大跨鐵路橋梁信息化管養平臺設計研究★

夏洪峰 劉興旺 趙大成

(1.中國鐵路武漢局集團武漢高鐵工務段，湖北 武漢 430080；2.中鐵橋隧技術有限公司，江蘇 南京 210061； 3.中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，湖北 武漢 430050)

1 概述

截至2020年，鐵路十三五規劃全國鐵路營業里程達15萬km，高速鐵路里程達3萬km，其中，大跨度鐵路橋梁是鐵路運輸的關鍵節點，其運維安全是保障鐵路運輸流暢，國民經濟穩定的關鍵因素，具有重要的戰略意義。大跨度鐵路橋梁信息化管養平臺可以有效監測橋梁運營階段各類荷載及結構響應的變化特征，準確把握橋梁結構狀態的演化規律，是保障大跨度鐵路橋梁運營安全的有效手段之一，已經成為繼航空航天、國防、水利、建筑等領域的熱點研究方向[1-3]。

與公路橋梁等其他基礎設施不同，鐵路橋梁是通過輪軌系統傳力方式，因此，除了監測橋梁結構本身的結構響應以外，還需監測軌道幾何狀態和梁端伸縮裝置等特殊構件；其次，為保證列車運營安全和舒適性，鐵路橋多以剛度作為設計標準，具有荷載重、運營列車速度快、列車荷載明確、結構安全穩定性要求高、“天窗”點檢修時間緊等特點，這對橋梁的信息化平臺建設的內容、數據質量和系統的穩定性提出了更高的要求。既有《鐵路橋梁檢定規范》鐵運函[2004]120號的評價體系主要是從荷載試驗的角度進行評價，已較難適應現代大跨鐵路橋梁“狀態修”的管養發展要求。此外，傳統的以人工為主的鐵路橋梁檢測雖然是較經濟可行的方法，但對于大跨度橋梁而言，這類方法存在明顯的不足之處：

1)人工檢測主觀性強，往往需要憑檢測人員的經驗來判斷；

2)整體性差，一般只能作局部檢查，設備不宜到達處的結構損傷不能被外觀檢查所發現；

3)實時性差，不能及時進行結構狀態預警；

4)影響正常交通，并且缺乏科學歷史數據積累[4-6]。因此，有必要針對大跨鐵路橋梁的結構和運營特點，針對性設計大跨鐵路橋梁信息化平臺。

2 信息化管養需求及優勢

大跨鐵路橋梁設計使用年限長，結構復雜，并且隨著運營時間的增加，部分材料老化導致結構性能退化以及地震、大風、車船撞等特殊事件均對結構的日常運營維護增加了難度。相對傳統人工巡檢及監測手段，信息化管養平臺在大跨鐵路橋梁運維管理中有著明顯的優勢，具體體現為：

1)平臺信息化及智能化特點可以得到充分的發揮，主要體現在平臺智能化實現橋梁自身的結構信息、全橋耐久性能信息、行駛車輛信息、檢修信息的采集及分析。通過橋梁所受荷載及結構響應信息的采集、處理和展示，可以全方位掌握橋梁的安全性能、判斷橋梁的整體運營狀況，從而更好地指導橋梁管養并及時養護。

2)針對巡檢人員難以或者無法達到的關鍵部位進行監測，保障人員安全的同時節約人力成本。

3)實現實時或準實時的損傷檢測，及時發現橋梁的損傷與性能退化，對大型橋梁結構在使用過程中出現的損傷進行定性、定位和定量分析，實現防患于未然。

4)基于巡檢信息、結構響應信息的深入分析及處理可以有效對大橋運營狀態進行評價，給養護管理人員提供輔助決策依據，實施有效的養護、維修與加固工作，節約運維成本。

5)在突發性事件(如：地震、大風、車船撞)之后可對橋梁進行安全性能和工作狀態評估，為下一步檢修等工作提供技術支撐。

6)基于橋梁海量監測數據可以更加準確地把握橋梁在各種荷載下的真實受力、變形狀態，有助于科研深入研究，反饋橋梁設計及施工，同時，對于同類工程的設計、建設、管理具有十分重要的參考意義。

3 信息化管養平臺設計

大跨鐵路橋梁信息化平臺作為集結構監測、數據傳輸、數據存儲、安全預警、狀態評估、養護管理于一體的綜合性信息化監測體系，是保障結構安全運營的重要手段。信息化平臺通過前端測點自動采集獲取代表荷載源及結構響應信息的實時監測數據，定量分析能夠反映橋梁健康狀態的特征指標，作為橋梁安全預警、狀態評估的判定依據。同時，基于監測大數據分析結構狀態，及時發現橋梁病害和損傷位置，為制定主動、預見性的養護措施提供重要依據，達到輔助橋梁養護決策、確保結構安全、減少橋梁管養成本的目的。大跨鐵路橋梁信息化管養平臺能夠同時管理橋梁巡檢養護信息、橋梁資料，并且結合電子化人工巡檢功能，將橋梁日常巡檢信息納入信息化平臺，使得橋梁預警評估更加科學。橋梁信息化平臺一般由四大子功能模塊，即結構自動監測子系統、數據存儲管理子系統、預警評估子系統及用戶界面子系統(如果有特殊監測要求，可增加相應子系統，如異物侵入監測系統、防船撞監測系統、電子化巡檢系統等)，各個子系統設計要求如下：

1)自動化監測子系統結合大橋結構和運營特點，合理選擇和布置監測內容及測點，通過特定的采集和傳輸策略，自動獲取結構荷載源及動靜力響應特征，使用數據處理和控制設備對監測及檢測數據作進一步處理分析，為安全報警與狀態評估子系統提供分析依據，并將信息有選擇、有層次地存入數據存儲與管理子系統中。

2)數據存儲管理子系統主要管理系統運營后的所有動靜態數據(包括前期大橋的設計資料、施工工期資料、實時監測數據、巡檢數據、報警評估數據、橋梁基本信息、系統管理信息等)，并完成數據的歸檔、查詢、存儲。建立本橋信息化平臺中心數據庫及數據存儲倉庫，向其他子系統提供有效的信息源。

3)綜合報警與安全評估子系統將傳感器自動監測得到的各類數據，進行統一的數據識別、處理、分析，并對橋梁結構以及行車安全異常狀態診斷、分級報警和安全評估，主要實現各類監測及檢測數據對橋梁基準數據進行修正，建立系統運行時的基準數據庫，用于橋梁工作狀態分析和行車安全狀態評定。提出明確的報警指標及分級預警體系，對實時監測結構狀態參數信號進行診斷和分級報警，并對報警情況進行記錄。

4)用戶界面子系統主要是向大橋管理單位、科研單位、設計單位、養護單位、結構工程師等相關人員提供監測數據分析結果，提供橋梁管理人員友好的人機界面。

4 信息化平臺設計案例

天興洲長江大橋是國內自行設計建造的特大型公鐵兩用斜拉橋,大橋橋跨布置為：4孔40.7 m預應力混凝土簡支箱梁+(54.2+2×80+54.2)m預應力混凝土連續箱梁+62孔40.7 m預應力混凝土簡支箱梁+(98+196+504+196+98)m五跨一聯鋼桁梁斜拉橋+15孔40.7 m預應力混凝土簡支箱梁，全長4 657.1 m。其主跨為雙塔三桁三索面公鐵兩用鋼桁梁斜拉橋，上弦為公路橋面，下弦為鐵路橋面，橋長1 092 m，主塔為倒“Y”型混凝土結構，塔高188.5 m，鋼桁梁主桁節間14 m，桁寬為30 m，桁高為14.5 m[7-9]，其實橋及斷面如圖1所示。

天興洲長江大橋健康原監測系統于2013年實施，測點數量為163個，主要監測內容有：結構溫度場、拉索索力、鋼桁梁應力、主塔應力、支座位移、結構振動。系統于2020年進行升級，轉為平臺化管理，其中，一期項目新增測點21個，平臺設計6大子系統功能，包括：結構自動檢測子系統、異物入侵監測子系統、電子化巡檢子系統、存儲管理子系統、預警評估子系統及用戶界面子系統，其架構如圖2所示。

為進一步保障大橋結構安全，便于管養維護，天興洲長江大橋信息化平臺設計新增異物入侵監測子系統及電子化巡檢子系統。其中，異物入侵監測子系統主要針對鐵路橋梁異物侵限的監控，通過視頻攝像機及圖像識別技術實現，配合其他子系統可以有效對侵限事件進行預警和提示；電子化巡檢子系統綜合電子巡檢、信息管理和評價決策等功能，實現巡檢手冊電子化，通過數據、圖像、視頻等定性及定量描述巡檢信息，記錄病害，生成報表。

基于天興洲長江大橋信息化平臺設計，其功能主要體現在以下幾個方面：

1)從平臺運營開始即可以建立橋梁結構狀態信息數據庫，結構響應特征指標庫，基于海量監測數據深入挖掘結構的安全狀態，實時進行結構安全預警評估，指導結構性養護。

2)實現巡檢智能化，支持流程管理、計劃任務管理、病害庫管理，將養護手冊電子化。基于平臺人工電子化巡檢養護系統，巡檢與檢查人員可以手持巡檢終端，現場拍照、記錄等數據錄入操作，可將數據現場網絡傳送至數據庫，管理人員在養護中心或通過遠程網絡查看巡檢人員錄入的數據。人工電子化巡檢養護系統可有效解決平臺監測盲點，安全檢查更為全面。

3)實現對硬件系統遠程控制，數據處理與分析管理系統結合智能儀器，可遠程調整測試參數，避免傳統儀器以及系統因為進行參數改變而必須進入橋梁現場的問題。另外對數據采集方式進行控制，可以根據不同需求及狀況進行實時監控、定時間采集、特殊狀況采集等自動測試方式，也可進行人工干預控制采集。

4)實現實時在線數據分析及處理，系統集成監測數據預處理模塊，可高效實現數據清洗、數據壓縮、數據分類等功能，為后續的軟件自動分析、結構安全預警評估奠定可靠的數據基礎。監測數據分析及處理采用統計學及機器學習原理進行結構參數識別(如：鋼結構疲勞、結構模態等)、結構的安全評估(趨勢分析、原始指紋、養護管理評定等)功能。

5)平臺自動生成報表并對設備自診斷，可根據系統自動或者人工分析的結果，自由選擇自動生成各類型報表，對識別的故障設備元件提示進行檢查或維修，保證系統采集數據的完整性和有效性。

6)實現結構安全狀況預報警，通過各類傳感器以及人工巡檢的實時監測數據，及時發現或預見結構的病害及損傷部位，對橋梁的安全狀態做出預警與評估。并基于相關理論和規范預測結構性能的退化演變過程以及結構狀態的發展趨勢，為橋梁養護、維修、加固等工作的有效開展提供依據。

5 結語

為保障橋梁運維安全，響應國家信息化戰略，豐富智慧交通，本文結合傳統大跨鐵路橋梁管養模式，融合現代互聯網、信息化、云平臺、大數據等相關技術，以進一步保障橋梁結構安全及更加科學化橋梁運維為目標介紹了橋梁信息化管養平臺設計。給出了大跨鐵路橋梁信息化管養平臺的基本架構并對平臺各個子系統進行了說明。平臺設計從數據采集、數據傳輸、數據存儲、信息挖掘、預警評估、管養維護等方面融入各個子系統當中，成功應用于天興洲長江大橋。