城市智慧桥梁管理系统的现状分析及优化.pdf

第 3 期（总第 146 期）2023-09-25为满足城市日益增长的交通出行需求，武汉市处于城市桥梁设施建设加快发展的时期，但桥梁管养工作面临着因桥梁数量增多导致的管养不及时、桥梁结构老化、交通运输车辆超载等诸多挑战，管养模式和技术亟待升级1。为响应构建智慧城市的要求，力求通过城市桥梁智慧管理系统实现 GIS 桥群管理、数据可视化及分析、重车荷载识别、桥梁状态快速诊断等功能，推进桥梁养护数字化、精细化、智慧化水平，从而大幅提高城市管理效率，有效降低管理成本。本文对现有城市桥梁智慧系统进行介绍，分析系统亟需解决的问题，并提出对现有系统进行的优化措施。1 城市桥梁智慧管理系统以“提高养护工作效率，完善桥梁全寿命周期档案，监测结构病害发展趋势，做到预防性养护，确保桥梁运营安全”为主要目标，以“预防性养护、前瞻性管理”为设计原则，综合应用云计算、物联网、大数据、人工智能和虚拟现实等现代化信息技术实现桥梁运营的智慧精细化管理。该系统建设内容可分为两个方面：安全监测设备安装、管理系统软件开发，实现了桥梁档案、巡检养护管理、健康监测、视频监控、超限监测、三维展示六大功能。前期项目以安全监测设备的安装为主，并初步建成了城市桥梁智慧化管理系统。1.1 安全监测设备1.1 安全监测设备通过在桥梁上安装大量传感器，实现了桥梁实时安全监测、超限车辆监测和视频监控功能，为桥梁安全管理提供了桥梁运营的数据信息。1.1.1 安全监测系统中桥梁的安全监测指标有：动应变、静应变、温湿度、路面温度、裂缝、支座位移、动挠度、振动、风速风向等，通过桥梁关键指标的安全监测，把控桥梁安全状态。1.1.2 超重车辆监测通过安装动态称重系统，实现了超重车辆的实时监测，记录车辆重量、车牌、车速等信息，并对车流量进行统计。1.1.3 视频监控通过高清摄像头实时监控桥梁现场情况，及时发现桥梁渍水、火灾、积雪、桥梁梁体被撞等突发事件，也可联动动态称重系统对超载车辆进行视频抓拍。1.2 管理系统软件1.2 管理系统软件通过对桥梁基础数据的信息化以及大量监测数 城市智慧桥梁管理系统的现状分析及优化 任 凯 彭丽丽摘 要 文章对现有城市桥梁智慧管理系统进行分析，针对系统安全监测原则、数据库平台架构、数据接口标准化、系统可视化等亟需解决的问题，通过对桥梁安全监测系统建设以及管理系统的优化升级，全面提高桥梁管养标准和工作效率，有效保障了城市桥梁安全。关键词智慧桥梁 安全监测 数据库 可视化 标准化市政设施管理Shizheng Sheshi Guanli借鉴与参考参考文献1 唐生誉,严韬,王立力,等.城市污水系统提质增效工程技术应用 J.当代化工研究,2023(10):84-86.2 吴志强,栗玉鸿,侯爱月,等.南方城市污水提质增效方案与实践以漳州市为例 J.城市道桥与防洪,2022(02):18-19+122-126.3 徐 晋,楚 文 海,刘 淑 雅,等.我 国 城 市 污 水 治理 提 质 增 效 重 点 的 评 估 分 析 技 术 方 法 J.给 水 排水,2022,58(10):1-7.4 李 一 平,郑 可,周 玉 璇,等.南 方 城 市 污 水 处理系统效能评估与提质增效策略制定 J.水资源保护,2022,38(03):50-57.（作者单位：抚州市市政公用事业服务中心，收稿日期：2023-06-29）-53-第 3 期（总第 146 期）2023-09-25据的汇总，并根据实际需求，初步实现了移动巡检和养护管理功能。1.3 移动巡检 APP1.3 移动巡检 APP建成了基于手机 APP 的移动巡检功能，能够利用移动终端在现场录入巡检数据并通过网络直接上传数据。1.4 巡检养护管理系统1.4 巡检养护管理系统按照桥梁巡检养护流程开发，根据拟定好的工作流程处置病害，将日常巡检养护工作流程电子化。此外，探索性地结合三维实景/全景模型、BIM 技术，直观显示桥梁各部位的历史状态与实时状态，管理人员可及时处理发现的病害，保证桥梁的正常运营。见图 1。图 1 三维实景/全景模型2 存在问题2.1 安全监测原则待优化2.1 安全监测原则待优化在系统运维期间，发现采用的温湿度、路面温度等传感器产生大量无效报警，对实际分析判断作用极小，且对有效保障桥梁的安全作用不大。桥梁安全监测原则需进一步优化2。2.2 数据库平台待优化2.2 数据库平台待优化现采用的是微软旗下的 MS SQL Server 数据库来存储桥梁基本信息和监测数据。该数据库属于关系型数据库，面对海量存储监测数据，以下问题亟待解决。存储成本大：对于数据压缩不佳，占用了大量机器资源；写入吞吐低：难满足系统千万级数据的写入；查询性能差：查询历史数据用时过长，海量数据的聚合分析性能差。2.3 数据接口不统一2.3 数据接口不统一系统建设未考虑统一的数据接口建设，造成外部管理单位的桥梁数据接入困难，城市中跨部门共享及交换数据存在障碍。2.4 数据可视化水平有待提高2.4 数据可视化水平有待提高三维实景/BIM 的展示，仅能看到监测数据和病害情况，无法进一步进行数据挖掘并改善展示效果。系统需进一步采用增强现实的展示方式，提供安全监测与虚拟桥梁现场环境交互的三维界面，使管理人员可直接查看并了解仿真模型在所处环境中数据的作用与变化3。2.5 巡检 APP 需进一步完善2.5 巡检 APP 需进一步完善现有系统巡检APP以巡检信息登记、简单统计展示为主，尚未能有效地覆盖桥梁管理维护管理程序的全流程。特别是系统尚未实现对桥梁构件拆解定位，汇报病害位置全靠文字描述。2.6 缺乏指挥调度功能2.6 缺乏指挥调度功能尚未实现远程指挥调度功能，遇到应急事件时无法实现高效调度处理，不能及时处理突发事件。2.7 网络安全建设亟需完善2.7 网络安全建设亟需完善因涉及城市管理多部门信息，前期网络安全建设不足，需按照网络安全要求、国密算法应用要求，加强网络和国密算法的安全防护系统建设。3 优化内容3.1 桥梁安全监测系统3.1 桥梁安全监测系统在充分考虑桥梁结构特点、环境特点、长期作用的荷载情况，结合现有的技术条件，提出了桥梁安全监测项目选择原则4，见图 2。图 2 安全监测项目选择原则系统覆盖的桥梁按照结构形式可分为 6 种典型结构，根据监测选择原则分别对每种典型结构提出以下安全监测方案。3.1.1 预应力混凝土连续梁桥单孔跨径 40 m 的大桥、特大桥或跨线、跨路口的桥梁，根据安全监测测点布设原则，对这类桥梁进行区域性环境温度、动挠度、动应变、梁端位移监测和桥上视频监控。其中对于跨铁路和有桥下堆土监测需求的桥梁，需要适当位置增设桥下视频监控。而对于整体式的宽幅桥梁，譬如：单箱多室预应力混凝土或钢箱梁桥，动应变测点应布设在车行道下方，且对于钢箱梁在跨中增加主梁振动监测。3.1.2 装配式宽幅简支梁桥单孔跨径 40 m 的中小桥，多为预应力空心板梁、T 梁桥，桥幅较宽，其监测关键参数为横向性任 凯 彭丽丽：城市智慧桥梁管理系统的现状分析及优化市政设施管理Shizheng Sheshi Guanli-54-第 3 期（总第 146 期）2023-09-25能。对这类桥梁进行区域性环境温度、动应变、梁端位移监测和桥上视频监控，并对该类桥梁既有裂缝进行监测。3.1.3 斜拉桥属于特殊结构，可根据安全监测测点布设原则，对该类桥梁进行环境温度、动挠度、动应变、索力、振动、梁端位移及桥上视频监控，并对该类桥梁既有裂缝进行监测。3.1.4 拱桥（1）文物石拱桥，考虑到现已无车辆通行，仅对其进行视频监控保护其完整性。（2）实腹式砌体拱桥，桥梁长度长但单孔跨径较小，桥梁挠度很小，因此需设有裂缝监测和桥上视频监控。（3）大跨度拱桥，根据安全监测测点布设原则，需设有区域性环境温度、动挠度、动应变、索力、梁端位移、振动、裂缝和桥上视频监控。3.1.5 弯桥及匝道多为连续曲线梁、简支曲线梁，需重点监测梁端位移和荷载，根据安全监测测点布设原则，需设置区域性环境温度、动应变、梁端位移、裂缝和桥上视频监控。3.1.6 城市通道是城市桥梁系统重要组成部分，其中有75%是长度小于 500 m 的短通道，15%是长度大于 500 m 的中长通道。对于短通道以检测车辆运行状况为主，全线布设视频监控；对于中长通道，在监测车辆运行状况的基础上，增设通道结构关键断面上的应变监测。3.2 建立高性能时序数据库3.2 建立高性能时序数据库具有体量轻、性能高、易使用、高吞吐量读写、高效树形元数据、丰富的查询语义等一系列优点。系统中采集的桥梁安全监测数据是典型的时序数据，新建时序数据库完全可取代原有关系型数据库存储监测数据，提高数据库服务器对监测数据的处理能力，满足系统在线监测数据的存储和处理需求。3.3 构建标准化系统数据接口3.3 构建标准化系统数据接口重新构建系统数据接口标准，以Web Service的方式对外进行发布，通过权限控制和加密传输保障信息安全；同时对外发布数据统一接口标准，充分考虑接入数据的容量和速率，保证全部数据能实时接入。3.4 新增单桥健康诊断系统3.4 新增单桥健康诊断系统主要包含单桥数据分析、结构分析与综合评估功能模块，加强融合了监测数据、检测信息与结构安全性能信息5，按标准建立的既有城市桥梁的结构分析模型，定期根据监测和检测数据进行结构模型的更新，并利用模型进行预警阈值的调整和结构安全状态的评估。通过监测和评估桥梁的结构安全状态，做到桥梁预防性养护，确保桥梁运营安全。3.5 新增指挥调度模块3.5 新增指挥调度模块建立应急指挥调度模块，将应急预案与现场情况综合展示，为应急工作人员提供最需要的信息，方便指挥调度中心及时开展远程指挥调度工作。3.6 巡检管养系统升级3.6 巡检管养系统升级（1）病害精细化管理，关联相关历史病害，拆建桥梁构件，更精准地对病害位置进行定位。（2）巡检功能升级，建立电子化管养工作流程，统一病害描述细化和录入标准，实现桥梁巡检结果自动化评估6。该系统囊括了桥梁巡检管养全流程，极大提升工作效率。3.7 数据可视化展示功能升级3.7 数据可视化展示功能升级采取 3D 引擎结合虚拟仿真技术、多媒体分析技术、数字孪生技术和网络技术，将桥梁和相关数据以三维可视化的形式展现出来。同时提供多样的图表交互，提升分析交互性，让系统数据逻辑更清晰。对现有的BIM+GIS展示功能进行升级，将其与桥梁管理与养护紧密集合，提供 BIM+GIS 桥梁实景展示，优化升级设施管理、巡检信息管理、监测信息展示等功能3。3.8 完善网络安全性3.8 完善网络安全性按照信息安全网络安全法、等级保护二级的安全技术要求，结合系统对信息安全防护能力的差异性进行安全需求分析，以现有信息安全建设成果为基础，完善了系统基础安全防护的建设。为了维护网络空间安全，同时对系统密码应用的合规性、正确性、有效性进行评估，合格后系统才重新投入运行。4 结语城市桥梁智慧管理系统的构建，促进了与经济和社会相适应的城市桥梁安全保障体系的建立，有助于全面保障城市的公共安全，推动了“智慧城市”与城市桥梁管理信息化的实现。随着系统平台的改造升级，有力推动了高频信息滞后处理向实时在线信息处理发展、片段信息分析向综合信息分析发展，实现了监测智能化、网络互联化、动态实时化、覆盖全面化、现实虚拟化的目标。任 凯 彭丽丽：城市智慧桥梁管理系统的现状分析及优化市政设施管理Shizheng Sheshi Guanli-55-第 3 期（总第 146 期）2023-09-25全息感知与数据融合平台在未来交通智能化建设中依然是核心。历经多年发展，我国的智能交通技术基础体系已经有了长足的进步，然而随着技术的进步，智能交通系统的需求也在不断变化。在感知层面，诞生了高清复合检测器、雷视设备、高精地图、边缘融合算法等更加精准的新感知技术。与此同时，在数据层面，随着互联网大数据在交通领域的实践应用，对传统交通行业数据形成了补充，从而增加了数据的广度。在此新技术、新需求的大背景下，交通管理也正面临着新一代感知体系的迭代升级。本文在深入研究交通管理应用