濟效益、社會效益等方面進行檢驗，保證項目實施效果達到預(yù)期要求。

關(guān)鍵詞：5G；橋梁監(jiān)測；特大橋；前端智能算法

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A文章編號：1009-3044（2023）29-0106-02

近年來我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)突飛猛進，各類新型橋梁也層出不窮，不斷刷新世界紀錄。為加強橋梁監(jiān)測管理，2019年交通運輸部提出在2025年底前建設(shè)完整的橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)督系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括跨江、跨海、跨峽谷等橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)督系統(tǒng)。但從目前橋梁應(yīng)用情況來看，各種外在因素的影響，降低了橋梁整體承載力，影響了橋梁的使用。因此，科學評估橋梁實際使用狀態(tài)，提高橋梁使用性能，延長橋梁使用年限，是目前交通運輸管理部門、橋梁設(shè)計企業(yè)等單位急需解決的問題。針對該種情況，相關(guān)企業(yè)要將5G技術(shù)應(yīng)用到結(jié)構(gòu)監(jiān)測環(huán)節(jié)，以 5G 網(wǎng)絡(luò)高帶寬、低延遲、大連接等特點為基礎(chǔ)，結(jié)合BIM三維建模技術(shù)，建立橋梁三維時空可視化平臺，實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點位形變實時監(jiān)測、自動安全預(yù)警、綜合項目管理，科學評估橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，提高橋梁管理的信息化水平，從而降低城市橋梁的安全風險，延長城市橋梁使用年限[1]。

1 工程概況

南寧大沖邕江特大橋處于南寧外環(huán)，是典型的公路項目工程，整個橋梁長度為888米，是現(xiàn)今廣西跨徑最高的塔混凝土斜拉橋，主橋共設(shè)置三跨，呈現(xiàn)高低塔混凝土斜拉橋風格，北岸塔高度高于南岸塔高度，實際高度為138m。該特大橋主橋為H型，根據(jù)上寬下窄原則設(shè)計斜拉索面，進一步優(yōu)化橋梁設(shè)計風格。項目在特大橋部署2個塔頂橋梁監(jiān)測點、1個跨中監(jiān)測點、1個橋邊監(jiān)測點、4個高清攝像頭，通過5G網(wǎng)關(guān)進行數(shù)據(jù)傳輸，具備高精度定位監(jiān)控能力和視頻監(jiān)控能力，8月已通過交科集團驗收，實測精度達到毫米級，數(shù)據(jù)傳輸及時率超過99%，定位精度、監(jiān)控數(shù)據(jù)發(fā)送及時性和穩(wěn)定性都達到設(shè)計要求。

2 基于5G 技術(shù)的結(jié)構(gòu)監(jiān)測評估系統(tǒng)對城市橋梁的意義

2.1 5G 技術(shù)概述

5G技術(shù)對比前四代技術(shù)來說，其傳輸速度更快，遠超第四代技術(shù)，只需要幾分鐘就能下載大型游戲。5G技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無線技術(shù)相互結(jié)合，全面提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。其中無線技術(shù)最常用多載波技術(shù)、大規(guī)模MIMO技術(shù)、多天線技術(shù)等，能有效提升網(wǎng)絡(luò)的可靠性，加快傳輸速度。同時，其能設(shè)置大量天線，實現(xiàn)一個視頻資源多終端客戶使用，有效提高空間分辨率，減少外部沖擊。而應(yīng)用全雙工技術(shù)，能增強頻譜應(yīng)用的靈活性，防止資源浪費，提高5G技術(shù)效率。在應(yīng)用5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)時，能突破4G通信技術(shù)限制，使用戶得到良好的使用體驗，無論終端用戶所處位置在何地，均能夠做到快速連接。目前，5G 技術(shù)能滿足用戶實際需求，加強網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性，降低網(wǎng)絡(luò)延時，讓終端不局限于手機終端，實現(xiàn)智能手表、手環(huán)聯(lián)網(wǎng)。在研發(fā)過程中對于耗電問題會更加重視，5G 網(wǎng)絡(luò)對于電池的續(xù)航能力有一定要求。

2.2 應(yīng)用意義

在橋梁的使用階段，由于受到各種外在因素影響，如環(huán)境侵蝕、材料老化、維護不當?shù)纫蛩?，導致橋梁荷載出現(xiàn)疲勞效應(yīng)，很容易使橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降，難以抵抗自然災(zāi)害影響，無形中增加橋梁結(jié)構(gòu)安全事故的發(fā)生概率。而將基于5G技術(shù)的結(jié)構(gòu)監(jiān)測評估系統(tǒng)應(yīng)用到城市橋梁監(jiān)測方面，基于5G的Bridge 安全監(jiān)測技術(shù)將以傳感器技術(shù)、5G通信技術(shù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分析技術(shù)為核心，進一步優(yōu)化技術(shù)內(nèi)容，促進橋梁監(jiān)測技術(shù)向智能化方向發(fā)展。

首先，工作人員要全面分析被監(jiān)測橋梁的實際運行狀態(tài)，選擇對應(yīng)的傳感器，將傳感器監(jiān)測和人工定期檢測相互結(jié)合，動態(tài)監(jiān)督橋梁運行狀況，一旦橋梁出現(xiàn)異常問題，會自動觸發(fā)預(yù)警信號，實時監(jiān)督橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)，優(yōu)化監(jiān)測內(nèi)容。

其次，對于橋梁安全監(jiān)督系統(tǒng)布線難度較高的問題，工作人員要優(yōu)化傳統(tǒng)電纜光纖敷設(shè)方式，結(jié)合5G 技術(shù)特征，全面采集各種數(shù)據(jù)，將其傳輸?shù)皆破脚_，有利于工作人員實時查詢數(shù)據(jù)內(nèi)容。同時，要使用5G 技術(shù)高帶寬、低時延、連接速度快等特征優(yōu)勢，縮短日常橋梁數(shù)據(jù)傳輸時延，進一步拓展傳感器擴容需求。

最后，要將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦I(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，利用各種IT技術(shù)全面分析數(shù)據(jù)內(nèi)容，全方位監(jiān)督橋梁健康性能指標。同時，要加強產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的開放屬性，有效解決橋梁監(jiān)督信息孤島問題，實時監(jiān)督系統(tǒng)信息各方面數(shù)據(jù)，如氣象預(yù)報、地質(zhì)災(zāi)害、交通管制、橋梁運行數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)，將其和IT數(shù)據(jù)、OT數(shù)據(jù)相互連接，構(gòu)建健全的橋梁一體化監(jiān)管平臺，進一步完善橋梁健康模型，促進橋梁安全監(jiān)控向數(shù)字化方向發(fā)展，從而實現(xiàn)提前預(yù)警和分析的作用，幫助制定合理的解決措施，避免安全風險。

3 項目方案設(shè)計

3.1 基于有限元模型分析

在模擬邊界條件時，要真實模擬雙向活動支座和單向活動支座，通過C50混凝土建設(shè)橋塔和主梁，車道設(shè)置為雙向6 車道，斜拉索的標準強度控制在1670MPa，與設(shè)計圖紙基本一致。同時，選擇斜拉橋損傷的關(guān)鍵部位進行監(jiān)測，根據(jù)有限元模型分析，發(fā)現(xiàn)主跨中、四分點和邊跨中豎向位移距離較大，在活載和恒載作用下安裝擾度測點，因此在主跨中、四分點和邊跨中橋塔塔頂和主梁末端位置由于溫度因素變形幅度較大，通過主梁兩端進行縱向移位監(jiān)測。

3.2 監(jiān)測指標設(shè)計

根據(jù)大橋結(jié)構(gòu)特征，與工程實際監(jiān)控標準相結(jié)合[2]。

3.3 測點布置方案

在儀器設(shè)備的設(shè)置上，應(yīng)遵循以下原則：1） 根據(jù)大橋構(gòu)造監(jiān)測要求，對橋梁構(gòu)造型式、傳感器特征、監(jiān)測指標等進行綜合分析；2） 結(jié)合監(jiān)測目的和功能要求，如所要記錄響應(yīng)數(shù)量、監(jiān)測信息數(shù)據(jù)，預(yù)估結(jié)構(gòu)響應(yīng)；3） 通過結(jié)構(gòu)對稱性原則，控制冗余度；4） 優(yōu)化測點分析結(jié)果；5） 綜合分析采集通信方案，合理控制網(wǎng)關(guān)設(shè)置數(shù)量（如圖1所示）；6） 全面分析大橋結(jié)構(gòu)，合理降低施工給橋梁結(jié)構(gòu)造成的影響程度，且不能改變結(jié)構(gòu)實際受力狀態(tài)；7） 在選擇監(jiān)測位置時，要綜合考慮設(shè)備更新便捷性，延長設(shè)備使用時間。

4 項目技術(shù)成果的先進性和創(chuàng)新性

4.1 提出傳感器前端智能算法

創(chuàng)新振動數(shù)據(jù)功率譜算法，準確計算出振動頻點和階數(shù)，利用云平臺直接優(yōu)化索力計算結(jié)構(gòu)，構(gòu)建健全的有限元參數(shù)化模型。并對精確計算模型進行優(yōu)化，得到了精確索力計算公式。該方法可以將前端智能算法與傳感器實時分析相結(jié)合，對服務(wù)器進行傳輸，有效提升計算準確性，降低傳感器能量消耗[3]。

4.2 構(gòu)建橋梁結(jié)構(gòu)損傷成因智能識別方法

1） 科學分析大橋結(jié)構(gòu)監(jiān)控計劃，合理利用撓度、轉(zhuǎn)角變形等數(shù)據(jù)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)反應(yīng)輸出值，全面分析服役性能退化因素，如結(jié)構(gòu)剛度退化、構(gòu)件節(jié)點損傷等數(shù)據(jù)，將單一結(jié)構(gòu)損傷數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)期輸入值。建立特殊橋梁結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析模型，形成基于橋梁結(jié)構(gòu)損傷的X紋樣本數(shù)據(jù)庫；2） 利用無線智能傳感器，可以在主要位置上觀察到結(jié)構(gòu)響應(yīng)；3） 應(yīng)用深度學習神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，學習橋梁結(jié)構(gòu)樣本數(shù)據(jù)庫，以實際橋梁響應(yīng)為載體，計算出橋梁結(jié)構(gòu)各種損傷參數(shù)權(quán)重，從而得到橋梁結(jié)構(gòu)損傷關(guān)鍵影響因素，準確判斷其對橋梁運營性能帶來的影響程度[5]，

4.3 實現(xiàn)跨鐵路橋梁的混合監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用

本文通過分析上述大橋設(shè)計結(jié)構(gòu)圖紙，建立有限元模型，取得動力和靜力控制方程。但因受到外在因素影響，要計算出高階欠定偏微分成本，必須選擇合適位置安裝傳感器，找到適合跨鐵路橋梁施工的欠定方程計算方法，得到結(jié)構(gòu)全局響應(yīng)。

4.4 面向跨鐵路橋梁建模和修正

通過數(shù)字孿生建設(shè)新型混合監(jiān)測技術(shù)，要積極建設(shè)健全的有限元模型，全面采集各種結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。但值得注意的是，在建設(shè)模型時，要注意多樣化因素，如結(jié)構(gòu)邊界、條件、跨尺度處連接方式、單元劃分形式等因素。本文以南寧大沖邕江特大橋為主要研究對象，計算跨鐵路橋梁模型修正數(shù)據(jù)，進一步優(yōu)化建模流程，全面提高數(shù)據(jù)精確度，有效簡化多尺度有限元模型，全面提高計算效率和準確度。

4.5 準確評估結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)

在監(jiān)控橋梁結(jié)構(gòu)時，損傷識別難度系數(shù)較高，主要原因為傳感器數(shù)量較少，很難掌握局部損傷所產(chǎn)生的微小結(jié)構(gòu)變化。而通過應(yīng)用混合監(jiān)測技術(shù)，能進一步拓展數(shù)據(jù)內(nèi)容，有效解決上述問題，深度挖掘數(shù)據(jù)內(nèi)容，創(chuàng)新結(jié)構(gòu)損傷識別方法。同時，能豐富信息內(nèi)容，進行狀態(tài)識別工作和損傷識別，給橋梁運維工作打下堅實的基礎(chǔ)。

5 項目實施效果

5.1 項目成果影響

該項目的成果主要包括：1） 通過大橋運營安全預(yù)警技術(shù)系統(tǒng)，實時監(jiān)督全國大跨徑跨鐵路橋結(jié)構(gòu)，確保橋梁結(jié)構(gòu)安全；2） 為功能部門采取相應(yīng)的措施提供決策基礎(chǔ)，防止發(fā)生嚴重安全事故，具有較強的社會效益；3） 有效提升大橋耐受力，延長其使用壽命，防止拆舊建新，降低對環(huán)境的影響。

5.2 經(jīng)濟效益

該系統(tǒng)利用有限元模型分析機制，從大橋監(jiān)控數(shù)據(jù)中快速形成信息分析評價結(jié)果，通過日報、季報、年報、自定義等方式向有關(guān)部門進行報備，幫助有關(guān)部門及時了解大橋情況，有效解決人工巡視、經(jīng)驗判斷等方面的局限性。不僅能夠滿足長期監(jiān)測和評價的需要，又不需要增加專業(yè)機構(gòu)評估次數(shù)和成本，就能得到各種數(shù)據(jù)資源，提前識別風險類型，觸發(fā)安全報警功能，提高工作人員風險防控的便捷性，實時監(jiān)測風險目標，及時控制各種緊急情況[6]。

5.3 環(huán)境效益

和傳統(tǒng)人工巡檢方式相比，在利用無線智能傳感器進行數(shù)據(jù)采集時，具有較強的時效性，能進一步降低外線布設(shè)時間，合理控制施工對橋梁附近環(huán)境的影響。同時，應(yīng)用結(jié)構(gòu)體表面安裝模式，不會影響到結(jié)構(gòu)本體安全性能，能有效降低其對市容市貌的影響程度[7]。

6 總結(jié)

綜上所述，基于5G技術(shù)的大橋結(jié)構(gòu)監(jiān)控系統(tǒng)不僅能滿足橋梁監(jiān)控要求，還可以在不同區(qū)域?qū)Υ髽蚪Y(jié)構(gòu)進行監(jiān)控，為國家公共基礎(chǔ)設(shè)施安全管理提供各種數(shù)據(jù)，有效支持事故和災(zāi)害應(yīng)急，延長公共基礎(chǔ)設(shè)施使用壽命，實現(xiàn)全生命周期管理，全面提高公共基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)經(jīng)濟效益。

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【通聯(lián)編輯：張薇】