基于大数据平台的桥梁安全维护技术研究

程 辉，钟继卫，梅秀道，叶仲涛，王 翔

(1.湖北省健康监测重点实验室，湖北 武汉 430034; 2.中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司，湖北 武汉 430034)

1 建立大数据桥梁安全维护系统的必要性

21世纪宏伟的桥梁建设规模及与飞速发展的互联网技术缩小了人们交流和沟通时空，互联网技术在桥梁安全维护领域应用也得到了快速发展。

据统计，至2013年我国桥梁数量有73.53 万座，其中特大桥3 075 座，大桥67 667 座，总里程达3 349.44 万m，94%为中小桥梁位于县乡一级等通行能力差，技术标准低的公路上，其中荷载标准低，大约30%为3～4 类桥梁，大约15%为不能满足通行能力的桥梁。今后，桥梁重点将逐步从建设阶段转为养护维护阶段。这么大量桥梁运营维护安全工作成为十分紧迫的要求［1］。

桥梁在长期运营过程中，随着桥龄的增加，桥梁性能不断退化，桥梁损伤及病害不断增多，对桥梁养护及维护工作要求不断提高。为适应这种趋势和需求，我国规范针对桥梁项目维护内容、维护周期以及评定方法均作了明确规定。《公路桥涵养护规范》要求桥梁每月至少1 次经常性检查，定期检查最长时间不超过3 a［2］;《城市桥梁养护技术规范》中对桥梁技术状况监测及评价的内容、方法、周期都做了相应的规定［3］;《公路水运工程试验检测管理办法》对桥梁机具和设备等参数提出要求［4］，由此每座桥梁都产生大量的养护及维护数据。

桥梁数据表现出格式多样性和高维度的特点，不但包括文本、数字、图片及视频等多种格式的数据，还包括桥梁类型、跨度、支座类型以及桥梁应力、挠度等多个维度的数据。传统的桥梁检测、养护、信息存储及养护决策方式已经不能满足于现代桥梁安全维护的要求。随着移动互联网技术的发展，将移动互联网技术融入到桥梁安全维护系统中成为一种趋势。Sybase 公司组建Sybase 分析平台，通过复杂桥梁数据进行快速分析，尤其是在对高峰期数据分析进行了相关的探索，而我国在基于大数据平台的桥梁维护技术方面还不成熟，因此建立基于大数据的桥梁安全维护系统十分必要。

2 桥梁大数据

桥梁大数据具有数量大、多样化、快速化及信息密度低的特点［5］。每座桥梁桥梁具有完备的全寿命周期可备查询的数据，包括桥梁规划设计、建设、维护、检测、加固、专家知识等信息数据，以及依靠先进技术建立的GIS 系统数据、3 维模型及桥梁分析数据。如图1。

2.1 桥梁建设资料、监控资料和施工资料

对于运营桥梁来说，初始的桥梁档案包括桥梁设计过程所产生的图纸、文件、宣传资料、试验数据及报告，以及和施工过程所需的项目计划书、招投标书、合同、验收报告、竣工图纸、会议记录、财务报表、人员及企业档案、产品说明书、技术指南、规范文档等等。这部分资料将作为桥梁维护的重要参考，并随着桥梁建成使用，数据不断得到扩充和更新。

图1 桥梁大数据的特点

2.2 桥梁健康监测数据

国内部分大型桥梁考虑到桥梁构件数量较多，人工巡检维护困难，在建设初期即安装了桥梁健康监测系统，桥梁健康监测系统包括数据采集子系统、传输子系统、数据控制及管理子系统、评估及报警子系统。数据传输子系统中的监测数据包括环境与荷载数据、桥梁静力响应数据与桥梁动力响应数据等3 部分数据［6］。桥梁健康监测系统数据量大小与传感器数量，采样频率设置相关，以普通型黄河特大桥桥梁健康监测系统为例，每天产生的监测数据大约为1.5 G，其中大部分为高频采样的动力响应数据以及桥梁视频监测数据［7］。如此海量的数据的分析、存储、查询及调用的难度可想而知。全国现阶段共完成300 多座桥梁的健康监测系统，监控数据不断实时增加，并要求系统进行实时分析评估与报警，后期分析评估及报警数据也不断新增。随着桥梁健康监测系统数据挖掘工作及评估技术的发展，从桥梁健康监测数据中挖掘更多的信息内容也在不断扩大。

2.3 桥梁维护及养护数据

《公路桥梁评定规程》以及《城市桥梁养护规范》对桥梁养护巡检周期、巡检内容均有要求。在桥梁全寿命周期中，以每座桥按照规范要求每月进行一次巡检，每年进行一次定期检查，10 a 进行1 次检定和特殊检查，每座桥梁的检测项目均不出现遗漏，包括主梁、墩柱及支座等基本内容。全国76 万座桥梁，每座桥梁每发生一次检测资料平均30～50页，由此产生的检测数据容量非常巨大。这些养护资料不但需要进行本桥全寿命周期内的性能趋势分析，也需要实现同类型桥梁横向对比，包括养护方式，养护频率等对比分析，以保证最优的桥梁养护效果。充分全面的桥梁数据对于更好地把握桥梁状态十分重要，而桥梁数据越大，桥梁维护及养护数据分析工作则越困难。

2.4 桥梁分析数据

桥梁从建立之初的桥梁分析数据包括基于设计资料建立的有限元分析数据，以及有限元建模所需要的CAD 图纸数据，材料属性数据;为完成桥梁交竣工进行荷载试验的有限元模型及桥梁应力应变、挠度分析数据及参数指标。桥梁长期运营后，桥梁性能劣化进行的桥梁模型修正数据，以及为模型修正分析提供的桥梁状态及监测采集数据。为使桥梁性能恢复，对桥梁进行加固时的桥梁加固设计模型分析，加固后的桥梁指标分析，以及使桥梁性能恢复到设计状态的对比数据分析。除此以外，对于部分中小桥梁定期监测的桥梁线形分析数据，沉降监测及分析数据。

基于《公路桥梁评定规程》以及《城市桥梁养护规范》进行的评分机制，桥梁劣化指标判定都属于桥梁分析数据的来源，也是桥梁养护决策的重要依据［8］。

2.5 桥梁决策数据

桥梁全寿命周期内，对桥梁进行性能恢复所作出的决策是桥梁重要的信息数据［9］，是桥梁综合性能阶段性提升的策略和途径。桥梁决策数据一般包括多方面的数据:桥梁性能劣化发展原始数据、桥梁数据分析及原因数据、规范相关指标数据、桥梁加固及改造数据、桥梁修复决策数据。

3 大数据平台功能

桥梁大数据平台依靠云技术、互联网技术、数据库技术、多媒体技术、数据分析技术、数据挖掘技术、虚拟现实技术，实现桥梁数据的信息化、便捷性、智能性、时效性、统一规范、安全性等内容［10］。

完整的桥梁资料及快捷的查询服务是延长桥梁寿命，提高桥梁性能的基本要求。桥梁大数据不但包括桥梁自身建设、养护及分析数据，还包括桥梁车辆荷载数据，天气及温湿度数据。因此建立大数据平台的目的包括:

1)大数据桥梁安全系统为实现桥梁安全维护资料的全面性、完整性，以及为桥梁维护、管理的便捷性提供良好的平台。

2)为不同级别、不同地区的管理用户对线路级或路网级桥梁提供便捷的智能化管理平台，通过平台实时了解桥梁状态，实现桥梁相关资源共享，提供一种新的桥梁安全维护的合作模式和革新方式，提高桥梁管理远程协助能力。

3)为桥梁管理人员提供快捷查询，多角度、多方位、多层次的提供桥梁对比信息，为桥梁快速、准确及有效的决策提供高质量的服务。

4)为使用用户提供可视化、友好界面、安全快速、全面的桥梁服务功能。

5)为巡检人员科学制定巡检任务及计划，提供完备的检测方案，预备检测工具或推荐完善的解决方案及更适用的检测仪器。

6)通过大数据平台实现大规模数据的解决方案，避免大面积的灾难事故发生，及早预防。

7)为桥梁加固提供解决方案，并方便用户对桥梁加固及资金的合理管理，透明分配。

4 大数据平台的架构

大数据平台整体架构是由多个分布式微云平台组成，采用一定的拓扑结构，通过网络传输实现平台内数据互联互通。大数据平台整体架构包括硬件层、网络层、数据层、逻辑层、软件层及应用层(图2)。大数据平台具有开放、自由、统一规范的特点，平台内的用户之间提供信息、资源、存储、查询、统计及分析等共享服务［11］。

1)微云平台是桥梁大数据平台的数据来源，包括数据来源、数据存储、数据分析、数据整合及用户多样性展示等功能。微云平台信息来源非常广泛，既包括桥梁结构性信息，也包括非桥梁结构性信息，例如实时天气信息，路况信息，地震台风等信息，为其他用户实时收集和传播信息数据。微云平台具有全面、灵活的配置特点。每个微云平台也包括硬件层、网络层、数据层、逻辑层、软件层及应用层，在满足桥梁大数据平台下的安全性及统一性要求的情况下，既可以由单台服务器或多台服务器组成，也可以由移动终端组成，实现资源共享，为平台提供服务或获取相关服务［12］。每个微小云平台在大数据平台内具有同等地位，但根据每个微小云平台的存储介质大小、平台硬件数量多少，运算能力快慢，以及网络速度的快慢分配不同的逻辑分析、运算能力及优先级别。

图2 桥梁大数据平台整体架构图

2)硬件层包括前端采集设备及传感器，传输层的网络或3 G 传输设备，以及云中心的数据存储服务器，网络安全防火墙以及后端的展示平台。

3)网络层包括物理接入以及安全防护两部分，保证数据通讯以及数据通讯安全，包括寻址和路由选择、连接的建立、保持和终止功能。大数据平台的网络拓扑结构复杂，网络层对平台下的通讯网络的管理，实现资源子网联通平台网络的方式。网络层需要实现查询时间、容量的均衡性。

4)数据层包括提供数据存储架构，存储模式、中心数据库，是整个系统的核心。数据层下的中心数据库分为数据数据库、逻辑数据库、地址数据库。为实现网络层快捷寻址，数据层中的数据库结构应保持一致，使存储保持规范与统一。

5)逻辑层主要规划数据流程处理及查询路线，调度数据流程。

6)软件层包括用户管理软件、数据录入软件、地理信息软件、数据分析软件、评估及报警软件、数据查询软件以及信息统计软件。软件层是连接数据层与应用层的重要环节，主要对原始数据进行操作，牵涉到较复杂的算法，软件层要满足健壮性、安全性，对软件响应时间、系统响应时间和应用延迟时间、吞吐量、并发用户数、资源利用率满足相应的指标。

7)应用层直接面对用户，为用户提供多元化，定制化的服务，为用户提供快捷查询，满足用户需求。应用层包括对用户体验感，意见回收处理。

5 桥梁大数据平台功能模块

桥梁大数据平台按照功能模块及用户需求进行划分，主要包括用户管理子系统、桥梁地理信息系统、桥梁档案及资料子系统、桥梁信息录入及发布子系统、桥梁维护及管理子系统、桥梁加固维修子系统等6 个部分。

5.1 用户管理子系统

桥梁大数据平台具有自由、开放的特点，因此平台用户具有复杂性。用户管理子系统主要对用户注册、登录权限进行分配及管理，对不同组织机构、不同部门用户实行角色权限管理。并根据用户的角色权限开放不同的功能。

5.2 桥梁地理信息系统

桥梁地理信息系统利用虚拟现实技术，将移动GPS 定位与桥梁空间定位相结合，实现桥梁快速定位。通过地理信息系统实现桥梁可视化，对桥梁进行三维或二维展示，标注桥梁属性、状态以及模拟桥梁周围环境，提高用户的体验感与参与。并根据不同权限用户定制的桥梁信息，开放桥梁相关的图纸信息、视频信息、维修检查及其他信息内容。

5.3 桥梁档案资料子系统

桥梁档案资料子系统主要对桥梁全寿命周期的桥梁资料进行管理，提供查询服务功能。桥梁档案资料包括数字、文本、图片及视频等多种类型的格式，主要采用数据库管理方式对资料进行归纳和管理。数据库根据桥梁信息属性统一进行存储，以实现桥梁信息查询的便捷性，快速实现桥梁信息的定位、收集及统计功能。

5.4 桥梁信息录入及发布子系统

桥梁信息录入子系统主要基于智能终端的数据录入方式，充分应用新技术、新设备实现桥梁信息的高效采集，充分减轻管理人员的工作量，显著提高工作效率。实现对桥梁病害信息的全面采集，以及对病害的文本描述信息、照片、位置信息录入、病害养护过程记录、病害分析及养护决策。支持本地计算机的同步传输和无线网络的实时传输，对道路通行影响较大、危害大的重大病害，实现数据的实时传输，增强对重大事件的应急响应能力。

桥梁信息发布子系统对需要经常变动的信息，如桥梁交通信息、桥梁维修加固信息和桥梁动态等更新信息集中管理，并通过系统进行发布。

5.5 桥梁维护及管理子系统

桥梁维护及管理子系统主要对维修方案进行定制，编制养护任务单，按照养护任务单记录养护信息或者添加单条养护信息，对养护进行验收，维修保养台账，养护工程合同管理。编制维修方案、维修保养任务单，自动生成台账，按照任务单进行养护，填写养护信息，添加任务单之外的养护信息，按照任务单进行工程验收，填写工程报验单，记录病害处理方法。

5.6 桥梁加固维修子系统

桥梁加固子系统主要对桥梁加固方案，加固资金等进行管理，包括对桥梁病害情况介绍，病害原因分析，专家意见，加固方案，加固效果以及加固资金的管理。桥梁病害、原因分析以及加固方案等重要信息进行分类管理，以便于用户的查询。

6 桥梁大数据平台应用

6.1 桥梁综合信息

桥梁主要承担交通功能，桥梁大数据平台向公众发布桥梁安全信息、交通信息以及天气信息，为公众出行提供出行参考。桥梁所处线路上的桥梁交通信息在大平台上实现资源共享，包括摄像头信息、监测信息以及天气信息，改变桥梁被动或事后反映的境况，实现桥梁的预测性预警，提前向公众发布预警信息。

超载对桥梁的影响较大，轻则使桥梁损伤加大，寿命减少，严重时导致桥梁垮塌。通过大数据平台对超载车辆类型统计规律分析，超载司机的统计规律分析，以及超载车辆通行时间规律的分析，向交通管理部门以及公众发布相关超载信息，实现桥梁超载治理。

6.2 智能化养护

良好的桥梁维护可以延长桥梁寿命，减少桥梁病害出现的风险，有效减少桥梁病害的发展。大数据平台可实现桥梁养护的智能化与便捷化。通过大数据平台智能提供养护计划，养护要求，进行养护设备的合理配置，向养护人员实时提供桥梁历史养护信息，为养护提供参考，根据养护完成内容制定下阶段的推荐内容及方案。

大数据平台可根据养护人员的不同需要，提供相关的内容，包括对养护设备管理，设备维护及标定提醒，推荐精度更高的维护设备以及进行设备升级等。

6.3 多元化桥梁决策

大数据平台实现了桥梁维修加固的多元化决策。通过桥梁大数据平台，对桥梁病害发生及发展历史进行分析，实现对桥梁病害发展对桥梁影响的整体及全面分析。通过平台对同类型桥梁发生病害进行对比分析，对病害的规律性进行统计分析，包括对病害发生的原因进行统计，判断病害属于普通病害或特殊病害。对桥梁病害信息全面性掌握后，通过平台远程协作及专家库，请求专家提出相关检修及加固意见，最后综合专家意见对桥梁病害及缺陷进行加固方案决策。

6.4 便捷化办公

利用桥梁大数据平台还可以实现便捷化办公，提供个人日常办公管理功能，包括工作计划管理、日程安排、通讯名录、个性设置等功能;提供公文的收发管理功能，包括收文登记、发文拟制、公文办理、公文催办、公文跳转、归档销毁、公文查询等功能。

7 结语

由于桥梁安全养护涉及到海量的数据，传统的养护技术已经不能满足现代化桥梁养护的需要。本文通过对养护数据类型的来源分析和数据特点，提出采用桥梁大数据平台解决现阶段桥梁养护的问题，并对大数据平台建设目的，整体架构、功能模块划分及应用进行了阐述。随着桥梁养护技术的发展，大数据平台将会与更多领域提供广泛应用，为人们生活提供便捷化服务。

［1］中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司.武汉二桥健康监测系统报告［R］.2014.

［2］JTGH11 －2004，公路桥涵养护规范［S］.

［3］CJJ 99 －2009，城市桥梁养护技术规范［S］.

［4］中国交通运输部(交通部令2005年第12 号)，公路水运工程试验检测管理办法［S］.

［5］陈艾荣，等.大数据时代的桥梁维护与要全［J］.上海公路，2014(7):17 －23.

［6］程 辉，等.轨道交通桥梁运营期桥面线形监测数据分析［J］.桥梁建设，2011(5):32 －36.

［7］程 辉，等.基于应力与挠度比值矩阵对铁路桥梁状态评估研究［A］.健康监测论文集［C］.2014.

［8］钟恩扬.桥梁动态智能管养系统设计初探［J］.公路交通技术，2008(4):81 －87.

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［12］张 亮.应用云技术打造通信系统集中网管平台［A］.中国智慧城市论坛论文集［C］.2011.