基于大數(shù)據(jù)背景下的市政橋梁智慧管養(yǎng)應(yīng)用探究

梅曉

（橫琴粵澳深度合作區(qū)城市規(guī)劃和建設(shè)局）

1 研究背景

橋梁作為市政設(shè)施的重要組成部分，是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會正常生活的重要保障。為了能夠保障橋梁的運營安全，往往需要花費大量的人力、物力來采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)，還難以達(dá)到良好的效果。

近些年，隨著新一輪的科技革命，橋梁管養(yǎng)技術(shù)研究也正在飛速發(fā)展，通過自動化采集、處理、分析數(shù)據(jù)可以顯著提高橋梁管養(yǎng)效果。因此，基于大數(shù)據(jù)背景下，對收集的橋梁信息及時進(jìn)行處理和分析，有望推動市政橋梁管養(yǎng)方面實現(xiàn)新發(fā)展。

Zhou Xu-hong[1]等人研究發(fā)現(xiàn)通過信息化技術(shù)可以大幅度提高橋梁的建設(shè)效率及水平，也能夠促進(jìn)管養(yǎng)的一體化水平，從而使橋梁規(guī)范化、智能化水平得到進(jìn)一步提升；李治[2]隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷發(fā)展與創(chuàng)新，市政橋梁領(lǐng)域與大數(shù)據(jù)相結(jié)合是大勢所趨。與傳統(tǒng)人工處理模式相比，大數(shù)據(jù)手段具有更優(yōu)質(zhì)、更準(zhǔn)確、更高效的優(yōu)勢；孟叢叢[3]在大數(shù)據(jù)時代，橋梁維護(hù)和安全管理將逐步實現(xiàn)智能化、時效化、規(guī)范化以及集成化，從而提高養(yǎng)護(hù)和安全管理效率與質(zhì)量；余傳錦[4]等梳理橋梁大數(shù)據(jù)的相關(guān)研究進(jìn)展情況，并總結(jié)分析現(xiàn)有的研究成果及未來研究應(yīng)用的重點和難點等；劉小峰[5]由于在橋梁管養(yǎng)的工作中，缺乏對橋梁養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)積累，存在養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)應(yīng)用嚴(yán)重不足等一系列問題，從而導(dǎo)致橋梁的信息服務(wù)質(zhì)量急需提升；夏燁[6]等針對部分地區(qū)的運營橋梁，系統(tǒng)地提出了基于多源信息的橋梁等級評估與預(yù)測的方法。

因此本文結(jié)合實踐工作經(jīng)驗，基于大數(shù)據(jù)背景下的市政橋梁管養(yǎng)應(yīng)用進(jìn)行探究。

2 橋梁管養(yǎng)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計

橋梁大數(shù)據(jù)不僅僅只針對橋梁設(shè)計、施工階段所建立的橋梁數(shù)據(jù)文件，還應(yīng)對運營期間橋梁檢測、自動化監(jiān)測等數(shù)據(jù)進(jìn)行收集。其中橋梁的CAD 設(shè)計圖紙、數(shù)值模型、施工監(jiān)測等數(shù)據(jù)是橋梁設(shè)計、施工的基礎(chǔ)，是實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)計算機處理的前提，橋梁檢測、自動化監(jiān)測等數(shù)據(jù)是實現(xiàn)橋梁在運營過程中及時判斷橋梁當(dāng)前狀態(tài)的重要依據(jù)，可以為管養(yǎng)決策分析提供支持。

從長期效益出發(fā)，統(tǒng)籌設(shè)計、施工、運行等環(huán)節(jié)，在確保設(shè)計合理、工程合格、運營安全的前提下，對橋梁全壽命周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集處理，可以大大節(jié)約管養(yǎng)成本，極大提高工作效率。

2.1 橋梁大數(shù)據(jù)來源

橋梁管養(yǎng)大數(shù)據(jù)應(yīng)將橋梁的歷史設(shè)計資料、施工資料、運營檢測、監(jiān)測等數(shù)據(jù)與運營后人工或自動化實時監(jiān)測數(shù)據(jù)相結(jié)合，形成一個動靜結(jié)合的大數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)的橋梁管養(yǎng)提供依據(jù)。

①前期橋梁設(shè)計、施工資料、運營檢測、監(jiān)測數(shù)據(jù)主要包括：施工監(jiān)測數(shù)據(jù)、施工竣工圖、歷年橋梁檢測、監(jiān)測報告等。

②運營后橋梁車輛動態(tài)數(shù)據(jù)可以通過智能交通監(jiān)控設(shè)備和車輛網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等工具設(shè)備進(jìn)行收集。主要包括：車輛信息、車輛實時行車速度、橋梁交通流量、事故信息等。

③橋梁結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)可由橋梁自動化監(jiān)測傳感器等設(shè)備進(jìn)行采集。主要包括：環(huán)境監(jiān)測傳感器所獲得橋梁實時環(huán)境數(shù)據(jù)、位移或應(yīng)變監(jiān)測傳感器獲得橋梁結(jié)構(gòu)靜、動力的響應(yīng)數(shù)據(jù)等。橋梁結(jié)構(gòu)動態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測流程如圖1所示。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)動態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測流程

2.2 橋梁運營大數(shù)據(jù)評價

橋梁運營大數(shù)據(jù)主要通過管養(yǎng)人員或者檢測員通過人工巡查、檢測、監(jiān)測等方式得到，再對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，最終根據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)計圖紙中的限值對橋梁現(xiàn)狀進(jìn)行綜合評價。

例如根據(jù)《城市橋梁檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（DBJ/T 15-87-2022）[7]等規(guī)范，橋梁檢測工作分為外觀檢測、無損檢測、荷載試驗檢測等檢測。根據(jù)不同項目，不同橋梁結(jié)構(gòu)形式，橋梁可采取不同的檢測參數(shù)和檢測頻率，在這個過程中，會對產(chǎn)生的大量檢測數(shù)據(jù)依照相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)計要求進(jìn)行評價；對于新建橋梁或者運營過程中出現(xiàn)特殊狀況的橋梁，需要建立理論模型模擬實際加載方式，現(xiàn)場通過試驗加載車來測試橋梁在動、靜荷載作用下的各項指標(biāo)數(shù)據(jù)，來判斷橋梁當(dāng)前的承載水平；對于大型橋梁運營自動化監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)：西堠門大橋系統(tǒng)每年數(shù)據(jù)量為1TB左右；蘇通大橋每天產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量為10GB 左右，系統(tǒng)每年數(shù)據(jù)量為3TB左右[8]。

將橋梁運營過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)全面有效地收集到數(shù)據(jù)庫中，在大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理分析，從而根據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)計要求對橋梁的運營現(xiàn)狀給予有效、準(zhǔn)確地評價。

2.3 橋梁檔案建立

橋梁從設(shè)計、施工到橋梁運營期間均會產(chǎn)生大量資料，例如前期的設(shè)計圖紙、施工期間的人員信息、各類變更記錄、材料進(jìn)場記錄，檢測過程中的材料、成橋試驗數(shù)據(jù)等等。這些資料需要作為橋梁的終身檔案進(jìn)行收集管理，是橋梁運營后管理與養(yǎng)護(hù)的重要參考，并隨著橋梁運營不斷擴(kuò)充和更新數(shù)據(jù)。

3 橋梁管養(yǎng)大數(shù)據(jù)應(yīng)用探究

3.1 日常巡查

橋梁在長時間的運營過程中，不可避免地會出現(xiàn)大量的病害，如橋面橫、縱向裂縫、主梁腹板豎向、底板橫向裂縫、鋼梁銹蝕，支座剪切變形、臺帽蓋梁露筋等病害。這些病害如果未能及早發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行維修加固處理，隨著時間的推移，在大量復(fù)雜因素的作用下，病害會逐漸加劇，橋梁結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)更為嚴(yán)重的損傷，從而大大降低橋梁服役年限。因此，為了保證橋梁的正常使用，日常巡查是橋梁管養(yǎng)體系中非常重要的一個手段。

然而，傳統(tǒng)日常巡查主要是人工巡查，但其存在很多缺點，像工作效率低，重復(fù)性高，主觀性強，準(zhǔn)確率低等等。

隨著大數(shù)據(jù)越來越多地被應(yīng)用到橋梁日常巡查中來，市政部門還可以利用大數(shù)據(jù)技術(shù)安排工作計劃和要求，在現(xiàn)場實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、便捷化的數(shù)據(jù)采集，同時通過對歷史數(shù)據(jù)的分析，了解橋梁的前期使用情況，綜合判斷橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，大大提高橋梁巡檢的工作效率與準(zhǔn)確性。

3.2 自動化監(jiān)測

橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測對橋梁的安全運營十分重要，而人工監(jiān)測往往會耗費大量人力、物力在現(xiàn)場對橋梁進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，還存在效率低，易出錯等不易解決的問題。

近些年來，隨著系統(tǒng)集成、無線傳輸、數(shù)據(jù)存儲等方面取得了巨大的進(jìn)步，橋梁自動化監(jiān)測也越來越廣泛地運用到橋梁管養(yǎng)工作中來，并且基本解決了人工作業(yè)易出現(xiàn)的問題，同時實現(xiàn)橋梁數(shù)據(jù)實時上傳、歷史數(shù)據(jù)自動儲存分析、突發(fā)異常情況安全預(yù)警及評估等功能，也大大方便了管養(yǎng)人員整合橋梁的監(jiān)測數(shù)據(jù)，從中提取影響橋梁結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵信息，分析各影響因素之間的聯(lián)系，實現(xiàn)橋梁損傷自動化識別及現(xiàn)狀綜合評估，為后續(xù)的管養(yǎng)工作提供更具針對性的建議。

3.3 智慧管養(yǎng)

大數(shù)據(jù)背景下的數(shù)據(jù)具有開放性和共享性，將日常巡查、自動化監(jiān)測等數(shù)據(jù)錄入到橋梁智慧管養(yǎng)平臺中，即可克服橋梁管養(yǎng)信息的碎片化，信息不對稱等問題，再結(jié)合人工智能可以幫助管養(yǎng)人員優(yōu)化數(shù)據(jù)共享，實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)之間互通，讓橋梁智慧管養(yǎng)更具有合理性、科學(xué)性。具體而言，管養(yǎng)人員需將大數(shù)據(jù)技術(shù)運用在概況管理、交通現(xiàn)狀管理、應(yīng)急響應(yīng)管理、數(shù)據(jù)總覽等方面。

①概況管理：需實現(xiàn)調(diào)取橋梁勘察、設(shè)計、施工、驗收檢測等橋梁概況信息等功能。

②交通現(xiàn)狀管理：需實現(xiàn)交通狀態(tài)實時反應(yīng)、橋梁車流量實時監(jiān)控、交通狀態(tài)預(yù)測分析等功能。

③應(yīng)急響應(yīng)管理：需實現(xiàn)預(yù)警、按應(yīng)急預(yù)案啟動應(yīng)急、遠(yuǎn)程應(yīng)急指揮等功能。

④數(shù)據(jù)總覽：需實現(xiàn)GIS展示（地理信息系統(tǒng)）、橋梁數(shù)量、橋梁技術(shù)現(xiàn)狀等級展示等功能。

4 結(jié)論與展望

雖然在橋梁工程中將日常巡查、自動化監(jiān)測和智能管養(yǎng)與大數(shù)據(jù)相結(jié)合得到越來越廣泛地應(yīng)用，但是總體來說，在橋梁工程中大數(shù)據(jù)的應(yīng)用還處于初期階段。由于橋梁結(jié)構(gòu)形式多樣、使用材料不盡相同、采集數(shù)據(jù)來源較為復(fù)雜，如何能夠建立統(tǒng)一、高效率、高容錯、可調(diào)取的大數(shù)據(jù)處理平臺，是實現(xiàn)橋梁工程大數(shù)據(jù)應(yīng)用落地的首要要求。

現(xiàn)如今，將大數(shù)據(jù)技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新興技術(shù)相結(jié)合，形成更加智能化、自動化的橋梁管養(yǎng)系統(tǒng)，進(jìn)而提高工作效率，降低工作失誤，已成為橋梁工作者共同努力的方向。在大數(shù)據(jù)時代背景下將橋梁管養(yǎng)方式將逐步實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、高效化和精細(xì)化。下一步可針對以下問題進(jìn)行研究：

①建立橋梁智慧管養(yǎng)平臺，實現(xiàn)橋梁日常巡查養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，保證日常巡查、自動化監(jiān)測采集數(shù)據(jù)一致性與完整性，保證橋梁管理養(yǎng)護(hù)工作的客觀性、合理性和科學(xué)性。

②如何利用橋梁智慧管養(yǎng)平臺，通過應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)實現(xiàn)橋梁技術(shù)狀況的預(yù)測，為預(yù)防性維修政策，養(yǎng)護(hù)資金優(yōu)化提供技術(shù)支持。