基于物联网和云技术的桥梁结构安全信息平台设计

周 敏，岳丽娜

(1.武汉理工光科股份有限公司，湖北 武汉 430070；2.武汉理工大学 光纤传感技术国家工程实验室，湖北 武汉430070)

基于物联网和云技术的桥梁结构安全信息平台设计

周 敏1，岳丽娜2

(1.武汉理工光科股份有限公司，湖北 武汉 430070；2.武汉理工大学 光纤传感技术国家工程实验室，湖北 武汉430070)

为强化路网桥梁安全信息化管理，基于物联网和云技术，整合桥梁健康监测、人工巡检、专项检测等桥梁结构安全信息，构建桥梁结构安全信息平台，实现多桥信息的集成化管理，开展有据可循的桥梁决策咨询与管理工作，提升桥梁管养水平。该平台采用通用化和标准化设计，安全、可靠、可扩展，易于产业化推广和应用。

物联网；云技术；桥梁；结构安全；信息平台

随着桥梁建设年限的增加，桥梁结构日趋陈旧老化，加之普遍出现的货运超载现象，对桥梁运营形成了较大的安全隐患。桥梁安全问题已成为各级公路管理部门工作的重点与难点。目前桥梁管理多采用传统的手段和方法，但传统方法个体差异性大，造成桥梁管理工作难以标准化、规范化，有限的养护资金难以发挥最大效益[1]。虽然各级公路桥梁管养责任主体针对桥梁管理信息化已各自开展了相关前期工作[2]，但现存的桥梁属地管理模式造成相关经营主体均自行负责信息系统建设，桥梁信息化安全管理模式较为松散。且依据传统手段所提供的检测信息个性化特征明显，对反映桥梁结构安全的重要参量无廉价、快速的检测手段，形成的检测结果多偏重于病害描述，而非安全结论。该现状造成了上级公路桥梁管养责任主体无法得到统一标准口径的桥梁信息，所依据的现有信息难以支撑路网桥梁的安全质量评判，这不仅是人力、物力、财力的浪费，还不利于紧急情况下形成相关部门之间的快速联动机制。为此，笔者利用物联网[3]和云技术[4]，从传统的面向过程的设计转向面向对象、面向服务的设计，搭建集成化的桥梁结构安全信息平台，由平台服务器统一管理各桥安全信息，提供开放的对外服务接口，实现用户之间信息的网络互通，便于管理者统筹规划养护资金和决策养护计划。

1 基于物联网和云技术的桥梁结构安全信息平台

基于物联网各桥梁结构安全信息接入互联网，实现集中管理，信息交换，进一步提高系统智能化水平，降低人工的强度与难度。同时针对结构安全管理不能直接使用原始采集数据的特性，通过云技术解决海量时间序列数据处理、专业计算分析、存储、接口服务需求。云技术将相关能力以服务的方式提供给用户，允许用户在不了解提供服务的技术、没有相关知识及设备操作能力的情况下，通过互联网获取所需要的服务。在桥梁结构安全信息管理领域，该平台的云技术与物联网是一个问题的两个方面，两者均以互联网为重要基础，云技术侧重于增强系统应用的专业性并提高计算分析智能化水平，物联网是获取桥梁结构信息的基本保证，两者互相融合，相辅相成。

1.1 平台搭建总体方案

按照国家相关标准规范[5-6]，有针对性地获取桥梁结构安全所需的关联信息，结合桥梁目前实施最多的桥梁人工巡检、专项检测及在线健康监测[7-9]工作进行电子化、网络化、标准化的信息获取，搭建安全信息平台进行桥梁安全数据集成管理，标准化数据统计分析、计算评估、镜像存储、对外服务及提供运营决策信息，形成桥梁数据信息管理规范和制度。

(1)安全信息平台架构。桥梁结构安全信息由信息平台负责搜集和整理。信息平台架构基于网络平台B/S模式，完成对桥梁群信息的管理决策，并为各级应用系统提供数据和功能服务，实现数据共享和功能复用。在数据中心通过IIS搭建应用服务，实现基于权限分配的多用户管理访问。桥梁安全信息平台总体架构如图1所示。

图1 桥梁安全信息平台总体构架

(2)WebGIS调用开发。建立调用WebGIS[10]的桥梁群网络地理信息系统平台，在统一的空间信息框架基础上提供桥梁群空间属性信息。以桥梁群空间信息的共享和建设为主线，整合桥梁地理空间信息，为空间数据的共享、业务系统的建设及各层次的辅助决策等提供空间支持和服务。通过网页交互操作GIS地图，直观查找某种查询规则下桥梁的位置、图片信息及文字资料，如图2所示。

图2 桥梁安全信息平台GIS界面

1.2 平台构建关键技术

从传统的单一系统设计方法转向集中化、专业化和产品化实施体制，采用大型分布式分级系统，实现系统的硬件、网络、数据采集、通讯、存储、备份、安装部署、服务接口、性能、决策支持、系统诊断等功能。

(1)桥梁结构安全数据库。构建桥梁结构安全数据库，保障桥梁结构安全多期信息的延续性和可比性，并兼顾信息平台在不断发展中扩充、升级及优化。该平台的数据可以分为结构化数据与非结构化数据[11]，其中结构化数据是指可以用关系数据库的表和视图的形式存贮和表示的数据。非结构化数据主要是以文档形式存在的数据，部分文档数据也可以具有一定的结构。平台将采用分布式关系数据库(各桥梁数据库)到集中式数据中心(桥梁数据集成平台)的方式管理结构化数据与非结构化数据，实现系统数据的统一管理。为了实现关系数据库统一管理系统数据，同时考虑海量数据管理和性能的问题，系统选用可跨越多版本服务器平台的关系型数据库SQL Server作为数据库管理系统[12]。桥梁结构安全数据库原始层负责记录桥梁结构服役状态的在线监测、人工巡检、专项检测等动态桥梁数据和静态桥梁属性档案，标准化管理未经处理的桥梁结构基本属性资料、动态更新信息；基础层面向监管和服务功能，在获取的桥梁各类数据基础上根据专家评估系统所需数据进行数据信息匹配关联与二次处理，实现信息查询、展现所需数据源关键字段识别，结构安全数据库如图3所示。

图3 结构安全数据库

(2)基于网络的信息传输。桥梁安全信息平台与各桥梁数据通过同步方式或异步方式，实现双向数据拷贝，利用分布式到集中式的关系数据库管理统一各类数据的一体化集成。结合国家最新规范要求及桥梁管理养护工作在规范实施中存在的难点，对桥梁结构安全信息主要包括在线健康监测、现场人工巡检和结构专项检测信息等进行网络化传输，作为桥梁结构安全信息平台长期、稳定、可靠的信息源，具体如图4所示。

图4 信息采集和处理

(3)基于安全信息平台的监管和服务功能。安全信息平台监管和服务目标是为公路桥梁管养责任主体决策桥梁安全管理重点和方向，为养护资金分配和计划管理提供量化依据，如图5所示。信息平台专家决策系统的主要功能包括：①分级进行功能定位与权限安全约束；②图表方式进行信息分类统计查询；③程序化、规则化进行结构安全状态评价信息的多期、多评价指标计算；④动态信息评价结果进行自动分类，制定面向不同需求设计自动分类结果的排序规则，基于自动分类排序结果制定管理养护预案策略。

2 基于物联网和云技术的桥梁结构安全信息平台实施

(1)实施技术路线。基于物联网和云技术的桥梁安全信息平台搭建需由包括桥梁结构工程、仪器与测量技术、通信网络、信号处理、计算机等专业技术人员联合实施，横跨多个专业领域，体系规模庞大，监测对象属性复杂，专业性强。该平台围绕从桥梁静态属性信息与反映桥梁结构安全的动态信息录入角度，开展桥梁基本属性分类、人工巡检电子化、桥梁专项检测及多信息网络化定位接入；从信息的使用角度，构建桥梁结构安全信息基础数据库，开展以保证桥梁结构安全、及时管理养护为目标的专家系统。总体实施技术路线框架如图6所示。

(2)平台应用。该系统的界面采用当前主流深色调UI界面、多色彩数据高亮显示方式，如图7所示。系统主界面可进行多桥桥梁切换展示，提供平台服务功能、桥梁档案功能、结构监测功能、人工巡检功能、专项检测功能、领导查询功能、系统管理功能等，并提供公网访问职能，系统功能界面，如图8所示。

图5 安全信息平台监管和服务

图7 平台登录界面

图8 人工巡检功能界面

3 结论

笔者以物联网和云技术为基础，搭建桥梁结构安全信息平台，整合桥梁在线健康监测、现场人工巡检和结构专项检测信息，在桥梁结构安全信息数据量大的基础上提高了标准化、自动化程度，对多桥信息化集成管理实现了分期开展，提升了桥梁科学管养水平。

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TheKeyTechniquesofBridgeStructureSafetyInformationPlatformBasedonInternetofThingsandCloudTechnology

ZHOUMin,YUELina

In view of the road network bridge safety information management, based on the internet of things and cloud technology, integration of bridge health monitoring, artificial inspection and special testing to construct bridge, the safety information platform was built. It can realize the bridge information integrated management, carry out the effective bridge decision consultation and management, enhance the level of bridge maintenance. The platform design meets the general utilization and standardization. It is safe, reliable and extensible. This techniques is easy to industrial popularize and application.

internet of things；cloud technology；bridge；structure safety；information platform

2095-3852(2017)06-0765-04

A

2017-06-06.

周敏(1979-)，女，湖北武汉人，武汉理工光科股份有限公司高级工程师，主要研究方向为结构安全状态分析与评估、安全信息分析.

国家自然科学基金项目(61402345).

U446.2

10.3963/j.issn.2095-3852.2017.06.023

ZHOUMin:Senior Engineer; Wuhan WUTOS Co. Ltd., Wuhan 430070, China.