橋梁管養(yǎng)信息化發(fā)展現(xiàn)狀與展望

文/歐陽歆泓、徐一超

1 前言

橋梁管養(yǎng)信息化，是通過搭建橋梁信息數(shù)據(jù)庫，對橋梁的定期檢查結(jié)構(gòu)及技術(shù)狀況評定等級進(jìn)行整理，再結(jié)合橋梁規(guī)模，定制針對性的養(yǎng)護(hù)維修計劃，最終實現(xiàn)對維護(hù)資金和人員進(jìn)行合理配置。

2 橋梁管養(yǎng)信息技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

國外橋梁管理系統(tǒng)起源于20 世紀(jì)60年代的美國，從最開始的簡單存儲既有橋梁的信息到具備制定維護(hù)策略、提供輔助決策的專家系統(tǒng)階段。1968年，美國聯(lián)邦公路總局研究開發(fā)了世界上第一個橋梁管理系統(tǒng)“國家橋梁檔案庫（NBI）”，之后世界各國也都相續(xù)進(jìn)行了這一方面的開發(fā)研究工作。例如荷蘭DISK 系統(tǒng)、芬蘭 的DANBRO 系 統(tǒng)等。

我國橋梁養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)從20 世紀(jì)80年代開始，已經(jīng)發(fā)展了三十多年，各橋梁管理單位結(jié)合自身管養(yǎng)橋梁的特點，定制開發(fā)了多個橋梁管理系統(tǒng)軟件。近些年，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，橋梁管理系統(tǒng)軟件已經(jīng)實現(xiàn)由C/S 架構(gòu)（客戶端/服務(wù)器）向B/S 架構(gòu)（瀏覽器/服務(wù)器）的轉(zhuǎn)變。

同時，隨著智能移動終端的廣泛使用，系統(tǒng)還實現(xiàn)了移動終端應(yīng)用功能（APP），橋梁養(yǎng)護(hù)人員能夠通過平板電腦或智能手機實現(xiàn)橋梁病害錄入和信息查詢，使得系統(tǒng)變得更加靈活便捷；另一方面，隨著BIM技術(shù)的發(fā)展，一些橋梁管理單位開始依托BIM 技術(shù)建立了建管養(yǎng)一體化的橋梁管理系統(tǒng)，通過BIM 技術(shù)，實現(xiàn)了將各管理方集成在一個連貫有序的數(shù)據(jù)組織中，加強項目參與者之間的溝通以及信息傳遞，使管理平臺變得更加簡捷有效。

然而我國橋梁管養(yǎng)信息化仍處于較低水平，在標(biāo)準(zhǔn)化檢評管理、關(guān)鍵部位及構(gòu)件4D 可視化展示、養(yǎng)護(hù)方案比選與輔助決策、結(jié)構(gòu)風(fēng)險預(yù)測與安全性能評估方面還處于起步階段，信息化、智能化的程度較低，以人為經(jīng)驗判斷為主。同時，BIM 技術(shù)在我國橋梁領(lǐng)域的應(yīng)用剛剛起步，現(xiàn)有的應(yīng)用以設(shè)計、施工為主，還未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系建立橋梁全壽命周期的信息共

享，難以為橋梁的科學(xué)養(yǎng)護(hù)決策提供依據(jù)[1]。

3 橋梁管養(yǎng)信息技術(shù)發(fā)展趨勢

3.1 移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下橋梁信息管理系統(tǒng)呈現(xiàn)新面孔

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，從20 世紀(jì)90年代起，橋梁管養(yǎng)逐步實現(xiàn)了文檔的信息化，產(chǎn)生第一代橋梁管理系統(tǒng)，形成了現(xiàn)代橋梁管理系統(tǒng)的基本構(gòu)架。發(fā)展至今，橋梁管理系統(tǒng)從初代的簡單存儲橋梁基本信息，逐步發(fā)展為具備橋梁基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存儲、結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估、性能退化預(yù)測、經(jīng)濟(jì)效益分析及優(yōu)化輔助決策等功能的新一代橋梁管理系統(tǒng)。

我國的橋梁管理系統(tǒng)研究和工程實踐開始于20世紀(jì)80年代，在借鑒國外經(jīng)驗基礎(chǔ)上，結(jié)合管理需求，開發(fā)了橋梁管理系統(tǒng)，發(fā)展呈現(xiàn)三階段。

第一階段：對既有橋梁的信息進(jìn)行存儲，并對橋梁靜態(tài)信息進(jìn)行檢索與統(tǒng)計。

第二階段：在存儲既有橋梁的靜態(tài)信息基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對橋梁檢測數(shù)據(jù)、評定等級、維修歷史等動態(tài)數(shù)據(jù)的收集。

第三階段：具備制定維護(hù)策略，提供輔助決策的專家系統(tǒng)。

移動互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展正在改變著橋梁管理系統(tǒng)的運營模式，利用智能移動終端，采用移動無線通信，使其向著依托移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電子化人工巡檢系統(tǒng)的方向演進(jìn)。基于此，橋梁管理將有諸多的提升。如通過設(shè)定角色和權(quán)限，分工在移動互聯(lián)網(wǎng)平臺上的工作，加快了工作效率；在現(xiàn)場實現(xiàn)對構(gòu)件的實時定位和監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢；實現(xiàn)服務(wù)器與現(xiàn)場數(shù)據(jù)的共享，有利于快速決策。在未來，還可以通過損傷的圖形化錄入，實現(xiàn)病害參數(shù)智能識別，提高決策的科學(xué)水平[2]。

3.2 基于“大數(shù)據(jù)”的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)被寄予厚望

材料更新、技術(shù)進(jìn)步驅(qū)動橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)在快速發(fā)展。自20 世紀(jì)90年代以來，結(jié)構(gòu)健康檢測已廣泛應(yīng)用于大型橋梁，加拿大Confederation Bridge、日本Akashi Kaikyo Bridge、中國的青馬大橋、東海大橋、蘇通大橋、潤揚長江大橋等，無論從規(guī)模還是技術(shù)水平上都取得了空前的發(fā)展。

如今，健康監(jiān)測系統(tǒng)目前已實現(xiàn)實時動態(tài)采集，獲取并儲存海量數(shù)據(jù)；但從海量數(shù)據(jù)中挖掘?qū)蛄籂顟B(tài)評估有用的信息，實現(xiàn)對橋梁的安全監(jiān)管與有效維護(hù)。在經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理（信號降噪、異常剔除、冗余刪除、數(shù)據(jù)壓縮等）后，如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)的深層挖掘是未來真正實現(xiàn)健康監(jiān)測系統(tǒng)價值的所在。

建立基于靜態(tài)測量數(shù)據(jù)和動態(tài)測量數(shù)據(jù)的損傷識別方法，確定損傷位置及程度，合理預(yù)測結(jié)構(gòu)的剩余壽命；同時，選擇合理的預(yù)警指標(biāo)及閾值，建立可靠的預(yù)防及養(yǎng)護(hù)加固機制，這也是未來橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)亟待解決的關(guān)鍵問題。

因此，近年來，基于大數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的損傷識別和狀態(tài)評估成為當(dāng)前SHM 研究的核心內(nèi)容（圖1），形成了基于模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動的分析方法。前者對理論模型的精度和監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量有很高的要求，后者研究監(jiān)測數(shù)據(jù)本身的變化規(guī)律及概率分布以識別結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變化模式。但實現(xiàn)損傷識別的實橋案例仍然少見，主要原因可歸納為傳感器性能不足，橋梁尚未出現(xiàn)明顯的損傷，仍缺乏識別結(jié)構(gòu)微小損傷的理論與方法等。

圖1 橋梁SHM 研究方向

最新研究顯示，基于“大數(shù)據(jù)”的結(jié)構(gòu)分析通過數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)融合、特征提取、模式識別、可視化等來實現(xiàn)，而深度學(xué)習(xí)、云計算等將可能為SHM 大數(shù)據(jù)研究打開局面。

隨著橋梁逐步經(jīng)歷由“重建輕養(yǎng)”向“建養(yǎng)并重”乃至“管養(yǎng)為主”的轉(zhuǎn)變，基于健康監(jiān)測系統(tǒng)、運維期橋梁管養(yǎng)系統(tǒng)中存在的各方信息缺乏整合、養(yǎng)護(hù)信息共享閉塞、信息傳輸方式非常零散、系統(tǒng)之間缺乏數(shù)據(jù)互用性等問題，未來實現(xiàn)監(jiān)測、管養(yǎng)的有機結(jié)合、監(jiān)測項目集成化、人機交互、數(shù)據(jù)共享是發(fā)揮該系統(tǒng)意義的重要途徑[3]。

3.3 基于BIM 的建管養(yǎng)一體化平臺發(fā)展空間巨大

近年來，隨著BIM 技術(shù)的發(fā)展，依托BIM 技術(shù)建立了建管養(yǎng)一體化的橋梁管理系統(tǒng)得到了快速發(fā)展。在許多工程領(lǐng)域，已經(jīng)逐步實現(xiàn)了已有工程結(jié)構(gòu)的“BIM 化”。基于工程建設(shè)階段的縱向信息和基于運營期數(shù)據(jù)的橫向信息，將成為基于BIM 的橋梁建管養(yǎng)一體化平臺的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。可以預(yù)見，BIM 技術(shù)在未來將成為橋梁建管養(yǎng)一體化的技術(shù)基礎(chǔ)，它將逐漸改變我國已有的設(shè)計、施工、管養(yǎng)模式，使得橋梁工程真正進(jìn)入信息化時代。同時，BIM 與VR、AR 技術(shù)的融合在未來將有較大的發(fā)展空間。

4 結(jié)語

綜上所述，在橋梁管養(yǎng)信息化的建設(shè)中，橋梁信息管理系統(tǒng)、健康監(jiān)測系統(tǒng)、建管養(yǎng)一體化平臺發(fā)揮著巨大作用。但目前數(shù)據(jù)深層次挖掘不足致使橋梁的安全監(jiān)管與有效維護(hù)并不到位，而在數(shù)據(jù)信息結(jié)構(gòu)化、標(biāo)準(zhǔn)化的融合、共享過程中又急缺規(guī)范文件的指導(dǎo)，導(dǎo)致養(yǎng)護(hù)信息共享閉塞、信息傳輸方式零散、數(shù)據(jù)交互不便等問題。所以，融合移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、BIM 等新興信息技術(shù)實現(xiàn)建管養(yǎng)一體化將是未來的發(fā)展方向。