智能化養護跨海大橋

文/圖　中交公路規劃設計院有限公司 趙耀 鄧廣繁 胡斌

針對跨海大橋規模巨大、檢修盲區多、涉及專業多、海量數據處理效率低、數據展示不直觀的養護特點，筆者提出養護信息智能化采集、智能化分析、建立資產管理系統等技術手段，以提高跨海大橋的養護效率和管理效果。

我國的海岸線總長1.8萬公里，居世界第四。漫長的海岸線沿線島嶼眾多，連接大陸和島嶼的跨海大橋，成為重要的交通樞紐。目前，我國海岸線上一共分布著35座跨海大橋，其中已建成通車的有30座，在建的有5座，包括著名的港珠澳大橋、杭州灣大橋、舟山跨海大橋、泉州灣大橋、青島灣大橋等。

保持跨海大橋良好的技術狀況，是大橋養護管理單位的重要任務之一。跨海大橋的養護除了具有內陸普通橋梁養護時需要關注的常見問題外，還具有其自身的養護特點。

跨海大橋養護面臨的問題

跨海大橋的養護首先面臨的是跨海大橋線路長、規模大，檢修任務重的問題。以港珠澳大橋為例，海中主體工程包含6.7公里隧道、22.9公里橋梁和兩座海中人工島，這給養護工作帶來了巨大挑戰。此外，跨海大橋巡檢盲區多。例如，大跨徑的纜索體系橋梁，檢測人員難以到達索塔、拉索等構造復雜且存在較多隱蔽部位的高聳區域，以及大橋海底沖淤、結構基礎破損等難以檢查的部位，都是跨海大橋巡檢的盲區。加上當前大部分養護管理工作還停留在手工記錄、人工謄寫的階段，自動化處理程度低。

大橋的養護涉及到海量的數據，從建設期的設計圖紙資料、施工資料、交竣工驗收資料，到運營期的檢測、養護、維修等資料。涉及的資料眾多，數據龐大，需要規范管理和利用。而目前檢測、保養和維修等各項工作基本都委托給不同專業單位，信息也以紙質記錄為主，未納入統一平臺中分析處理，客觀上形成了數據孤島，既不能有效共享信息，也導致數據處理效率極低。

除此之外，養護管理涉及專業眾多。不僅包括橋梁、隧道、道路、房屋等建筑結構，而且還包括監控系統、通信系統、收費系統、高中低壓供配電系統及交安設施、綠化設施等，這些同樣是跨海大橋養護需要面對的問題。

養護信息的智能化采集

從跨海大橋養護所面臨的問題中，不難看出有效收集養護數據是大橋養護的前提，且收集的數據應該是結構化、標準化的，以便后續的統計分析與有效利用。為了解決養護數據的采集問題，智能化信息采集手段應運而生，具體包括無人巡檢技術、智能化人工巡檢、自動化機械巡檢、北斗系統短期監測、非接觸式高清攝像等。

無人巡檢技術是大橋養護過程中應用較普遍的技術，包括無人機檢測技術、水下機器人檢測技術和無人駕駛梁底檢查車等。其中，使用無人機檢測技術可開展橋梁保護區內挖沙、雜物堆積、違規建筑物的檢查，對高聳結構物如橋塔、斜拉索、主纜、錨碇的檢測，以及基于無人機技術的3D實景建模。通過實景建模，不僅了解到橋位區域的平面信息，同時可獲取到高程信息，從而使橋梁保護區得到更有效的監控。除了空中的無人機檢測，水下機器人則可對樁基破損、沖刷深度、河床斷面等開展檢測。該技術相較于當前的蛙人探摸方法，有效擴展了檢測區域，提高了工作的效率與安全。

至于橋梁本身的檢測，無人駕駛梁底檢查車表現優異。該檢查車是對現有梁底檢查車行走系統的改造，檢修人員可在橋面上利用有線（或無線）操作面板控制檢查車的行走。當行走到需要進行維修的位置時，檢修人員到檢查車上進行維修。無人駕駛梁底檢查車，可有效減少檢修人員在檢查車上的工作時間，也提高了操作的安全性。

基于BIM的VR信息展示

北斗系統短期監測

自動化機械巡檢

自動化機械巡檢技術充分利用智能化檢測機器人對大橋的纜索、梁底及隧道進行檢測，該技術較當前依賴橋檢車及登高車的檢測方法，檢查效率更高、更加節省人力成本。

具體包括纜索爬索機器人、磁通量變化檢測拉索損傷設備、智能化橋梁檢測機器人、隧道多功能實時檢測系統、智能化道路巡查機器人等。其中纜索爬索機器人是當機器人在拉索上爬升時，控制器將4臺攝像機圖像傳輸給數據存儲器，以實現對拉索表面保護層全方位圖像的存儲，并通過無線傳輸子系統傳輸到地面PC機監控系統上。磁通量變化檢測拉索損傷設備，是當機器人在拉索上爬升時，磁頭首先磁化索體至飽和狀態，內嵌的霍爾傳感器通過磁通量變化可以捕捉到索體中的缺陷（如斷絲、磨損、銹蝕等），并轉換為電信號輸出處理，按照特定算法及模型轉換為圖形信號，直觀反映索體的損傷狀態。

上至大橋纜索，下至橋面、隧道，機器人的身影無處不在。智能化橋梁檢測機器人可在橋梁緊急停車帶上行進，自動避讓燈桿，實現對橋梁表觀裂縫、缺損、滲漏水情況的實時檢測。而智能化道路巡查機器人，則可在道路上以正常車速行進，過程中自動檢測、識別道路上影響行車安全的因素，如道路上的坑槽、護欄損壞、標志標線不清晰等，之后結合GPS信號將病害信息傳送給云端，后臺自動向養護隊指派維修任務。對于海底隧道的檢測，則利用搭載有檢測設備的檢查車在隧道中以正常車速行進，實 現對隧道的表觀檢測、滲漏水檢測、3D激光界限掃描、洞內氣體檢測等。

智能化人工巡檢

如果說機器人是工作在數據采集的一線，那智能化人工巡檢系統則相當于“快遞員”，負責將采集到的數據輸送到云端。智能化人工巡檢主要包括智能外業記錄系統、批量報告生成器、基于BIM的VR病害信息展示等內容。其中，智能外業記錄系統是利用pad實現無紙化記錄，現場操作點選錄入、記錄批量復制的方式，將數據上傳到云端，后臺自動生成可存檔的原始記錄，自動導出病害列表、圖片等信息。而系統從云端提取病害信息后，自動進行技術狀況評定，批量化自動生成檢測報告，這就是批量報告生成器的功勞，有效降低了工程師的現場工作強度，減少出錯幾率，讓工程師從簡單重復的工作中脫離出來，專注于病害分析、結構計算等更重要的工作。

系統從云端提取病害信息后，還可一鍵自動導入到BIM模型中，并以VR形式直觀化地展示病害詳細位置，讓展示效果更加逼真，養護人員能快速地了解結構物病害位置和嚴重程度。

依靠我國完全自主知識產權的位置服務，實現高程、平面坐標的短期監測的北斗監測系統，具有數據傳輸穩定可靠、可視化的數據表達、應用成功案例眾多等特點。此外，基于攝影測量與圖像識別的基本原理，綜合使用光學、數字圖像處理、模式識別等多學科理論和方法的非接觸式高清攝像，則可從拍攝的影像中提取出待檢測物體病害位置、尺寸等信息。其優點在于不干擾被測物的自然狀態；橋梁檢測中無需封路，避免了交通審批；操作人員在空曠區域拍攝，避免在支架或掛籃上登高作業，有效保證檢測人員的人身安全。

管養信息的智能化

人工智能技術在各行各業的應用方興未艾，具體應用到跨海大橋的養護管理上，就是給橋梁賦予一個“大腦”，實現智能化、精準化的大橋養護管理。而大橋管養信息的智能化推送，以及數據的智能化分析都讓大橋的養護變得精準、高效。

管養信息智能化推送可實現向養護管理單位自動推送其關心的信息，如當前需要重點關注的構件、重點病害、可能的病害成因、可能的維修工藝和方法等。主要實現步驟為標準化的基礎數據、信息偏好計算和重點數據推送。

標準化的基礎數據，包括標準知識庫、結構化的病害信息，是后續數據推送的基準數據；基于潛在因子算法的信息偏好計算，其思想是認為每個用戶都有自己的偏好，比如某用戶對伸縮縫、混凝土等元素感興趣，如果某病害帶有這些元素，便將相關的檢測措施數據推薦給該用戶，也就是用元素去連接用戶和數據庫；重點數據推送，是對于病害情況較嚴重的構件、影響結構安全的病害，系統自動從后臺提取出來，推送給管養人員，使巡檢工作更具有針對性。

管養信息智能化識別是指應用人工智能技術，對智能化橋梁檢測機器人采集到的病害照片進行批量化圖像識別，獲取到病害位置、類型和尺寸等信息。還可利用三維重構技術（Structure from Motion，SFM）重構包含有景深信息的圖像，非常真實地還原結構實際的外觀狀態，甚至直接生成三維BIM模型。

管養信息智能化分析是針對感興趣的結構單元，在小范圍內布設較多數量的傳感器，采集一定時間內的數據，實施針對性的統計分析，獲取到管養單位需要的數據。此外，依據智能化道路巡查機器人獲取到的道路病害，將一定時期內易發病害路段標出，輔助管養人員抓住重點管養路段，進而采取有效措施提高行車安全性。

跨海大橋資產的智能化管理

跨海大橋的資產管理是大橋養護的保障，且同樣需要智能化管理。而智能化離不開對數據的利用，因此建立標準知識庫、利用平臺規范工作流程及智能化的管養制度，是跨海大橋資產智能化管理的重要內容。

建立標準知識庫。以數據的標準化實現信息化，依靠標準知識庫實現資產屬性體系的重構和關聯。標準知識庫包括構件類型庫、病害庫、病害成因庫、維修措施庫、風險庫、專家庫等。標準知識庫是資產管理庫的底層數據，也是實現各項功能的基礎。

利用平臺規范工作流程。圍繞資產屬性的管理，利用BIM等信息化手段，將運營檢測、預算與項目管理、檢測、采購、養護及維修、資產評估等養管活動統一在公路資產管理系統平臺上。平臺包含網頁端、移動終端和BIM平臺，移動端實現現場數據采集，網頁端實現后端數據處理，BIM平臺實現信息的可視化展示。

依據管養制度輔助管養決策。大型結構物標準化管養手冊和養護規劃，是跨海大橋資產管理系統的執行標準。系統將規章制度電子化，根據采集到的信息自動匹配相關規章制度，為管養單位提供科學完備的資產管理輔助決策支持。此外，還應將健康監測系統、檔案管理系統、自動化辦公系統、指揮調度系統等統一接入到資產管理系統中，成為統一的運行平臺。

跨海大橋的養護規模大、涉及專業多，且需要處理海量的數據，通過智能化采集、智能化分析、以及建立資產管理系統等最新科技手段，為跨海大橋的智能化養護、信息化養護提供了解決思路，同時為類似大型結構物的信息化養護提供了技術參考。