橋梁智慧檢測邊緣計算技術(shù)及系統(tǒng)開發(fā)

李星新，袁 里，陳湘亮，陳益平

(1. 湖南城市學(xué)院 土木工程學(xué)院，湖南 益陽 413000；2. 湖南未來橋科技有限公司，長沙 410000)

截至2020 年年底，我國公路橋梁總數(shù)接近100 萬座，及時、科學(xué)合理的檢測評估可保障眾多橋梁的安全服役.為了達(dá)到檢測評估的目的，目前有2 種做法：定期檢測評估和長期健康監(jiān)測.健康監(jiān)測的重點(diǎn)在于力學(xué)性能監(jiān)測和變形監(jiān)測[1]，定期檢測的重點(diǎn)在于表觀技術(shù)狀態(tài)檢測，兩者結(jié)合可實(shí)現(xiàn)橋梁全方位的狀態(tài)掌控[2-3].

隨著信息化技術(shù)快速發(fā)展，橋梁檢測評估手段逐步信息化和在線化.所有檢測數(shù)據(jù)均可通過集中式處理模型，從網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆朴嬎阒行?，并利用云計算超?qiáng)的能力來集中解決計算及存儲問題[4].隨著越來越多的檢測和監(jiān)測設(shè)備的現(xiàn)場安裝，橋梁檢測和監(jiān)測數(shù)據(jù)將快速增長，且5G 技術(shù)的廣泛應(yīng)用將會產(chǎn)生巨量數(shù)據(jù)，因此采用以云計算模型為核心的集中式處理模式進(jìn)行計算將會越來越困難，其帶寬不足、實(shí)時性不夠、安全隱患大以及能耗高等缺陷將會愈加突出[5].為了解決這些問題，邊緣計算模型應(yīng)運(yùn)而生.

目前，邊緣計算的發(fā)展還處在初級階段，在實(shí)際應(yīng)用中還存在很多問題[6]，如優(yōu)化橋梁智慧檢測的邊緣計算性能、安全性、互操作性以及智能邊緣操作管理服務(wù)等.針對以上問題，本文基于邊緣計算技術(shù)設(shè)計開發(fā)了橋梁智慧檢測系統(tǒng)，以此提升其計算性能、安全性、互操作性以及智能邊緣操作管理服務(wù)能力，并將其應(yīng)用于蒙華鐵路岳陽洞庭湖大橋的健康監(jiān)測和長沙機(jī)場高速公路橋梁的定期檢測.

1 橋梁智慧檢測邊緣計算架構(gòu)

邊緣計算是在網(wǎng)絡(luò)邊緣執(zhí)行計算的一種新型計算模型[7].該模型具有以下優(yōu)點(diǎn)：在靠近數(shù)據(jù)生產(chǎn)處做數(shù)據(jù)處理，無需請求云計算中心，減少了系統(tǒng)延遲；在網(wǎng)絡(luò)邊緣處理大量臨時數(shù)據(jù)而不再全部上傳云端，極大地減輕了數(shù)據(jù)中心功耗和網(wǎng)絡(luò)帶寬的壓力；邊緣計算將隱私數(shù)據(jù)存儲在網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備上，減少了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)泄露的風(fēng)險.基于上述優(yōu)勢，邊緣計算近年來得到迅速發(fā)展.

橋梁監(jiān)測系統(tǒng)含有大量的現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備，單個監(jiān)測設(shè)備模塊產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以很容易地在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳輸，但大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸可能會出現(xiàn)問題.1 個采集模塊實(shí)時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可以比較輕松，但若將數(shù)百或數(shù)千個監(jiān)測設(shè)備采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)上傳，不僅質(zhì)量會因延遲而受到影響，而且?guī)挸杀究赡芊浅＞薮?橋梁監(jiān)測對象由多個分散的橋梁對象或橋梁監(jiān)測子模塊組成，每個分散的監(jiān)測對象即1 個監(jiān)測單元，邊緣計算的特點(diǎn)特別適用于分散的橋梁監(jiān)測場景[8].橋梁智慧監(jiān)測邊緣計算架構(gòu)劃分為云計算層、邊緣層和現(xiàn)場層.邊緣計算的架構(gòu)描述了其組件和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及相關(guān)技術(shù)，見圖1.

圖1 橋梁監(jiān)測邊緣計算架構(gòu)

橋梁集群監(jiān)測需對數(shù)座橋梁進(jìn)行在線監(jiān)測，超大規(guī)模的橋梁集群監(jiān)測，如武漢城市橋梁集群監(jiān)測、合肥城市橋梁集群監(jiān)測以及佛山城市橋梁集群監(jiān)測等，其設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)級別的異構(gòu)性，以及由各種橋梁生成的大量不同類型數(shù)據(jù)，將使多樣化的應(yīng)用程序和服務(wù)的開發(fā)成為一項非常具有挑戰(zhàn)性的任務(wù).以往的監(jiān)測平臺通過監(jiān)測傳感器生成大量數(shù)據(jù)，通過對大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定橋梁響應(yīng)或提取、分析統(tǒng)計數(shù)據(jù).邊緣計算更適合于多個監(jiān)測模塊集成，可為大量橋梁提供有效的安全監(jiān)測服務(wù).云計算層提供更深層次的計算能力和決策支持，擁有最高的服務(wù)資源配置，并為用戶提供網(wǎng)頁端或移動端的交互方式，橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)的界面展示和匯總分析主要在該層[9]；邊緣層處于云計算層和現(xiàn)場層的中間，是邊緣計算框架中的核心層，橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、傳輸及節(jié)點(diǎn)計算均在該層；現(xiàn)場層包括網(wǎng)絡(luò)連接傳感器、執(zhí)行器、控制系統(tǒng)等設(shè)備，也被稱為感知層或終端層.

2 橋梁監(jiān)測子模塊開發(fā)及應(yīng)用

邊緣計算的承載平臺為邊緣網(wǎng)關(guān)，開發(fā)環(huán)境為Linux 系統(tǒng)，并包括橋梁多設(shè)備接入和管理、數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計決策等.圖2 是系統(tǒng)邊緣網(wǎng)關(guān)功能算法流程.

圖2 橋梁監(jiān)測邊緣網(wǎng)關(guān)功能算法流程

2.1 橋梁監(jiān)測子模塊開發(fā)

基于邊緣網(wǎng)關(guān)功能算法流程，湖南未來橋科技有限公司開發(fā)了橋梁監(jiān)測邊緣計算模塊及云平臺，其實(shí)現(xiàn)的主要功能有：橋梁內(nèi)測站的管理、橋梁管理、與云平臺測點(diǎn)信息的同步、數(shù)據(jù)的采集與顯示、數(shù)據(jù)的預(yù)處理(包括最大和最小特征值)、數(shù)據(jù)的存儲等.

2.2 蒙華鐵路岳陽洞庭湖大橋健康監(jiān)測應(yīng)用

蒙華鐵路岳陽洞庭湖大橋是3 塔鐵路斜拉橋，主橋長1 290 m.大橋的監(jiān)測內(nèi)容與測點(diǎn)布設(shè)如圖3 所示.為實(shí)現(xiàn)大橋多點(diǎn)監(jiān)測，采用邊緣計算技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計和實(shí)施，部分監(jiān)測界面與數(shù)據(jù)分析如圖4 和圖5 所示.

圖3 岳陽洞庭湖大橋監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

圖4 邊緣計算平臺-大橋橋塔傾斜監(jiān)測

圖5 大橋?qū)崪y風(fēng)玫瑰圖

3 橋梁定檢子模塊開發(fā)及應(yīng)用

橋梁定期檢測的傳統(tǒng)方式是將視頻記錄的裂縫等圖像上傳至云端進(jìn)行處理，云端計算的負(fù)載較高，并且大量數(shù)據(jù)頻繁地傳輸會增加傳輸負(fù)載，從而導(dǎo)致視頻監(jiān)控的圖像處理效率不高，降低了經(jīng)視頻發(fā)現(xiàn)病害的效率.邊緣計算可實(shí)現(xiàn)在前端完成基于深度學(xué)習(xí)的裂縫自動識別，便于現(xiàn)場及時發(fā)現(xiàn)病害并進(jìn)行更詳細(xì)的觀測.定檢子模塊基于邊緣計算技術(shù)，采用快捷數(shù)字輸入方式，實(shí)現(xiàn)橋梁的快速檢測[10]，可為公路橋梁快速檢測評估提供有效技術(shù)手段[11].

3.1 橋梁定檢子模塊開發(fā)

深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)SSD 是一種常用的“一段式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)”，無需先產(chǎn)生候選區(qū)域(region proposals)再分類，有著較快的檢測速度.為了達(dá)到更高的檢測速度和減少模型參數(shù)數(shù)量，采用專為移動客戶端邊緣計算設(shè)計的分類模型MobileNet v2 代替原有SSD 模型結(jié)構(gòu)中的VGG-16，用深度可分離卷積結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)卷積結(jié)構(gòu)形成了 SSD Lite-MobileNet v2 模型，顯著減少了計算量和參數(shù)數(shù)量，提高了檢測速率[12].采用常用的智能手機(jī)作為無人機(jī)地面站的數(shù)據(jù)接收和處理端進(jìn)行邊緣計算，并針對智能手機(jī)采用Android Studio 開發(fā)了裂縫邊緣計算APP 模塊.該APP 分為2 個界面，界面1 為裂縫識別頁，該頁的功能是將無人機(jī)拍攝的視頻實(shí)時顯示到屏幕上，同時由所訓(xùn)練的輕量化SSDLite-MobileNet v2 模型實(shí)時處理視頻(見圖6)；界面2 為裂縫寬度測量頁，對于界面1 中識別為有裂縫的圖片，重新導(dǎo)入到界面2上，并點(diǎn)選所要測量的裂縫位置即能計算該處裂縫寬度.

圖6 移動端邊緣計算裂縫識別

定檢子模塊主要包括軟件部分和硬件終端，其中軟件分為管理端WEB 系統(tǒng)和智能定檢APP應(yīng)用，硬件部分為智能設(shè)備巡檢終端和數(shù)據(jù)中心服務(wù)器等配套IT 基礎(chǔ)設(shè)備，智能設(shè)備巡檢終端采用邊緣計算技術(shù).定檢子模塊由湖南未來橋科技有限公司開發(fā)，主要架構(gòu)和界面見圖7 和圖8.

圖7 定檢子模塊總體框架

圖8 數(shù)字快捷創(chuàng)建病害(定檢APP)

未來橋智檢APP 應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場巡檢養(yǎng)護(hù)信息的快捷、全面記錄，接收管理端指派的巡檢任務(wù)和養(yǎng)護(hù)單，為現(xiàn)場工作進(jìn)行統(tǒng)籌安排和規(guī)劃；管理端WEB 系統(tǒng)通過互聯(lián)網(wǎng)向用戶提供便捷的管理方式，實(shí)現(xiàn)對橋群的GIS 地圖集成應(yīng)用，對橋梁檢測信息進(jìn)行集成管理，可以查看其中各個環(huán)節(jié)的詳細(xì)信息和處置流程，并通過手機(jī)APP 識別和分析病害類型(見圖9)、統(tǒng)計病害數(shù)量和分布；最后采用相關(guān)技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)對橋梁進(jìn)行評估，自動生成各類標(biāo)準(zhǔn)的報告報表(見圖10).數(shù)據(jù)中心為整個系統(tǒng)提供運(yùn)行環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)支持，并采用高性能服務(wù)器對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲管理和各項應(yīng)用的分發(fā).

圖9 基于邊緣計算的手機(jī)端實(shí)時識別裂縫

圖10 定檢系統(tǒng)自動生成檢測報告

3.2 長沙機(jī)場高速定期檢測應(yīng)用

長沙機(jī)場高速公路為長沙城區(qū)連接黃花機(jī)場的快速通道，全長17.338 km，為雙向四車道，設(shè)計行車速度100 km/h.筆者基于未來橋科技有限公司開發(fā)的定檢平臺對機(jī)場高速公路上19 座橋梁進(jìn)行了定期檢測(見圖11).其中，大橋4 座，中橋5 座，小橋10 座.基于邊緣計算技術(shù)識別病害、統(tǒng)計病害數(shù)量和分布，對橋梁技術(shù)狀況進(jìn)行了計算評估(見圖12).

圖11 長沙機(jī)場高速19 座橋梁應(yīng)用平臺

圖12 橋梁技術(shù)狀況計算評估

4 結(jié)語

本文為解決傳統(tǒng)云計算技術(shù)在日益發(fā)展的橋梁健康監(jiān)測及智能定檢應(yīng)用中的帶寬不足、能耗大以及數(shù)據(jù)安全等問題，對邊緣計算在橋梁檢測中的應(yīng)用架構(gòu)展開了研究，實(shí)現(xiàn)了在橋梁現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)邊緣處理大量臨時數(shù)據(jù)，不再全部上傳云端，減輕了網(wǎng)絡(luò)帶寬和數(shù)據(jù)中心功耗的壓力；實(shí)現(xiàn)了在橋梁現(xiàn)場處做數(shù)據(jù)處理，減少了系統(tǒng)延遲且無需通過網(wǎng)絡(luò)請求云計算中心；實(shí)現(xiàn)將用戶隱私數(shù)據(jù)不再上傳，而是存儲在網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備上，減少了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)泄露風(fēng)險.基于邊緣計算技術(shù)開發(fā)了橋梁監(jiān)測模塊和定檢模塊，并應(yīng)用于蒙華鐵路岳陽洞庭湖大橋健康監(jiān)測和長沙機(jī)場高速公路橋梁的定期檢測，與傳統(tǒng)云計算中心方式相比，邊緣計算現(xiàn)場實(shí)時分析處理數(shù)據(jù)，節(jié)約了傳統(tǒng)云計算中心大型存儲設(shè)備，充分發(fā)揮了人工智能優(yōu)勢，其檢測效率提升了約70%.