安徽長(zhǎng)大橋梁集群監(jiān)測(cè)技術(shù)探索與實(shí)踐

文|安徽省交通控股集團(tuán)有限公司 張立奎

在自然災(zāi)害和荷載作用的影響下，在役長(zhǎng)大橋梁日益老化，如何掌握大橋運(yùn)行狀態(tài)并保障安全耐久已經(jīng)成為管理者面臨的難題。傳統(tǒng)的單橋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)難以滿足區(qū)域橋群監(jiān)測(cè)的需求，同時(shí)基于單一來源數(shù)據(jù)的分析評(píng)估手段難以對(duì)橋梁進(jìn)行全面科學(xué)地評(píng)估。近年來，安徽省交通控股集團(tuán)有限公司經(jīng)過探索和實(shí)踐，提出了基于多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)的監(jiān)檢測(cè)一體化方案。

檢測(cè)人員正在檢查大橋（建設(shè)中的馬鞍山長(zhǎng)江大橋）拉索。劉永 攝

背景及現(xiàn)狀

安徽省地處華東腹地，地勢(shì)西南高、東北低，長(zhǎng)江、淮河橫貫北部和南部，河湖交錯(cuò)。皖南山區(qū)層巒疊嶂、峰奇嶺峻，以山地丘陵為主。截至2021年末，安徽省高速公路總里程達(dá)5146公里，在役橋梁近6000座。近年來，馬鞍山長(zhǎng)江大橋、蕪湖長(zhǎng)江二橋、望東長(zhǎng)江大橋、池州長(zhǎng)江大橋等一批技術(shù)難度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的跨長(zhǎng)江、淮河、山區(qū)峽谷特大型橋梁陸續(xù)建成投入使用。

然而，隨著時(shí)間的推移，橋梁結(jié)構(gòu)日益老化，加上強(qiáng)（臺(tái)）風(fēng)、地震、冰雪等自然災(zāi)害及超載、船撞、火災(zāi)等人為因素的風(fēng)險(xiǎn)存在，橋梁運(yùn)行安全系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)不斷增加，橋梁管養(yǎng)面臨著體量大、風(fēng)險(xiǎn)因素多、個(gè)別構(gòu)件壽命相比設(shè)計(jì)壽命較短、社會(huì)影響大等難點(diǎn)，對(duì)公路橋梁的養(yǎng)護(hù)管理水平提出了更高的要求。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展和安全管理意識(shí)的不斷提高，不少特大型橋梁在建設(shè)期同步建設(shè)或在運(yùn)營期增設(shè)了橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，目標(biāo)實(shí)時(shí)掌握橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)，確保橋梁運(yùn)行安全。

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)在中國經(jīng)過十多年的快速發(fā)展，已取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，并在大型橋梁工程上得到廣泛應(yīng)用，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不斷完善，但是在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一些不足。

系統(tǒng)性能與長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)目標(biāo)不匹配。傳感器壽命較短，普遍低于10年，部分設(shè)備為3年至5年。系統(tǒng)整體穩(wěn)定性不強(qiáng)，數(shù)據(jù)采集、通信軟硬件故障率較高，導(dǎo)致數(shù)據(jù)完整性或有效性不高。

監(jiān)測(cè)項(xiàng)目針對(duì)性不強(qiáng)。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目與橋梁結(jié)構(gòu)病害和結(jié)構(gòu)退化之間的關(guān)聯(lián)性不明確，難以直接指導(dǎo)橋梁養(yǎng)護(hù)。

分析評(píng)估與綜合評(píng)估較難。無法實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)評(píng)估，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)往往是在線采集數(shù)據(jù)，離線分析評(píng)估，無法及時(shí)有效給出評(píng)估結(jié)果；系統(tǒng)功能不滿足數(shù)據(jù)分析需求，不能提供或提供的自動(dòng)分析報(bào)告質(zhì)量不高；監(jiān)測(cè)結(jié)果不能用于橋梁技術(shù)狀況評(píng)定。

單橋系統(tǒng)架構(gòu)不能滿足集群監(jiān)測(cè)需求。大部分橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為單橋系統(tǒng)，或是多系統(tǒng)之間通過網(wǎng)頁進(jìn)行鏈接，系統(tǒng)軟件的開放性、兼容性和擴(kuò)展性不夠，維護(hù)難度較大。

數(shù)據(jù)分析及處理能力不足。由于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)24小時(shí)不間斷進(jìn)行高頻率數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析的難度較大，同時(shí)隨著時(shí)間推移將產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，如果使用傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫軟件來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的寫入和讀取將越來越慢，容易導(dǎo)致系統(tǒng)故障。

監(jiān)檢測(cè)一體化方案

基于實(shí)時(shí)掌握長(zhǎng)大橋群安全與健康的目的，通過安徽高速長(zhǎng)大橋梁近年來的探索和實(shí)踐，構(gòu)建了開放式、基于大數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)與管養(yǎng)一體化綜合平臺(tái)，形成了一套監(jiān)檢測(cè)一體化方案。方案主要包括：建立橋梁集群監(jiān)測(cè)平臺(tái)，監(jiān)測(cè)理念從設(shè)計(jì)、建設(shè)到養(yǎng)護(hù)運(yùn)營，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)性能狀態(tài)及退化、重點(diǎn)病害發(fā)展、補(bǔ)強(qiáng)加固效果等全方位的監(jiān)測(cè)，并形成長(zhǎng)大橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布設(shè)指南；納入檢測(cè)、無人機(jī)巡檢、三維激光掃描等數(shù)據(jù)，利用多源數(shù)據(jù)的互補(bǔ)性，提升數(shù)據(jù)的完整率、準(zhǔn)確性；建立檢監(jiān)測(cè)一體化評(píng)估體系，分類報(bào)警，提升評(píng)估和報(bào)警的準(zhǔn)確性；開發(fā)移動(dòng)終端應(yīng)用子系統(tǒng)，隨時(shí)地掌握橋梁運(yùn)行狀態(tài)。

橋群監(jiān)檢測(cè)平臺(tái)

隨著全國公路長(zhǎng)大橋結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)全面推進(jìn)，集群監(jiān)測(cè)平臺(tái)對(duì)海量數(shù)據(jù)的高速寫入、快速查詢、超強(qiáng)數(shù)據(jù)壓縮能力提出了更高的要求，以分布式計(jì)算、時(shí)間序列數(shù)據(jù)庫等為代表的大數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)技術(shù)將得到廣泛應(yīng)用。

依托交通強(qiáng)國試點(diǎn)項(xiàng)目“關(guān)鍵交通基礎(chǔ)設(shè)施工程康養(yǎng)平臺(tái)建設(shè)”，基于云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、知識(shí)圖譜、智能診斷等技術(shù)，安徽正在研發(fā)構(gòu)建橋梁監(jiān)檢測(cè)一體化平臺(tái)。打造省級(jí)關(guān)鍵交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)中心，并對(duì)橋梁、隧道等關(guān)鍵交通基礎(chǔ)設(shè)施從設(shè)計(jì)、建造到檢測(cè)、監(jiān)測(cè)、養(yǎng)護(hù)維修的全生命周期數(shù)字化進(jìn)行集中化管理。平臺(tái)由數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)管理層、數(shù)據(jù)分析層和應(yīng)用層組成，可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)、智能診斷、輔助決策、可視化應(yīng)用等功能。利用先進(jìn)技術(shù)采集并管理、分析數(shù)據(jù)，指導(dǎo)并優(yōu)化養(yǎng)護(hù)，促進(jìn)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步與管理機(jī)制革新，提高橋梁數(shù)字化、智能化管理水平，提升橋梁運(yùn)行服務(wù)能力。

智慧養(yǎng)護(hù)技術(shù)架構(gòu)

監(jiān)測(cè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

在監(jiān)測(cè)橋梁運(yùn)營環(huán)境及受力關(guān)鍵指標(biāo)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)退化指標(biāo)、重點(diǎn)病害發(fā)展、加固補(bǔ)強(qiáng)效果的監(jiān)測(cè)，形成了伸縮縫及支座性能、混凝土裂縫、橫向連接性能、鋼結(jié)構(gòu)斜撐疲勞、阻尼器性能、吊索性能等專項(xiàng)監(jiān)測(cè)方案。

以馬鞍山長(zhǎng)江大橋吊索監(jiān)測(cè)為例，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景不同，采取長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)、短期監(jiān)測(cè)和臨時(shí)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方式，對(duì)長(zhǎng)吊索索力和振動(dòng)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，同時(shí)對(duì)短吊索叉耳轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行短期監(jiān)測(cè)，掌握病害產(chǎn)生機(jī)理和吊索工作狀態(tài)。在短吊索更換時(shí)，安裝磁通量傳感器監(jiān)控索力，指導(dǎo)更換工作，并為后期深入探究短吊索損壞機(jī)理、優(yōu)化設(shè)計(jì)及管養(yǎng)決策提供依據(jù)。

評(píng)估預(yù)警

橋梁監(jiān)檢測(cè)平臺(tái)總體架構(gòu)圖

綜合評(píng)估體系

結(jié)合檢查檢測(cè)、健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立大跨徑纜索承重橋梁多源信息局部評(píng)估模型。將基于人工檢查的橋梁技術(shù)狀況評(píng)定指標(biāo)和基于監(jiān)測(cè)的索力、模態(tài)參數(shù)、主梁及伸縮縫位移等監(jiān)測(cè)指標(biāo)納入評(píng)估體系，并確定各指標(biāo)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，建立基于構(gòu)件的橋梁預(yù)防性養(yǎng)護(hù)體系。

在評(píng)估方法上，采用敏感性分析和對(duì)比分析方法進(jìn)行評(píng)估。收集特殊工況（如大風(fēng)、溫度突變等）下橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立荷載與響應(yīng)之間的變化規(guī)律，通過敏感性分析得出敏感因子并根據(jù)分析結(jié)果合理設(shè)置閾值。收集橋梁初始狀態(tài)、運(yùn)營期空載狀態(tài)的特殊工況數(shù)據(jù)，每3年開展一次對(duì)比分析，比對(duì)主要參數(shù)理論值與實(shí)測(cè)值偏差，后依據(jù)相關(guān)規(guī)范、規(guī)程給出橋梁安全評(píng)估結(jié)論。

根據(jù)報(bào)警處置方式的不同,將報(bào)警分為安全報(bào)警和管養(yǎng)提醒兩類。安全報(bào)警主要針對(duì)影響結(jié)構(gòu)安全的監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行報(bào)警，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)類別進(jìn)行多指標(biāo)綜合報(bào)警，如臺(tái)風(fēng)專題等。管養(yǎng)提醒是針對(duì)影響通行和養(yǎng)護(hù)作業(yè)的監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行提醒，如鋼橋面高溫灑水及低溫除冰等。

晚霞映襯下的蕪湖長(zhǎng)江二橋。安宗海 攝

移動(dòng)終端應(yīng)用

為了便于及時(shí)掌握橋梁運(yùn)行狀態(tài)，開發(fā)移動(dòng)端應(yīng)用系統(tǒng)可隨時(shí)查看大橋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)視頻，當(dāng)發(fā)生超限報(bào)警時(shí)可以實(shí)時(shí)推送至手機(jī)端，第一時(shí)間提醒管理人員采取相應(yīng)管養(yǎng)措施。

移動(dòng)端應(yīng)用

監(jiān)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用

橋梁監(jiān)檢測(cè)平臺(tái)綜合應(yīng)用三維激光、無人機(jī)巡檢、車輛通行動(dòng)態(tài)感知分析、智能傳感等多源感知數(shù)據(jù)采集技術(shù)，以及流式大數(shù)據(jù)、分布式數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)技術(shù)和基于知識(shí)圖譜的智能輔助決策技術(shù)。

數(shù)據(jù)采集技術(shù)

三維激光掃描。由于長(zhǎng)大橋梁空間線形測(cè)量受到車輛、風(fēng)等因素影響，傳統(tǒng)方法用時(shí)長(zhǎng)且效果不佳，采用三維激光掃描技術(shù)可大量獲取目標(biāo)對(duì)象的數(shù)據(jù)點(diǎn)，精度高、測(cè)量速快，能最大限度地減少纜梁振動(dòng)對(duì)測(cè)量成果的影響，適用于跨江河特大橋空間線形測(cè)量。

無人機(jī)巡檢。橋梁表面人工檢測(cè)效率低、成本高，塔柱等部位難以到達(dá)或存在作業(yè)安全隱患。馬鞍山長(zhǎng)江大橋、蕪湖二橋塔柱外觀檢測(cè)采用專用橋梁巡檢無人機(jī)，續(xù)航長(zhǎng)達(dá)55分鐘，同時(shí)具有激光測(cè)距定位功能，能夠自動(dòng)完成畸變校正與圖像拼接，裂縫分辨率可達(dá)0.15毫米，檢查成本低、效率高、安全性高。

車輛通行動(dòng)態(tài)感知技術(shù)。傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)稱重傳感器布設(shè)在橋面中，成本高、易損壞，建立基于大數(shù)據(jù)挖掘的橋梁車輛通行動(dòng)態(tài)感知分析系統(tǒng)，通過對(duì)現(xiàn)有高速公路ETC門架系統(tǒng)數(shù)據(jù)和收費(fèi)稱重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)時(shí)采集通過大橋的車輛信息，獲取橋梁斷面荷載，進(jìn)而驗(yàn)算車輛荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

智能傳感器。針對(duì)部分中小橋梁或?qū)ｍ?xiàng)監(jiān)測(cè)傳感器安裝位置分散、接電困難等情況，配備采集與處理設(shè)備成本高，采用物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)和高性能電池及太陽能解決供電問題，集成核心控制單元，可自動(dòng)完成采集傳輸工作，降低系統(tǒng)成本。

數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)技術(shù)

采用數(shù)據(jù)融合和數(shù)字孿生技術(shù)，將物理模型與當(dāng)前監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、檢測(cè)數(shù)據(jù)融合，從而實(shí)現(xiàn)橋梁全壽命周期數(shù)據(jù)治理和智能評(píng)估，是下一步需要研究的重點(diǎn)方向。

分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理技術(shù)。由于橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)突發(fā)事件的響應(yīng)實(shí)時(shí)性要求高，因此需要連續(xù)動(dòng)態(tài)采集，部分監(jiān)測(cè)項(xiàng)采集頻率達(dá)到50赫茲以上，同時(shí)還應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、物理量轉(zhuǎn)換、時(shí)頻域轉(zhuǎn)換、通道間耦合計(jì)算、統(tǒng)計(jì)特征值計(jì)算等數(shù)據(jù)處理工作。采用基于流式大數(shù)據(jù)的分布式數(shù)據(jù)處理技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)計(jì)算、實(shí)時(shí)入庫，通過服務(wù)器集群的擴(kuò)展可應(yīng)對(duì)萬級(jí)設(shè)備的同時(shí)接入和數(shù)據(jù)并發(fā)處理。

分布式存儲(chǔ)技術(shù)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)24小時(shí)不間斷采集將產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，使用傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理，數(shù)據(jù)的處理、寫入性能對(duì)服務(wù)器性能要求較高且易造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，不適用于橋梁集群監(jiān)測(cè)和平臺(tái)化管理。采用基于NoSQL的分布式數(shù)據(jù)庫，以及分布式文件系統(tǒng)來進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理，可以解決萬級(jí)監(jiān)測(cè)傳感器產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)問題。

輔助決策技術(shù)

在吸收行業(yè)規(guī)范、論文文獻(xiàn)、圖書專著、專家經(jīng)驗(yàn)、實(shí)橋案例等知識(shí)的基礎(chǔ)上，形成包括橋梁結(jié)構(gòu)病害類型、病害表征、病害成因、維修措施、檢測(cè)手段等在內(nèi)的橋梁管養(yǎng)知識(shí)圖譜，基于語義網(wǎng)絡(luò)、自然語言識(shí)別、知識(shí)推理實(shí)現(xiàn)橋梁管養(yǎng)知識(shí)檢索、數(shù)據(jù)可視化、智能診斷及輔助決策等功能。

橋梁管養(yǎng)知識(shí)圖譜

未來與展望

隨著全國公路長(zhǎng)大橋結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)全面推進(jìn)，集群監(jiān)測(cè)平臺(tái)對(duì)海量數(shù)據(jù)的高速寫入、快速查詢、超強(qiáng)數(shù)據(jù)壓縮能力提出了更高的要求，以分布式計(jì)算、時(shí)間序列數(shù)據(jù)庫等為代表的大數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)技術(shù)將得到廣泛應(yīng)用。

海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)目前尚未得到充分的利用，單一來源的數(shù)據(jù)分析難以對(duì)橋梁服役性能進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警與評(píng)估。因此，采用數(shù)據(jù)融合和數(shù)字孿生技術(shù)，將物理模型與當(dāng)前監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、檢測(cè)數(shù)據(jù)融合，可成為實(shí)現(xiàn)橋梁全壽命周期數(shù)據(jù)治理和智能評(píng)估，是下一步需要研究的重點(diǎn)方向。