基于WebGIS技術的蘇州市橋梁管理信息系統的研制

楊朝輝，陳志輝，唐 毅，何繼崢

（蘇州科技大學 環境科學與工程學院，江蘇 蘇州215009）

基于WebGIS技術的蘇州市橋梁管理信息系統的研制

楊朝輝，陳志輝，唐 毅，何繼崢

（蘇州科技大學 環境科學與工程學院，江蘇 蘇州215009）

隨著我國城市建設的大規模發展，如何對橋梁進行有效的管理、分析與維護已是一項迫切的問題。根據蘇州市橋梁管理的現狀，研制開發了基于WebGIS技術的蘇州市橋梁管理信息系統。首先介紹了系統研究與開發的總體思路、功能結構設計與數據庫設計，然后重點對數據采集與監測、數據管理與顯示、數據分析與健康評價等主要模塊進行了闡述。該系統整合了攝影測量監測與橋梁健康評價等新功能，具備一定的實用性和擴展性。系統的試運行結果表明，結合WebGIS與數據庫等技術對蘇州市橋梁信息進行管理，能夠有效整合橋梁屬性數據與空間數據，并且科學地評價橋梁健康狀態。系統具有操作簡單、可視化強的特點，可提升橋梁信息管理的工作效率，為社會提供有益的服務。

地理信息系統；橋梁；健康評價；網絡GIS

橋梁管理信息系統是近年來出現的一個多學科、跨領域的工程技術集成系統，它涵蓋了橋梁結構工程、工程管理、系統科學、信息科學、計算機科學等多種相關學科[1－2]，以橋梁的各類監測數據作為基礎數據，通過對橋梁綜合狀況進行科學合理的監測、分析與評定，將橋梁劃分為健康狀況良好、局部輕微破損、結構性能退化、功能喪失等不同的健康狀態，據此對橋梁的未來健康狀態進行預測，從而實現對橋梁安全性的分析、評定和評價。系統對于改善橋梁維護和管理水平，確保行人和車輛的通行安全，合理地優化配置維護資金能起到很好的作用，為橋梁的維護和加固提供科學的決策方案[3]。橋梁管理信息系統最早始于20世紀70年代的美國，經歷了由簡單到復雜、由單項數據分析到多項數據綜合分析的信息處理的發展過程[4]。經過多年的努力，美國、加拿大、英國、澳大利亞和日本等國家已經建立起了可實際應用的橋梁管理信息系統。國內橋梁管理信息系統的發展始于20世紀80年代中期，與國外相比起步相對較晚，大部分由各省市的橋梁養護管理部門根據各自的需求來開發研制。目前我國已先后開發了四川、廣東、北京等地的橋梁管理信息系統[5]。總體而言，上述系統大多通過構建橋梁各類信息的龐大數據庫系統而提供基本的查詢、檢索與報表等服務，系統結構和功能都相對簡單，沒有過多的包括對橋梁技術狀況的評價功能、維修養護計劃決策功能與橋梁健康綜合狀況評估功能，在實際應用中有很大的局限性，較難幫助橋梁管理者做出快速正確的決策。

作為江南水鄉的蘇州市，市域內河網水系發達，橋梁在蘇州交通網絡中起著至關重要的作用，橋梁的維護管理工作非常繁重。蘇州市形式多樣的橋梁不僅數量大，結構體系也比較復雜，橋梁設計荷載標準差異巨大，承載力各不相同。這些特點都給蘇州市橋梁的監測、檢查、評價與維護帶來了許多困難。傳統的管理方法與模式已不能匹配蘇州市橋梁的現代化管理，會造成橋梁信息分散、程序繁瑣、管理效率低下，很難對橋梁進行科學有效的評價和正確的決策，從而導致橋梁的使用安全隱患。目前，蘇州市現有的橋梁管理系統基本上屬于橋梁檔案數據庫，功能和結構比較簡單。少數的監測與分析模塊功能也比較單一，尚處于研究的初級階段。在此背景下，筆者研制了基于WebGIS技術的橋梁信息管理系統，該系統在橋梁信息數字化管理與顯示的基礎上，融合了攝影測量監測與健康評價等功能，能夠得出更客觀科學的評價結果，為橋梁的健康提供良好的決策依據。進一步促進蘇州市橋梁管理的科學化、系統化、數字化與規范化，有效地避免橋梁災難性事故的發生，切實保護人民群眾的人身安全。

1 系統總體設計

1.1 總體思路

橋梁管理信息系統是集橋梁數據監測、養護管理、統計分析等功能的綜合管理系統。地理信息系統（Geographical Information System，GIS）技術具有強大的圖形表現與三維可視化展示能力。將GIS技術應用于橋梁管理信息系統，可以提供給用戶特定的橋梁地理信息，并實現對橋梁的快速查詢與有效的數據空間管理[6]。基于GIS技術的橋梁管理信息系統主要應具有以下作用：（1）快速采集橋梁相關監測數據，并方便導入系統；（2）有效地管理橋梁數據，并進行生動形象的三維展示；（3）提供經濟合理的維護策略和手段，實現橋梁健康評價等復雜分析功能，為管理部門及時準確地作出科學決策提供技術支持。

文中基于WebGIS技術的橋梁信息管理系統研制的總體思路如下：（1）獲取包含橋梁矢量數據的蘇州市數字地圖，并根據橋梁信息特點和橋梁管理的需求，構造橋梁信息基礎數據庫。（2）運用WebGIS技術建立網絡版的蘇州市橋梁信息管理系統，在客戶端提供友好的人機交互或條件查詢界面，在線向用戶發布橋梁健康狀態信息和運營情況。使數據資源可以在不同的機構、部門與組織之間進行共享，服務于整個社會。在提高橋梁信息數據利用率的同時降低整個系統的運行成本。（3）在對原始監測數據進行空間查詢、統計分析與回歸分析的基礎上，進一步研制攝影測量橋梁健康監測方法與開發橋梁健康評價等復雜分析功能，運用GIS強大的空間分析能力和對橋梁空間結構信息管理的優越性，實現高效準確的橋梁信息監測與健康評價，并通過圖形或報表等形式進行直觀形象的可視化顯示，為相關管理部門提供科學的決策依據。

1.2 功能結構設計

在充分借鑒國內外橋梁管理系統先進經驗的基礎上，選擇ArcGIS Server作為開發工具，借助數據庫技術、軟件工程技術與傳感器技術，并結合C#、ASP.NET Ajax和SQL Server 2012數據庫，開發出能夠真實反映橋梁相關信息與當前狀態，并能夠對橋梁健康狀態進行科學評價的蘇州市橋梁管理信息系統。

該系統基于B/S模式，主要包括了Web服務器、客戶端瀏覽器和數據庫服務器三個部分，可實現跨平臺、分布式的數據訪問和管理，展示橋梁相關的地形、地貌、結構物以及附屬物等空間與屬性信息，并可以實現定位、查詢、統計、監測、分析與健康評價等功能。為實現橋梁信息處理與管理的網絡化，整個系統的開發與運行基于客戶服務器體系結構的思想。系統主要框架如圖1所示。

圖1 系統框架圖

系統功能模塊主要包括數據采集與監測、數據管理與顯示、數據分析與健康評價、系統參數設置等主要模塊。系統的功能結構如圖2所示。

圖2 系統功能結構圖

1.3 數據庫設計

空間數據庫是該系統的重要組成部分，結合SQL Server大型關系數據庫和GIS數據庫來建立。空間數據庫由動態數據庫、靜態數據庫和分析評價結果數據庫等組成的建立在服務器端的數據庫[7]，用來管理從傳感器采集來的監測數據、橋梁與傳感器的信息與各類分析評價的結果。建立靜態數據庫存貯那些不變或較少變化的靜態空間與屬性數據；建立動態數據庫存貯隨時間變化的監測數據，動態數據庫需要定期備份和更新，可以被不同用戶所共享；建立分析評價結果數據庫存貯橋梁分析與健康評價結果，比如載荷響應分析、結構健康分析、損傷探測以及疲勞分析等。用戶在客戶端使用系統的瀏覽、定位或查詢功能，可以從服務器端調出各類傳感器在任意時間段內采集的原始監測數據，也可以得到進一步的分析評價結果。同時，可利用系統的可視化顯示功能，對原始數據、計算過程與分析評價結果以圖形圖像的形式直觀地展示給用戶。

2 系統主要模塊

2.1 系統參數設置

系統參數設置模塊提供人機交互界面，使得開發人員與用戶可以方便地改變系統參數設置，并可以按照不同的級別對登錄人員進行使用授權，有利于系統安全和數據信息查看、數據正確錄入等。

2.2 數據采集與監測

數據采集與監測模塊通過激光測量裝置、攝影測量裝置、疲勞探測儀、位移傳感器、加速度計等設備完成橋梁壓力、結構和振動等參數采集、實時監測、遠程傳輸及系統導入功能，為其他相關模塊提供監測數據源，從而滿足數據處理、分析、評價、決策與維護等的需要。其中，可將無線傳輸模塊部署在橋梁附近，實現對橋梁的傳感器數據進行采集和傳輸。采集數據通過GPRS/CDMA通訊模塊、TCP/IP通訊模塊和串口通訊模塊可傳入橋梁信息系統控制組件，并貯存入數據庫。

橋梁數據采集與監測的內容主要包括：（1）橋梁工作環境監測。包括橋址處的溫度、風速風向、交通載荷及其分布情況。（2）三維位移監測。主要包括塔偏、主梁撓度及伸縮縫（裂縫）位移監測[8]。結合三維位移監測數據與工作環境監測數據，可進一步分析位移與溫度之間的關系、位移與車輛載荷的關系、位移與風速的關系等。（3）橋梁力學性能監測。包括橋梁結構控制部位的應力應變測量、索力測量、振動頻率測量等。

以基于數字攝影測量的伸縮縫（裂縫）位移監測方法為例。首先使用數碼相機對橋梁裂縫進行拍攝，采集裂縫的單張影像（圖3）；其次在相機標定的基礎上完成對原始影像的畸變糾正；然后使用Wong-Trinder圓點定位算子自動定位出10個控制點并進行二維直接線性變換，將影像投影于物方空間；最后采用基于卡方檢驗的邊緣檢測算子精確提取出裂縫邊緣[9]，并用最短距離法計算出裂縫的寬度，實現橋梁裂縫的位移監測。該方法的流程如圖4所示。

圖3 基于攝影測量的橋梁裂縫位移監測

2.3 數據管理與顯示

數據管理與顯示模塊實現對結構靜態數據和動態數據的管理與可視化顯示，提供空間數據與屬性數據的維護、定位與報表打印，以及空間數據三維可視化顯示等功能。系統中的數據實行數據庫分級存儲與管理，可以進行橋梁信息的查詢、管理與報表輸出。通過報表處理模塊，可以進行實時監測數據和歷史統計數據的自動提取，并根據要求生成日報表、月報表與年報表等。報表內容包括監測數據單項統計、技術狀況統計、維修數量統計、維修經費統計、橋梁結構健康評價等。

系統提供數據的可視化顯示功能，可以導入整合各類原始采集與監測數據，進行解算與初步分析，并對分析處理結果以三維圖表等形式進行可視化顯示，例如監測點在三維方向上的位移曲線圖、溫度與橋梁載荷之間的關系圖等。這種可視化顯示是直觀分析橋梁健康的強有力手段，可以清楚地反映出橋梁結構的動態變化情況，并且方便用戶在客戶端進行查看（圖5）。

另外，使用影像全站儀和激光掃描儀等設備構建橋梁的三維模型，全方位查看橋梁的結構與局部部件，真實地反映橋梁局部部件之間位置和與整體之間的關系，為進一步進行結構分析和橋梁健康評價提供詳實的數據準備。

圖4 基于攝影測量的橋梁伸縮縫（裂縫）位移監測流程圖

圖5 客戶端顯示界面

2.4 數據分析與健康評價

數據分析與健康評價模塊提供數據的監測、查詢與統計，以及變形預測分析、橋梁健康評價等核心功能，并提供各種分析評價報告的查詢、顯示、打印和下載功能。此模塊是該系統的核心，采用算法倉庫，針對各類信息進行相應的處理，以保證數據的有效性和可用性[10]。

2.4.1 變形預測分析

通過對監測數據的科學分析，不僅可以了解到橋梁結構過去和現在的工作狀況，還可以預測未來狀況的趨勢。如何從眾多監測數據中準確提取出與結構密切相關的信息并作出準確的變形預測，是進行橋梁健康狀況精確評估的基礎。

以某橋梁鋼箱梁撓度變形預測分析為例，影響預測目標橋梁撓度的因素有很多種，采用多元線性回歸模型可以有效解決多因素間的相關關系。多元線性回歸模型的原理是使用最小二乘法來確定多元線性回歸模型的回歸系數和常數項[11]。多元線性回歸模型的形式如下

式中，x1，x2，…，xm是影響預測目標橋梁撓度的多個因素（比如混凝土收縮、鋼束預應力損失等），y是變形預測值，β0，β1…，βm是未知的參數，ε 是隨機誤差。

2.4.2 橋梁結構健康評價

橋梁結構健康評價是近年來橋梁健康監測領域的發展新趨勢，它融合了現代傳感技術、網絡通訊技術、信號處理與分析、數據管理方法、計算機視覺、知識挖掘和決策理論等交叉領域的知識和技術，極大地拓展了橋梁健康評價的內涵，提高了評價的科學性與可靠性[12]。

橋梁結構的健康狀態主要包括橋梁的適用性、耐久性、安全性、可靠性和協調性。橋梁狀態評定指標的一般公式為[13]

式中，PI為橋梁健康狀態指標；Ki為第i個缺陷權重；Fi表示第i個缺陷；a，b，c，…為對應的缺陷屬性。

綜合考慮橋梁外觀檢查、日常巡檢及結構健康檢查分析結果，得到橋梁健康綜合狀態評分公式[12]，該公式依據橋梁管理的主觀評分和結構健康監測的定量分析結果。

式中，i=1，2，…，n是對橋梁狀態有重要影響的橋梁單元；Wi為構件在整個橋梁系統的權重；ki為Wi的標準值；Ri是對橋梁上每個單元最差的狀態評分，公式如下

其中Wi1為目測及巡檢結果對應的權重，Wi2為結構健康監測分析結果對應的權重，Wi1+Wi2=1。

3 結語

以蘇州市橋梁為研究對象，結合數據庫技術、傳感器技術和軟件工程等技術，基于ArcGIS Server研制了蘇州市橋梁管理信息系統。該系統在實現常規的橋梁信息采集、數據處理、數據管理與數據分析的基礎上，補充了基于數字攝影測量的伸縮縫（裂縫）位移監測等新方法，重點開發了整合橋梁外觀檢查、日常巡檢及結構健康檢查分析結果的橋梁健康綜合評價功能，使之能科學、有效、合理地對橋梁進行評定、評價維護和管理，實現對橋梁信息數據科學管理的目的，提高橋梁現代化管理效率和管理水平，并且基于網絡B/S開發模式實現資源的信息化與共享化，為社會提供有效的服務。

當然橋梁管理信息系統的研制是一項復雜的系統性工程，與許多學科緊密聯系，所涉及的問題較多。該系統使用的監測數據仍不全面，數據分析方法、橋梁健康評價等模型仍需在今后的研究工作中作進一步的補充與完善。

[1]李新平，符鋅砂.城市橋梁管理信息系統（MBMS）[J].計算機工程與應用，2003（11）：220-222.

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[3]任曉東.橋梁管理信息系統應用研究[D].西安：長安大學，2011.

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[13]YANEV B.Bridge Management[M].New York：John Willeyamp;Sons Inc，2007.

責任編輯：謝金春

Web GIS-based bridge management information system of Suzhou

YANG Zhaohui，CHEN Zhihui，TANG Yi， HE Jizheng
（School of Environmental Science and Engineering，SUST，Suzhou 215009，China）

With the large-scale development of municipal construction,how to manage，analyze and maintain the bridges efficiently becomes an urgent task.According to the current status of the bridges'management in Suzhou,we developed a Web GIS-based bridge management information system of Suzhou.First，we introduced the main design idea,the design of functional configuration and of database.Then，we described the main modules of data collection and monitoring，data management and visualization，data analysis and health assessment.This system,practical and extendable，integrated the new functions of photogrammetry monitoring and health assessment.The experimental results show that using Web GIS and database technology，the combination of bridges'attribute data and spatial data is efficient and the health assessment is reasonable.With the features of simple operation and interaction visualization，this system can improve the efficiency of bridge information management and provide helpful services for the society.

geographical information system；bridge；health assessment；Web GIS

P208

A

2096－3289（2017）04－0059－06

2016－02－22

江蘇省建設系統科技項目（2014JH35）；江蘇省環境科學與工程重點實驗室開放課題（Zd131208）

楊朝輝（1976-），男，江蘇常州人，副教授，博士，研究方向：GIS與攝影測量。