基于大數據分析的橋梁健康狀況評價

趙義龍，王少欽，曹明盛，李宇杰

（1. 北京建筑大學土木與交通工程學院，北京 100044，2. 北京建筑大學理學院，北京 100044；3. 北京市地鐵運營有限公司，北京 100044）

1 研究背景

隨著現代化進程的推進，我國橋梁建設取得了舉世矚目的成就[1]。然而，橋梁在長時間的環境侵蝕、外荷載反復的動力作用下，引起結構的局域性損傷，或產生影響橋上行車舒適性與安全性的振動。隨著損傷的累積，結構的抗力和壽命下降，從而給工程結構的安全和穩定性帶來隱患[2]。國內外已發生多起惡性橋梁事故，給公眾生命財產安全帶來極大的損失。事故分析結果表明，監測系統不完善、預警機制不健全是導致一部分事故發生并加重人員傷亡與經濟損失的主要原因。傳統的橋梁養護管理模式大多屬于在橋梁出現病害后的一種糾正性維護方式，這種養護策略是被動的，并且采用的檢測方法主要是通過人工目測檢查或借助便攜式儀器對橋梁進行檢測，存在實時性差、耗費大量人力物力、受檢測人員知識經驗技能影響大、影響正常交通等諸多局限性，已經不能滿足大規模結構健康檢測評定的發展需求。在“互聯網+”的理念下，迫切需要建立一個能夠通過實時監測數據反映橋梁健康狀況的橋梁評價系統。

程輝等[3]提出了包括數據采集子系統、傳輸子系統、數據控制及管理子系統、評估及報警子系統在內的橋梁健康監測系統，以期實現橋梁綜合信息、智能化養護、多元化橋梁決策、便捷化辦公4 個主要功能。Brito 等[4]針對混凝土橋梁開發了橋梁管理專家系統，實現了橋梁檢測和橋梁管理策略優化功能。Melhem 等[5]采用專家系統工具CLIPS(C Language Integrated Production System)，建立了橋梁總體評價程序，提出了模糊加權向量方法來評估橋梁健康狀況。Furuta 等[6]采用將遺傳算法(genetic algorithms)與神經網絡(neural networks)相結合的方法，開發了橋梁損傷模糊評價專家系統。楊軍[7]認為，橋梁健康監測大數據中心是以橋梁健康、安全預防評估與診斷信息為基礎，以現代信息技術為支撐，能夠及時為橋梁及其群體的健康評估、診斷防治等方面提供科學指導，以提高綜合防治質量和效率為目的的聯合機構。李惠等[8]研究了橋梁健康監測系統的各個子系統的功能、特點、實現方法與軟硬件系統，完成了橋梁健康監測任務對各個子系統協同工作的要求；提出了以LabWindows /LabVIEW 為橋梁健康監測系統的核心軟件，用其指揮、調用和驅動各個子系統的運行和數據的交互與通信。張啟偉[9]提出，橋梁健康監測的基本內涵是通過對橋梁結構狀態的監控與評估，為大橋在特殊氣候、交通條件下或橋梁運營狀況嚴重異常時觸發預警信號，為橋梁維護與管理決策提供依據和指導。

國內外的橋梁健康監測系統研究一般只有理論層面的構架和模塊，缺乏具體的數據處理方法、數據判別標準以及預警界限等[10-11]。已有橋梁健康監測平臺大多建立時間較早，存在一些問題：不能較好適用于現在的大量監測數據，對于數據只能進行簡單分類，沒有統一的橋梁健康評價標準，不能充分利用監測數據及時準確地反映橋梁健康狀況，緊急狀況預警不及時，等等。

下面運用統計學方法建立數學模型，對大量監測數據進行分析，并通過合理的車-橋相互作用模型，對車輛及橋梁的振動響應進行模擬計算，通過對比實測數據與仿真數據驗證模型的合理性，結合實際工程及模擬數據，制定基于大數據的橋梁健康狀況評價標準。在此基礎上，利用監測數據和制定的評價標準，建立橋梁健康狀況實時評價預警系統，通過監測系統采集的數據實時反映橋梁的健康狀況，以便于橋梁管理人員做出合理決策。

2 監測數據采集與分析

2.1 數據采集

北京地鐵5 號線某高架橋上安裝完整的監測系統，如圖1 所示，其中包括溫度監測、應力監測、位移監測等。

1) 溫度監測：選用環球之星9980 環境溫度傳感器，監測精度為0.1℃，量程為-40～120℃。

2) 應力監測：低頻選用環球之星9250 應力計，監測精度為1 με，量程為3 000 με，高頻選用GBY-125型工具式表面應變傳感器。

3) 梁體位移及支座位移監測：低頻選用基恩士IL-S100 激光位移傳感器，監測精度為0.1 mm，量程為60 mm，高頻選用TCWY-50 動態數字位移傳感器。

監測數據通過無線網絡上傳到網上數據管理平臺，以供評價系統導出及調用。

2.2 數據分析

在監測大數據處理方面，李愛群等[12]采用最大熵法、小波包分析、數據融合技術等信號分析和數據處理方法，研究適用于大型土木工程結構的損傷預警技術。

本研究利用快速傅里葉變換及小波分析，探究不同位置應力監測信號的頻率組分，分析其頻譜特征，并結合溫度監測信號的頻譜特征，探尋梁體應力信號和環境溫度信號之間的關聯性。對數據進行預處理并剔除異常數據，再利用Origin 軟件進行擬合分析，得出一年內溫度及應力隨時間變化關系(見圖2)。從全年總體上看，梁體應力與溫度變化趨勢相同，近似為正弦變化。

圖1 部分監測儀器及測點布置Fig. 1 Some monitoring equipment and measuring point layout

選擇2017 年11 月的監測數據做出應力及溫度時間序列圖(見圖3)，從應力及溫度月變化的情況來看，梁體應力與溫度隨時間變化基本同步。

圖2 梁體年應力及溫度時間序列圖Fig. 2 Annual time series of stress and temperature of the beam

圖3 梁體月應力及溫度時間序列圖Fig. 3 Monthly time series of stress and temperature of the beam

影響梁體應力變化的主要因素有溫度和車輛荷載，為了研究這兩者對梁體應力變化的影響，需要運用控制變量法，即在保證一個影響因素不變的條件下，研究另一個因素對應力的影響。考慮到北京地鐵的發車時間間隔為3～5 min，在出行高峰期內每半小時會有6～10 趟列車通過橋梁，通常在不出現極端異常天氣的情況下，半小時內的溫度變化可以忽略。數據量方面，半小時內每個指標約有18 萬條數據，足夠保證分析結果的可靠性。綜上所述，可選擇出行高峰期內每半個小時采集的數據為一組，分析荷載對梁體應力的影響，做出應力時程曲線，如圖4 所示。

可以看出，半小時內梁體應力出現了6 次較大幅度波動，波峰間隔約5 min，這與北京地鐵列車運行時間間隔較為吻合。因此組數據取自中午12:00 出行高峰期，該時段內列車載重相對較大，車輛荷載引起的應力波動幅度在0.08 MPa 以內，可以表明列車荷載不是影響梁體應力變化的主要因素，通過分析其他時間段數據也得出同樣結論。分析梁體順橋向位移、橫向位移、支座豎向位移、橫向位移等監測指標，也可得出列車荷載均不是其主要影響因素。

圖4 應力時程曲線Fig. 4 Stress time history curve

在分析溫度對各項評價指標的影響時，需要保證橋梁上荷載條件相同。由于列車過橋時間短且隨機性大，所以無法考慮橋上有車時溫度對各項監測指標的影響。地鐵在晚上12:00 至次日凌晨6:00 停止運行，該時間段內橋梁上沒有活載，一年內溫度變化范圍足夠大，不同年份溫度變化具有周期性，因此可選取一年中每天晚上12:00 至次日凌晨6:00 的數據，分析溫度對各監測指標的影響。鑒于數據量龐大，幾分鐘內的溫度變化可以忽略且不影響評價的準確性，因此每2 min 選取一組數據，做出應力隨溫度變化關系，如圖5 所示。可以看出，梁體應力變化受溫度影響較為顯著，因此可認為溫度是影響梁體應力變化的主要因素。鋼筋混凝土梁的質量遠大于列車質量，因此列車活載不會對其產生顯著影響。由文獻[13]可知，由于混凝土的導熱性能較差，導致梁體截面溫差大，混凝土的不均勻熱脹冷縮受到相鄰部分混凝土的約束，不能自由變形產生次內力，因此其應力變化受溫度影響更加顯著。

圖5 應力-溫度散點圖Fig. 5 Stress-temperature scatter plot

分別選取一年中溫度相差較大的4 天做出應力隨時間變化關系曲線，如圖6 所示。可以看出，同一條曲線上的應力波動主要是列車荷載作用及日溫差引起的，不同曲線間幅值差異主要是溫度變化引起的，可見溫度對應力的影響比列車荷載的影響更加顯著。

圖6 不同日期應力-溫度曲線Fig. 6 Stress-temperature curves for different dates

由以上分析可知，溫度是影響梁體應力變化的主要因素，因此選用4 種不同擬合方案對梁體應力和溫度的關系進行擬合，擬合結果展示如表1 所示。

方案1：溫度差ΔT和梁體應力σ的一元線性擬合；方案2：溫度T、溫度差ΔT和梁體應力σ的多元線性擬合；方案3：溫度差ΔT和梁體應力差Δσ的一元線性擬合；方案4：溫度T和梁體應力σ的一元線性擬合。

表1 擬合結果Tab. 1 Fitting results

由表中可見方案4 的擬合效果最好，梁體應力變化與溫度成正比關系，且滿足

式中，σ 為應力，t 為溫度。

3 橋梁健康狀況綜合評價

3.1 仿真計算

選擇北京地鐵5 號線大屯路東—北苑路北區間119#—120#簡支T 梁橋進行測試及仿真計算。橋梁全長25 m，橋寬8.6 m，主梁為預應力混凝土簡支T 梁，如圖1(g)所示。車輛模型是由機車和若干輛客、貨車組合而成的列車，每輛車又是由車廂體、轉向架、輪對以及彈簧-阻尼器懸掛裝置組成的多自由度振動系統。

通過對車輛模型、橋梁模型及其相互耦合關系的研究，得到車橋耦合振動系統的動力平衡微分方程為

式中，M、C、K、X 分別為質量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣和位移向量，下標b、v 分別表示橋梁及車輛，Fvb、Fbv分別表示列車-橋梁系統間的相互作用力。

利用Midas 軟件建立的橋梁模型如圖7 所示，通過提取相關參數，根據Fortran 編寫程序計算車橋耦合振動方程，得出車輛、橋梁的位移、加速度等動力響應，將計算所得橋梁豎向位移及實測位移繪成時程曲線，如圖8 所示。

圖7 橋梁模型Fig. 7 Bridge model

圖8 橋梁豎向位移時程曲線Fig. 8 Time history of vertical displacement of a bridge

由時程曲線可見，橋梁豎向位移變化范圍在0～5 mm之間，變化幅度為5 mm，相對于橋梁的跨徑25 m僅為1/5 000，因此車輛活載不是影響橋梁監測指標的主要因素，也驗證了實測數據分析結論的可靠性。

通過實測數據與仿真計算數據的對比，驗證了實測數據的有效性及仿真模型的可靠性。由以上時程曲線可看出，實測數據與仿真計算數據的走勢基本一致，峰值接近，實測跨中位移峰值為5.0 mm，仿真計算所得跨中位移極值為4.2 mm。分析誤差產生的原因有：結構服役期間內，出現疲勞損傷，混凝土收縮徐變、預應力筋松弛等原因導致橋梁剛度比理論值偏小，從而使得實測跨中位移偏大。此外，橋址周圍的公路交通車輛也會引起地面振動，使得實測結果偏大。

以上數據基本可以驗證實測數據的有效性，以及仿真模型的可靠性。

3.2 動態閾值

北京地鐵5 號線于2002 年12 月28 日開工建設，2007 年10 月7 日正式運營，目前處于服役初期，各監測指標、歷年巡檢結果均滿足相關規范標準，表明橋梁健康狀況良好。故2016—2019 年在該線路采集的數據均在橋梁健康狀況比較良好的范圍內，為期3 年的數據量足夠大，且溫度具有年回歸周期性，可以避免偶然誤差。鑒于現行規范標準沒有動態閾值的相關規定，故參考均值控制圖法，采用正常監測數據范圍的置信區間作為各評價指標的動態閾值。

均值控制圖原理是統計假設檢驗的圖上作業法，在控制圖上每描一個點就是做一次統計假設檢驗，并將假設檢驗以一種可視的形式表示出來。在圖中，做出中心線(CL)、上控制線(UCL)、下控制線(LCL)和一系列的數據點列。中心線表示所有樣本的均值位置，而上下控制線則是按照一定的置信度得到的置信區間。若監測數據點落在控制線之間，可認為數據點正常；相反，若落在控制線之外，則認為該數據點異常。

均值控制圖法非常適用于地鐵橋梁的實時監測，當監測數據連續多次超出置信區間時，可以做出橋梁損傷或出現異常的預警[14]。

根據以上分析可知，溫度是影響橋梁各評價指標的主要因素，因此把以溫度為自變量的回歸方程作為各評價指標的動態閾值。由統計理論可知，置信度為100%的置信區間為(L-δ，L+δ)，即所有監測數據均在該區間內，若數據超出該區間，則表明橋梁可能出現不良病害，以此作為一級預警閾值；考慮到監測儀器誤差及環境影響等不確定因素，將該區間適當放大為(L-1.2δ，L+1.2δ)，作為二級預警閾值。其中，L為擬合曲線，δ為同一溫度下監測值與擬合值的最大差值的絕對值。

如圖9 所示，以119#～120#梁(東3 腹板西)的梁體應力為例，擬合直線方程為

圖9 應力動態閾值Fig. 9 Dynamic Threshold of Stress

一級預警上、下限分別為

二級預警上、下限分別為

3.3 綜合評價

本部分主要依據《公路橋涵養護規范》(JTG H11—2004)[15]、《公路橋梁技術狀況評定標準》(JTGT H21—2011)[16]以及《城市軌道交通運營監測與評價方法》，對橋梁整體健康狀況做出評價，其具體評定方法主要是按照構件-部件-全橋的順序，評分按式(6)～(9)進行評定。

3.3.1 構件評價

橋梁構件的技術狀況評分計算如下：

式中，MCI 為某一構件的技術狀況評分，DP 為該構件監測指標所在區間對應的扣分值，而扣分區間參照相應規范。

3.3.2 部件評價

包含多個同類構件的部件技術狀況評分計算如下：

3.3.3 結構評價

結構(上部結構、下部結構、附屬結構)的技術狀況評分計算如下：

式中，CI 為結構技術狀況評分，n為結構包含的構件種類數，Wi為第i類部件的權重(按規范標準取值)。

3.3.4 總體評價

橋梁總體技術狀況評分計算如下：

式中，Dr為橋梁總技術狀況評分，φi為結構所占權重，按表2 取值。

3.3.5 安全等級

借鑒文獻[17]給出的橋梁評估指標分數值，將橋梁整體安全狀況劃分為5 類，如表3 所示。其中，1 類橋梁功能完好；2 類橋梁有輕微缺損，不影響橋梁使用；3 類橋梁有中等缺損，尚能維持正常使用；4 類橋梁主要構件有較大的缺損，嚴重影響橋梁使用；5 類橋梁主要構件嚴重缺損，不能正常使用，危及橋梁安全，橋梁處于危險狀態。將上面得到的橋梁總體技術狀況評分與表3 對照，即可評定橋梁健康狀況等級。

表2 各結構權重分配Tab. 2 Re-allocation for each structure

表3 安全等級劃分Tab. 3 Classification of security levels

以119#～120#簡支T 梁橋為例，將9 月26 日監測數據導入監測系統，按上述流程處理，可得上部結構、下部結構、附屬結構的評分，分別為87.3、90、90，將其代入式(9)，可得

對照表3，可知橋梁總技術狀況評分Dr在80～95之間，故該橋梁健康狀況屬于2 類，如圖10 所示。

圖10 橋梁綜合評價Fig. 10 Comprehensive evaluation of bridges

4 橋梁健康狀況評價系統

目前，基于云計算的橋梁健康監測大數據分析均存在一定的局限性：只針對一個或幾個工程，通用性較差，不利于推廣普及；對實測數據利用不充分，不能發揮大數據價值；偏重于監測內容和技術，缺乏數據處理方法的研究及創新[18]。

本研究建立的橋梁狀態評估系統主要包括單項評估和綜合評估兩部分。

1) 單項評估是對各項監測項目數據處理后與閾值比較：當超過閾值時系統會及時報警，并根據超限程度調用專家庫系統，生成維修方案，以Word 形式輸出；若未超閾值系統會對數據信息進行存儲，并根據存儲的信息分析今后某一段時間的數據趨勢，以圖線的形式輸出，設計流程如圖11 所示。

2) 綜合評估是對橋梁整體進行實時評價：將各個監測項目數據進行預處理，剔除異常數據，通過與規范中的標度比較，將所得分數進行加權得出各部件分數，再加權得到最終分數及最終橋梁等級，從而分析整座橋梁是否處于安全運營狀態，其設計流程如圖12所示。

圖11 單項評估流程Fig. 11 Single item evaluation

圖12 綜合評估流程Fig. 12 Comprehensive assessment

目前，該系統已基本完成開發并實現預期功能，其優點在于實時性強，單項評估體系隨時監測橋梁的關鍵性控制指標，動態閾值及實時監測數據以不同顏色的動態曲線予以展示，生動直觀，一旦出現超限情況會隨時觸發報警機制，便于管理方快速做出決策。綜合評價體系從總體上評估橋梁的整體健康狀況，評價結果以表格形式展示，表格中包含上部結構、下部結構、附屬結構的各自得分以及橋梁綜合評定等級；當橋梁出現問題時，可以通過查看各部分得分來快速定位到病變部位，采取針對性措施，以保證投入的維修加固費用在合適的地方，發揮最大的效益。

通過實時與長期監測、局部與整體評價相結合，既能保障橋梁的實時服役安全，又能反映橋梁的長期健康狀況。部分數據不準確及其他問題需根據后期運營調試情況進一步完善調整，系統部分功能以119#～120#簡支T 梁橋為例進行展示，如圖13 所示。

圖13 梁體應力實時監測Fig. 13 Real-time monitoring of stress of the beam

5 結語

通過對橋梁實測數據進行分析，得出結論：溫度是影響各監測指標的主要因素，車輛荷載對其影響較小；利用仿真計算數據與實測數據進行對比，驗證了實測數據的有效性及仿真模型的可靠性。利用仿真模型結合實測數據及相關規范標準，給出了各評價指標隨溫度動態變化的閾值及評價標準；在此基礎上，提出了橋梁健康狀況評價系統構架及實現流程，并實現了系統的開發與調試。