运营期城市桥梁群健康监测系统探索

我国城市建设已经从高速发展阶段进入高质量发展阶段，城市交通基础设施建设增速放缓，发展重点转向对存量设施的养护和管理。桥梁作为城市交通的重要节点，是制约城市交通稳定、可靠、高效运行的咽喉，是管理部门养护的重点。为解决运营期城市桥梁群养护过程中巡检不全面、不及时的问题，本文提出利用BIM、物联网、北斗定位等技术，构建信息系统，融合检测信息与结构健康监测数据，为管养部门提供一体化监测平台，辅助开展智慧化养护。1、在役桥梁健康监测存在的问题我国桥梁管理部门在管理实践中，已经形成检测评定、健康监测等结构安全管理体系，服务于桥梁的运营期养护。但受限于技术手段、工作流程，目前仍然存在亟待解决的问题。1.1城市桥梁检测评估存在不足根据《城市桥梁养护技术标准》（CJJ99—2017）要求，城市桥梁必须按规定进行检测评估，分为经常性检查、定期检测和特殊监测，其中定期检测又分为常规定期监测和结构定期检测。按照技术标准开展的桥梁检测评估仍存在以下不足。(1）人工目测局限性大经常性检查、常规定期检测主要对裂缝、坑槽、车辙、跳车、残缺等表观病害进行检查，且检查以人工目测为主，病害检出的检出率、效率、准确率受检测人员经验影响较大。另外，受限于可达性，桥梁底面、高桥墩等的病害检测存在较大难度，极易造成漏检。(2）技术评级精细化不足为形成直观、易理解的评价结果，《城市桥梁养护技术标准》根据桥梁完好状态（BCI指数）将桥梁分为A～E共五级，根据结构状况（BSI指数）同样将桥梁分为A～E共五级，检测评级并不能直接量化反映桥梁结构病害状况，具有相同评级的桥梁其病害可能完全不同，桥梁评级并不能直接指导桥梁的精细化养护。1.2桥梁检测与健康监测融合问题桥梁检测评定属于《城市桥梁检测和养护维修管理办法》中规定的行政主管部门应当开展的工作，是桥梁养护、维修的依据。而健康监测是利用桥梁结构部署的各类可实时感知与通信的传感器，获取桥梁服役环境、结构响应等相关数据，并通过对数据的分析，实现对桥梁结构实时状态的监测和安全性能的评估，为制定桥梁养护方案和管理决策提供支持。然而现实情况是，由于法律法规不完善，技术水平不成熟，标准体系未建立，导致桥梁技术状况检测评定与桥梁健康监测难以有效融合，健康监测结果不能完全替代技术状况检测评定。2在役城市桥梁群监测系统构成针对当前我国城市面临的桥梁新建速度放缓，服役期桥梁占比不断上升，养护部门压力激增的现状，本文结合实践，提出一套以GIS+BIM为底座，融合应用无人机倾斜摄影、物联网、北斗定位等信息技术，通过对在役城市桥梁群进行监测的信息系统，将桥梁检测评定、结构健康监测、交通运行等多维度数据进行融合，帮助管理部门提升日常管理水平，支撑开展精准养护。2.1系统总体架构系统自下而上分为五个层次：基础支撑层、感知终端层、通信链路层、数据中心层、智慧应用层。基础支撑层：提供系统部署所必需的环境，考虑到可扩展性和可维护性，本系统采用云部署方案，基础支撑环境包括云计算资源、云存储资源、云安全资源。感知终端层：由布设在被监测桥体上的设备和传感器组成，包括北斗基准站、北斗监测站、倾角仪、位移计，温湿度传感器、高清摄像机等。通信链路层：根据现场网络条件，采用光纤专网，或移动通信网络，网络带宽最少满足4G要求。数据中心层：根据数据类型、使用频率等建设基础数据库、模型数据库、非结构数据库、动态数据库。智慧应用层：开发桥梁一张图、运行监测和智慧养护三个应用。图1总体架构图2.2监测数据采集城市桥梁群健康监测系统融合物联网感知、机器视觉等多种采集手段，动态采集桥梁群的病害、结构等数据，打造城市桥梁群健康监测网络。不同手段采集的数据如下：(1）物联网感知物联网感知由感知节点和传输网络构成，感知节点为布设在被测桥体上的各类传感器，对桥梁结构性能参数的实时、不间断感知，并通过网络回传至控制中心进行汇总，为养护部门提供实时掌握桥梁结构微观变化的千里眼。常见城市桥梁结构感知传感器见表1。

表1常见城市桥梁结构感知传感器传感器需要牢固、可靠安装于要求的位置，能够在恶劣室外条件下稳定运行，满足监测要求，同时做好防雷、防电磁干扰。(2）无人机图像采集依赖于人工智能等计算机科学、摄影设备以及无人机等载体平台的不断发展和进步，无人机图像采集在土木工程领域得到了广泛的应用，该系统利用其远距离、无接触、可全检、速度快的特点，利用无人机搭载不同的图像模组，采集以下两方面数据。①病害识别基于无人机平台搭载高分辨率摄像头，按照预设的路径，对待检桥梁进行绕飞，获取桥梁所有可视表面的高分辨率图像，利用图像识别技术自动识别，提取并标注裂缝、破损、露筋、位移等病害信息，并记录其准确空间位置。②倾斜摄影为整合所有传感器感知数据、病害检查数据、桥梁运行数据，基于统一底板进行展示，本系统构建城市桥梁群BIM模型，用于可视化展示以及制定养护决策。在役桥梁建设时序和基础资料情况不同，对于没有交付BIM模型或数字图纸缺失的桥梁，本系统利用无人机搭载五镜头摄像机，根据预设的路线对桥梁采集桥梁结构和周边环境信息，进行三维模型的快速构建，在BIM软件中基于倾斜摄影模型，搭建精细化的桥梁三维模型，叠加桥梁运行、病害、养护等信息后，形成支撑桥梁健康监测的BIM模型。图2无人机病害检查2.3系统功能模块(1）桥梁群一张图在GIS地图上叠加城市各桥梁BIM模型，形成桥梁群一张图，展示城市内各桥梁的分布，可查看周边的地形、道路、河流等信息，在每个桥梁的图标上标注桥梁名称和病害数量，两侧的看板中以指标和图表的形式展示桥梁的类型分布、病害类型分布等信息，以直观的方式向用户展示桥梁群的基本情况和整体健康状况。(2）运行监测主要实现对桥梁交通运行状况、结构健康状况、运行环境等的监测，交通运行状况包括交通流量、交通事件、视频监控等信息，结构健康状况包括各传感器回传的位移、振动、应变等信息，运行环境包括环境温度、湿度等信息。系统支持点选查看单个传感器的实时数值，也可组合不同传感器数据，组成监测网络。系统可通过折线图展示各参数的变化情况，当指标超过预设的阈值时，系统可自动报警。(3）智慧养护基于BIM模型，叠加病害信息、养护信息，形成桥梁养护档案，用户可通过拖拽模型，查看墩柱、底板等隐蔽位置的病害信息，指导养护部门制定养护策略。系统内置智能养护模型，根据系统动态感知的桥梁结构健康状况，结合承载的交通量特点，推演结构病害的变化规律，指导预防性养护策略制定。3、西咸新区桥梁群应用案例西咸新区位于陕西省西安市和咸阳市建成区之间，为国家级新区，辖区内共有桥梁13座，其中大桥8座。建设了基于BIM的桥梁群监测系统，通过布设在桥体上的位移、振动、应变、温湿度等传感器，实现了对桥梁运行动态的实时监测和预警。系统通过定期的无人机排查，精准、快速定位了一系列位于底板下部、支柱顶端等人力难以触及的病害。系统提供了基于GIS的城市桥梁群一张图，可从全局视角查看桥梁分布、病害统计、交通力量等信息。在微观层面，系统叠加了桥梁的BIM模型，用户可对模型进行缩放、旋转、分解等操作，以直观方式展现桥梁特征，并可查看位于底板、桥墩等位置的病害信息。系统可实时查看结构健康监测设备的实时参数，并绘