基于BIM的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現

梁雪　齊善魯　馬徳俊

摘要：文章針對梁式橋梁，根據《CJJ 99-2017 城市橋梁養(yǎng)護技術標準》，設計了基于BIM的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，描述了系統(tǒng)的結構層次設計、功能設計、數據庫設計的主要內容，并運用Mybatis、ECharts等技術實現了對橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)。

關鍵詞：梁式橋梁;BIM;橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）07-00112-02

1 概述

自20世紀90年代末橋梁監(jiān)測技術傳入中國以來，研究人員開展了一系列針對橋梁健康監(jiān)測的研究和試驗，不僅成功搭建了如港珠澳大橋[1]、南京長江大橋[2]、東江大橋[3]等大橋的健康監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測技術和監(jiān)測設備也不斷推陳出新[4-6]，成果斐然。與此同時，我國公路橋梁建設總數已超過100萬座，數量眾多，監(jiān)測系統(tǒng)的市場需求量很大。根據用戶需求，本文針對梁式橋梁，對基于BIM的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)進行設計與實現。

2 系統(tǒng)結構層次設計

系統(tǒng)在橋梁監(jiān)測平臺的實現上主要分為四個層次：數據采集層、數據傳輸層、業(yè)務邏輯層、界面展示層。數據采集層是整個平臺的基礎部分，主要包括人工巡檢和實時監(jiān)測數據采集兩部分。通過傳感器等設備實現橋梁結構信息與環(huán)境信息到監(jiān)測數據的轉換，數據采集模塊對數據進行預處理和儲存。數據傳輸層是將采集到的數據傳輸到已創(chuàng)建好的數據庫中，并且通過一些去噪算法，把部分非法數據和噪聲數據過濾。業(yè)務邏輯層主要是響應來自前臺展示層的業(yè)務請求，并根據編寫的框架對數據進行封裝處理，以統(tǒng)一的JSON（JavaScript Object Notation，一種輕量級的數據交換格式）數據格式返回給展示層進行展示。界面展示層主要根據用戶的操作，把請求提交給后臺業(yè)務邏輯層，并根據業(yè)務層返回的數據以某種特定的形式進行展示。其系統(tǒng)結構層次圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)功能設計

系統(tǒng)主要包含基本信息模塊、模型展示模塊、數據采集模塊、數據管理模塊、系統(tǒng)管理模塊。如圖2所示。

基本信息模塊主要對檢測的橋梁的基本信息、傳感器基本信息及監(jiān)測項目、布設信息、預警等級信息等進行管理，監(jiān)測的項目參照《CJJ 99-2017 城市橋梁養(yǎng)護技術標準》中給出的內容進行設定。

模型展示模塊利用BIM技術，通過Revit軟件將橋梁進行三維建模，主要完成測點在檢測平臺Web頁面中的展示，包括測點的位置、數據以及測點的實際健康狀況等，直觀準確地反映橋梁的信息。并且，用戶能夠實現對三維模型的旋轉、放大縮小等操作。

數據采集模塊分為實時監(jiān)測和人工巡檢。實時監(jiān)測部分利用布設的有線、無線傳感器網絡和其他實時監(jiān)測設備對橋梁結構數據信息進行實時監(jiān)控;人工巡檢部分采用專業(yè)的儀器設備，以人工檢查的方式，對橋梁必要的檢測部位進行定期檢測或者災后緊急檢測，并將檢測數據傳入系統(tǒng)，實現對人工檢測數據的規(guī)范化管理。

數據管理模塊主要是將采集的數據傳入MySQL數據庫中，然后利用ECharts圖形庫對數據在平臺中進行可視化展示，通過綠、黃、紅三級預警等級的閾值（根據橋梁具體設計、實際狀況與相關規(guī)定得出）進行判斷與預警，并且能夠實現數據和數據報表的查看、下載功能。

系統(tǒng)管理模塊主要實現對用戶、前臺和數據庫的管理，進行增刪改查等操作，保證系統(tǒng)的安全性、可操作性和交互界面的友好性。

4 系統(tǒng)數據庫設計

設計合理的數據庫是系統(tǒng)的基礎，關系著系統(tǒng)從開發(fā)到應用的全部過程。本系統(tǒng)應用后需要長期運行，存儲時間周期長;且各類構件和傳感器種類多，監(jiān)測點采集頻率高，數據量大，因此選用靈活性高、可靠性高的關系型數據庫MySQL[7]，數據庫的連接通過Mybatis技術實現。

在進行數據庫設計時，除了要滿足范式原則，還要滿足系統(tǒng)的需求。數據庫中包含用戶、橋梁、橋梁構件、監(jiān)測項目、橋梁傳感器等實體。其中，橋梁、橋梁構件、監(jiān)測項目、橋梁傳感器4個實體之間均是順序的一對多關系，增加了實體操作的靈活性，也能夠滿足系統(tǒng)監(jiān)測項目、傳感器數量較多的需求;用戶可以按照權限設置查看自己能夠查看的數據模塊;人工巡檢檢查結果包含各種類型的數據，如檢測項目、巡檢時間、橋梁構件、使用設備、巡檢人、現場照片等;系統(tǒng)根據傳感器監(jiān)測的實時數據和預警等級信息中的閾值進行對比產生預警信息，實現橋梁健康狀況的實時預警。系統(tǒng)簡要E-R圖如圖3所示。

5 功能實現

系統(tǒng)在裝有Windows 7 64位操作系統(tǒng)的計算機上實現。系統(tǒng)后端采用了Mybatis、SpringBoot框架，在IDEA 2020 軟件上使用Java、SQL語言進行開發(fā);前端采用漸進式框架VUE和基于JavaScript的數據可視化圖表庫ECharts在Visual Studio Code軟件上使用HTML、CSS、JavaScript語言進行開發(fā);數據庫采用的是MySQL8.0。

系統(tǒng)通過Chrome瀏覽器運行，用戶輸入正確的用戶名、密碼后登錄系統(tǒng)。首頁通過百度地圖展示橋梁具體地點并彈出示例橋梁的詳情介紹，界面上方和右方都有可以進行操作的菜單欄，方便操作。系統(tǒng)首頁如圖4所示。

三維模型展示屬于橋梁的模型展示模塊，用戶通過拖動鼠標即可實現對模型的放大、縮小、旋轉等功能，示例橋梁顯示界面如圖5所示。

監(jiān)測屏幕功能能夠對用戶比較關注的多個重點監(jiān)測項目進行集中的動態(tài)數據展示，數據內容更加豐富，顯示界面如圖6所示。

6 總結

基于BIM的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)是國內外研究的熱點。本文通過結合BIM技術，利用其可視化的特點，設計并實現了針對梁式橋梁的健康監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)的應用對保障橋梁安全，提高橋梁的運維、管理效率，節(jié)約成本等方面都具有十分積極的意義。

參考文獻：

[1] 周永川.港珠澳大橋結構健康監(jiān)測系統(tǒng)總體設計及應用[J].中國交通信息化，2012（10）：71-73.

[2] 儲彤，劉志強，馮良平，等.南京長江第四大橋結構健康監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].中國交通信息化，2013（S2）：62-65.

[3] 張豐.東江大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].中外公路，2016，36（4）：202-206.

[4] 羅劍.地面干涉雷達技術在公路橋梁動態(tài)檢測中的應用[J].工程與建設，2019，33（4）：564-566.

[5] 邸昊.基于轉角及振型參量的橋梁撓度監(jiān)測方法[J].鐵道工程學報，2019，36（10）：72-76.

[6] 蔣依壇.基于改進遺傳算法的橋梁監(jiān)測傳感器測點優(yōu)化布置研究及監(jiān)測信號處理[D].成都：西南交通大學，2017.

[7] 李金海.橋梁健康監(jiān)測信息化管理系統(tǒng)設計與實現[D].成都：電子科技大學，2019.

【通聯編輯：聞翔軍】

收稿日期：2021-11-08

作者簡介：梁雪（1994—），女，山東高密人，碩士研究生，研究方向為智能信息系統(tǒng);齊善魯（1998—），男，山東東阿縣人，碩士研究生，研究方向為智能信息系統(tǒng);馬徳?。?996—），男，安徽阜陽人，碩士研究生，研究方向為智能信息系統(tǒng)。