交通基礎設施群智能監測與預警系統建設方案研究

喬 盤

（1河北省交通規劃設計院試驗檢測中心，河北 石家莊 050091；2河北省道路工程智能監測與運維技術創新中心；3 河北瑞志交通技術咨詢有限公司）

1 引言

目前，國內已有200 多座單體橋梁、隧道安裝了安全監測系統，實現了實時遠程監測、在線評估預警的功能[1，2]。近年來，國內出現了基礎設施群安全監測方面的研究與探索，其中武漢市在三環選取42 座重點橋梁開展了橋梁群監測系統的設計與實施[3]，大連理工大學在湖北宜昌選取5座重點橋梁、1座隧道和6處邊坡，進行了監測系統建設方案研究與設計，這是國內對基礎設施集群智能監測首次探索[4]。

2018 年2 月，交通運輸部發布“關于加快推進新一代國家交通控制網和智慧公路試點的通知”，提出選取橋梁、隧道、邊坡等，建設基礎設施智能監測傳感網，實現交通基礎設施安全狀態綜合感知、分析及預警功能。2018年5月，河北省交通運輸廳要求全面推進延崇（延慶-崇禮）智慧高速公路試點建設，推廣特殊構筑物等基礎設施的集群智能監測技術，增強全面感知、分析、預警能力，建設全壽命周期的建管養運安平臺[5，6]。

從國內外發展趨勢看，公路基礎設施監測正經歷由單體監測向集群監測、由單一結構類型監測向不同結構類型集群監測的方向發展。但基礎設施群智能監測與預警系統建設在目前的實際應用實踐中，尚存在一些比較普遍的問題，包括缺少完整的集群監測的建設理念，缺乏集群監測的總體框架、監測對象的篩選原則、功能場景的要求。

2 集群監測的建設理念

在充分調研分析已有研究成果[7-12]的基礎上，以智慧高速公路試點建設要求為遵旨，結合高速公路基礎設施群的具體特點，總結提出集群監測的建設理念：

①在標準化層面上，基礎設施群監測系統采用統一標準進行設計、施工和運維，避免了單體結構單獨建設導致難以集中統籌管理和有效擴展的問題。

②在硬件層面上，通過在基礎設施群的關鍵部位布設智能傳感硬件，將實時采集的表征結構安全狀態的關鍵指標信息匯總于集群監測系統平臺，實現重點橋梁、特長隧道等基礎設施群全壽命周期運行狀態的遠程綜合感知；共用監控中心硬件設備，降低建設成本。

③在軟件層面上，搭建標準統一、穩定開放的集群監測系統，實現了基于BIM 的基礎設施群的集中展示和新增監測項目的便捷添加。

④在數據層面上，接入施工期數據，具有完整的全壽命監測數據；與機電大數據平臺共享計重、環境氣象等多源數據，建立全壽命多維的基礎設施群安全監測數據庫。

⑤在智能層面上，實現重載車輛的主動安全預警，將分級預警結果和應急預案同步推送至養護管理人員，確保預警事件從發生到處理的快速、高效。

3 集群監測的總體框架

遵循基礎設施集群的建設理念，集群監測的總體目標為：以高速公路沿線重點橋梁、特長隧道等基礎設施群為對象，綜合應用最新智能感知監測技術，構建基礎設施群多種類智能監測傳感網，結合BIM、GIS、大數據分析技術，開發與集成高速公路基礎設施群綜合運行智能監測與預警系統，實現高速公路基礎設施群安全狀態的智能感知、分析及預警功能，為高速公路服役期安全提供保障。

集群監測的總體框架如圖1所示。

基礎設施監測系統根據其規模和復雜程度可分為如下三類：

①全面監測：適用于同時具有多個監測目標的特大橋、大橋中特殊結構類型主橋。

②重點監測：適用于特大橋、大橋中常規跨徑鋼結構橋梁、混凝土結構橋梁。

③常規監測：適用于考慮經濟性和相似性原則的其他相同結構類型橋梁。

圖1 總體架構示意圖

4 集群監測對象篩選的原則

對于一條（段）高速公路，各個基礎設施結構形式、跨徑組合、規模不一，但同一類型結構在受力特性上具有一致性和相似性。考慮資金投入和經濟性，選取典型橋梁、重特大橋梁以及典型隧道、特長隧道進行監測，適當兼顧部分典型中小橋梁，以點帶線，實現對交通基礎設施群的智能安全監測。

4.1 橋梁監測原則

①針對特大橋、大橋中特殊結構類型主橋進行全面監測；監測指標按照文獻5 執行，預留混凝土裂縫開合度監測的采集設備接口，并接入機電系統稱重、視頻等數據。

②針對特大橋、大橋中常規跨徑鋼結構橋梁、混凝土結構橋梁，考慮結構典型性、對稱性以及經濟性原則，每種結構類型選取不少于1 座代表性橋梁（從跨徑具有代表性、施工重點關注、未來交通量較大等幾個方面綜合考慮）進行重點監測，每座橋梁監測孔跨不少于兩孔（包括邊跨和中跨），監測指標包括車輛荷載、溫濕度、結構溫度等荷載作用，結構撓度、振動、位移等結構整體響應，以及結構應力應變等結構局部響應，預留混凝土裂縫開合度監測的采集設備接口，并接入機電系統稱重、視頻等數據。

③針對特大橋、大橋中相同結構類型橋梁跨徑組合、規模不一，但同一類型結構在受力特性上具有一致性和相似性。考慮經濟性原則，其他相同結構類型選取不少于一孔（選取最不利孔跨）進行常規監測，監測指標包括車輛荷載、結構溫度等荷載作用，結構振動、結構應力應變等結構響應，可接入機電系統稱重、視頻等數據。

4.2 隧道監測原則

①對于特長隧道，應針對Ⅴ級圍巖、不良地質（斷裂帶、富水帶）、較大塌方等關鍵區段進行全面監測，平均每公里不少于一個監測斷面；出現連續塌方區段應增加監測斷面；出現大塌方區段應加密拱頂應變測點，測點間距不大于5m。監測指標包括圍巖壓力、孔隙水壓力等荷載作用，以及二次襯砌應力應變、結構收斂變形、結構溫度等，并接入機電系統溫濕度、空氣質量、亮度等數據。

②對于中短隧道，應針對Ⅴ級圍巖、不良地質（斷裂帶、富水帶）、較大塌方等關鍵區段進行重點監測，平均每300m不少于一個監測斷面；出現連續塌方區段應增加監測斷面；出現大塌方區段應加密拱頂應變測點，測點間距不大于5m。監測指標包括二次襯砌應力應變、結構收斂變形、結構溫度等，可接入機電系統溫濕度、空氣質量、亮度等數據。

此外，橋梁隧道監測尚應遵循設施復用原則。結合機電工程監測設施，充分考慮數據格式和接口標準的統一，共享機電工程出口稱重、視頻抓拍、環境氣象等數據；監測設施接入機電工程供電、通信等設施，盡量共用監測設施，避免重復建設。

5 應用場景

場景一：基礎設施群運行狀態綜合感知。

通過在延崇高速重點橋梁、特長隧道等基礎設施群的關鍵部位布設智能傳感硬件，采用專用的采集傳輸設備，將實時采集的表征結構安全狀態的關鍵指標信息匯總于集群綜合運行監測系統平臺，實現延崇高速重點橋梁、特長隧道等基礎設施群全壽命周期運行狀態的遠程綜合感知。

場景二：基于BIM+GIS監測數據展示。

通過BIM+GIS 技術的綜合應用，實現高速公路全壽命周期數據資源和實體模型的形象展示和統籌管理，實現交通荷載、環境氣象、結構狀態響應、特殊狀況等監測信息與BIM模型無縫對接及可視化展示。

場景三：基礎設施群運行狀態分級預警。

通過動態稱重系統及視頻監控對通行重車進行監測，在GIS 地圖上顯示車輛位置及超載超速信息并報警；對通行車輛進行仿真分析，模擬其通過全線構造物的結構響應情況，針對出現安全風險的位置進行提前主動預警，并根據預警情況構造車輛通行安全度地圖，實現對預警情況的記錄、跟蹤、管理等功能。

場景四：基礎設施群運行狀態信息展示發布。

系統可為司乘人員提供延崇高速路域氣象信息、通行狀況信息和交通引導信息，可為養護人員提供實時監測信息、主動預警信息、安全應急處置信息、安全評估報表和跟蹤溯源信息，可為交警人員提供交通擁堵信息、超載超限車輛信息和突發事件信息，可為路政人員提供重車信息、設施狀態信息和應急事件信息。

場景五：自動生成安全評估報告。

系統可按日、月、年定期自動生成基礎設施群運行狀態評估報告，提出巡檢決策建議；定期將監測數據與檢查結果進行比對和分析，自動生成綜合評估報告，提出管養決策建議；當自然災害或突發事件發生時，系統可快速分析災害前后結構響應數據，評估災害對結構的影響，出具災后應急處置建議。

場景六：與其他系統共享數據。

系統充分集成及共享工程全生命周期數據。共享橋梁、隧道監控數據、荷載試驗數據，與系統初始狀態數據結合；共享（智慧高速）智慧服務綜合平臺的各項監控數據和GIS、BIM數據，同時向平臺提供預警數據；共享其他相關數據。

6 結語

①在總結已有成果的基礎上，結合智慧高速公路試點建設要求，從標準化、硬件、軟件、數據、智能等五個層面提出集群監測的創新性建設理念。

②按照集群監測的目標要求，建立了集群監測系統從底層泛在感知到頂層智能應用的四級總體框架。

③考慮資金投入和經濟性，按照重要性排序構建全面監測、重點監測和常規監測三個規模層次，提出集群監測對象的篩選準則，介紹了宜監測的指標內容和測點優化布設方法。

④總結提煉出集群監測的應用場景要求，可為管養部門提供綜合感知、可視化展示、分級預警、信息發布、自動化安全評估和共享數據等六項服務，可為同類相關智能基礎設施設計、建設提供借鑒。