基于數據流驅動的BIM技術城市橋梁群監測系統設計研究

文＿崔 玉（廣西交通職業技術學院，副教授、高級工程師，碩士）

廖艷屏（廣西交通職業技術學院，講師、高級工程師，碩士）

陳鈺婷（廣西交通職業技術學院，講師、工程師，碩士）

彭 來（廣西交通職業技術學院，講師、工程師，碩士）

目前，我國先進的橋梁建設技術快速升級，橋梁建設工程蓬勃發展，也涌現出許多造型獨特的大型、特大型橋梁。但與此同時，我國的橋梁養護管理水平遠遠跟不上橋梁建設技術發展的步伐。交通運輸部于2005年發布的《公路橋涵養護規范》及住房和城鄉建設部于2003年發布的《城市橋梁養護技術規范》，都對橋梁技術狀況監測與評估的內容、方法、周期做了相應規定。《公路水運工程試驗檢測管理辦法》對橋梁監（檢）測的機具和設備等參數做了明確要求。而現行規范中將橋梁檢查分為經常檢查、定期檢查和特殊檢查項目，經實踐證明，這些項目對于大型橋梁的養護管理遠遠不夠，由于大型橋梁的結構復雜、影響受力的因素眾多，國內交通系統、鐵路系統、市政系統的監測規范和標準均在制定過程中，但截至目前尚未有批復執行的針對大型橋梁、特殊結構橋梁完整的安全監測技術評定標準與規范，仍需要根據每座大型橋梁、特殊結構橋梁的特點制定特定的監（檢）測系統。若無特定的、有效的先進技術手段做后盾，日常養護管理的工作量十分巨大，管理的效率和監管效果也難以保障。近年來國內外橋梁倒塌事件頻繁發生，一個個血的教訓促使管理者急需轉變管理理念、完善管理體系、提高管理技術水平。一般管理部門除分析橋梁荷載作用下結構靜動力響應數據外，還應記錄橋梁構件及附屬設施外部環境，對橋梁外觀進行檢測和監控，以及對各類資料及圖像的篩選分析。

本文對在建的某市城市級橋群監測管理平臺進行深入研究，分析監測平臺數據交換共享的關鍵難點，提出利用BIM技術高度集成橋梁工程信息的方法，實現在全壽命周期中動態管理工程項目數據。設計利用5D BIM完成橋群監測管理的電子沙盤的構建，高效管理橋梁（群）工程的質量、進度、資料，致力于橋梁監控協同可視化，推進橋群管理水平的發展。

一、平臺架構設計

系統平臺在架構上必須先總體滿足系統功能要求。GIS平臺及分布式數據庫將作為整個系統的上層管理架構，結合線上云平臺，創立一個專門針對城市級橋梁群的具備三層B/S及C/S混合架構的安全監管平臺。該平臺可以把通訊光纜作為傳輸網絡信息的介質，將控制中心與現場結構測量點緊密地結合成分布式的整體，同時Remote User（遠程用戶）可以通過云平臺鏈接至現場各大橋的管理中心，并通過調取數據、控制及監控的方式對橋梁結構健康狀態進行系統評估。Remote User可以直接從數據采集服務器獲取數據，多個數據采集服務器可以并行提供數據傳輸，使Remote User能夠同時獲取多個橋梁結構上的實時狀態數據。整個系統利用GIS技術將空間信息和非空間信息結合起來，以滿足數字化、資源利用高效化和可持續發展的要求。系統總體平臺架構如圖1所示。

圖1 系統總體平臺架構圖

橋梁結構安全評估方法架構步驟如下。

（1）對新建大橋進行結構健康監測、風險評估和構件易損性分析，找出結構關注重點。

（2）依據結構關注重點，建立監測方案和巡檢方案。監測方案主要包括監測項、監測頻率、監測特征值等。巡檢方案包括巡檢內容、巡檢方法（儀器、頻率等）、相應的電子化人工巡檢系統。

（3）監測和巡檢的數據共同構成監測預警和結構安全評估的基礎。

（4）依據監測數據及構件評定標準，建立預警方案和預警閾值。

（5）根據監測數據和巡檢數據架構結構安全評估方法，進行技術狀況評估和專項評估。

各單橋健康監測系統由于建設單位不同，地理位置分散，需要充分考慮各個已建成橋梁、在建橋梁及未來規劃待建橋梁的健康監測系統的整合與接入，將各橋梁健康監測系統統一納入本系統平臺，初期計劃使用電信或移動等通信運營商專線網絡將各單橋梁健康監測系統接入集成管控平臺。

集成管控平臺的數據來源可以劃分為橋梁基本靜態數據庫、在線監測動態數據庫和電子化人工巡檢數據庫三類。橋梁基本靜態數據庫包括橋梁總體信息、橋梁上部結構、橋梁下部結構、橋梁橋面結構、橋梁設計、橋梁附屬設施。在線監測動態數據庫包含各傳感器實時監測數據、歷史統計數據、超限預警數據、視頻監控數據等。電子化人工巡檢數據庫包含橋梁巡查信息、病害統計信息、技術狀況評定信息、根據模型推演的橋梁退化預測信息、決策優化信息等。

本文介紹的數據計算分析系統作為平臺核心服務組件，通過對上述三大數據庫的管理、分析及挖掘，為平臺提供數據交換整合、數據可視化展示、數據查詢與統計綜合分析與決策支持等服務，進而實現平臺數字化監測、在線實時監管、安全報警及巡檢養護等核心功能。平臺框架結構設計如圖2所示。

圖2 平臺總體結構

二、基于數據流驅動的BIM技術橋梁監測管控研究

（一）BIM監測平臺

集成管控平臺根據現有各橋梁子監控中心基礎數據管理系統的空間數據和屬性數據，集成相關的硬件、建立數據庫、開發應用軟件、完成橋梁結構安全的BIM信息化管理。通過健康監測數據的采集和日常養護信息的有機整合，實現市管橋梁安全的實時監控。

由于各數據采集終端地理位置相距遙遠，因此有必要建立便于操作的界面，使開發人員與用戶能夠及時改變系統的設置。這就導致在安裝調試初期，需要通過經常改變參數設置以大幅減低調試時長。

對于數據采集與傳輸模塊的硬件部分，考慮系統中使用的傳感測試設備類型眾多，針對不同的設備特性和輸出信號類型，數據采集與傳輸需采取不同方案。所選擇的數據采集設備、傳輸設備和供電設備均符合工業級的要求，利用工業以太網技術，選用光纖冗余環網，實現大橋外場與監控中心（內場）的可靠連接，確保網絡通信順暢。

數據采集與傳輸模塊的軟件部分，主要用于完成原始數據的獲取與傳輸，是連接現場采集設備和監控中心應用軟件的中轉站，要求系統有較高的穩定性和可自修復性，故采用當今主流的Linux平臺作為采集軟件的運行平臺。相比其他平臺操作系統，Linux實時響應性能較強，在多任務處理及可靠性、穩定性、可擴展性上均滿足BIM監測平臺的需求。針對路橋監測系統的特點，基于Linux平臺搭載數據采集軟件，能夠實現數據監測的抗干擾性強、實時性強、精度高、穩定性和可靠性都不錯的特點。

監測平臺作為集成管控平臺的一個重要組成部分，根據前期對實際管養業務的調查、分析，擬具備以下幾個功能。

（1）開放式的分層架構；

（2）組織、用戶、權限管理；

（3）基于表單的工作量引擎；

（4）文檔信息管理；

（5）即時消息通訊。

通過設置BIM監測平臺，打破嚴重限制各個職能部門和業務系統協作的“信息孤島”現象，為不同業務系統搭建數據共享平臺并形成一個整體信息庫。同時，通過數據交換平臺統一化為各個業務系統間的數據交換提供單一安全的渠道，在信息共享的基礎上確保數據信息安全。

（二）主要技術路線

在系統建設與設備選型上，系統平臺強調系統設備先進性、可靠性、可擴展性和兼容性，使用能適應目前發展趨勢的先進技術，并充分考慮技術成熟程度、關鍵設備使用硬件備份與冗余，建立安全防護與容災備份機制，以確保應急平臺的安全、順利運行。

本系統以J2EE平臺為基礎，利用JSON數據交換標準及SOA框架將多種業務封裝成為松散耦合的模塊，通過對XML數據包增加標簽數據（元數據），使得調用接口富有彈性，從而為終端用戶及開發商提供企業級的應用與開發設計平臺。

技術路線方面，組件化技術的應用可以將BROWER-APPSERVER-DBSERVER多層構架模型激活。通過交換平臺實現可靠、穩定、及時的外部數據交換，各個應用終端利用客戶端瀏覽器根據不同的權限實現數據的添加、刪除、修改和檢查。整個系統采用B/S多層體系架構，其中客戶（請求消息）、流程（請求處理）和數據（運算）將獨立運作。多層架構就是把展示層和業務邏輯層分離開的更加靈活的架構，它意味著業務代碼相互獨立，業務邏輯層居中，這樣的架構可以帶給用戶更好的交互體驗，減少對后端系統的依賴，對系統擴展有大幫助，多層結構下系統的安全性實現也更有保障。

在一個多層次系統中，每一個層次都由一個應用程序獨立構成。客戶機正常地執行描述邏輯，應用服務器則執行業務處理邏輯。事務處理中，客戶機只需向應用服務器發送一個請求，大大降低網絡通信難度。每個應用程序的所有用戶可以共享該程序的業務邏輯以更好地控制業務處理進度，并在事務處理因修改發生變更時大大簡化變更的實現過程。數據服務器可以對數據存儲管理和讀取方式進行優化。

系統服務器端采用Apache+Tomcat作為底層平臺框架，服務器端開發框架采用SpringBoot/Mybatis等最新的BIM軟件開發技術，采用模塊化設計理念，實現高內聚、低耦合的功能模塊研發，具體系統平臺技術框架如圖3所示。

圖3 系統平臺技術框架

（三）平臺功能設計

平臺功能設計的首要工作是業務功能架構設計，旨在厘清系統功能邊界、梳理系統內功能間的關系、刻畫信息宏觀流動方式。

系統的主要業務功能包括橋梁健康監測系統的接入、橋梁巡檢養護管理系統的建立、交通實時監控管理及與其他部門之間的數據共享。

根據本項目需求分析，城市級橋群信息化監管平臺設計包含：GIS橋群管理、結構健康監測子系統、安全預警評估子系統、中心數據庫子系統、數據交換接口等功能模塊，各子系統通過用戶權限管理整合為一個統一的綜合監管集成管控平臺。

根據橋梁構件的特點、風險分析和規范要求，對橋梁各主要構件進行單元離散化解析，建立構件庫終身ID編碼體系，讓每個單元都可以通過ID編碼與相關的靜態和動態屬性信息（如建設期信息、運營期監測和維護數據等）進行唯一性關聯。采用BIM技術從橋梁構件特性出發，以風險分析和規范要求為原則，進行單元離散化解析并構建單元終身ID編碼體系，形成構件庫。構件庫與風險庫、維修措施庫、病害庫、檢查措施庫可進行交互，共同組成本系統的五大基礎知識庫，是本系統的基石，體現系統開發單位橋梁專業技術水平、經驗和底蘊。

基于橋梁構件離散、精細化的橋梁構件編碼體系，實現專業化管養編碼。編碼體系的設計標志著可實現信息標準化管理的橋梁監控體系。編碼是數據處理效率的重要影響因素，同時也決定各功能模塊業務處理功能的便利性和準確性。所有的信息編碼均具備符號序列、符號排列規則和根據特定的符號序列表達特定的信息內容三個要素。橋梁構件解析與編碼示意如圖4所示。

圖4 橋梁構件解析與編碼示意

依據單元特性、危險性和結構分析，建立構件的屬性特征。橋梁構件單元屬性特征由動態信息，靜態信息以及知識信息組成。橋梁構件屬性如圖5所示。

圖5 橋梁構件屬性

靜態信息包括材料信息、幾何信息、圖紙信息等參數信息，以及檢查頻率、檢查要求、養護要求等。

動態信息包括歷次病害信息、檢查信息、維修信息和評定信息等。

知識信息包括風險庫、檢查檢測措施庫、病害庫和維修病害庫等。

三、結語

本文依據上述BIM技術橋梁監控平臺設計研究，研發了基于數據流驅動的BIM技術橋梁監測管控云平臺，并成功應用于城市橋群、造型獨特的大型橋梁等。

利用BIM技術平臺建設橋梁監控系統，可以顯著降低橋梁監控系統運維成本。基于數據流驅動的數據交換技術，橋梁監測管控云平臺設計能夠打破當前“信息孤島”現象，在實現信息共享的基礎上確保數據信息的安全，為未來新業務系統的建設提供標準，減少數據采集方面的資本投入，并提高效率和服務水平。構建基于全面的監測、檢測綜合分析的平臺，可將原本單一的、有限范圍的主體結構監測、檢測、養護轉為全橋全面、完整、立體的系統監管體系，有利于后期形成一個分級城市綜合監管或者公路級平臺統一體系，適合我國橋梁“管、建”分家的特點，能解決目前橋梁養護管理人員相關專業技能相對薄弱的問題，并規范他們的日常養護管理操作。