交通基礎(chǔ)設(shè)施群智能監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)方案研究

喬 盤

（1河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院試驗(yàn)檢測中心，河北 石家莊 050091；2河北省道路工程智能監(jiān)測與運(yùn)維技術(shù)創(chuàng)新中心；3 河北瑞志交通技術(shù)咨詢有限公司）

1 引言

目前，國內(nèi)已有200 多座單體橋梁、隧道安裝了安全監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測、在線評(píng)估預(yù)警的功能[1，2]。近年來，國內(nèi)出現(xiàn)了基礎(chǔ)設(shè)施群安全監(jiān)測方面的研究與探索，其中武漢市在三環(huán)選取42 座重點(diǎn)橋梁開展了橋梁群監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施[3]，大連理工大學(xué)在湖北宜昌選取5座重點(diǎn)橋梁、1座隧道和6處邊坡，進(jìn)行了監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)方案研究與設(shè)計(jì)，這是國內(nèi)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施集群智能監(jiān)測首次探索[4]。

2018 年2 月，交通運(yùn)輸部發(fā)布“關(guān)于加快推進(jìn)新一代國家交通控制網(wǎng)和智慧公路試點(diǎn)的通知”，提出選取橋梁、隧道、邊坡等，建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施智能監(jiān)測傳感網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)交通基礎(chǔ)設(shè)施安全狀態(tài)綜合感知、分析及預(yù)警功能。2018年5月，河北省交通運(yùn)輸廳要求全面推進(jìn)延崇（延慶-崇禮）智慧高速公路試點(diǎn)建設(shè)，推廣特殊構(gòu)筑物等基礎(chǔ)設(shè)施的集群智能監(jiān)測技術(shù)，增強(qiáng)全面感知、分析、預(yù)警能力，建設(shè)全壽命周期的建管養(yǎng)運(yùn)安平臺(tái)[5，6]。

從國內(nèi)外發(fā)展趨勢看，公路基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測正經(jīng)歷由單體監(jiān)測向集群監(jiān)測、由單一結(jié)構(gòu)類型監(jiān)測向不同結(jié)構(gòu)類型集群監(jiān)測的方向發(fā)展。但基礎(chǔ)設(shè)施群智能監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)在目前的實(shí)際應(yīng)用實(shí)踐中，尚存在一些比較普遍的問題，包括缺少完整的集群監(jiān)測的建設(shè)理念，缺乏集群監(jiān)測的總體框架、監(jiān)測對(duì)象的篩選原則、功能場景的要求。

2 集群監(jiān)測的建設(shè)理念

在充分調(diào)研分析已有研究成果[7-12]的基礎(chǔ)上，以智慧高速公路試點(diǎn)建設(shè)要求為遵旨，結(jié)合高速公路基礎(chǔ)設(shè)施群的具體特點(diǎn)，總結(jié)提出集群監(jiān)測的建設(shè)理念：

①在標(biāo)準(zhǔn)化層面上，基礎(chǔ)設(shè)施群監(jiān)測系統(tǒng)采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維，避免了單體結(jié)構(gòu)單獨(dú)建設(shè)導(dǎo)致難以集中統(tǒng)籌管理和有效擴(kuò)展的問題。

②在硬件層面上，通過在基礎(chǔ)設(shè)施群的關(guān)鍵部位布設(shè)智能傳感硬件，將實(shí)時(shí)采集的表征結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的關(guān)鍵指標(biāo)信息匯總于集群監(jiān)測系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)橋梁、特長隧道等基礎(chǔ)設(shè)施群全壽命周期運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程綜合感知；共用監(jiān)控中心硬件設(shè)備，降低建設(shè)成本。

③在軟件層面上，搭建標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、穩(wěn)定開放的集群監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基于BIM 的基礎(chǔ)設(shè)施群的集中展示和新增監(jiān)測項(xiàng)目的便捷添加。

④在數(shù)據(jù)層面上，接入施工期數(shù)據(jù)，具有完整的全壽命監(jiān)測數(shù)據(jù)；與機(jī)電大數(shù)據(jù)平臺(tái)共享計(jì)重、環(huán)境氣象等多源數(shù)據(jù)，建立全壽命多維的基礎(chǔ)設(shè)施群安全監(jiān)測數(shù)據(jù)庫。

⑤在智能層面上，實(shí)現(xiàn)重載車輛的主動(dòng)安全預(yù)警，將分級(jí)預(yù)警結(jié)果和應(yīng)急預(yù)案同步推送至養(yǎng)護(hù)管理人員，確保預(yù)警事件從發(fā)生到處理的快速、高效。

3 集群監(jiān)測的總體框架

遵循基礎(chǔ)設(shè)施集群的建設(shè)理念，集群監(jiān)測的總體目標(biāo)為：以高速公路沿線重點(diǎn)橋梁、特長隧道等基礎(chǔ)設(shè)施群為對(duì)象，綜合應(yīng)用最新智能感知監(jiān)測技術(shù)，構(gòu)建基礎(chǔ)設(shè)施群多種類智能監(jiān)測傳感網(wǎng)，結(jié)合BIM、GIS、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，開發(fā)與集成高速公路基礎(chǔ)設(shè)施群綜合運(yùn)行智能監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高速公路基礎(chǔ)設(shè)施群安全狀態(tài)的智能感知、分析及預(yù)警功能，為高速公路服役期安全提供保障。

集群監(jiān)測的總體框架如圖1所示。

基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)其規(guī)模和復(fù)雜程度可分為如下三類：

①全面監(jiān)測：適用于同時(shí)具有多個(gè)監(jiān)測目標(biāo)的特大橋、大橋中特殊結(jié)構(gòu)類型主橋。

②重點(diǎn)監(jiān)測：適用于特大橋、大橋中常規(guī)跨徑鋼結(jié)構(gòu)橋梁、混凝土結(jié)構(gòu)橋梁。

③常規(guī)監(jiān)測：適用于考慮經(jīng)濟(jì)性和相似性原則的其他相同結(jié)構(gòu)類型橋梁。

圖1 總體架構(gòu)示意圖

4 集群監(jiān)測對(duì)象篩選的原則

對(duì)于一條（段）高速公路，各個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)形式、跨徑組合、規(guī)模不一，但同一類型結(jié)構(gòu)在受力特性上具有一致性和相似性?？紤]資金投入和經(jīng)濟(jì)性，選取典型橋梁、重特大橋梁以及典型隧道、特長隧道進(jìn)行監(jiān)測，適當(dāng)兼顧部分典型中小橋梁，以點(diǎn)帶線，實(shí)現(xiàn)對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施群的智能安全監(jiān)測。

4.1 橋梁監(jiān)測原則

①針對(duì)特大橋、大橋中特殊結(jié)構(gòu)類型主橋進(jìn)行全面監(jiān)測；監(jiān)測指標(biāo)按照文獻(xiàn)5 執(zhí)行，預(yù)留混凝土裂縫開合度監(jiān)測的采集設(shè)備接口，并接入機(jī)電系統(tǒng)稱重、視頻等數(shù)據(jù)。

②針對(duì)特大橋、大橋中常規(guī)跨徑鋼結(jié)構(gòu)橋梁、混凝土結(jié)構(gòu)橋梁，考慮結(jié)構(gòu)典型性、對(duì)稱性以及經(jīng)濟(jì)性原則，每種結(jié)構(gòu)類型選取不少于1 座代表性橋梁（從跨徑具有代表性、施工重點(diǎn)關(guān)注、未來交通量較大等幾個(gè)方面綜合考慮）進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測，每座橋梁監(jiān)測孔跨不少于兩孔（包括邊跨和中跨），監(jiān)測指標(biāo)包括車輛荷載、溫濕度、結(jié)構(gòu)溫度等荷載作用，結(jié)構(gòu)撓度、振動(dòng)、位移等結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)，以及結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變等結(jié)構(gòu)局部響應(yīng)，預(yù)留混凝土裂縫開合度監(jiān)測的采集設(shè)備接口，并接入機(jī)電系統(tǒng)稱重、視頻等數(shù)據(jù)。

③針對(duì)特大橋、大橋中相同結(jié)構(gòu)類型橋梁跨徑組合、規(guī)模不一，但同一類型結(jié)構(gòu)在受力特性上具有一致性和相似性?？紤]經(jīng)濟(jì)性原則，其他相同結(jié)構(gòu)類型選取不少于一孔（選取最不利孔跨）進(jìn)行常規(guī)監(jiān)測，監(jiān)測指標(biāo)包括車輛荷載、結(jié)構(gòu)溫度等荷載作用，結(jié)構(gòu)振動(dòng)、結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變等結(jié)構(gòu)響應(yīng)，可接入機(jī)電系統(tǒng)稱重、視頻等數(shù)據(jù)。

4.2 隧道監(jiān)測原則

①對(duì)于特長隧道，應(yīng)針對(duì)Ⅴ級(jí)圍巖、不良地質(zhì)（斷裂帶、富水帶）、較大塌方等關(guān)鍵區(qū)段進(jìn)行全面監(jiān)測，平均每公里不少于一個(gè)監(jiān)測斷面；出現(xiàn)連續(xù)塌方區(qū)段應(yīng)增加監(jiān)測斷面；出現(xiàn)大塌方區(qū)段應(yīng)加密拱頂應(yīng)變測點(diǎn)，測點(diǎn)間距不大于5m。監(jiān)測指標(biāo)包括圍巖壓力、孔隙水壓力等荷載作用，以及二次襯砌應(yīng)力應(yīng)變、結(jié)構(gòu)收斂變形、結(jié)構(gòu)溫度等，并接入機(jī)電系統(tǒng)溫濕度、空氣質(zhì)量、亮度等數(shù)據(jù)。

②對(duì)于中短隧道，應(yīng)針對(duì)Ⅴ級(jí)圍巖、不良地質(zhì)（斷裂帶、富水帶）、較大塌方等關(guān)鍵區(qū)段進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測，平均每300m不少于一個(gè)監(jiān)測斷面；出現(xiàn)連續(xù)塌方區(qū)段應(yīng)增加監(jiān)測斷面；出現(xiàn)大塌方區(qū)段應(yīng)加密拱頂應(yīng)變測點(diǎn)，測點(diǎn)間距不大于5m。監(jiān)測指標(biāo)包括二次襯砌應(yīng)力應(yīng)變、結(jié)構(gòu)收斂變形、結(jié)構(gòu)溫度等，可接入機(jī)電系統(tǒng)溫濕度、空氣質(zhì)量、亮度等數(shù)據(jù)。

此外，橋梁隧道監(jiān)測尚應(yīng)遵循設(shè)施復(fù)用原則。結(jié)合機(jī)電工程監(jiān)測設(shè)施，充分考慮數(shù)據(jù)格式和接口標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，共享機(jī)電工程出口稱重、視頻抓拍、環(huán)境氣象等數(shù)據(jù)；監(jiān)測設(shè)施接入機(jī)電工程供電、通信等設(shè)施，盡量共用監(jiān)測設(shè)施，避免重復(fù)建設(shè)。

5 應(yīng)用場景

場景一：基礎(chǔ)設(shè)施群運(yùn)行狀態(tài)綜合感知。

通過在延崇高速重點(diǎn)橋梁、特長隧道等基礎(chǔ)設(shè)施群的關(guān)鍵部位布設(shè)智能傳感硬件，采用專用的采集傳輸設(shè)備，將實(shí)時(shí)采集的表征結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的關(guān)鍵指標(biāo)信息匯總于集群綜合運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)延崇高速重點(diǎn)橋梁、特長隧道等基礎(chǔ)設(shè)施群全壽命周期運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程綜合感知。

場景二：基于BIM+GIS監(jiān)測數(shù)據(jù)展示。

通過BIM+GIS 技術(shù)的綜合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)高速公路全壽命周期數(shù)據(jù)資源和實(shí)體模型的形象展示和統(tǒng)籌管理，實(shí)現(xiàn)交通荷載、環(huán)境氣象、結(jié)構(gòu)狀態(tài)響應(yīng)、特殊狀況等監(jiān)測信息與BIM模型無縫對(duì)接及可視化展示。

場景三：基礎(chǔ)設(shè)施群運(yùn)行狀態(tài)分級(jí)預(yù)警。

通過動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)及視頻監(jiān)控對(duì)通行重車進(jìn)行監(jiān)測，在GIS 地圖上顯示車輛位置及超載超速信息并報(bào)警；對(duì)通行車輛進(jìn)行仿真分析，模擬其通過全線構(gòu)造物的結(jié)構(gòu)響應(yīng)情況，針對(duì)出現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)的位置進(jìn)行提前主動(dòng)預(yù)警，并根據(jù)預(yù)警情況構(gòu)造車輛通行安全度地圖，實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)警情況的記錄、跟蹤、管理等功能。

場景四：基礎(chǔ)設(shè)施群運(yùn)行狀態(tài)信息展示發(fā)布。

系統(tǒng)可為司乘人員提供延崇高速路域氣象信息、通行狀況信息和交通引導(dǎo)信息，可為養(yǎng)護(hù)人員提供實(shí)時(shí)監(jiān)測信息、主動(dòng)預(yù)警信息、安全應(yīng)急處置信息、安全評(píng)估報(bào)表和跟蹤溯源信息，可為交警人員提供交通擁堵信息、超載超限車輛信息和突發(fā)事件信息，可為路政人員提供重車信息、設(shè)施狀態(tài)信息和應(yīng)急事件信息。

場景五：自動(dòng)生成安全評(píng)估報(bào)告。

系統(tǒng)可按日、月、年定期自動(dòng)生成基礎(chǔ)設(shè)施群運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估報(bào)告，提出巡檢決策建議；定期將監(jiān)測數(shù)據(jù)與檢查結(jié)果進(jìn)行比對(duì)和分析，自動(dòng)生成綜合評(píng)估報(bào)告，提出管養(yǎng)決策建議；當(dāng)自然災(zāi)害或突發(fā)事件發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)可快速分析災(zāi)害前后結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)，評(píng)估災(zāi)害對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，出具災(zāi)后應(yīng)急處置建議。

場景六：與其他系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)充分集成及共享工程全生命周期數(shù)據(jù)。共享橋梁、隧道監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)，與系統(tǒng)初始狀態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)合；共享（智慧高速）智慧服務(wù)綜合平臺(tái)的各項(xiàng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和GIS、BIM數(shù)據(jù)，同時(shí)向平臺(tái)提供預(yù)警數(shù)據(jù)；共享其他相關(guān)數(shù)據(jù)。

6 結(jié)語

①在總結(jié)已有成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合智慧高速公路試點(diǎn)建設(shè)要求，從標(biāo)準(zhǔn)化、硬件、軟件、數(shù)據(jù)、智能等五個(gè)層面提出集群監(jiān)測的創(chuàng)新性建設(shè)理念。

②按照集群監(jiān)測的目標(biāo)要求，建立了集群監(jiān)測系統(tǒng)從底層泛在感知到頂層智能應(yīng)用的四級(jí)總體框架。

③考慮資金投入和經(jīng)濟(jì)性，按照重要性排序構(gòu)建全面監(jiān)測、重點(diǎn)監(jiān)測和常規(guī)監(jiān)測三個(gè)規(guī)模層次，提出集群監(jiān)測對(duì)象的篩選準(zhǔn)則，介紹了宜監(jiān)測的指標(biāo)內(nèi)容和測點(diǎn)優(yōu)化布設(shè)方法。

④總結(jié)提煉出集群監(jiān)測的應(yīng)用場景要求，可為管養(yǎng)部門提供綜合感知、可視化展示、分級(jí)預(yù)警、信息發(fā)布、自動(dòng)化安全評(píng)估和共享數(shù)據(jù)等六項(xiàng)服務(wù)，可為同類相關(guān)智能基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)、建設(shè)提供借鑒。