基于WebGIS技术的苏州市桥梁管理信息系统的研制

杨朝辉，陈志辉，唐 毅，何继峥

（苏州科技大学 环境科学与工程学院，江苏 苏州215009）

基于WebGIS技术的苏州市桥梁管理信息系统的研制

杨朝辉，陈志辉，唐 毅，何继峥

（苏州科技大学 环境科学与工程学院，江苏 苏州215009）

随着我国城市建设的大规模发展，如何对桥梁进行有效的管理、分析与维护已是一项迫切的问题。根据苏州市桥梁管理的现状，研制开发了基于WebGIS技术的苏州市桥梁管理信息系统。首先介绍了系统研究与开发的总体思路、功能结构设计与数据库设计，然后重点对数据采集与监测、数据管理与显示、数据分析与健康评价等主要模块进行了阐述。该系统整合了摄影测量监测与桥梁健康评价等新功能，具备一定的实用性和扩展性。系统的试运行结果表明，结合WebGIS与数据库等技术对苏州市桥梁信息进行管理，能够有效整合桥梁属性数据与空间数据，并且科学地评价桥梁健康状态。系统具有操作简单、可视化强的特点，可提升桥梁信息管理的工作效率，为社会提供有益的服务。

地理信息系统；桥梁；健康评价；网络GIS

桥梁管理信息系统是近年来出现的一个多学科、跨领域的工程技术集成系统，它涵盖了桥梁结构工程、工程管理、系统科学、信息科学、计算机科学等多种相关学科[1－2]，以桥梁的各类监测数据作为基础数据，通过对桥梁综合状况进行科学合理的监测、分析与评定，将桥梁划分为健康状况良好、局部轻微破损、结构性能退化、功能丧失等不同的健康状态，据此对桥梁的未来健康状态进行预测，从而实现对桥梁安全性的分析、评定和评价。系统对于改善桥梁维护和管理水平，确保行人和车辆的通行安全，合理地优化配置维护资金能起到很好的作用，为桥梁的维护和加固提供科学的决策方案[3]。桥梁管理信息系统最早始于20世纪70年代的美国，经历了由简单到复杂、由单项数据分析到多项数据综合分析的信息处理的发展过程[4]。经过多年的努力，美国、加拿大、英国、澳大利亚和日本等国家已经建立起了可实际应用的桥梁管理信息系统。国内桥梁管理信息系统的发展始于20世纪80年代中期，与国外相比起步相对较晚，大部分由各省市的桥梁养护管理部门根据各自的需求来开发研制。目前我国已先后开发了四川、广东、北京等地的桥梁管理信息系统[5]。总体而言，上述系统大多通过构建桥梁各类信息的庞大数据库系统而提供基本的查询、检索与报表等服务，系统结构和功能都相对简单，没有过多的包括对桥梁技术状况的评价功能、维修养护计划决策功能与桥梁健康综合状况评估功能，在实际应用中有很大的局限性，较难帮助桥梁管理者做出快速正确的决策。

作为江南水乡的苏州市，市域内河网水系发达，桥梁在苏州交通网络中起着至关重要的作用，桥梁的维护管理工作非常繁重。苏州市形式多样的桥梁不仅数量大，结构体系也比较复杂，桥梁设计荷载标准差异巨大，承载力各不相同。这些特点都给苏州市桥梁的监测、检查、评价与维护带来了许多困难。传统的管理方法与模式已不能匹配苏州市桥梁的现代化管理，会造成桥梁信息分散、程序繁琐、管理效率低下，很难对桥梁进行科学有效的评价和正确的决策，从而导致桥梁的使用安全隐患。目前，苏州市现有的桥梁管理系统基本上属于桥梁档案数据库，功能和结构比较简单。少数的监测与分析模块功能也比较单一，尚处于研究的初级阶段。在此背景下，笔者研制了基于WebGIS技术的桥梁信息管理系统，该系统在桥梁信息数字化管理与显示的基础上，融合了摄影测量监测与健康评价等功能，能够得出更客观科学的评价结果，为桥梁的健康提供良好的决策依据。进一步促进苏州市桥梁管理的科学化、系统化、数字化与规范化，有效地避免桥梁灾难性事故的发生，切实保护人民群众的人身安全。

1 系统总体设计

1.1 总体思路

桥梁管理信息系统是集桥梁数据监测、养护管理、统计分析等功能的综合管理系统。地理信息系统（Geographical Information System，GIS）技术具有强大的图形表现与三维可视化展示能力。将GIS技术应用于桥梁管理信息系统，可以提供给用户特定的桥梁地理信息，并实现对桥梁的快速查询与有效的数据空间管理[6]。基于GIS技术的桥梁管理信息系统主要应具有以下作用：（1）快速采集桥梁相关监测数据，并方便导入系统；（2）有效地管理桥梁数据，并进行生动形象的三维展示；（3）提供经济合理的维护策略和手段，实现桥梁健康评价等复杂分析功能，为管理部门及时准确地作出科学决策提供技术支持。

文中基于WebGIS技术的桥梁信息管理系统研制的总体思路如下：（1）获取包含桥梁矢量数据的苏州市数字地图，并根据桥梁信息特点和桥梁管理的需求，构造桥梁信息基础数据库。（2）运用WebGIS技术建立网络版的苏州市桥梁信息管理系统，在客户端提供友好的人机交互或条件查询界面，在线向用户发布桥梁健康状态信息和运营情况。使数据资源可以在不同的机构、部门与组织之间进行共享，服务于整个社会。在提高桥梁信息数据利用率的同时降低整个系统的运行成本。（3）在对原始监测数据进行空间查询、统计分析与回归分析的基础上，进一步研制摄影测量桥梁健康监测方法与开发桥梁健康评价等复杂分析功能，运用GIS强大的空间分析能力和对桥梁空间结构信息管理的优越性，实现高效准确的桥梁信息监测与健康评价，并通过图形或报表等形式进行直观形象的可视化显示，为相关管理部门提供科学的决策依据。

1.2 功能结构设计

在充分借鉴国内外桥梁管理系统先进经验的基础上，选择ArcGIS Server作为开发工具，借助数据库技术、软件工程技术与传感器技术，并结合C#、ASP.NET Ajax和SQL Server 2012数据库，开发出能够真实反映桥梁相关信息与当前状态，并能够对桥梁健康状态进行科学评价的苏州市桥梁管理信息系统。

该系统基于B/S模式，主要包括了Web服务器、客户端浏览器和数据库服务器三个部分，可实现跨平台、分布式的数据访问和管理，展示桥梁相关的地形、地貌、结构物以及附属物等空间与属性信息，并可以实现定位、查询、统计、监测、分析与健康评价等功能。为实现桥梁信息处理与管理的网络化，整个系统的开发与运行基于客户服务器体系结构的思想。系统主要框架如图1所示。

图1 系统框架图

系统功能模块主要包括数据采集与监测、数据管理与显示、数据分析与健康评价、系统参数设置等主要模块。系统的功能结构如图2所示。

图2 系统功能结构图

1.3 数据库设计

空间数据库是该系统的重要组成部分，结合SQL Server大型关系数据库和GIS数据库来建立。空间数据库由动态数据库、静态数据库和分析评价结果数据库等组成的建立在服务器端的数据库[7]，用来管理从传感器采集来的监测数据、桥梁与传感器的信息与各类分析评价的结果。建立静态数据库存贮那些不变或较少变化的静态空间与属性数据；建立动态数据库存贮随时间变化的监测数据，动态数据库需要定期备份和更新，可以被不同用户所共享；建立分析评价结果数据库存贮桥梁分析与健康评价结果，比如载荷响应分析、结构健康分析、损伤探测以及疲劳分析等。用户在客户端使用系统的浏览、定位或查询功能，可以从服务器端调出各类传感器在任意时间段内采集的原始监测数据，也可以得到进一步的分析评价结果。同时，可利用系统的可视化显示功能，对原始数据、计算过程与分析评价结果以图形图像的形式直观地展示给用户。

2 系统主要模块

2.1 系统参数设置

系统参数设置模块提供人机交互界面，使得开发人员与用户可以方便地改变系统参数设置，并可以按照不同的级别对登录人员进行使用授权，有利于系统安全和数据信息查看、数据正确录入等。

2.2 数据采集与监测

数据采集与监测模块通过激光测量装置、摄影测量装置、疲劳探测仪、位移传感器、加速度计等设备完成桥梁压力、结构和振动等参数采集、实时监测、远程传输及系统导入功能，为其他相关模块提供监测数据源，从而满足数据处理、分析、评价、决策与维护等的需要。其中，可将无线传输模块部署在桥梁附近，实现对桥梁的传感器数据进行采集和传输。采集数据通过GPRS/CDMA通讯模块、TCP/IP通讯模块和串口通讯模块可传入桥梁信息系统控制组件，并贮存入数据库。

桥梁数据采集与监测的内容主要包括：（1）桥梁工作环境监测。包括桥址处的温度、风速风向、交通载荷及其分布情况。（2）三维位移监测。主要包括塔偏、主梁挠度及伸缩缝（裂缝）位移监测[8]。结合三维位移监测数据与工作环境监测数据，可进一步分析位移与温度之间的关系、位移与车辆载荷的关系、位移与风速的关系等。（3）桥梁力学性能监测。包括桥梁结构控制部位的应力应变测量、索力测量、振动频率测量等。

以基于数字摄影测量的伸缩缝（裂缝）位移监测方法为例。首先使用数码相机对桥梁裂缝进行拍摄，采集裂缝的单张影像（图3）；其次在相机标定的基础上完成对原始影像的畸变纠正；然后使用Wong-Trinder圆点定位算子自动定位出10个控制点并进行二维直接线性变换，将影像投影于物方空间；最后采用基于卡方检验的边缘检测算子精确提取出裂缝边缘[9]，并用最短距离法计算出裂缝的宽度，实现桥梁裂缝的位移监测。该方法的流程如图4所示。

图3 基于摄影测量的桥梁裂缝位移监测

2.3 数据管理与显示

数据管理与显示模块实现对结构静态数据和动态数据的管理与可视化显示，提供空间数据与属性数据的维护、定位与报表打印，以及空间数据三维可视化显示等功能。系统中的数据实行数据库分级存储与管理，可以进行桥梁信息的查询、管理与报表输出。通过报表处理模块，可以进行实时监测数据和历史统计数据的自动提取，并根据要求生成日报表、月报表与年报表等。报表内容包括监测数据单项统计、技术状况统计、维修数量统计、维修经费统计、桥梁结构健康评价等。

系统提供数据的可视化显示功能，可以导入整合各类原始采集与监测数据，进行解算与初步分析，并对分析处理结果以三维图表等形式进行可视化显示，例如监测点在三维方向上的位移曲线图、温度与桥梁载荷之间的关系图等。这种可视化显示是直观分析桥梁健康的强有力手段，可以清楚地反映出桥梁结构的动态变化情况，并且方便用户在客户端进行查看（图5）。

另外，使用影像全站仪和激光扫描仪等设备构建桥梁的三维模型，全方位查看桥梁的结构与局部部件，真实地反映桥梁局部部件之间位置和与整体之间的关系，为进一步进行结构分析和桥梁健康评价提供详实的数据准备。

图4 基于摄影测量的桥梁伸缩缝（裂缝）位移监测流程图

图5 客户端显示界面

2.4 数据分析与健康评价

数据分析与健康评价模块提供数据的监测、查询与统计，以及变形预测分析、桥梁健康评价等核心功能，并提供各种分析评价报告的查询、显示、打印和下载功能。此模块是该系统的核心，采用算法仓库，针对各类信息进行相应的处理，以保证数据的有效性和可用性[10]。

2.4.1 变形预测分析

通过对监测数据的科学分析，不仅可以了解到桥梁结构过去和现在的工作状况，还可以预测未来状况的趋势。如何从众多监测数据中准确提取出与结构密切相关的信息并作出准确的变形预测，是进行桥梁健康状况精确评估的基础。

以某桥梁钢箱梁挠度变形预测分析为例，影响预测目标桥梁挠度的因素有很多种，采用多元线性回归模型可以有效解决多因素间的相关关系。多元线性回归模型的原理是使用最小二乘法来确定多元线性回归模型的回归系数和常数项[11]。多元线性回归模型的形式如下

式中，x1，x2，…，xm是影响预测目标桥梁挠度的多个因素（比如混凝土收缩、钢束预应力损失等），y是变形预测值，β0，β1…，βm是未知的参数，ε 是随机误差。

2.4.2 桥梁结构健康评价

桥梁结构健康评价是近年来桥梁健康监测领域的发展新趋势，它融合了现代传感技术、网络通讯技术、信号处理与分析、数据管理方法、计算机视觉、知识挖掘和决策理论等交叉领域的知识和技术，极大地拓展了桥梁健康评价的内涵，提高了评价的科学性与可靠性[12]。

桥梁结构的健康状态主要包括桥梁的适用性、耐久性、安全性、可靠性和协调性。桥梁状态评定指标的一般公式为[13]

式中，PI为桥梁健康状态指标；Ki为第i个缺陷权重；Fi表示第i个缺陷；a，b，c，…为对应的缺陷属性。

综合考虑桥梁外观检查、日常巡检及结构健康检查分析结果，得到桥梁健康综合状态评分公式[12]，该公式依据桥梁管理的主观评分和结构健康监测的定量分析结果。

式中，i=1，2，…，n是对桥梁状态有重要影响的桥梁单元；Wi为构件在整个桥梁系统的权重；ki为Wi的标准值；Ri是对桥梁上每个单元最差的状态评分，公式如下

其中Wi1为目测及巡检结果对应的权重，Wi2为结构健康监测分析结果对应的权重，Wi1+Wi2=1。

3 结语

以苏州市桥梁为研究对象，结合数据库技术、传感器技术和软件工程等技术，基于ArcGIS Server研制了苏州市桥梁管理信息系统。该系统在实现常规的桥梁信息采集、数据处理、数据管理与数据分析的基础上，补充了基于数字摄影测量的伸缩缝（裂缝）位移监测等新方法，重点开发了整合桥梁外观检查、日常巡检及结构健康检查分析结果的桥梁健康综合评价功能，使之能科学、有效、合理地对桥梁进行评定、评价维护和管理，实现对桥梁信息数据科学管理的目的，提高桥梁现代化管理效率和管理水平，并且基于网络B/S开发模式实现资源的信息化与共享化，为社会提供有效的服务。

当然桥梁管理信息系统的研制是一项复杂的系统性工程，与许多学科紧密联系，所涉及的问题较多。该系统使用的监测数据仍不全面，数据分析方法、桥梁健康评价等模型仍需在今后的研究工作中作进一步的补充与完善。

[1]李新平，符锌砂.城市桥梁管理信息系统（MBMS）[J].计算机工程与应用，2003（11）：220-222.

[2]何春.基于ArcGIS Server的桥梁信息管理系统[D].成都：西南交通大学，2008.

[3]任晓东.桥梁管理信息系统应用研究[D].西安：长安大学，2011.

[4]MIYAMOTO A，KAWAMURA K，NAKAMURA H.Development of a bridge management system for existing bridges[J].Advances in Engineering Software，2001，32（10/11）：821-833.

[5]梁铮，曹明兰.国内外桥梁管理系统发展综述[J].建筑管理现代化，2007（4）：54-56.

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[7]程朋根，李大军，史文中，等.基于GPS、GIS技术的桥梁结构健康监测与管理信息系统[J].公路交通科技，2004，21（2）：48-52.

[8]王翔，王鹏，程辉.基于机器视觉的桥梁形变在线监测技术研究[J].公路工程，2014，39（1）：198-201.

[9]杨朝辉.基于卡方检验的SAR图像道路检测算法[J].计算机工程与设计，2012，33（5）：1923-1927.

[10]谢浩，李娜，冯良平.桥梁结构健康监测系统软件平台设计[J].公路，2014（3）：76-80.

[11]沈月千，黄腾，陈喜凤，等.逐步回归分析在桥梁挠度变形预测中的应用[J].工程勘察，2012（7）：79-84.

[12]常军.桥梁管理系统与结构健康监测系统的信息融合[J].苏州科技学院学报（工程技术版），2012，25（4）：9-14.

[13]YANEV B.Bridge Management[M].New York：John Willeyamp;Sons Inc，2007.

责任编辑：谢金春

Web GIS-based bridge management information system of Suzhou

YANG Zhaohui，CHEN Zhihui，TANG Yi， HE Jizheng
（School of Environmental Science and Engineering，SUST，Suzhou 215009，China）

With the large-scale development of municipal construction,how to manage，analyze and maintain the bridges efficiently becomes an urgent task.According to the current status of the bridges'management in Suzhou,we developed a Web GIS-based bridge management information system of Suzhou.First，we introduced the main design idea,the design of functional configuration and of database.Then，we described the main modules of data collection and monitoring，data management and visualization，data analysis and health assessment.This system,practical and extendable，integrated the new functions of photogrammetry monitoring and health assessment.The experimental results show that using Web GIS and database technology，the combination of bridges'attribute data and spatial data is efficient and the health assessment is reasonable.With the features of simple operation and interaction visualization，this system can improve the efficiency of bridge information management and provide helpful services for the society.

geographical information system；bridge；health assessment；Web GIS

P208

A

2096－3289（2017）04－0059－06

2016－02－22

江苏省建设系统科技项目（2014JH35）；江苏省环境科学与工程重点实验室开放课题（Zd131208）

杨朝辉（1976-），男，江苏常州人，副教授，博士，研究方向：GIS与摄影测量。