重慶軌道交通橋梁智慧運營監(jiān)測平臺

文：張雁珍，白亮亮，孔云森丨重慶市軌道交通（集團）有限公司

近年來，我國城市軌道交通運營里程不斷增長，對運營安全提出了更高的要求，發(fā)展軌道交通智慧運營監(jiān)測成為當前城軌運營企業(yè)的研究熱點之一。重慶軌道交通在橋梁智慧運營監(jiān)測方面進行了積極探索，并先后建設了重慶軌道交通3號線嘉陵江軌道專用橋、環(huán)線高家花園軌道專用橋等橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，為橋梁智慧運營監(jiān)測平臺建設積累了一定的經(jīng)驗。本文對橋梁智慧運營監(jiān)測平臺建設目標、產(chǎn)品選型、系統(tǒng)設計等進行了闡述，為城軌橋梁智慧運營監(jiān)測提供一定的指導借鑒意義。

隨著我國城市軌道交通建設高速發(fā)展，發(fā)展智慧運營技術(shù)成為當前各大城軌運營企業(yè)更好適應城軌交通網(wǎng)絡化運營需求、提升設備設施運營管理水平、推動創(chuàng)新技術(shù)裝備落地應用的主要方式，但同時面臨諸多挑戰(zhàn)及制約因素。

目前，城軌橋梁智慧運營監(jiān)測存在兩個方面不足：一是由于各地城軌橋梁智慧運營監(jiān)測系統(tǒng)基本處于平臺搭建或規(guī)劃階段，工程實踐探索不足，經(jīng)驗缺乏，同時檢測監(jiān)測裝備技術(shù)發(fā)展程度所限，城軌橋梁狀態(tài)智能感知水平較低、手段較少，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)在城軌領域應用較少，近年來涌現(xiàn)的綜合檢測列車、智能機器人、無人機等智能巡檢裝備也處于探索應用階段，監(jiān)測感知設備有待進一步研發(fā)；同時，監(jiān)測鋼筋、混凝土等土建結(jié)構(gòu)所用的傳感器自身壽命不足或可靠性不夠，也是一大制約因素。二是智慧運營標準體系有待健全，針對城軌橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)性能評價評估體系尚不完善，部分指標評價方法參照鐵路領域或其他相關(guān)領域，其適用性難以保證，檢測評估技術(shù)發(fā)展的不充分，造成當前數(shù)據(jù)積累不足以及相關(guān)聯(lián)因素狀態(tài)參數(shù)信息的缺失，以至于現(xiàn)階段仍然無法形成全面、有效的城軌橋梁智慧化運營監(jiān)測、診斷、評估、預測能力，更難以產(chǎn)生智慧決策應用。

一、建設目標與路線規(guī)劃

通過重慶軌道交通橋梁智慧運營監(jiān)測平臺建設，實現(xiàn)如下目標：一是及時掌握軌道橋梁的性能和運營狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)安全隱患并實時預警處置；有效降低大橋的運營養(yǎng)護成本，延長橋梁的使用年限，保障橋梁安全，為后續(xù)管養(yǎng)維護提供參考依據(jù)。二是為城軌橋梁的科學化有序管養(yǎng)提供技術(shù)平臺和示范帶動作用，建立城軌橋梁運營監(jiān)測全壽命期的數(shù)字化和信息化“檔案”庫，為城軌橋梁科學化運營管養(yǎng)水平的提升提供重要支撐。

主要建設規(guī)劃綜合考慮城軌橋梁特點，進行前期調(diào)研和針對性需求分析等前期工作，綜合城軌橋梁健康監(jiān)測布標需求、傳統(tǒng)橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)軟硬件及系統(tǒng)控制等方面的先進技術(shù)和功能模塊組織管理架構(gòu)進行以“設計-實施-運營”的總體規(guī)劃設計和系統(tǒng)架構(gòu)布局，必要情況下開展關(guān)鍵監(jiān)測技術(shù)測試，形成軌道交通橋梁長期運營監(jiān)測技術(shù)方案，最后對監(jiān)測方案效用進行分析、評估與后續(xù)修正，基于最終監(jiān)測技術(shù)方案建設出適宜于城軌橋梁的高可靠性、高針對性、高先進性智慧運營監(jiān)測平臺。建設路線見圖1。

圖1 城軌橋梁智慧運營監(jiān)測平臺建設路線

二、產(chǎn)品選型

（一）傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設備選型

傳感器是橋梁監(jiān)測系統(tǒng)中的重要組成部分之一。傳感器及后續(xù)傳輸?shù)倪x型很大程度上決定城軌橋梁智慧運營監(jiān)測平臺的有效性和可靠性。本系統(tǒng)監(jiān)測設備的選型除滿足可靠性、精確性、耐久性、簡便性、經(jīng)濟實用性、自動化性的基本要求，內(nèi)容涵蓋傳統(tǒng)公路橋梁監(jiān)測項目之外，進一步考量城軌橋梁的設計橋型以及智慧運營監(jiān)測需求，在監(jiān)測項目上進行適度補充，對傳感器設備選型和技術(shù)指標上進行深度優(yōu)化。

在主梁撓度監(jiān)測方面，考慮到軌道橋的豎向撓度較大，選取精度高、分辨率高、重復性好、穩(wěn)定可靠、壽命長、安裝方便、環(huán)境適應性強的差壓變送器。在主梁振動特性監(jiān)測方面，考慮到軌道車通行這一振源因素，選取高靈敏度、高信噪比、頻率響應范圍廣的加速度傳感器。

針對風荷載作用下，以斜拉橋為橋型的城軌橋梁的主要構(gòu)件（斜拉索、主梁和主塔）將產(chǎn)生振動，引起疲勞損傷累積，導致橋梁抗力衰減。通過監(jiān)測風速和風向，可以得出風荷載與結(jié)構(gòu)響應關(guān)系，為分析橋梁的工作環(huán)境、評估大橋在極限風荷載作用下的易損性以及驗證橋梁風振理論提供依據(jù)?？紤]到三向超聲波風速風向儀精度高，頻響范圍大，但受雨的影響較大，而螺旋槳風速儀則受雨的影響較小，因此在軌道交通斜拉橋上同時選取并布設這兩種風速儀，方便進行測量的互補和數(shù)據(jù)有效對比。

以斜拉橋為橋型的軌道交通橋梁，斜拉索是其重要的受力構(gòu)件，索力的變化直接反映橋梁結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的變化，關(guān)系到整座大橋的安全，通過索力的監(jiān)測能夠為運營期間的安全性提供直接的預警信息和狀態(tài)評估信息?？紤]軌道交通橋梁索力監(jiān)測過程中地鐵列車通行過程中對索力監(jiān)測信號的干擾問題，采用單軸向低頻IEPE型加速度傳感器，該類型傳感器集成了靈敏的電子器件，并使其盡量靠近傳感器，以保證更好的抗噪聲性并更容易封裝。

（二）數(shù)據(jù)處理與預警系統(tǒng)技術(shù)選型

橋梁運營監(jiān)測每天會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，從海量監(jiān)測信息中能夠發(fā)現(xiàn)、挖掘出能夠反映橋梁運營狀態(tài)的隱含的、未知的、有潛在價值的關(guān)系、模式，進一步地，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)異常分析和預警指標與系統(tǒng)的構(gòu)建打下堅實基礎。隨著計算機技術(shù)與人工智能的飛速發(fā)展，本監(jiān)測平臺在數(shù)據(jù)處理與預警子系統(tǒng)中將信號處理、數(shù)據(jù)挖掘、機器學習、統(tǒng)計分析領域的研究成果與技術(shù)手段應用到橋梁監(jiān)測的海量數(shù)據(jù)分析和后續(xù)預警當中，為城軌橋梁結(jié)構(gòu)智慧運營監(jiān)測與安全評估提供了科學參考依據(jù)。

數(shù)據(jù)預處理方面，采用粗差處理、信號濾波、重采樣及數(shù)據(jù)補完等技術(shù)對收集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行預處理，濾除掉因外界干擾產(chǎn)生的不可靠數(shù)據(jù)，提高橋梁結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)挖掘的準確性；在線預警方面，采用設備故障自診斷技術(shù)和有限元模型修正技術(shù)進行設備異常狀態(tài)預警及橋梁結(jié)構(gòu)異常狀態(tài)預警；離線分析方面，采用小波趨勢提取、時域融合分析和統(tǒng)計檢驗相關(guān)技術(shù)作出橋梁運營發(fā)展趨勢的估計。

三、實施過程及應用系統(tǒng)內(nèi)容

（一）方案設計

現(xiàn)有的健康監(jiān)測系統(tǒng)可分為硬件部分和軟件部分。硬件部分由各種傳感器、采集設備、傳輸設備和管線等設備組成，生產(chǎn)廠家的質(zhì)保期往往不滿足監(jiān)控系統(tǒng)的設計需求。因此，對于硬件系統(tǒng)設計，首先應從儀器原理和生產(chǎn)廠家方面選取可靠性高的設備，其次，進行可更換式設計，最后，應重視安裝工藝，形成標準化流程，對于軟件系統(tǒng)設計，在設計時做到標準化、模塊化，以便后期進行升級，且做到可以擴容。

總體設計原則為可靠性、實用性、先進性、前瞻性與經(jīng)濟性相結(jié)合，在各個部分的具體設計原則為：

一是狀態(tài)監(jiān)測與數(shù)據(jù)采集—找準關(guān)鍵參數(shù)、關(guān)鍵部位，適當冗余 ；硬件設備先進、可靠，易維護、可升級、可更換，性價比綜合平衡；二是數(shù)據(jù)傳輸與管理—高效傳輸數(shù)據(jù)，有效管理海量數(shù)據(jù)；三是綜合預警與安全評估—動靜結(jié)合，評估方法實用性強，評估結(jié)論可靠度高；四是用戶界面及管理—先進性高、兼容性好、易擴展性、易操作。

根據(jù)具體的橋梁結(jié)構(gòu)特點、并結(jié)合橋梁預警、評估及管養(yǎng)等需求，參考國內(nèi)外健康監(jiān)測系統(tǒng)設計主流框架，以重慶軌道交通環(huán)線高家花園軌道專用橋為例，健康監(jiān)測系統(tǒng)采用以下構(gòu)架，如圖2所示。

圖2 重慶軌道交通環(huán)線高家花園軌道專用橋橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)架

（二）主要監(jiān)測內(nèi)容

對橋梁結(jié)構(gòu)重要的、存在較嚴重病害的部位或構(gòu)件進行重點監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)出預警，監(jiān)測內(nèi)容及功能包括：(1)風速風向；(2)環(huán)境溫濕度；(3)拉索索力；(4)索塔變位與索塔應力；(5)主梁撓度、主梁橫向位移、主梁應力、振動特性與疲勞性能；(6)伸縮縫位移；(7)結(jié)構(gòu)溫度；(8)橋梁視頻；(9)混凝土裂縫；(10)基礎沉降；(11)橋墩腐蝕；(12)鋼筋銹蝕、氯離子含量；(13)接入橋梁施工期間埋設的傳感器，與施工監(jiān)控工作有良好的銜接；(14)提交監(jiān)測報告，包括監(jiān)測系統(tǒng)運行情況、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、閾值設置、技術(shù)狀況評估等內(nèi)容；若遇極端突發(fā)事件發(fā)生，則及時提交極端事件專題分析報告。

（三）測點布設

通過有限元建模，對橋梁進行恒載作用、活載作用、溫度荷載作用和風荷載作用下的變形以及內(nèi)力分析，結(jié)合模態(tài)分析以及溫度、拉索損失等敏感度分析，確定橋梁的測點布設。主要有以下幾種情況：

對于斜拉橋，需要對全橋索力、箱梁內(nèi)部溫濕度、伸縮縫、索塔應力、索塔偏移、基礎沉降等進行監(jiān)測，還應在主梁的跨中、1/4跨徑（對稱）、墩頂?shù)冉孛孢M行應力和疲勞性監(jiān)測，在主橋跨中、1/4跨徑、1/8跨徑、3/8跨徑、3/4跨徑等截面進行豎向振動或繞縱橋扭轉(zhuǎn)等空間變形監(jiān)測。

對于懸索橋，需要對全橋的基礎沉降、塔頂偏移、錨梁位移、主纜索股力、吊索索力等進行監(jiān)測，還應在主梁的跨中、1/4跨徑（對稱）、墩頂?shù)冉孛孢M行應力和疲勞性監(jiān)測，在主橋跨中、1/4跨徑、1/8跨徑、3/8跨徑、3/4跨徑等截面進場豎向振動或繞縱橋扭轉(zhuǎn)等空間變形監(jiān)測。

對于連續(xù)剛構(gòu)橋，需要對全橋的基礎沉降、溫濕度、典型裂縫進行自動化監(jiān)測，還應在主梁正彎控制和負彎控制截面以及L/4截面和3L/4截面進行應力和疲勞性監(jiān)測，在L/2、L/4、以及L/8等截面進行撓度和空間變形監(jiān)測。

（四）數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)由現(xiàn)場設備、監(jiān)控室設備、網(wǎng)絡設備及相關(guān)軟件四部分組成，各部分的具體配置及總體設計與傳感器子系統(tǒng)密切相關(guān)：傳感器輸出信號的類型決定采集模塊的類型，各類傳感器的數(shù)量決定采集模塊的數(shù)量，傳感器的位置分布決定數(shù)據(jù)采集子站的分布，而這一切又將影響到傳輸網(wǎng)絡的布設，以及采集與傳輸軟件的設計開發(fā)。

橋梁現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集設備與監(jiān)控中心之間的通訊方式除采用遠程無線傳輸如GPRS、3G或4G等技術(shù)之外，還需采用2用2備光纖線路傳輸至橋梁健康監(jiān)測室(監(jiān)控中心)進行分析處理，確保傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。以重慶軌道交通環(huán)線高家花園軌道專用橋為例，數(shù)據(jù)采集與傳輸如圖3所示。

圖3 高家花園軌道專用橋數(shù)據(jù)采集與傳輸示意圖

（五）數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)

將采集的數(shù)據(jù)通過信號濾波等技術(shù)進行預處理后，采用信號處理、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)從監(jiān)測數(shù)值本身、數(shù)據(jù)發(fā)展趨勢、變量關(guān)聯(lián)性等多個角度全方位表征監(jiān)測數(shù)據(jù)特性，充分描述橋梁運營狀態(tài)，對硬件設備及橋梁結(jié)構(gòu)的異常情況進行在線預警。

比如圖4是某橋應變監(jiān)測點自2016年4月20日至5月10日實測數(shù)據(jù)，其中藍色曲線表示應變，紅色曲線表示溫度。該橋在4月27日至29日三天時間內(nèi)正在進行荷載試驗。從圖中可以看到，曲線在4月28日10:00左右出現(xiàn)尖峰，由于監(jiān)測數(shù)值未超過該點許用范圍，故系統(tǒng)沒有發(fā)出“超許用值”警告，但由于該測點的趨勢變化量發(fā)生了突變，故系統(tǒng)發(fā)出“趨勢突變”報警，這與橋梁實際情況相符。

圖4 某橋應變測點實測數(shù)據(jù)曲線

（六）用戶界面系統(tǒng)

用戶界面系統(tǒng)是健康監(jiān)測系統(tǒng)的終端窗口，是橋梁管理和維護人員了解、查詢橋梁結(jié)構(gòu)各種監(jiān)測信息的交互式平臺。完整的運營監(jiān)測系統(tǒng)不但需要面對專業(yè)技術(shù)人員和管理人員，也必須面對其他用戶，例如政府職能管理部門等，用戶界面系統(tǒng)應綜合考慮用戶的各種需求。在監(jiān)控中心，專業(yè)技術(shù)人員應能對大橋各種監(jiān)測數(shù)據(jù)和評估結(jié)果進行詳細查看和處理；此外，一般橋梁管理人員、業(yè)主、專家和政府監(jiān)管部分等其他人員在不同時間、地點都能查閱到大橋的相關(guān)監(jiān)測信息。用戶界面軟件包括Web用戶界面軟件和手機App用戶界面軟件。

四、建設成效及經(jīng)驗總結(jié)

重慶軌道交通已建立重慶軌道交通3號線嘉陵江軌道專用橋及引橋運營監(jiān)測系統(tǒng)、環(huán)線一期高家花園軌道專用橋健康監(jiān)測系統(tǒng)、環(huán)線鵝公巖軌道專用橋長期健康監(jiān)測系統(tǒng)、6號線二期蔡家嘉陵江大橋長期健康監(jiān)測系統(tǒng)等一系列成功工程示范項目。通過結(jié)合當下先進橋梁健康監(jiān)測技術(shù)，在根據(jù)城市軌道交通橋梁特點的基礎上，從方案設計、設備選型、監(jiān)測內(nèi)容設置和預警評估等一系列流程，進一步優(yōu)化并建設重慶軌道交通橋梁智慧運營監(jiān)測平臺，將在降低大橋的運營養(yǎng)護成本、延長橋梁的使用年限、保障橋梁安全、橋梁科學化運營管養(yǎng)水平的提升等方面發(fā)揮卓越成效。針對軌道交通橋梁運營監(jiān)測系統(tǒng)方案設計及平臺建設成果分析總結(jié)經(jīng)驗如下：

針對不同橋型的城軌橋梁，除了考慮傳統(tǒng)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的基本組成之外，還需要綜合城軌橋梁所處環(huán)境、受力特點以及重要性程度，因地制宜地對橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)設計標準或規(guī)程進行針對性的調(diào)整。當下研究熱點多聚焦于橋梁運營監(jiān)測平臺建設及其相關(guān)技術(shù)，而忽視了后續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的最大化利用。在利用基于軌道交通橋梁運營監(jiān)測系統(tǒng)提取的長期監(jiān)測數(shù)據(jù)進行結(jié)構(gòu)狀態(tài)或安全評估的同時，更需要進一步擴展，將運營監(jiān)測數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)定期巡檢、維護與后期養(yǎng)護方案設計建立有效關(guān)聯(lián)，將原本各自獨立的監(jiān)測預警系統(tǒng)和維護管養(yǎng)系統(tǒng)進行有機融合與聯(lián)結(jié)，構(gòu)建智慧運維一體化的橋梁管理平臺，最終實現(xiàn)為軌道交通橋梁的長期服役性能評價及智慧化管養(yǎng)提供綜合性科學指導的終極目標。

整個城市軌道交通運營監(jiān)測設施中不僅包含軌道橋梁主體，軌道、隧道、邊坡等同樣是監(jiān)測設施的重要組成部分。當前城軌單位仍多采用各監(jiān)測設施、各專業(yè)獨立開展運維的傳統(tǒng)工作模式，造成各專業(yè)集成度、體系性、信息共享程度低的困境。而城軌云建設的關(guān)鍵在于開展頂層設計、全局部署是《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》總體目標之一，要求我們在后續(xù)城軌智慧運維建設中進一步將軌道基礎設施體系中各個獨立項進行互通互聯(lián)、有機管理，實現(xiàn)各專業(yè)各設施的協(xié)同運維，提高整體效率。