多源信息融合的城市橋梁綜合管理系統設計

梁 柱

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

隨著城市交通的不斷發展，越來越多的城市高架橋或跨越水系的橋梁投入使用。由于景觀上的需要，部分城市橋梁造型獨特，結構形式多樣，橋梁已經成為城市景觀的一張名片。隨著經濟的發展，城市交通量和交通荷載不斷增大，加上一些建設年代較早的橋梁也日益老化，這些橋梁在為城市發展發揮積極作用的同時，也對城市橋梁管理工作提出了更高的要求。橋梁運營安全與人民生命財產安全息息相關，為了確保橋梁安全運行，更好地進行橋梁的監管、養護工作，需要輔有先進的技術手段對橋梁進行現代化科學管理。2014年6月23日，住房和城鄉建設部下發了“關于加快城市道路橋梁建設改造的通知”(建城〔2014〕90號)，通知指出“2013年底，全國城市道路33.6萬公里，城市橋梁近6萬座，城市道路橋梁養護管理任務日趨繁重。”通知要求“推進城市橋梁信息系統建設。各地要結合城市橋梁檔案管理、維修養護要求，加快建立完善城市橋梁信息管理系統，并根據橋梁運行期間的各種檢測數據等，及時更新城市橋梁檔案信息，實現城市橋梁信息數據的動態更新和管理。”在上述背景下，不少城市開始推動橋梁信息管理系統建設[1]。早期的城市橋梁信息管理系統通常側重于對橋梁的基本檔案及日常檢查、養護等信息的管理[2,3]，隨著物聯網、大數據、云計算等新一代信息技術的發展成熟，綜合利用橋梁在線監測、檢測、交通監控等多種信息化手段，建立基于多源信息融合的城市橋梁信息管理系統可以對城市橋梁實行多技術、多層次的統一管理，全面掌握橋梁結構的安全使用情況，提升橋梁管養科學化水平，為管養決策提供依據。本文以池州市橋梁綜合信息管理系統的設計為例進行介紹。

1 系統設計原則

城市橋梁綜合信息管理系統設計的目標是確保城市橋梁的安全運行，進一步提升城市橋梁的科學化管理水平，通過整合資源、合理規劃，構建一個集約高效、技術先進、易于管理、開放兼容、實用經濟、符合城市橋梁管理需求的現代化、信息化管理平臺。系統設計遵循的原則如下：

1.1 規范統一性

在現行國家及行業規范的基礎上，規劃設計統一的城市橋梁標準化檔案信息格式、統一的橋梁在線監測數據接口標準、統一的數據處理與分析標準、統一的數據存儲和管理標準、統一的報警處理標準、統一的巡檢養護信息資料錄入標準等，確保不同結構形式的橋梁管理體系保持統一。

1.2 技術先進性

城市級橋梁綜合管理系統架構應涵蓋所有管理橋梁的監測、日常巡查、檢測、養護、維修、視頻、過橋車輛及特殊事件管理信息，充分利用新一代信息技術如：移動互聯網、物聯網、云計算、大數據技術等，系統應具有一定的技術先進性。

1.3 經濟性

采取點、面結合的方式，橋梁的信息化管理應覆蓋全部市管橋梁，同時針對重點關注的大橋建立橋梁安全監測系統和交通荷載、視頻監控系統，監測點的布設以選擇代表性和關鍵部位為原則；管理中心資源盡可能功能集約、資源共享，節約投資。

1.4 穩定可靠性

系統設計采用目前成熟、穩定的硬件產品，技術性能和質量指標應達到相關國家標準。同時，采用虛擬化及雙機熱備方案，加強數據的定期備份，增加數據冗余度，確保系統運行的穩定可靠性。

1.5 安全性

系統設計嚴密、高效的安全機制來控制和管理系統，確保系統的穩定可靠、維護網絡安全，防止“黑客”攻擊和電腦病毒的侵擾。

1.6 可擴展性

隨著城市建設的不斷發展，可以預見到未來不斷有新的橋梁會接入到橋梁信息管理系統中進行統一管理，因此系統平臺軟件及硬件設計應具備良好的兼容性和可擴展性。

2 總體設計方案

2.1 系統功能設計

在系統設計時，首先需要通過需求調研分析進行業務功能架構設計，目的是理清客戶功能需求和系統功能邊界，梳理系統內部各功能之間的關系。本系統的功能架構如圖1所示。

圖1 系統功能架構圖

(1)地理信息模塊(Web GIS)。本模塊作為系統的主頁入口，在地理信息系統中實現橋梁的查詢、定位、關鍵信息展示以及接口模塊跳轉等功能。

(2)橋梁基本信息管理子系統。實現橋梁基本信息和檔案資料的管理，包括錄入、查詢、修改等，建立橋梁，為每座橋梁建立數字化“橋梁檔案”。

(3)橋梁巡查和養護子系統。實現橋梁日常巡查、定期檢查、特殊檢查、日常養護工作的閉環管理，包括巡檢和養護計劃的制定、巡檢和養護現場錄入(基于移動終端和APP)、巡檢和養護記錄查詢、巡檢和養護結果統計等。

(4)橋梁大中修工程管理子系統。實現對橋梁大中修特殊工程的管理，包括維修計劃的制定、項目審批、維修結果錄入、項目驗收等。

(5)橋梁健康監測子系統。利用現代傳感、測試、分析技術實現對重點橋梁的在線監測、數據處理與存儲，數據展示與實時預警的功能。監測數據通過通信運營商光纖專線接入到城市橋梁管理中心機房。

(6)車輛動態稱重及視頻監控子系統。利用動態稱重系統(WIM)實現對上橋車輛的總重、軸載、交通量的監控，實現橋梁不間斷視頻監控的功能。

(7)橋梁健康評估子系統。融合橋梁巡檢、檢測、在線安全監測、交通荷載監測獲得的數據，對橋梁運行狀態進行綜合分析評估。

(8)后臺管理模塊。實現用戶權限、構件庫、病害庫、措施庫、橋梁配置、登錄日志等系統管理功能。

池州市橋梁綜合信息管理系統的業務拓撲圖如圖2所示。

圖2 系統業務功能拓撲圖

2.2 系統總體架構設計

根據系統的業務功能，形成本項目系統總體架構。總體架構分別為基礎設施層、軟件平臺層、數據層、應用層、終端服務層，如圖3所示。

圖3 系統總體架構圖

2.3 技術架構設計

(1)軟件開發架構。系統軟件開發設計采用B/S架構，其中前端Web界面開發應采用最新的HTML5標準，后臺服務端采用Java作為主要開發語言，實時監測數據采集采用分布式消息隊列(如Kfaka)作為數據異步處理主要機制，采用分布式數據庫以提高系統吞吐量，采用分布式緩存技術提高系統查詢速度，采用原生語言開發基于Android系統的移動端應用軟件。

(2)大數據技術。綜合管理系統中的橋梁健康監測系統的數據24小時不間斷進行采集，隨著時間的增加，數據量越來越龐大，將產生海量數據，如果使用傳統的關系型數據庫軟件來管理監測系統的數據，在數據的處理、寫入以及數據的存儲、讀取上都會越來越慢，如果不經過及時的維護及清理，最終會導致整個監測系統的崩潰。近年來，隨著大數據技術的不斷發展和成熟，采用分布式計算[4]、分布式存儲[5]等大數據技術可以解決數據的高并發、大容量等問題。因此，系統設計建議采用流式大數據處理架構[6](如Storm)和分布式數據庫存儲系統來進行數據處理和管理。

(3)云計算技術。云計算和大數據是兩個互相促進的技術方向，云計算可為大數據應用和管理提供良好的可靠的平臺[7]。考慮到數據的安全性和私密性，在橋梁管理中心構建自己的云計算平臺(私有云)成為一個可行的解決方案。根據系統的當前規模，管理中心云計算平臺設計由一臺虛擬資源管理服務器、三臺高性能云計算服務器和一臺磁盤陣列組成，未來可根據接入橋梁數量的增多進行資源的彈性擴展。

(4)虛擬化技術。虛擬化技術可以將服務器物理資源抽象成邏輯資源，變成多臺相互隔離的虛擬服務器，讓CPU、內存、磁盤、I/O等硬件變成可以動態管理的“資源池”， 所有的虛擬資源可以統一管理及調度，從而提高資源的利用率，對業務的變化更具適應力[8]。本項目設計將除了虛擬化資源管理服務器以外，其他所有服務器均設計為虛擬化架構，可以根據具體應用的負載水平進行服務器資源的分配及在線遷移，具有高度的可管理性。

3 多源信息融合

多源信息融合技術是把從不同空間或時間上獲得的多個來源的同質或異構信息進行不同抽象層次的合并或集成，以得到有關實體、關系或事件的更完整、更精確、更可靠的信息或推論[9]。早期的城市橋梁信息管理系統通常側重于對橋梁的基本檔案及日常檢查、養護等信息的管理，僅僅基于定期的、表觀的橋梁檢查結果進行的橋梁管養，已經不能滿足智慧城市建設背景下市政基礎設施管理的需要，基于多源信息的橋梁綜合管理系統是綜合利用橋梁基礎信息、在線監測信息、日常巡查信息、定期檢測信息、養護和維修加固信息、交通荷載信息、視頻監控信息等多種信息化手段進行信息融合，實時、系統掌握橋梁運行使用狀態，為管理者提供更全面、更準確的管養決策。

根據處理信息源所在的層次，信息融合可分為數據層融合、特征層融合和決策層融合[10]。

(1)數據層融合。數據層融合是對未經預處理的各類數據直接進行歸納分析，例如對多個同類傳感器如應變傳感器的數據進行綜合分析；對橋梁檢查出的病害按類型和數量進行統計、分類，提取結構損傷指標和材料性能退化指標；對安全監測數據、超載情況進行實時告警等，建議車輛荷載模型；根據視頻監控進行突發事件的識別等。

(2)特征層融合。特征層融合是在對數據進行預處理并對局部特征進行提取的基礎上，對所獲特征進行關聯處理，從而完成目標的融合識別過程。例如根據橋梁巡檢和檢測數據對橋梁進行技術狀況等級評定，融合車輛荷載模型、橋梁基準模型、監測數據、演變趨勢進行橋梁安全性評估和綜合評估；融合超載預警、結構安全預警、視頻特殊事件識別進行綜合性預警。

(3)決策層融合。決策層融合是在數據預處理、特征提取并取得初步決策的基礎上，綜合所有信息進行關聯、融合取得最終聯合決策結果，即綜合利用橋梁技術狀況評定、安全性評估、綜合評估、綜合預警等初步決策，給出最終的橋梁管養決策。

橋梁綜合管理中的多源信息融合架構如圖4所示。

圖4 橋梁綜合管理多源信息融合架構

4 結束語

隨著我國社會經濟的快速發展，城市規模不斷擴大，城市基礎設施智慧化、科學化管理要求也不斷提高。橋梁作為城市生命線工程，是城市重要的基礎設施。綜合利用新一代信息技術手段，建立基于多源信息融合的城市橋梁信息管理系統可以對城市橋梁實行多技術、多層次的統一管理，為管理者提供更全面、更準確的管理決策支持，提高城市基礎設施管理智能化水平。