基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的港口基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營安全監(jiān)管措施研究

劉紅彪

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院，天津 300456）

港口工程在我國經(jīng)貿(mào)發(fā)展、海島和海洋國土資源開發(fā)維護(hù)及國防建設(shè)中發(fā)揮著十分重要的作用。目前，針對碼頭等港口基礎(chǔ)設(shè)施健康狀態(tài)的獲取，仍采用人工檢測方法，這種檢測方法屬于定期檢測，時(shí)效性差，受現(xiàn)場環(huán)境影響大，惡劣天氣狀況下難以實(shí)施，且無法及時(shí)掌握突發(fā)荷載狀況下的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能特征狀態(tài)，不可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的災(zāi)變預(yù)警。為了及時(shí)了解大型碼頭等港口水工建筑物的安全狀態(tài)，加強(qiáng)交通運(yùn)輸安全監(jiān)管，提升應(yīng)急保障能力，迫切需要建立港口水工建筑物的長期安全運(yùn)營監(jiān)管系統(tǒng)及災(zāi)變預(yù)警系統(tǒng)，保障港口生產(chǎn)安全，提高氣象、地質(zhì)、地震災(zāi)害防御能力。

一、港口基礎(chǔ)設(shè)施檢測與監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀分析

由于測試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的發(fā)展，長期的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測成為評估結(jié)構(gòu)表現(xiàn)性能的重要手段。自從20世紀(jì)90年代以來，長期結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)在歐洲、美國、加拿大、日本、韓國被成功地應(yīng)用在了大跨橋梁的健康監(jiān)測和安全預(yù)警方面，比如丹麥的大貝爾特東橋、加拿大的聯(lián)邦大橋、香港的青馬大橋，等等[1-2]。隨著監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，基于長期監(jiān)測系統(tǒng)的超高層建筑安全狀態(tài)及疲勞壽命評估技術(shù)得到了進(jìn)一步的發(fā)展，香港理工大學(xué)的倪一清教授已將長期健康監(jiān)測系統(tǒng)成功應(yīng)用到了中國的廣州塔和深圳證券交易中心總部大樓的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和安全狀態(tài)評估方面[3-4]。理論研究表明，基于長期健康監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)重要構(gòu)件的應(yīng)變數(shù)據(jù)比基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)的加速度信號更能直接反映材料的抗力及結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全可靠度，基于應(yīng)變數(shù)據(jù)的健康監(jiān)測系統(tǒng)在許多大型結(jié)構(gòu)已有較多應(yīng)用，基于應(yīng)變數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)安全性評估方法也有進(jìn)一步的發(fā)展[5-8]；同時(shí)，各種不同的應(yīng)變測試儀器也被成功的應(yīng)用，如電子應(yīng)變儀、振弦式應(yīng)變儀以及光纖應(yīng)變儀等[9-10]。

但目前國內(nèi)針對碼頭等港口水工建筑物健康監(jiān)測技術(shù)的相關(guān)研究比較少，針對碼頭等港口水工建筑物長期健康監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用的相關(guān)報(bào)道很少，據(jù)2019年最新發(fā)表的一篇論文描述，截止目前港口水工建筑物結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)方面的論文全世界不足30篇，文獻(xiàn)記載的工程應(yīng)用不到15個(gè)[11]。孫英學(xué)（2005），黃長虹（2009）提出了海港碼頭的損傷機(jī)理，描述了碼頭健康監(jiān)測的實(shí)施方法，但沒有實(shí)際的監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用[12-13]。朱彤（2011）在大連新港某30萬噸級原油碼頭的沉箱式靠船墩及附屬的拱橋上建立了健康監(jiān)測系統(tǒng)，并獲得了相關(guān)的數(shù)據(jù)，但并沒有提出基于實(shí)測數(shù)據(jù)的碼頭結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評估方法且系統(tǒng)的測試能力較弱，僅是碼頭健康監(jiān)測系統(tǒng)的初探[14]。劉現(xiàn)鵬（2016）等人在天津港某在役高樁碼頭結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)并施工了健康監(jiān)測系統(tǒng)，這是國內(nèi)首次將結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于在役高樁碼頭結(jié)構(gòu)的案例[15]，對推動(dòng)港口水工建筑物結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步具有重要意義。而對于新建高樁碼頭結(jié)構(gòu)，目前還沒有結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用的報(bào)道，尤其是針對船舶撞擊力的長期在線監(jiān)測技術(shù)方面研究較少。目前，對于船舶撞擊力測試方面的研究多為試驗(yàn)性質(zhì)，一般屬于臨時(shí)性測試，測試完成便馬上拆除，并非長期連續(xù)監(jiān)測，而且測試時(shí)一般是獨(dú)立安裝測力裝置，測力裝置并不在碼頭護(hù)舷位置[16]，這樣導(dǎo)致測到的撞擊力與實(shí)際靠泊狀態(tài)不太一致。而對于利用碼頭護(hù)舷測試船舶撞擊力的研究，測試時(shí)通過測試護(hù)舷的變形量，然后通過護(hù)舷的性能曲線反算船舶撞擊力大小[17]，這種做法不直接且精度低，不適合船舶撞擊力的長期在線監(jiān)測。另一方面，針對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性監(jiān)測技術(shù)仍不完善，盡管有德國的陽極梯監(jiān)測系統(tǒng)、丹麥的銹蝕監(jiān)測系統(tǒng)以及美國的ECI監(jiān)測系統(tǒng)，但在監(jiān)測數(shù)據(jù)評定方面沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致目前監(jiān)測數(shù)據(jù)評定方面做法不一，影響了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展。

根據(jù)以上國內(nèi)外文獻(xiàn)記載，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用始于20世紀(jì)70年代末，而結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)首次在港口碼頭中的應(yīng)用時(shí)間是2000年；在中國，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)在港口碼頭中的第一個(gè)工程應(yīng)用案例出現(xiàn)于2011年。可見，港口水工建筑物結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展明顯滯后于其它結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。因此，用于港口水工建筑物的長期健康監(jiān)測系統(tǒng)及基于此的結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評估方法需進(jìn)一步研究。

碼頭等港口水工建筑物是貨品裝卸運(yùn)輸?shù)闹匾脚_，港口工程設(shè)施的結(jié)構(gòu)安全狀況直接影響到船舶?？颗c貨品裝卸過程的安全性，及時(shí)獲取碼頭結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)數(shù)據(jù)是保證碼頭生產(chǎn)運(yùn)營安全的關(guān)鍵。但碼頭等港口設(shè)施服役的海洋環(huán)境條件惡劣，結(jié)構(gòu)在承受較大工作荷載的同時(shí)，還經(jīng)受著如大浪、風(fēng)暴潮、臺風(fēng)等荷載的共同作用，在這種服役環(huán)境下，碼頭等港口設(shè)施極易出現(xiàn)損傷，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體抗力降低，引起港口設(shè)施的安全性降低。但目前針對港口設(shè)施健康狀態(tài)的獲取多采用人工定期檢測的方式進(jìn)行，其缺點(diǎn)是屬于定期檢測，時(shí)效性差，受現(xiàn)場環(huán)境影響大，惡劣天氣狀況下難以實(shí)施工作，且無法及時(shí)掌握突發(fā)荷載狀況下的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能狀態(tài)，不可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的災(zāi)變預(yù)警。因此，為了實(shí)現(xiàn)港口水工建筑物的健康監(jiān)測與安全預(yù)警，開展港口工程結(jié)構(gòu)健康實(shí)時(shí)在線監(jiān)測技術(shù)研究很有必要。由于碼頭等港口水工建筑物的服役海洋環(huán)境復(fù)雜惡劣，給傳感器的布設(shè)增加了一定的困難，但耐腐蝕較好的光纖應(yīng)變儀可以解決這一困難[18]，且橋梁、建筑等領(lǐng)域的健康監(jiān)測技術(shù)及相關(guān)評估方法可以引用吸收，故開展基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的港口基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營安全監(jiān)管措施研究是可行的。

鑒于此，本文以港口水工建筑物結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測為研究對象，開展基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的港口基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營安全監(jiān)管措施研究，針對現(xiàn)有港口水工建筑物檢測技術(shù)方面的局限性，提出智能化的港口水工建筑物全壽命期健康在線監(jiān)測技術(shù)方法，為港口基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)智能化管理探索一條新的道路，提高港口設(shè)施維護(hù)管理技術(shù)水平。

二、港口基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營安全監(jiān)管系統(tǒng)框架構(gòu)建

港口基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)管的有效手段是建立基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的港口基礎(chǔ)設(shè)施安全運(yùn)營監(jiān)管系統(tǒng)，監(jiān)管系統(tǒng)的核心是在港口基礎(chǔ)設(shè)施上加裝結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。港口水工建筑物結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)是通過安置在結(jié)構(gòu)各重要構(gòu)件上的傳感器，對結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)性能進(jìn)行無損監(jiān)測，實(shí)時(shí)監(jiān)控結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，對結(jié)構(gòu)的損傷位置及程度進(jìn)行診斷，并開展結(jié)構(gòu)的安全性、使用性和耐久性評估，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的災(zāi)變預(yù)警，為港口工程結(jié)構(gòu)的運(yùn)營、維修、養(yǎng)護(hù)與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。健康監(jiān)測不僅對港口工程結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營起到實(shí)質(zhì)保障作用，同時(shí)也為檢測人員帶來了極大的便利，提高了港口工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測的自動(dòng)化、智能化水平。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)是一項(xiàng)綜合學(xué)科，涉及到傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)、斷裂力學(xué)、建設(shè)材料學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)等基礎(chǔ)理論，同時(shí)采用了當(dāng)下流行的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、數(shù)據(jù)無線傳輸、數(shù)據(jù)處理等相關(guān)先進(jìn)技術(shù)，利用各類傳感器對結(jié)構(gòu)的特征信息進(jìn)行采集，然后基于相關(guān)算法對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，來預(yù)測結(jié)構(gòu)的各種響應(yīng)及限定一些不利于結(jié)構(gòu)正常運(yùn)行的響應(yīng)，從而形成一種適合沿海港口水工建筑物結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行和評定的健康監(jiān)測系統(tǒng)。

港口水工建筑物全壽命周期健康監(jiān)測系統(tǒng)是集結(jié)構(gòu)監(jiān)測、系統(tǒng)辨識和結(jié)構(gòu)評估于一體的綜合監(jiān)測系統(tǒng)。一般大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)需要對以下結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行監(jiān)測：一是正常荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和力學(xué)狀態(tài)；二是結(jié)構(gòu)在突發(fā)事件（如地震、大風(fēng)、大浪或其他嚴(yán)重事故等）的結(jié)構(gòu)響應(yīng)；三是結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐久性監(jiān)測，主要是監(jiān)控混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋銹蝕狀態(tài)；四是重要的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和附屬設(shè)施的工作狀態(tài)；五是結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境條件，如環(huán)境溫度、風(fēng)、浪、流等。

因此，港口水工建筑物全壽命周期健康監(jiān)測不只是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)的簡單改進(jìn)，而是利用現(xiàn)代化傳感設(shè)備與光電通信技術(shù)以及BIM技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)構(gòu)服役階段在各種環(huán)境條件下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)行為以及結(jié)構(gòu)耐久性能狀態(tài)，獲取反映結(jié)構(gòu)狀況和環(huán)境因素的信息，并由此分析結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)，評估結(jié)構(gòu)的可靠性，為結(jié)構(gòu)的管理與維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。并且，在突發(fā)偶然事件時(shí)，可通過監(jiān)測數(shù)據(jù)識別結(jié)構(gòu)的損傷和關(guān)鍵部位的變化，對結(jié)構(gòu)安全性和可靠性做出客觀的、定量的評價(jià)。

基于上述分析，參考橋梁、建筑領(lǐng)域中結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的組成，并根據(jù)港口水工建筑物結(jié)構(gòu)的安全因素及損傷機(jī)理分析，結(jié)合考慮沿海港口水工建筑物的服役環(huán)境，設(shè)計(jì)并確定了港口基礎(chǔ)設(shè)施全壽命周期運(yùn)營安全監(jiān)管系統(tǒng)框架，如附圖所示?？紤]沿海港口工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測要求，圍繞信息化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的科學(xué)性與先進(jìn)性，港口基礎(chǔ)設(shè)施全壽命周期運(yùn)營安全監(jiān)管系統(tǒng)由傳感器與數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸與存儲子系統(tǒng)和基于BIM技術(shù)的運(yùn)營安全監(jiān)管運(yùn)維平臺三部分組成。

附圖 港口基礎(chǔ)設(shè)施全壽命周期運(yùn)營安全監(jiān)管系統(tǒng)框架示意圖

傳感器與數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)主要由傳感器單元和數(shù)據(jù)自動(dòng)采集單元構(gòu)成。傳感器單元主要作用是通過安裝于被測構(gòu)件上的各種傳感器將監(jiān)測物理量轉(zhuǎn)化為電信號（或光信號），用于數(shù)據(jù)采集，由各類監(jiān)測傳感器、數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)以及設(shè)備數(shù)據(jù)接口等硬件組成，如應(yīng)變傳感器、位移傳感器、信號放大器、數(shù)據(jù)連接線纜及數(shù)據(jù)采集接口。數(shù)據(jù)自動(dòng)采集單元主要作用是對現(xiàn)場各類監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)信號的自動(dòng)采集過程，包括數(shù)據(jù)采集儀及相應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，安裝于被測結(jié)構(gòu)現(xiàn)場，采集傳感器單元的數(shù)據(jù)并進(jìn)行初步處理。

數(shù)據(jù)傳輸與存儲子系統(tǒng)包括現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)組網(wǎng)、監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸以及數(shù)據(jù)的存儲。監(jiān)測系統(tǒng)組網(wǎng)是指通過有線或者無線的方式將現(xiàn)場各傳感器與數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)組成一個(gè)監(jiān)測網(wǎng)，統(tǒng)一接入現(xiàn)場的工控機(jī)中，用于整體信號數(shù)據(jù)的采集。數(shù)據(jù)傳輸是通過現(xiàn)場工控機(jī)安裝的數(shù)據(jù)發(fā)射模塊將采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)通訊的方式傳送到遠(yuǎn)端服務(wù)器或云端，包括監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集平臺、數(shù)據(jù)傳輸模塊與服務(wù)器。數(shù)據(jù)存儲是指將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)以遠(yuǎn)端服務(wù)器存儲或云存儲，同時(shí)現(xiàn)場工控機(jī)本地存儲，進(jìn)行數(shù)據(jù)備份。存儲的數(shù)據(jù)用于后期處理和應(yīng)用。

基于BIM技術(shù)的運(yùn)營安全監(jiān)管運(yùn)維平臺是數(shù)據(jù)的展示與應(yīng)用部分，包括計(jì)算機(jī)終端、運(yùn)維平臺客戶端軟件、被測結(jié)構(gòu)的BIM模型、基于BIM技術(shù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)三維展示模塊、數(shù)據(jù)處理方法及結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評估與預(yù)警方法。該系統(tǒng)首先采用BIM技術(shù)建立目標(biāo)結(jié)構(gòu)的三維信息模型，然后將采集并預(yù)處理過的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆撟酉到y(tǒng)中，進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理分析和三維顯示，利用結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評估方法，判斷結(jié)構(gòu)損傷的程度和位置，對結(jié)構(gòu)健康狀況做出評估，基于評估結(jié)果，系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)預(yù)警信息。

三、港口基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營安全監(jiān)管對策建議

（一）完善港口設(shè)施維護(hù)發(fā)展規(guī)劃，強(qiáng)化指導(dǎo)性

研究建立國家水運(yùn)工程基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)發(fā)展規(guī)劃，推動(dòng)中國水運(yùn)工程基礎(chǔ)設(shè)施管養(yǎng)工作，完善水運(yùn)工程基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)管理體系，形成層次清晰、功能完善、權(quán)責(zé)分明的水運(yùn)工程基礎(chǔ)設(shè)施管養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)，指導(dǎo)全國水運(yùn)工程建設(shè)、養(yǎng)護(hù)管理工作。

（二）完善港口設(shè)施管理規(guī)定，強(qiáng)化基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的港口設(shè)施安全監(jiān)管信息化應(yīng)用的導(dǎo)向

對于港口設(shè)施維護(hù)管理規(guī)定進(jìn)行適當(dāng)修編，增加基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的港口設(shè)施安全監(jiān)管信息化應(yīng)用的相關(guān)規(guī)定。同時(shí)，允許各省針對本省的實(shí)際情況制定適合本省實(shí)際需要的港口基礎(chǔ)設(shè)施安全運(yùn)營信息化、自動(dòng)化安全監(jiān)管的管理規(guī)定，推動(dòng)基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的港口設(shè)施安全監(jiān)管信息化應(yīng)用發(fā)展。

（三）完善港口設(shè)施維護(hù)技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，做到港口設(shè)施安全監(jiān)管信息化應(yīng)用有法可依

對于國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行適當(dāng)修編，增加基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的港口設(shè)施安全監(jiān)管信息化應(yīng)用的相關(guān)規(guī)定?；蛘咧苯泳帉懟凇盎ヂ?lián)網(wǎng)+”的港口設(shè)施安全監(jiān)管技術(shù)規(guī)范，做到港口設(shè)施安全監(jiān)管信息化應(yīng)用有法可依。同時(shí)，允許各省、各港口企業(yè)針對本省的、本轄區(qū)的港口基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)際情況制定適合各自實(shí)際需要的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或指南。

（四）建立資金保障機(jī)制，推進(jìn)監(jiān)管信息化進(jìn)程

為推動(dòng)基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的港口設(shè)施安全監(jiān)管方式的推廣應(yīng)用，應(yīng)建立資金保障機(jī)制，建議將信息化監(jiān)管的費(fèi)用支出列支為安全生產(chǎn)費(fèi)用，以保證港口設(shè)施安全監(jiān)管信息化進(jìn)程的推進(jìn)。

四、結(jié)語

該研究成果可實(shí)現(xiàn)港口水工建筑物全壽命周期的健康監(jiān)測，監(jiān)測過程不受惡劣環(huán)境影響，監(jiān)測傳感系統(tǒng)可滿足海水環(huán)境的長期服役，可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的災(zāi)變預(yù)警，具有自動(dòng)化程度高、無人化操作、三維展示、對突發(fā)狀況反應(yīng)及時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，可提升我國水運(yùn)工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)水平，為港口設(shè)施維護(hù)與安全監(jiān)管提供了新思路、新方法，可提高港口設(shè)施維護(hù)管理信息化、智能化程度，對促進(jìn)港口基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)管理水平的提升、推動(dòng)智能化碼頭建設(shè)具有重要作用，可為港口經(jīng)濟(jì)科學(xué)發(fā)展、保障港口碼頭運(yùn)營安全提供科學(xué)依據(jù)。