省級特大橋群結構健康監測平臺設計與關鍵技術分析

■魏必成 林毅標 陳美忠

（福建省高速公路達通檢測有限公司， 福州 350108）

20 世紀80-90 年代，歐、美等國的基礎設施（橋梁、大壩）大多進入設計使用壽命中期，結構病害、事故頻發，需投入巨大的養護資金。 為了提高基礎設施的養護水平，提出了“主動預防式”的結構健康監測理念，并在一些重要橋梁上開展了應用[1-4]。通過健康監測系統， 可對不利環境參數及結構異常響應進行實時預警，開展結構分析評估，指導養護工作開展；在突發事件下，輔助應急決策及災后評估。

目前，我國已有上百座大型橋梁安裝了橋梁健康監測系統， 為橋梁的科學管養提供了重要支撐，但仍然存在以下幾個問題[5-6]：（1）只針對特定某一座或幾座橋梁，各橋之間的信息不共享，沒有從省市級橋梁管理的角度集成為統一的平臺；（2）同一地區不同橋梁結構的監測系統的監測變量 （如環境與荷載監測）存在一定的冗余，且多傳感器長時間連續采集與傳輸的數據量相當龐大， 造成數據累積和冗余；（3）由于健康監測的專業化，橋梁管養單位缺乏數據分析、 系統養護管理的專業技術力量，無法從監測數據獲悉結構當前狀態，給橋梁結構管養部門的維護、 維修和養護決策造成一定困難。

因此，迫切需要構建省級公路特大橋群結構監測與安全預警平臺，以實現省級特大橋群監測數據的集中管理，統一數據標準、多源共享使用，提升橋梁管養水平。

1 高速公路特大橋統計分析

福建省橋梁眾多，且分布廣泛，各單橋系統數據分散在各地，不利于系統的集中管理。 依托于福建省特大橋群和既有單橋系統，開展省級監測平臺關鍵技術研究，具有典型意義。 對福建省高速公路特大橋基本數據進行統計分析， 掌握各類橋梁占比，可作為構建省級特大橋群結構監測管理平臺的基礎。 據統計，截至2020 年，福建省高速公路共有特大橋316 座，按照單孔跨徑和結構類型對其進行統計分析，結果如圖1～2 所示。

圖1 福建省高速公路特大橋統計分析結果（按上部結構類型）

根據統計結果發現，福建省高速公路特大橋按照上部結構類型劃分主要有連續梁橋、連續剛構和斜拉橋3 種，其中主要以連續梁橋為主，占比達到了85%；斜拉橋占比7%。 按照單孔最大跨徑，59%的特大橋單孔跨徑在20～40 m 間。

圖2 福建省高速公路特大橋統計分析結果（按單孔最大跨徑）

因此，在構建福建省特大橋群結構監測管理平臺時，需考慮能夠實現連續梁橋、連續剛構和斜拉橋3 種橋型在平臺上進行統一管理，根據橋型分類展示，并具有一定的拓展功能。

2 省級監測平臺總體設計

2.1 需求分析

省級監測管理平臺的核心功能是整合分散于各地的數據資源、集中管理，確保在役及在建橋梁的安全運行，更好地服務群眾出行，進一步提升特大橋梁的科學化管理水平。 因此，監測平臺應滿足以下功能需求：

（1） 實現省內多座特大橋在線監測集中式管理， 可擴展接入不同單橋健康監測系統的數據，實現數據共享及聯動，預留橋梁其他重要設施在線監測系統接口，共享監測管理信息，實現橋梁基礎設施的智能化管理。

（2）建立橋梁全壽命期信息化“電子檔案”及日常橋梁管理工作平臺，將人工巡檢管理與在線健康監測相結合，打造省級特大橋梁預警應急管理體系。

（3）監管橋梁的結構使用狀態及其發展演化趨勢， 對橋梁運營期出現的各類異常狀況進行評估、預警，輔助橋梁監管養護，保障橋梁的安全運營。

2.2 設計思路

省級監測管理平臺涉及單橋健康監測系統、交通荷載監測系統、電子化巡檢子系統等不同平臺系統的整合，以及單橋監測系統的遠程接入等，具有業務類型各異、數據種類多的特點，故對數據的整合與平臺內各系統的融合提出了更高的要求。 平臺設計需考慮下述幾個方面：

（1）在遵循國家和行業相關規范、標準、規程的基礎上，本著“架構清楚、方便擴展、穩定可靠、高效實用”的理念進行分級構建；

（2）省級平臺軟件設計與單橋監測系統接口標準統一、功能清晰、協調一致；

（3）遵循“業務決定應用，軟件決定硬件”的構建思路，平臺設計以GIS 為基礎，集成各特大橋自動化監測子系統、電子人工巡檢子系統等，兼容資料管理、交通監測、日常橋梁養管等工作，建立全壽命周期電子檔案管理體系、制定各類數據、視頻、通信等接口標準；

（4）基于統一的中心數據庫平臺進行各子系統的數據管理和存儲，形成“大數據中心”。

2.3 平臺構架

省級監測管理平臺所涉及數據內容廣、 范圍大，將平臺架構從邏輯上分為5 個層級，即數據源層、數據融合層、數據管理層、數據展現層、數據應用層，如圖3 所示。

圖3 平臺架構

數據源層是數據的主要來源，包含橋梁建、管、養的各種數據；數據融合層將數據源層中的數據提取、轉換、加載、整合，形成面向業務的數據和分析類數據； 數據管理層對整合后的數據進行處理，輸出決策支持數據結果；數據展現層對數據結果進行直觀展現； 數據應用層向外提供標準的數據接口，其他系統可以通過標準的數據接口獲取數據。

3 關鍵技術研究

3.1 數據遠程傳輸技術

由于各特大橋地域分布廣、 管養單位不同、數據遠程傳輸困難，如何實現多源異構數據的遠程傳輸，是構建省級監測平臺的關鍵難點之一。 目前常用的數據傳輸技術主要有輪詢、 長連接和Web-Socket。 相比于其他兩種技術，WebSocket 技術具有以下優點： ①只需要通過HTTP Request 建立一次連接即可進行后續的數據交換， 大大節省了帶寬；②雙向通信連接，建立TCP 連接后可以實現數據的接發； ③幾個不同的URI 可以復用同一個Web-Socket 連接，理論上更適合作為省級平臺數據的遠程傳輸技術。 下面基于WebSocket 開展省級監測平臺遠程數據傳輸技術研究。

（1）傳輸架構

由于socket 數據量多且快，如果將數據直接存入傳統的關系型數據庫則會遇到效率瓶頸，必須進行緩存處理。利用Redis 緩存快的特點，可將接收到的socket 數據源源不斷地寫入redis 中， 通過websocket 服務端定時去redis 讀取緩存數據，一旦有新數據則可直接推送至前端頁面，實現前端界面監測數據的高效、實時展示。 采用的實時數據傳輸架構如圖4 所示：

圖4 實時數據傳輸架構

①外場傳感器設備與數據分析平臺建立Socket 連接實現監測數據的可靠傳輸；

②數據分析平臺對數據進行解析、處理等標準化處理，并將處理后數據存入Redis 緩存；

③Redis 服務將緩存數據持久化存入高性能數據庫，方便歷史數據的調研分析；

④WebSocket 服務器與前端頁面建立Web-Socket 連接，如果是進行中的socket 作業可直接從Redis 抓取數據實現實時數據刷新； 如果是已完成的socket 作業， 則請求hbase 數據庫數據實現歷史數據回放；

⑤前端調用Echarts 控件實現數據展示。

（2）心跳包重連技術

數據傳輸存在連接中斷的情況，需要一種機制來檢測客戶端和服務端是否處于正常連接的狀態，以保障監測界面服務端與客戶端始終保持連接。 研究采用了心跳包重連技術，在指定時間間隔發送心跳包來保證連接正常，如果連接出現問題，就需要手動觸發onclose 事件，進行重連操作。 平臺軟件設計可考慮在前端加入心跳重連服務，定期向后端發送心跳包， 當后端收到心跳包后會返回心跳消息，若前端未收到心跳消息，則判斷WebSocket 連接已斷開，此時應重新建立WebSocket 連接，以防止實時數據傳輸中斷。

（3）WebSocket 技術與HTTP 比較

相比于HTTP 需要重復建立客戶端與服務端之間連接， WebSocket 一旦建立連接， 只要Web-Socket 連接或Server 端連接不中斷，無需重復建立連接即可實現數據的連續傳輸。 對于健康監測系統，具有數據量大、使用用戶多的特點，采用Web-Socket 可以大大節省帶寬資源， 具有很好的實時性，適用于省級監測平臺的數據遠程傳輸。

3.2 數據整合技術

省級監測管理平臺匯集了監測預警數據、橋梁靜態資料數據、專項工程數據、視頻監控數據等各類數據， 進行數據整合是服務于橋梁管養的關鍵。數據整合涉及到多源數據的交互、單橋系統與省級平臺的接口、數據轉換與發布等。

數據交換平臺主要是從其他子系統中提取數據、進行數據融合處理、組織實時數據和歷史數據、提供數據服務和支撐系統運行，主要實現橋梁結構靜態數據、實時監測與定期檢測的動態數據以及特征數據、圖表等的交換共享。 各子系統之間統一數據接口規范、標準，實現各子系統之間的數據共享和傳輸操作。 數據交換平臺總體架構如圖5 所示：

圖5 數據交換平臺總體架構

由于監測系統不同監測項目的數據格式不一，在數據傳輸中，需要對數據按照數據字典的要求進行格式轉換。 采用數據登記標準的、基于XML 格式的數據接口方案設計，靈活性比較好，系統擴展方便， 適合接入系統的增加或接入信息內容的擴展，有利于滿足新系統的接入和系統發展的需求。

數據發布需考慮應用層從各子系統提取數據，再打包成數據服務在公共數據緩存庫進行保存，在緩存庫開展數據比對、沖突檢查、審核、轉換；滿足一致性、 完整性的數據將被發布到公共數據發布庫，供數據使用方訪問。

3.3 數據可視化技術

省級監測管理平臺需匯總接入省內不同區域各特大橋健康監測數據，對實時監測數據有高實時性、高可靠性的要求。 面向服務的體系結構（SOA）可滿足松散耦合、基于標準和獨立于協議的分布式計算的要求。 在SOA 中運行的業務操作包括對這些不同組件的大量調用， 通常以反映底層業務流程需求的事件驅動或異步方式，利用Web 服務標準能夠支持多種傳輸協議上的各種通信模式， 便于功能擴展，尤為適用于省級平臺可視化軟件體系架構。

（1）SOA 架構

SOA 通過開放消息傳遞的語義為異構系統之間的集成提供了一種新的解決方案。 SOA 將調用遠程對象和功能（稱為“服務”）的能力與動態服務發現工具相結合， 強調互操作性。 SOA 可以通過Web Services 技術（通用描述、發現和集成）、WSDL（Web 服務描述語言）、SOAP （簡單對象訪問協議）等來實現，作為一套靈活的、可互操作的分布式系統標準。 原理如圖6 所示：

圖6 基于SOA 數據可視化原理圖

（2）監測數據可視化

監測數據可視化主要針對不同的監測內容，以圖表、列表、曲線圖、柱狀圖等形式實現數據的展示。 平臺采用JavaScript 技術開發可視化庫，保證了瀏覽器端的展示效果， 并適用于電腦端和移動端任意場景。通過在底層構建矢量圖庫，可以實現數據可視化圖表的定制化、個性化。 應用流程如圖7 所示。

圖7 數據可視化流程

4 成果展示

基于前述研究，依托福建省內的既有單橋健康監測系統，初步構建了福建省級特大橋群監測管理平臺。 按照功能模塊主要包括：首頁展示、監測總覽、通知公告、基本信息、交通狀況、實時監測、特殊事件、分析評估和系統管理等，實現對省級橋群的統一監管。

（1）平臺首頁

平臺首頁基于WebGIS 技術，實現各橋位置信息定位、橋梁預警狀態、異常監測項顯示、橋梁圖冊查詢等。 界面左側顯示橋梁信息列表，點擊橋梁縮略圖，主界面區域自動定位到當前橋梁所在地圖位置，并彈窗顯示橋梁基本信息（圖8）。

圖8 蓋梁支架的變形

圖8 平臺首頁示意圖

（2）監測總覽

監測總覽界面主要實現省級橋群重點監測信息的總體顯示， 包括各橋預警總數， 各監測項運行狀態、技術狀況評定（評估打分）變化趨勢、風速風向、環境濕度、車流量信息統計等功能，如圖9 所示。

圖9 監測總覽

（3）實時監測

實時監測界面主要實現各監測項實時數據的展示，界面上部展示傳感器布點圖，下部展示數據時程曲線、仿真儀表、歷史數據統計分項等功能，界面數據每秒鐘實時刷新，同時數據列表展示實時數據變化情況及其預警狀態，如圖10～11 所示。

圖10 實時監測（1）

圖11 實時監測（2）

（4）超限預警

超限預警界面實現各監測項超限預警數據的統計查詢功能，用戶可按照時間段、預警級別、狀態等信息進行預警數據查詢，如圖12 所示。

圖12 超限預警

5 結語

依托福建省高速公路特大橋群，設計了省級監測管理平臺并深入研究了其中的關鍵技術。 基于WebSocket 遠程數據傳輸技術， 實現了監測內容的服務端發布及客戶端訂閱，各橋數據在非局域網環境下的遠程實時傳輸；通過模塊化功能架構、多線程數據處理模式和實時數據處理等技術，構建數據處理算法工廠，實現對不同傳感器數據類型、不同數據采樣頻率的高效并行處理；基于多源異構數據整合技術， 通過接口將各個子系統數據包裝成服務，建立連接中樞，實現數據邏輯整合、平臺“高內聚、低耦合”的功能，有效管理各類多源異構數據，進行數據挖掘，服務于橋梁管養；基于SOA 體系架構，建立三層C/S 和B/S 混合結構管理平臺，實現數據的可視化展示；研究結果可為今后省級監測平臺設計與開發提供一定參考。