章恒 伍洋
中南安全环境技术研究院股份有限公司、湖北武汉、430000
湖北省交通规划设计院股份有限公司、湖北武汉、430000
摘要：桥梁结构监测系统是集合了桥梁结构监测、系统辨识和结构评估的综合监测系统。通常采用各种先进传感器对桥梁在外界激励（包括车辆荷载、环境激振等）下的各种响应进行有效监测，在对监测获得的各种数据进行有效处理后，真实可靠地传输至监控中心，然后采用人工智能对传输的海量数据进行识别，智能判断，适时发送预警信息。
关键词：桥梁工程 健康监测 人工智能 云平台
引言
随着我国公路网的逐渐形成，公路桥龄持续增长，公路桥梁养护任务日益繁重，桥梁安全管理系统性风险不断增加，对公路桥梁的养护管理水平、技术水平提出了更高的要求。随着管理要求及管理意识的不断提高，不少新建的特大型桥梁均在建设期间开始同步建设桥梁健康监测系统，部分已建的大型桥梁也开始增设桥梁健康监测系统。然而，传统结构监测系统多为“独立”项目，监测系统投资较大、性价比有限，监测系统软件复用性低，研发、调试、部署周期长，桥梁的监测数据分析、利用难度大，特别不利于在一些中小型桥梁上推广和应用。
1桥梁健康监测云平台
基于最新的物联网、云计算、大数据等信息化技术搭建的桥梁健康监测系统，将为桥梁管理者提供一个有效的桥梁运营安全管理平台。通过系统能够及时获得桥址环境、结构响应信息，实时监测桥梁的结构状态，在桥梁结构出现异常状况时发出预警，有效降低桥梁灾害性事故发生的概率；能够有效地掌控运营期桥梁的结构使用状态及其发展演化趋势，为桥梁的养护维修决策提供有效的技术支撑，从而保障桥梁的长期安全运营，具有重要的社会效益。桥梁健康监测云平台总体架构设计分为硬件层、数据层、组件层、应用层和服务层５个部分。硬件层是搭建在服务器、交换机及存储设备上的基础设施，既可以搭建在公有云也可以搭建在私有云上。数据层在设计上采用分布式数据存储以及灾备模式，保证数据的安全性。组件层通过内置多种厂家型号设备通信协议和算法，可一站式快速无缝接入各类传感、采集、通信设备，并提供标准ＡＰＩ接口供用户在线调用，也可以为第三方平台定制数据接口，其目标是将不受品牌和型号限制的任意设备以最快速和便捷的方式接入云端，节省集成的接口开发时间。应用层让使用者无需通过编程，就可以在线创建并发布桥梁监测应用系统，实现实时数据查看、短信告警、历史数据查询、设备诊断、报告报表、用户管理等功能。服务层是在平台搭建基于分布式架构的大数据分析引擎，可实现数据可视化分析、专业评估及分折预测，帮助用户深度挖掘监测数据价值，进行结构异常诊断和评估，为维护决策提供重要支撑。
2桥梁智慧管理系统的建设目标
(1)保证桥梁安全运营是管理者的首要职责。桥梁智慧管理系统的核心是通过各类传感器、现场视频、巡查终端等数据采集技术，记录桥梁运行环境、掌控桥梁通行荷载、感知桥梁结构响应、巡查桥下空间堆土与火灾风险源、发现和处置桥梁病害。通过尽早发现影响桥梁的安全隐患，预警桥梁的性能退化，提高管理者对桥梁安全状态的管控能力，便于其采取相应的维修加固、限行限载等临时或永久性措施，修复桥梁达到安全状态，提高桥梁运营安全水平。
(2)提高工作效率是智慧管理系统的建设目标。通过分解桥梁管理流程，采用数据驱动的闭环管理，提高信息传递速度，有效提升桥梁日常维护中从病害的发现到病害的养护销案的效率。集中管控桥梁档案信息，在生产中实时归集档案，解决桥梁档案查询困难、使用不便、甚至需要在多个档案馆间辗转、效率低下的问题。此外，在智慧管理系统中增设办公OA模块，从相关业务的信息发布、自动办公、信息统计、报表定制等多个方面提高工作效率。
(3)提升公众满意度是智慧桥梁管理系统的建设宗旨。
城市桥梁是城市交通的咽喉，是曝光度最高的城市基础设施之一，除了利用自动化监测系统实时监测并向公众进行实时信息发布外，还开辟了公众"随手拍"功能模块，人民群众可通过手机拍摄桥梁桥面、护栏、屏障、照明、伸缩缝等设施的照片上传至系统，同时可实时监督所上传病害的处理过程，此外系统会及时向公众发布桥梁上起火、结冰、坠物等异常事件，将群众参与桥梁管养与监督功能纳入到系统中，提升市民的满意度。
3桥梁健康监测系统的总体设计
3.1传感器系统
对于桥梁健康监测而言，由于影响桥梁安全的因素较为复杂，因此在传感器系统的应用上，应充分考虑和满足对各类因素的监测。从传感器的具体应用上看，一是荷载监测，主要监测风、地震等自然因素，采用的传感设备为风度仪及强震仪。风度仪主要记录风速、风向等信息，并依托所收集的数据绘制风功率谱，强震仪用于对地震作用的评估。二是表面形貌监测，重点是收集桥梁的静态、动态位置信息，及时发现桥梁的沉降、倾斜及位移，传感器主要选择位移计、倾角仪、GPS及监控器等。三是结构强度监测，桥梁结构强度是安全的基础，对应变、应力、索力、动力反应、扭矩等监测尤为关键，一般选择应变仪、测力计等来实现。四是振动监测，监测结构的振动、冲击、机械导纳及模态参数等。
3.2数据集成系统设计与云平台系统设计
根据健康监测的要求，正常情况下，每个测点每1h采集1次数据。如果测点数据发生突变，监测系统会自动增加采集频次，可以做到每隔5min采集1次数据，进一步判断桥梁结构的安全。监测期为1年半，采集数据达到上百万级别。如何管理数据并进行分析成为本项目的一个重难点。数据集成系统需要满足以下几个方面的要求：（1）能有组织地、动态地存储大量关联数据，并供多个用户访问，实现数据的充分共享、交叉访问，以及与应用程序的高度独立性，起到将现场采集网络与上层管理信息系统网络连接的作用；（2）快速存储动态变化的实时数据，数据库中的所有实时数据都要随监测对象的状态变化而不断刷新，其作为整个监测系统的核心部分必须在线运行，并且使数据及分析结果能够实时显示；（3）实现各功能模块之间的数据传递、数据交换和数据共享；（4）中心数据库需要与Internet结合，使远程用户可以通过浏览器对数据进行查询浏览。
3.3数据智能处理
在物联网技术不断更新的背景下，智能化的数据处理已经被广泛应用，在数据采集系统及传感系统的共同作用下，为桥梁健康监测系统提供了海量的监测数据，这些信息也是对桥梁健康状态的集中反映，因此数据信息智能化处理尤为关键。针对桥梁健康监测系统数据的复杂性特点，主要依托大数据处理功能优势，借助专业的数据分析处理软件，对各个传感监测节点实施处理，并根据数据的特征进行优先权限评定、分类分时段处理，完成对数据的智能选择及过虑，提升数据处理的智能化水平和监测效率。
结束语
综上所述，网络信息时代的发展，使物联网的“万物互联”理念获得认同，也推动了其在各领域中的深度应用。在桥梁健康监测系统的实践中，物联网所展现的应用优势日益明显，逐步改善了桥梁的安全运行状态，确保了健康监测信息的实效性及智能性，满足了社会在安全领域上的需求。与此同时，为更好地发挥监测优势，还应进一步提升系统的智能化水平，完善和丰富监测功能，为桥梁安全运管及管理提供有力支撑。
参考文献
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