重慶軌道交通橋梁智慧運營監測平臺

文：張雁珍，白亮亮，孔云森丨重慶市軌道交通（集團）有限公司

近年來，我國城市軌道交通運營里程不斷增長，對運營安全提出了更高的要求，發展軌道交通智慧運營監測成為當前城軌運營企業的研究熱點之一。重慶軌道交通在橋梁智慧運營監測方面進行了積極探索，并先后建設了重慶軌道交通3號線嘉陵江軌道專用橋、環線高家花園軌道專用橋等橋梁健康監測系統，為橋梁智慧運營監測平臺建設積累了一定的經驗。本文對橋梁智慧運營監測平臺建設目標、產品選型、系統設計等進行了闡述，為城軌橋梁智慧運營監測提供一定的指導借鑒意義。

隨著我國城市軌道交通建設高速發展，發展智慧運營技術成為當前各大城軌運營企業更好適應城軌交通網絡化運營需求、提升設備設施運營管理水平、推動創新技術裝備落地應用的主要方式，但同時面臨諸多挑戰及制約因素。

目前，城軌橋梁智慧運營監測存在兩個方面不足：一是由于各地城軌橋梁智慧運營監測系統基本處于平臺搭建或規劃階段，工程實踐探索不足，經驗缺乏，同時檢測監測裝備技術發展程度所限，城軌橋梁狀態智能感知水平較低、手段較少，橋梁結構健康監測技術在城軌領域應用較少，近年來涌現的綜合檢測列車、智能機器人、無人機等智能巡檢裝備也處于探索應用階段，監測感知設備有待進一步研發；同時，監測鋼筋、混凝土等土建結構所用的傳感器自身壽命不足或可靠性不夠，也是一大制約因素。二是智慧運營標準體系有待健全，針對城軌橋梁結構狀態性能評價評估體系尚不完善，部分指標評價方法參照鐵路領域或其他相關領域，其適用性難以保證，檢測評估技術發展的不充分，造成當前數據積累不足以及相關聯因素狀態參數信息的缺失，以至于現階段仍然無法形成全面、有效的城軌橋梁智慧化運營監測、診斷、評估、預測能力，更難以產生智慧決策應用。

一、建設目標與路線規劃

通過重慶軌道交通橋梁智慧運營監測平臺建設，實現如下目標：一是及時掌握軌道橋梁的性能和運營狀態，發現安全隱患并實時預警處置；有效降低大橋的運營養護成本，延長橋梁的使用年限，保障橋梁安全，為后續管養維護提供參考依據。二是為城軌橋梁的科學化有序管養提供技術平臺和示范帶動作用，建立城軌橋梁運營監測全壽命期的數字化和信息化“檔案”庫，為城軌橋梁科學化運營管養水平的提升提供重要支撐。

主要建設規劃綜合考慮城軌橋梁特點，進行前期調研和針對性需求分析等前期工作，綜合城軌橋梁健康監測布標需求、傳統橋梁健康監測系統軟硬件及系統控制等方面的先進技術和功能模塊組織管理架構進行以“設計-實施-運營”的總體規劃設計和系統架構布局，必要情況下開展關鍵監測技術測試，形成軌道交通橋梁長期運營監測技術方案，最后對監測方案效用進行分析、評估與后續修正，基于最終監測技術方案建設出適宜于城軌橋梁的高可靠性、高針對性、高先進性智慧運營監測平臺。建設路線見圖1。

圖1 城軌橋梁智慧運營監測平臺建設路線

二、產品選型

（一）傳感器、數據采集系統設備選型

傳感器是橋梁監測系統中的重要組成部分之一。傳感器及后續傳輸的選型很大程度上決定城軌橋梁智慧運營監測平臺的有效性和可靠性。本系統監測設備的選型除滿足可靠性、精確性、耐久性、簡便性、經濟實用性、自動化性的基本要求，內容涵蓋傳統公路橋梁監測項目之外，進一步考量城軌橋梁的設計橋型以及智慧運營監測需求，在監測項目上進行適度補充，對傳感器設備選型和技術指標上進行深度優化。

在主梁撓度監測方面，考慮到軌道橋的豎向撓度較大，選取精度高、分辨率高、重復性好、穩定可靠、壽命長、安裝方便、環境適應性強的差壓變送器。在主梁振動特性監測方面，考慮到軌道車通行這一振源因素，選取高靈敏度、高信噪比、頻率響應范圍廣的加速度傳感器。

針對風荷載作用下，以斜拉橋為橋型的城軌橋梁的主要構件（斜拉索、主梁和主塔）將產生振動，引起疲勞損傷累積，導致橋梁抗力衰減。通過監測風速和風向，可以得出風荷載與結構響應關系，為分析橋梁的工作環境、評估大橋在極限風荷載作用下的易損性以及驗證橋梁風振理論提供依據。考慮到三向超聲波風速風向儀精度高，頻響范圍大，但受雨的影響較大，而螺旋槳風速儀則受雨的影響較小，因此在軌道交通斜拉橋上同時選取并布設這兩種風速儀，方便進行測量的互補和數據有效對比。

以斜拉橋為橋型的軌道交通橋梁，斜拉索是其重要的受力構件，索力的變化直接反映橋梁結構受力狀態的變化，關系到整座大橋的安全，通過索力的監測能夠為運營期間的安全性提供直接的預警信息和狀態評估信息。考慮軌道交通橋梁索力監測過程中地鐵列車通行過程中對索力監測信號的干擾問題，采用單軸向低頻IEPE型加速度傳感器，該類型傳感器集成了靈敏的電子器件，并使其盡量靠近傳感器，以保證更好的抗噪聲性并更容易封裝。

（二）數據處理與預警系統技術選型

橋梁運營監測每天會產生大量數據，從海量監測信息中能夠發現、挖掘出能夠反映橋梁運營狀態的隱含的、未知的、有潛在價值的關系、模式，進一步地，為后續的結構異常分析和預警指標與系統的構建打下堅實基礎。隨著計算機技術與人工智能的飛速發展，本監測平臺在數據處理與預警子系統中將信號處理、數據挖掘、機器學習、統計分析領域的研究成果與技術手段應用到橋梁監測的海量數據分析和后續預警當中，為城軌橋梁結構智慧運營監測與安全評估提供了科學參考依據。

數據預處理方面，采用粗差處理、信號濾波、重采樣及數據補完等技術對收集到的監測數據進行預處理，濾除掉因外界干擾產生的不可靠數據，提高橋梁結構數據挖掘的準確性；在線預警方面，采用設備故障自診斷技術和有限元模型修正技術進行設備異常狀態預警及橋梁結構異常狀態預警；離線分析方面，采用小波趨勢提取、時域融合分析和統計檢驗相關技術作出橋梁運營發展趨勢的估計。

三、實施過程及應用系統內容

（一）方案設計

現有的健康監測系統可分為硬件部分和軟件部分。硬件部分由各種傳感器、采集設備、傳輸設備和管線等設備組成，生產廠家的質保期往往不滿足監控系統的設計需求。因此，對于硬件系統設計，首先應從儀器原理和生產廠家方面選取可靠性高的設備，其次，進行可更換式設計，最后，應重視安裝工藝，形成標準化流程，對于軟件系統設計，在設計時做到標準化、模塊化，以便后期進行升級，且做到可以擴容。

總體設計原則為可靠性、實用性、先進性、前瞻性與經濟性相結合，在各個部分的具體設計原則為：

一是狀態監測與數據采集—找準關鍵參數、關鍵部位，適當冗余 ；硬件設備先進、可靠，易維護、可升級、可更換，性價比綜合平衡；二是數據傳輸與管理—高效傳輸數據，有效管理海量數據；三是綜合預警與安全評估—動靜結合，評估方法實用性強，評估結論可靠度高；四是用戶界面及管理—先進性高、兼容性好、易擴展性、易操作。

根據具體的橋梁結構特點、并結合橋梁預警、評估及管養等需求，參考國內外健康監測系統設計主流框架，以重慶軌道交通環線高家花園軌道專用橋為例，健康監測系統采用以下構架，如圖2所示。

圖2 重慶軌道交通環線高家花園軌道專用橋橋梁健康監測系統構架

（二）主要監測內容

對橋梁結構重要的、存在較嚴重病害的部位或構件進行重點監測，根據監測數據發出預警，監測內容及功能包括：(1)風速風向；(2)環境溫濕度；(3)拉索索力；(4)索塔變位與索塔應力；(5)主梁撓度、主梁橫向位移、主梁應力、振動特性與疲勞性能；(6)伸縮縫位移；(7)結構溫度；(8)橋梁視頻；(9)混凝土裂縫；(10)基礎沉降；(11)橋墩腐蝕；(12)鋼筋銹蝕、氯離子含量；(13)接入橋梁施工期間埋設的傳感器，與施工監控工作有良好的銜接；(14)提交監測報告，包括監測系統運行情況、監測數據分析、閾值設置、技術狀況評估等內容；若遇極端突發事件發生，則及時提交極端事件專題分析報告。

（三）測點布設

通過有限元建模，對橋梁進行恒載作用、活載作用、溫度荷載作用和風荷載作用下的變形以及內力分析，結合模態分析以及溫度、拉索損失等敏感度分析，確定橋梁的測點布設。主要有以下幾種情況：

對于斜拉橋，需要對全橋索力、箱梁內部溫濕度、伸縮縫、索塔應力、索塔偏移、基礎沉降等進行監測，還應在主梁的跨中、1/4跨徑（對稱）、墩頂等截面進行應力和疲勞性監測，在主橋跨中、1/4跨徑、1/8跨徑、3/8跨徑、3/4跨徑等截面進行豎向振動或繞縱橋扭轉等空間變形監測。

對于懸索橋，需要對全橋的基礎沉降、塔頂偏移、錨梁位移、主纜索股力、吊索索力等進行監測，還應在主梁的跨中、1/4跨徑（對稱）、墩頂等截面進行應力和疲勞性監測，在主橋跨中、1/4跨徑、1/8跨徑、3/8跨徑、3/4跨徑等截面進場豎向振動或繞縱橋扭轉等空間變形監測。

對于連續剛構橋，需要對全橋的基礎沉降、溫濕度、典型裂縫進行自動化監測，還應在主梁正彎控制和負彎控制截面以及L/4截面和3L/4截面進行應力和疲勞性監測，在L/2、L/4、以及L/8等截面進行撓度和空間變形監測。

（四）數據采集與傳輸系統

數據采集與傳輸子系統由現場設備、監控室設備、網絡設備及相關軟件四部分組成，各部分的具體配置及總體設計與傳感器子系統密切相關：傳感器輸出信號的類型決定采集模塊的類型，各類傳感器的數量決定采集模塊的數量，傳感器的位置分布決定數據采集子站的分布，而這一切又將影響到傳輸網絡的布設，以及采集與傳輸軟件的設計開發。

橋梁現場數據采集設備與監控中心之間的通訊方式除采用遠程無線傳輸如GPRS、3G或4G等技術之外，還需采用2用2備光纖線路傳輸至橋梁健康監測室(監控中心)進行分析處理，確保傳輸數據穩定可靠。以重慶軌道交通環線高家花園軌道專用橋為例，數據采集與傳輸如圖3所示。

圖3 高家花園軌道專用橋數據采集與傳輸示意圖

（五）數據處理與分析系統

將采集的數據通過信號濾波等技術進行預處理后，采用信號處理、數據挖掘技術從監測數值本身、數據發展趨勢、變量關聯性等多個角度全方位表征監測數據特性，充分描述橋梁運營狀態，對硬件設備及橋梁結構的異常情況進行在線預警。

比如圖4是某橋應變監測點自2016年4月20日至5月10日實測數據，其中藍色曲線表示應變，紅色曲線表示溫度。該橋在4月27日至29日三天時間內正在進行荷載試驗。從圖中可以看到，曲線在4月28日10:00左右出現尖峰，由于監測數值未超過該點許用范圍，故系統沒有發出“超許用值”警告，但由于該測點的趨勢變化量發生了突變，故系統發出“趨勢突變”報警，這與橋梁實際情況相符。

圖4 某橋應變測點實測數據曲線

（六）用戶界面系統

用戶界面系統是健康監測系統的終端窗口，是橋梁管理和維護人員了解、查詢橋梁結構各種監測信息的交互式平臺。完整的運營監測系統不但需要面對專業技術人員和管理人員，也必須面對其他用戶，例如政府職能管理部門等，用戶界面系統應綜合考慮用戶的各種需求。在監控中心，專業技術人員應能對大橋各種監測數據和評估結果進行詳細查看和處理；此外，一般橋梁管理人員、業主、專家和政府監管部分等其他人員在不同時間、地點都能查閱到大橋的相關監測信息。用戶界面軟件包括Web用戶界面軟件和手機App用戶界面軟件。

四、建設成效及經驗總結

重慶軌道交通已建立重慶軌道交通3號線嘉陵江軌道專用橋及引橋運營監測系統、環線一期高家花園軌道專用橋健康監測系統、環線鵝公巖軌道專用橋長期健康監測系統、6號線二期蔡家嘉陵江大橋長期健康監測系統等一系列成功工程示范項目。通過結合當下先進橋梁健康監測技術，在根據城市軌道交通橋梁特點的基礎上，從方案設計、設備選型、監測內容設置和預警評估等一系列流程，進一步優化并建設重慶軌道交通橋梁智慧運營監測平臺，將在降低大橋的運營養護成本、延長橋梁的使用年限、保障橋梁安全、橋梁科學化運營管養水平的提升等方面發揮卓越成效。針對軌道交通橋梁運營監測系統方案設計及平臺建設成果分析總結經驗如下：

針對不同橋型的城軌橋梁，除了考慮傳統橋梁結構健康監測系統的基本組成之外，還需要綜合城軌橋梁所處環境、受力特點以及重要性程度，因地制宜地對橋梁結構監測系統設計標準或規程進行針對性的調整。當下研究熱點多聚焦于橋梁運營監測平臺建設及其相關技術，而忽視了后續監測數據的最大化利用。在利用基于軌道交通橋梁運營監測系統提取的長期監測數據進行結構狀態或安全評估的同時，更需要進一步擴展，將運營監測數據與結構定期巡檢、維護與后期養護方案設計建立有效關聯，將原本各自獨立的監測預警系統和維護管養系統進行有機融合與聯結，構建智慧運維一體化的橋梁管理平臺，最終實現為軌道交通橋梁的長期服役性能評價及智慧化管養提供綜合性科學指導的終極目標。

整個城市軌道交通運營監測設施中不僅包含軌道橋梁主體，軌道、隧道、邊坡等同樣是監測設施的重要組成部分。當前城軌單位仍多采用各監測設施、各專業獨立開展運維的傳統工作模式，造成各專業集成度、體系性、信息共享程度低的困境。而城軌云建設的關鍵在于開展頂層設計、全局部署是《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》總體目標之一，要求我們在后續城軌智慧運維建設中進一步將軌道基礎設施體系中各個獨立項進行互通互聯、有機管理，實現各專業各設施的協同運維，提高整體效率。