基于大數據的青島市混凝土橋梁智慧管理系統(tǒng)設計研發(fā)

譚甲凱，呂明航，劉 暢，鞏 濤，趙建鋒

(青島理工大學 土木工程學院 青島市 266525)

0 引言

橋梁管理系統(tǒng)最早出現在美國。20世紀70年代，美國聯邦公路局建立了世界第一個國家橋梁檔案數據庫。國內橋梁管理系統(tǒng)開發(fā)于上世紀80年代末，最早由交通部公路研究所與北京公路處聯合開發(fā)了以北京為試點的“公路橋梁省級信息管理系統(tǒng)”第一期工程，其主要內容包括：橋梁基礎數據庫、病害程度及維修歷史等九個數據庫和一個地理信息系統(tǒng)組成的數據庫系統(tǒng)，這是我國第一個橋梁管理系統(tǒng)[1]。

近十年來我國各城市都紛紛開展了智能交通系統(tǒng)建設，但在橋梁管理方面，控制手段單一，系統(tǒng)彼此孤立[2]。橋梁管理系統(tǒng)經歷了三個不同的發(fā)展階段：第一階段橋梁管理系統(tǒng)只是儲存、檢索和統(tǒng)計功能；第二階段橋梁管理系統(tǒng)不僅包括橋梁數據庫，還包括橋梁技術狀況評估、維修記錄等信息；第三階段橋梁管理系統(tǒng)在第二階段的基礎上增加了橋梁仿真分析和橋梁輔助決策等功能[3]。但近幾十年我國橋梁的數量和規(guī)模迅速提升，上述傳統(tǒng)的橋梁管理系統(tǒng)已經難以滿足現代化運維的要求，故有必要開發(fā)設計一種更加智慧和自動化的橋梁管理系統(tǒng)。為了實現科學管理和智慧管理的目標，基于大數據并借助機器學習和人工智能等現代化技術提出了一種全新的橋梁智慧管理系統(tǒng)。

1 青島市橋梁管理需求

據統(tǒng)計，截止到2018年，青島市共有橋梁724座。按照傳統(tǒng)的管理模式，青島市橋梁的基礎數據資料、定期檢修和日常巡查養(yǎng)護情況都是通過紙質資料進行存檔記錄，不利于查看分析，離科學管理的目標有一定的差距。傳統(tǒng)的人工巡檢需要各部門投入大量的人力物力，不僅不能對突發(fā)事件進行實時監(jiān)測，還會留下一些人工難以管理的死角和盲區(qū)。因此，為了提高管理效率并實現智能管理，采用一種新型化、高效化和智能化的橋梁管理系統(tǒng)是有一定需求的。

2 智慧管理系統(tǒng)功能設計

橋梁智能管理系統(tǒng)需要運用各種現代化智能技術，對設計、施工和運營各個過程的數據進行智能化的處理和分析，并通過機器學習不斷優(yōu)化數據處理方式，可以對橋梁結構、狀態(tài)預測和檢修安排做出智能響應，進而實現橋梁的智能管理[4]。從宏觀的功能實現來說，橋梁智能管理系統(tǒng)可以分為數據模塊、分析模塊和決策模塊三大主要模塊，各模塊之間的關系如圖1所示。

2.1 數據模塊

數據模塊是橋梁智能管理系統(tǒng)的基礎，由動態(tài)數據、靜態(tài)數據、輔助數據、病害數據與評估數據等多個數據庫組成，實現數據收集上傳與備份存儲等

圖1 系統(tǒng)功能模塊劃分

功能。

動態(tài)數據主要依靠傳感器和現場檢測的視頻分析對橋梁的結構響應和運行情況進行數據收集。

靜態(tài)數據主要包括橋梁的基本參數、檢測資料、施工單位信息和歷年維修資料等。橋梁的基本參數主要包括橋梁長度、橋梁跨度、地理位置信息和設計等級信息等，可結合橋梁的設計資料和實際情況將基本參數上傳平臺。

輔助數據主要包括國家規(guī)范和地方規(guī)范。通過將現行規(guī)范分類整理和重點標注，為輔助決策提供依據。

病害數據主要是各類病害的圖片和主要特征，如腐蝕、裂縫和銹蝕等。平臺會將各種病害數據進行機器學習和智能分類，可以做到精準識別并給出評估建議。

評估數據主要是各類狀況的閾值數據，當監(jiān)測數據超過閾值時，系統(tǒng)會給出預警信息并通過終端對管理人員進行通知。

2.2 分析模塊

分析模塊是智慧管理系統(tǒng)的核心部分，主要功能為對上一個數據模塊中的各種數據進行深入分析，并通過云計算、大數據學習和人工智能等現代化技術實現數據的信息化、輸出友好化和關聯分析等目標。

機器學習是分析模塊中不可或缺的一部分，平臺將不斷優(yōu)化算法來修正已有分析模型，并根據新的情景給出正確的判斷。

數據整合是對數據庫中的有效數據進行合理整合，進而可以對一座橋梁進行信息建模，為后續(xù)評估監(jiān)測提供基礎。

數據分類是對監(jiān)測到的數據進行提純處理和分類存儲，主要是為了便于平臺調用某一部分的數據，減輕每次調用海量數據的運算壓力。

性能演化是根據設定好的評價體系將當前結構狀況與歷史狀態(tài)進行比對并與數據庫中其他時期的橋梁狀態(tài)進行對比，給出橋梁結構在未來可能出現的變化。

計劃優(yōu)化主要結合長期積累的數據并考慮經濟因素，建立橋梁管理檢修的經濟模型，依據具體橋梁的結構性能對巡檢安排做出一定的優(yōu)化處理。

安全評價主要是通過各種監(jiān)測數據來修正橋梁的基準數據，建立橋梁運營的基準狀態(tài)數據庫，進而對結構安全和行車狀態(tài)做出及時合理的預警。

2.3 決策模塊

決策模塊可對橋梁運營過程中出現的問題進行評估并給出相應決策(包括檢測時間、人員和對象)，還要將出現的問題分類推送給管理人員以便于進行后續(xù)維護工作。相對于以往的決策流程(人工報修后管理人員再進行決策)，本平臺的決策模塊可以為日常檢查計劃、故障搶修計劃以及大范圍維修計劃提供準確的數據支持，實現真正的智慧決策。

風險預測可對橋梁在運營期間出現的風險(如橋梁疲勞失效、橋梁承載力下降、橋梁超載和橋梁傾覆等)進行有效的預防并提前安排檢修。

狀態(tài)預警是以風險為導向的預警，可通過系統(tǒng)自動診斷和專項檢查來實現橋梁運行狀態(tài)的確認，進而確保橋梁在運營過程中狀態(tài)良好。

交通引導可根據駕駛員的行車習慣，對出現惡劣天氣和交通事故時的橋梁異常進行公告并對車輛進行引導。在大數據的背景下，智慧管理系統(tǒng)可以對橋梁常見的交通事故和天氣環(huán)境數據等進行分析，并根據橋梁的運行狀態(tài)發(fā)布交通提示或者異常公告，實現更加個性化的定制服務。

消息推送是智能管理系統(tǒng)與管理人員的雙向交互，可依托于各種終端(如APP、微信小程序或架構者PC端等)，將巡檢任務和預警信息等各種消息推送給管理人員。

應急處理可在極端情況下讓智慧管理系統(tǒng)基于機器學習和人工智能給出一套臨時解決方案來保證橋梁的臨時運營。在萬物互聯的背景下，應急處理可以變得更具時效性，比如，可根據以往地震情況下橋梁的結構變化，利用地震局等提供的即時消息鎖定地震情況，進而實時對橋梁進行性能演化和車輛行駛狀態(tài)評價，在此基礎上對災害做出等級評價并及時輸出應急處理決策。

3 智慧管理系統(tǒng)設計

青島市橋梁智慧管理系統(tǒng)的主要服務目標是依托于大數據技術，對各種橋梁監(jiān)測數據進行分析，總結規(guī)律并結合專業(yè)知識對橋梁狀態(tài)進行權重評估，然后可以通過多終端與管理人員交互，與各級部門進行多維聯動，從而實現橋梁的智能化管理。根據青島市智慧橋梁管理系統(tǒng)的建設目標和服務對象，系統(tǒng)由“多橋”“1中心”“1平臺”構成，系統(tǒng)的總體架構如圖2所示，其中，藍色箭頭代表數據單向流動，綠色加號代表著連接部分數據共用，藍色雙向箭頭代表著數據輸出與反饋雙向流動。

圖2 青島市橋梁智慧管理系統(tǒng)架構

(1)“多橋”是指管理系統(tǒng)的主要服務對象，即，青島市范圍內的混凝土橋梁。在青島市橋梁智能管理系統(tǒng)中，橋梁的信息采集是重中之重，通過多種監(jiān)測模式(如視頻監(jiān)測、人工巡檢、傳感器實時監(jiān)測等)建立智能化的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)。橋梁的各種信息(包括結構響應(變形和應變等)、運行情況(交通流量、車重和車速等)、基本參數(橋梁長度、橋梁跨度、地理位置信息和設計等級信息等)以及施工單位的養(yǎng)護信息)可以實時上傳數據平臺進行大數據分析。如果預先重點監(jiān)測的信息超過設定閾值，系統(tǒng)會及時發(fā)出預警信息，并可以通過微信、電話等形式通知管理人員，來確保橋梁的安全運營。此外，智慧管理系統(tǒng)還可以通過大數據學習對每個橋梁形成相應的管理方案，并按照優(yōu)先級進行養(yǎng)護管理。

(2)“1中心”是指管理系統(tǒng)的主要服務器，包括數據上傳平臺和數據庫等。借助多個終端進行數據上傳，巡檢人員在日常巡檢發(fā)現病害時可以及時將信息上傳。在平臺的系統(tǒng)中，巡檢人員可以將橋梁的信息完整全面地上傳至數據庫，包括橋梁的基本信息、巡檢信息和實時信息，方便后續(xù)管理人員進行養(yǎng)護安排。數據庫則是將各類信息進行分類整合，管理人員還可以檢索病害圖片、病害等級和處理措施等，來幫助進行巡檢決策。相對傳統(tǒng)的存儲模式，數據庫這種模式可靠性高并且安全性有保障，通過數據備份和數據遷移等技術可以保證數據的丟失率降到最低，為科學管理提供了保障。

(3)“1平臺”是指青島市橋梁智能管理系統(tǒng)平臺。青島市范圍內所有的混凝土橋梁統(tǒng)一納入智能管理系統(tǒng)，進行科學統(tǒng)一的管理。橋梁的施工信息和養(yǎng)護信息等重點信息會被平臺監(jiān)控，進行全行業(yè)監(jiān)管。橋梁的巡檢數據通過平臺處理，建立橋梁立體管理模型，分析常見病害數據，及時安排養(yǎng)護檢查，進而規(guī)范維修養(yǎng)護體系。通過橋梁智能管理平臺，管理人員與系統(tǒng)之間可以進行高效的信息雙向互動。當平臺監(jiān)測到超過閾值的數據時，會自動鎖定問題橋梁，并將地理位置和病害問題下發(fā)巡檢養(yǎng)護人員，做到科學智能的橋梁管理。在日常的巡檢中，巡檢人員也可以通過平臺數據有針對性地進行巡檢，節(jié)省人力物力資源。后期平臺也可與市政系統(tǒng)、公安系統(tǒng)、交管系統(tǒng)等進行聯動，進而實現真正的智慧城市。

4 展望

信息化橋梁管理模式的首要目標是管養(yǎng),首要任務是性能監(jiān)測及評估(包括狀態(tài)監(jiān)測和趨勢評估)，橋梁管理系統(tǒng)及健康監(jiān)測系統(tǒng)在這兩方面各有自己的優(yōu)勢。橋梁管理系統(tǒng)作為網絡級橋梁管理的重要手段,其優(yōu)勢在于評估理論的研究[5]。目前世界各國都普遍采取的是以橋梁構件損傷狀況為基礎的評估方法，其缺點在于依靠定期的外觀檢測信息，盡管這種檢測管理方法直觀、快速，但無法準確反映橋梁實際工作狀態(tài)；健康監(jiān)測系統(tǒng)可針對單一的橋梁結構，采用先進的傳感技術，實現橋梁荷載及響應的實時量化采集，但是數據的分析處理及狀態(tài)評估仍然沒有很好地解決，而且也無法對轄區(qū)內橋梁的管養(yǎng)提供足夠的技術支持。因此，信息化橋梁管理模式的發(fā)展方向必然是橋梁管理系統(tǒng)與橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的有機結合,再借助于大數據等現代化技術，可最終建立一套完整且科學的橋梁智能管理系統(tǒng)。