基于數據融合的橋梁狀態分析研究＊

洪衛星，毛明潔

（1.南京智行信息科技有限公司，江蘇 南京 211100；2.江蘇前沿交通研究院，江蘇 南京 211100）

隨著橋梁事業的高速發展，越來越多的橋梁事故也隨之產生，這極大地威脅著人們的安全，因此，維護橋梁的正常運營，并做好橋梁病害的預警工作就顯得尤為重要。傳統的檢測主要采用人工巡檢技術，通過巡檢員的評判對橋梁情況進行判斷，但由于主觀性較大，檢測結果準確性難以保證，損傷識別不全面。此外，各業務領域全局性、系統性、協同性不足，存在一些資源共享難、互聯互通難、業務協同難的問題，尚未形成一個能支撐全行業共享應用的基礎信息資源體系，行業信息資源開放共享程度不夠，跨方式、跨部門、跨地區信息開放共享不足，數據不能夠有效轉化運用并賦能[1]。

本文在已有的研究基礎上，在融合橋梁的監測數據與檢測數據后，基于BIM技術實現橋梁數據融合管理模塊的研究，多維度地發揮BIM技術在橋梁養護和管理領域的優越性。

1 橋梁監測數據與檢測數據

1.1 橋梁監測數據的種類

目前橋梁結構安全監測可分為撓度監測、裂縫監測、振動監測、索力監測、位移監測及應變監測等。橋梁結構安全監測不同于傳統的橋梁健康監測，應立足于橋梁結構運營安全，監測指標應分為結構整體響應和結構局部響應2類，結構整體響應主要有結構振動、變形、位移、轉角，結構局部響應則有局部應變、裂縫、索力、支座反力及位移等[2]。除此之外，還需根據橋梁類型、所處地理環境情況進行具體分析。

1.2 橋梁檢測數據的種類

橋梁檢測數據主要包括橋梁的基本信息，如橋梁名稱、橋梁代碼、中心樁號、路線編號、路線名稱、技術等級、橋梁全長、跨徑總長、單孔最大跨徑、跨徑組合、橋梁全寬、橋面凈寬、跨徑類型分類、使用年限分類、結構類型、材料類型、橋墩類型、設計荷載等級、抗震等級、跨越類型、跨越名稱、通航等級、是否互通立交、建設單位、設計單位、施工單位、監理單位、修建年度、建成通車日期、管理單位代碼、管理單位名稱、收費性質、技術狀況等級、評定日期、最近一次改造情況、主要病害、交通管制措施、政區代碼等，其中橋梁改造情況、主要病害、交通管制措施數據主要以人為檢測結果為依據。

2 橋梁數據融合方法研究

如今，傳感器在橋梁結構健康監測中起到了重要作用，融合了實時采集的監測數據與人工橋梁巡檢的檢測數據后，能夠提高橋梁安全管理的精確度，保證橋梁健康安全管理的全面性，最終實現向多方共建共享共用交通數據的轉變，打造科學化、精細化、智能化的治理和服務體系。

2.1 橋梁數據融合結構層次

本文從信息處理層次的角度出發將數據融合結構劃分為3個層次，分別是數據級、特征級和決策級。

2．1．1 數據級融合

在數據級融合中需要對傳感器采集到的數據進行預處理，對同一時間節點，不同物理量之間的關聯性及影響狀況進行分析，建立了一種帶反饋的并行結構，如圖1所示。

圖1 分布式數據級融合結構

2．1．2 特征級融合

特征級融合在對數據進行預處理并對局部特征進行提取的基礎上，對所獲特征進行關聯處理，完成目標的融合識別過程。特征級融合的分布式結構如圖2所示。

圖2 分布式特征級融合結構

2．1．3 決策級融合

決策級融合在數據預處理、特征提取的基礎上，綜合所有信息進行關聯、融合取得最終聯合決策結果，其結構形式如圖3所示。

圖3 決策級融合結構

2.2 橋梁數據融合功能模型研究

本文采用JDL（Joint Directors of Laboratories）模型，建立出相應的修正JDL模型，修正的JDL模型有望很好地描述橋梁狀態評估系統各個組成部分的功能，并通過數據庫更新實現了信息反饋，進而為數據融合及傳感器管理的優化提供數據平臺。

2.3 基于檢測與監測數據資源的橋梁健康評估體系

評估指標的確定是建立基于檢測監測數據的橋梁技術狀況綜合評估體系的基礎，是進行橋梁評估理論與方法研究的重要組成部分。將已有的檢測病害分析結果和監測數據形成層次化、合理化的指標體系，是本項研究的重要內容。為把復雜問題簡單化，本文從橋梁養護管理系統和長期監測系統中提煉出合理的評估指標，對其進行分析、歸類和分層，建立橋梁技術狀況綜合評估指標體系[3]。基于檢測監測數據融合的橋梁綜合評估方法示例如表1所示。

表1 檢測監測數據融合橋梁技術狀況綜合評估示例

3 基于數據融合的橋梁BIM智能管理模塊研究

基于BIM技術橋梁數據融合模塊的可視化展示，主要是利用BIM模型的信息集成度高和信息可視化展示等特點，對傳統評估過程進行優化，從而提高橋梁養護的精細化管理水平。

本文基于運維階段BIM多源異構數據的特點，探索運維階段的數據信息集成方法，對檢測數據信息與橋梁監測信息關聯性進行分析并展現出數據融合情況。對不同監測指標做關聯分析，計算相關系數，從橋梁監測數據提取有效的數據節段進行性能監測指標的計算，包括橫向聯系的應變相關系數指標和動力響應相關系數指標、剛度矩陣的抗力剛度因子指標、截面特性的中性軸高度指標、邊界條件的支座剛度指標，通過獲取各類性能監測指標的數值與預測長期趨勢，對橋梁關鍵結構性能進行分析與評估，對可能的典型病害類型進行提示，對路網中的同類橋梁的結構狀況進行趨勢預測，分析預測情況如圖4所示。

圖4 橋梁分析預測可視化

4 結束語

本文基于對橋梁現狀的分析，結合橋梁養護檢測數據及橋梁監測數據，將檢測數據與監測數據融合分析，構建出一個多源數據融合分析架構，從數據級、特征級和決策級3個層級對橋梁整體狀態進行整體分析，并從數據融合的角度進行分析，最終通過BIM技術實現橋梁數據融合模塊的可視化功能。