工業互聯網Handle標識解析技術在橋梁行業中的創新應用研究

陶世峰 楊巍 李剛 宋旋 王允成

(1.中鐵大橋局集團有限公司，湖北武漢，430050 2.中鐵大橋科學研究院有限公司，湖北武漢，430050 3.國家工業信息安全發展研究中心，北京，100040)

改革開放四十多年來，我國交通基礎設施建設取得了巨大成就，高速鐵路、高速公路里程橋梁、萬噸級泊位數量等多項指標均躍居世界第一，中國路、中國橋、中國港和中國高鐵已經成為靚麗的中國名片。

中國橋梁建設經歷了“學習與追趕”“跟蹤與提高”“創新與趕超”的跨越式發展，建成了一批技術復雜、科技含量高的長大橋梁。港珠澳大橋的落成通車，更是標志著中國由橋梁大國向橋梁強國邁進。然而，在橋梁建設實現了跨越式發展的同時，由于交通運輸量加大、橋梁“老齡化”現象嚴重，橋梁病害問題突出。大量在役橋梁由于現行管養手段技術落后、效率低下、人員成本高，得不到有效管養而狀況堪憂，長期“帶病運行”，久而久之，小病發展為大病，甚至發展為危橋。橋梁“三分建，七分養”，橋梁工程領域正在由“建設為主”向“建養并重”轉型，如何用智能化的手段保障既有橋梁的安全性、耐久性、使用功能已成為目前橋梁工程領域的巨大挑戰和亟待解決的問題。本文所述方案借助Handle標識解析技術、數據中臺、物聯網等信息化技術達到了提升工作效率、統一提升管養服務水平、提高橋梁運營管理效率的目的。

一、Handle標識解析技術概述

Handle標識解析技術是由世界互聯網之父、TCP/IP協議共同發明人、圖靈獎獲得者、美國科學家羅伯特·卡恩博士發明。Handle標識解析技術定義了一套成熟兼容的編碼規則，擁有一套穩定安全的解析機制和一個全球分布式管理架構，是一套起源于互聯網、以實現信息系統的互聯互通為目標的標識注冊、解析、管理、安全的技術體系[1]。

工業互聯網標識解析體系是工業互聯網網絡體系的重要組成部分，是支撐工業互聯網互聯互通的神經樞紐。Handle標識解析技術是工業互聯網標識解析體系的重要組成部分，為工業設備、機器、物料、零部件、產品和數據對象提供編碼、注冊與解析服務，并通過標識解析系統實現對異主、異地、異構信息的互聯互通、安全共享及智能互聯，是實現工業互聯網快速發展的重要基石[2]。Handle標識解析體系的核心要素包括標識編碼、標識解析系統和標識數據服務3部分。

（一）Handle標識編碼

Handle標識編碼是指能夠唯一識別物料、機器、產品等物理資源和工序、軟件、模型、數據等虛擬資源的身份符號，類似于“身份證”中的身份證號，標識編碼通常存儲在標識載體中，包括主動標識載體和被動標識載體。Handle標識編碼由標識前綴與標識后綴組成，前綴與后綴之間以UTF-8字符“/”分隔[6]。其中，標識前綴由國家代碼、行業代碼、企業代碼組成，用于唯一標識企業主體。標識后綴碼由對象代碼和安全代碼組成，安全代碼為可選，如圖1所示。

圖1 Handle標識編碼

（二）Handle標識解析系統

Handle標識解析系統是指能夠根據Handle標識編碼查詢目標對象網絡位置或者相關信息的系統，對物理對象和虛擬對象進行唯一性的邏輯定位和信息查詢，是實現全球供應鏈系統和企業生產系統精準對接、產品全生命周期管理和智能化服務的前提和基礎，如圖2所示。

圖2 Handle標識解析系統

Handle系統定義了一個分層服務模型。模型的頂層是“GHR”——全球Handle注冊服務，“GHR”是分布式的、可擴展的[3]。模型的其他層級由若干級區域性服務系統（LHS）組成。區域性的服務系統在全球服務系統的管理下提供特定區域、特定類型的標識管理和解析服務。

Handle系統是建立在Internet架構之上的一個分布式的信息系統，用來提供有效的、可擴展的、可靠的全球名字服務和更為復雜的資源尋址與定位需求。主要有如下3種功能：

（1）為構成數字對象的數字形式的信息分配唯一標識符，而不考慮此類信息的位置或用于服務此類信息的技術；

（2）將標識符快速解析為有關相應數字對象的當前狀態信息，例如，其位置、訪問和使用策略、時間戳、公鑰等信息；

（3）管理包含狀態信息的Handle標識符記錄。

（三）Handle標識數據服務

Handle標識數據服務是指能夠借助Handle標識編碼資源和Handle標識解析系統開展Handle標識數據管理和跨企業、跨行業、跨地區、跨國家的數據共享共用服務。在實際部署中，我國Handle標識解析體系邏輯架構采用分層、分級模式，包括根節點、二級節點（行業節點）、企業節點和遞歸節點，構成我國工業互聯網關鍵網絡基礎設施，為政府、企業等用戶提供跨企業、跨地區、跨行業的工業要素信息查詢，并為信息資源集成共享以及全生命周期管理提供重要手段和支撐[7]。

二、橋梁建設和養護信息化現狀

（一）橋梁建設信息系統

基于BIM技術的橋梁工程項目施工管理企業級協同平臺，處于橋梁全生命周期數字化管理的設計、建設階段，滿足工程項目的現場施工管理以及后臺企業級管理需求。平臺支持各業務管理部門通過企業級BIM管理平臺對所屬各工程項目進行垂直管理，根據管理權限實時獲取項目有關信息，支持跨項目的數據查詢和統計分析。各業務部門也可通過該平臺對所屬項目進行后臺管控[5]。

系統管理員對系統運行、項目設立及用戶權限進行統一管理和維護，終端用戶通過Web瀏覽器或手機APP登錄各自工程項目對施工現場各項工作進行高效、靈活的信息共享和協同管理。

（二）橋梁監控監測系統

目前，國內已經建立了部分大跨橋梁結構健康監測系統，但很多僅限于數據的采集、保存，而在對監測數據進行科學管理、合理的橋梁評估指標的建立、結構健康狀態診斷體系的建立、應用監測數據對橋梁健康狀況進行系統評估等方面的研究與應用尚明顯不足。系統的可靠性、長期穩定性、維修性等方面也存在問題。為了提供更加全面、準確的橋梁結構安全信息，輔助橋梁管理單位對橋梁養護工作進行決策，有必要進一步研究橋梁實時在線監測技術，建立更為智能化、專業化、集中化、人性化的實時在線監測系統，切實保障橋梁結構安全。

橋梁實時在線監測系統通過因特網、4G/5G移動互聯網將感知到的橋梁數據實現網絡共享和互聯，形成泛在“橋聯網”，將橋梁集中管理，消除“信息孤島”，為數據挖掘、遠程分析和決策打下基礎。系統以云平臺為基礎，采用智能化手段全天候、不間斷采集橋梁關鍵部位的應變、溫度、線形、索力、塔偏、動態特性、視頻車載等參數，獲取反映結構狀況和環境因素的各種信息，通過數據處理及結構評估體系分析橋梁結構健康狀態。

（三）橋梁巡檢養護系統

目前，大多數地方的橋梁巡檢工作停留在手工登記、人工遞送（口頭匯報）檢測信息的階段，導致巡檢養護效率不高、信息傳遞不方便、無法第一時間掌握橋梁表觀病害狀況、缺乏科學的巡檢養護指導建議等問題。

部分橋梁養護單位研發了橋梁巡檢養護系統，通過深入基層巡檢養護單位調研，制定了規范的橋梁巡檢養護電子化流程，實現橋梁巡檢養護的無紙化、專業化和智能化，并適用于各種橋型、各個管養單位的區域性橋梁群的日常巡檢養護工作，解決了橋梁群日常巡檢養護工作中管理難、巡檢難、養護難的問題。該系統主要包括移動巡檢養護APP端及綜合管養后臺。

為解決橋梁傳統人工巡檢養護過程中采用紙質化記錄不方便、出錯率高、數據保存難、巡檢養護流程復雜并且不規范等問題，移動巡檢養護APP將AI（artificial intelligence）技術、AR（augmented reality）技術、語音識別技術、二維碼掃描技術、GPS（global positioning system）定位技術、移動互聯網技術結合在一起，支持病害自動識別、病害尺寸AR測量、語音識別記錄結果、實時在線讀取橋梁結構物電子二維碼、考勤打卡、任務工單接收、智能化巡檢養護、數據實時上傳、自動生成報告、移動審批等功能，大幅提高了一線巡檢養護人員的工作效率和專業水平。移動巡檢APP端可以安裝在各種型號的智能手機或平板上，跨平臺作業能力強，具有開放的系統接口及PC級數據處理能力，具備高速數據網絡接入能力及豐富的人機交互能力，同時支持現場巡檢和移動審批應用。

基于Web的后臺綜合管控端根據行業規范制定了標準化的巡檢養護管理流程，實行設施、機構、人員集中化、專業化的分級管理機制，具備完善的人員、組織權限管理功能，便于管理人員更快捷、更科學地實現對巡檢、養護、決策等業務的管理；支持采集數據多方式實時查詢、模糊查詢，具備豐富的圖形化統計報表，能夠進行智能化評估及智慧化生成報告，并利用專家系統進行決策建議，實現了橋梁巡檢養護管理的智慧化、科學化和高效化。

（四）橋梁建設和養護面臨的問題

當前，我國交通基礎設施正在由高速發展向高質量發展階段轉變，橋梁結構日趨大型化、復雜化，橋梁通行車輛密度大、載重高，且我國尚缺乏完善的交通基礎設施智慧康養體系和成熟的產業鏈條，產業鏈各環節相互獨立，康養企業分散，上下游供需不緊密，協同能力差，管養手段主要還依靠人工及傳統機械設備，存在管養人員不足、管養效率和質量不高、管養不及時等諸多痛點，無法滿足基礎設施健康養護日益增長的需求。不少基礎設施實際服務年限少于設計年限，頻繁的后期維修和拆除重建消耗了大量的高碳排放材料。以武漢市為例，80%的城市橋梁建設在近20年內集中建設，橋梁管理人力資源吃緊；756座橋梁由20余家責任部門管理，溝通協調管理難度大，不同橋梁管理單位的技術裝備、人員專業程度參差不齊，對統一橋梁管理標準，確保橋梁巡檢養護質量提出了挑戰，迫切需要通過集中管控平臺，統一數據編碼，打破“系統壁壘”，實現數據貫通。

由于橋梁全生命周期管理具有鏈條長、環節多、場景復雜、軟件多樣等特性，大量的數據分散在不同系統中，數據表述不一致，大量的“信息孤島”和特定的接入方式導致用戶獲取的服務受限，尤其在協同制造、智能服務等創新應用領域難以獲取、發現、理解和利用相關數據。Handle標識解析技術通過建立與底層技術無關的公共解析服務和標準化數據模型實現數據的互聯互通，同時提升現有制造系統的數據利用能力。

三、基于Handle標識解析技術的智慧橋梁信息鏈

目前，橋梁信息管理從項目建立到橋梁設計，從橋梁施工建設到橋梁后期管養，不同單位采用不同的信息系統進行橋梁信息的采集和管理，存在嚴重的“數據孤島”現象，以至于橋梁建設管理生命周期各個階段的信息無法貫通，無法發揮各個系統中橋梁數據信息的應有價值。

依托Handle標識解析二級節點（橋梁行業），建設一套橋梁全生命周期管理系統，從橋梁項目、橋梁設計、橋梁建設、橋梁管養等方面入手，將橋梁全生命周期數據納入系統管理，建立橋梁在不同階段產生的數據之間的關聯關系，實現橋梁數據由點到線、由線到面的互聯互通，如圖3所示。

圖3 橋梁全生命周期數據

（一）構建Handle標識解析體系

依托橋梁行業建設的Handle標識解析二級節點，建設下屬企業和部門的企業節點，部署完成Handle標識解析3層架構，實現企業數據本地化存儲，保障企業對數據所有權的控制[4]，如圖4所示。

圖4 Handle標識解析體系

二級節點是面向特定行業或者多個行業提供標識服務的公共節點。二級節點既要向上與國際根節點對接，又要向下為工業企業分配標識編碼及提供標識注冊、標識解析、標識數據服務，是標識解析體系中直接服務企業的核心環節，是滿足行業需求、擴展標識解析服務能力、服務范圍、服務深度的重要設施。不同行業二級節點和跨行業二級節點在建設和產業化應用過程中，對節點部署、對接方式和應用模式等都有不同的需求，通過引導行業建立相關的技術和應用標準規范，如符合行業應用需求的標識編碼體系，推動企業接入標識解析體系，促進規模化應用。

企業節點是指一個企業內部的標識服務節點，能夠面向特定企業提供標識注冊、標識解析服務、標識數據服務等，既可以獨立部署，也可以作為企業信息系統的組成要素。企業節點主要是對接企業信息系統，實現數據本地化管理。

（二）智慧橋梁信息鏈系統架構

智慧橋梁信息鏈系統分為3層，即數據層、業務層和表現層，如圖5所示。

圖5 基于標識技術的智慧橋梁信息鏈系統架構

（1）數據層：目前橋梁全生命周期涉及的數據分散在不同單位的BIM系統、智慧橋梁巡檢養護系統、橋梁實時在線監測系統和橋梁健康監測系統，需要將這些系統中的數據匯聚到對應單位的Handle企業節點。

（2）業務層：業務層建構在圖4所示的Handle標識解析體系邏輯架構之上，提供前綴管理、標識管理、用戶管理和權限管理等功能。

（3）表現層：提供各種業務場景需求下的數據展示輸出，包括大屏展示、數據接口和數據查詢檢索。

（三）智慧橋梁信息鏈全生命周期信息展示

中鐵大橋局建立了Handle標識解析二級節點（橋梁行業），通過使用標識解析技術，為橋梁全生命周期上下游企業提供統一的編碼和解析規范。通過對橋梁、橋梁建設、監測和管養相關系統數據統一賦碼，使用標識將BIM系統、智慧橋梁巡檢養護系統、橋梁實時在線監測系統和橋梁健康監測系統等不同環節的信息進行關聯和錨定，實現了橋梁信息的準確定位。

智慧橋梁信息鏈通過對橋梁、橋梁建設、橋梁監測和橋梁養護數據賦碼，并建立數據之間的關聯關系，實現了以橋梁標識為中心向橋梁周邊數據的延伸、關聯和輻射，形成了以橋梁主體數據為中心的數據網絡。智慧橋梁信息鏈基于標識解析統一編碼規范，實現全生命周期管理數據交互，將各環節數據串聯并挖掘利用，為運營或維護企業提供多維度的數據支撐；同時，為運營或維護企業提供設備運行優化、遠程監控及預測性維修決策，保障生產及資產安全，降低運維費用，提高運行效率，實現信息價值最大化，如圖6所示。

圖6 智慧橋梁信息鏈全生命周期信息展示

四、結語

標識解析技術應用已經在能源、石化、機械、船舶、醫療和食品等多個行業落地，在與制造業和通信行業等多領域技術融合集成中展現了強大的生命力和創造力，為進一步拓展場景應用和行業推廣奠定了堅實的基礎。

目前，標識解析技術在建筑行業的應用還處在探索中，尤其在橋梁全生命周期管理過程中，還沒有成熟的應用落地。本文梳理了橋梁建造、橋梁監測和橋梁管養在現階段的數字化應用現狀，并介紹了Handle標識解析技術的特點和Handle系統架構，然后根據橋梁行業數字化現狀提出了標識解析技術應用的場景，即建立以橋梁主體為核心的信息鏈網，以Handle標識為“橋梁”打通分散在橋梁全生命周期中各個階段信息系統中的數據，實現橋梁全生命周期的數字化管理。

Handle標識解析技術在橋梁建設全生命周期管理、設備運行維護、供應鏈管理、倉儲管理和產業鏈協同方向上的應用還需進一步根據實際場景實施落地，將標識解析技術的優勢和現有的橋梁管理信息系統充分融合。