多源信息融合的城市桥梁综合管理系统设计

梁 柱

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

随着城市交通的不断发展，越来越多的城市高架桥或跨越水系的桥梁投入使用。由于景观上的需要，部分城市桥梁造型独特，结构形式多样，桥梁已经成为城市景观的一张名片。随着经济的发展，城市交通量和交通荷载不断增大，加上一些建设年代较早的桥梁也日益老化，这些桥梁在为城市发展发挥积极作用的同时，也对城市桥梁管理工作提出了更高的要求。桥梁运营安全与人民生命财产安全息息相关，为了确保桥梁安全运行，更好地进行桥梁的监管、养护工作，需要辅有先进的技术手段对桥梁进行现代化科学管理。2014年6月23日，住房和城乡建设部下发了“关于加快城市道路桥梁建设改造的通知”(建城〔2014〕90号)，通知指出“2013年底，全国城市道路33.6万公里，城市桥梁近6万座，城市道路桥梁养护管理任务日趋繁重。”通知要求“推进城市桥梁信息系统建设。各地要结合城市桥梁档案管理、维修养护要求，加快建立完善城市桥梁信息管理系统，并根据桥梁运行期间的各种检测数据等，及时更新城市桥梁档案信息，实现城市桥梁信息数据的动态更新和管理。”在上述背景下，不少城市开始推动桥梁信息管理系统建设[1]。早期的城市桥梁信息管理系统通常侧重于对桥梁的基本档案及日常检查、养护等信息的管理[2,3]，随着物联网、大数据、云计算等新一代信息技术的发展成熟，综合利用桥梁在线监测、检测、交通监控等多种信息化手段，建立基于多源信息融合的城市桥梁信息管理系统可以对城市桥梁实行多技术、多层次的统一管理，全面掌握桥梁结构的安全使用情况，提升桥梁管养科学化水平，为管养决策提供依据。本文以池州市桥梁综合信息管理系统的设计为例进行介绍。

1 系统设计原则

城市桥梁综合信息管理系统设计的目标是确保城市桥梁的安全运行，进一步提升城市桥梁的科学化管理水平，通过整合资源、合理规划，构建一个集约高效、技术先进、易于管理、开放兼容、实用经济、符合城市桥梁管理需求的现代化、信息化管理平台。系统设计遵循的原则如下：

1.1 规范统一性

在现行国家及行业规范的基础上，规划设计统一的城市桥梁标准化档案信息格式、统一的桥梁在线监测数据接口标准、统一的数据处理与分析标准、统一的数据存储和管理标准、统一的报警处理标准、统一的巡检养护信息资料录入标准等，确保不同结构形式的桥梁管理体系保持统一。

1.2 技术先进性

城市级桥梁综合管理系统架构应涵盖所有管理桥梁的监测、日常巡查、检测、养护、维修、视频、过桥车辆及特殊事件管理信息，充分利用新一代信息技术如：移动互联网、物联网、云计算、大数据技术等，系统应具有一定的技术先进性。

1.3 经济性

采取点、面结合的方式，桥梁的信息化管理应覆盖全部市管桥梁，同时针对重点关注的大桥建立桥梁安全监测系统和交通荷载、视频监控系统，监测点的布设以选择代表性和关键部位为原则；管理中心资源尽可能功能集约、资源共享，节约投资。

1.4 稳定可靠性

系统设计采用目前成熟、稳定的硬件产品，技术性能和质量指标应达到相关国家标准。同时，采用虚拟化及双机热备方案，加强数据的定期备份，增加数据冗余度，确保系统运行的稳定可靠性。

1.5 安全性

系统设计严密、高效的安全机制来控制和管理系统，确保系统的稳定可靠、维护网络安全，防止“黑客”攻击和电脑病毒的侵扰。

1.6 可扩展性

随着城市建设的不断发展，可以预见到未来不断有新的桥梁会接入到桥梁信息管理系统中进行统一管理，因此系统平台软件及硬件设计应具备良好的兼容性和可扩展性。

2 总体设计方案

2.1 系统功能设计

在系统设计时，首先需要通过需求调研分析进行业务功能架构设计，目的是理清客户功能需求和系统功能边界，梳理系统内部各功能之间的关系。本系统的功能架构如图1所示。

图1 系统功能架构图

(1)地理信息模块(Web GIS)。本模块作为系统的主页入口，在地理信息系统中实现桥梁的查询、定位、关键信息展示以及接口模块跳转等功能。

(2)桥梁基本信息管理子系统。实现桥梁基本信息和档案资料的管理，包括录入、查询、修改等，建立桥梁，为每座桥梁建立数字化“桥梁档案”。

(3)桥梁巡查和养护子系统。实现桥梁日常巡查、定期检查、特殊检查、日常养护工作的闭环管理，包括巡检和养护计划的制定、巡检和养护现场录入(基于移动终端和APP)、巡检和养护记录查询、巡检和养护结果统计等。

(4)桥梁大中修工程管理子系统。实现对桥梁大中修特殊工程的管理，包括维修计划的制定、项目审批、维修结果录入、项目验收等。

(5)桥梁健康监测子系统。利用现代传感、测试、分析技术实现对重点桥梁的在线监测、数据处理与存储，数据展示与实时预警的功能。监测数据通过通信运营商光纤专线接入到城市桥梁管理中心机房。

(6)车辆动态称重及视频监控子系统。利用动态称重系统(WIM)实现对上桥车辆的总重、轴载、交通量的监控，实现桥梁不间断视频监控的功能。

(7)桥梁健康评估子系统。融合桥梁巡检、检测、在线安全监测、交通荷载监测获得的数据，对桥梁运行状态进行综合分析评估。

(8)后台管理模块。实现用户权限、构件库、病害库、措施库、桥梁配置、登录日志等系统管理功能。

池州市桥梁综合信息管理系统的业务拓扑图如图2所示。

图2 系统业务功能拓扑图

2.2 系统总体架构设计

根据系统的业务功能，形成本项目系统总体架构。总体架构分别为基础设施层、软件平台层、数据层、应用层、终端服务层，如图3所示。

图3 系统总体架构图

2.3 技术架构设计

(1)软件开发架构。系统软件开发设计采用B/S架构，其中前端Web界面开发应采用最新的HTML5标准，后台服务端采用Java作为主要开发语言，实时监测数据采集采用分布式消息队列(如Kfaka)作为数据异步处理主要机制，采用分布式数据库以提高系统吞吐量，采用分布式缓存技术提高系统查询速度，采用原生语言开发基于Android系统的移动端应用软件。

(2)大数据技术。综合管理系统中的桥梁健康监测系统的数据24小时不间断进行采集，随着时间的增加，数据量越来越庞大，将产生海量数据，如果使用传统的关系型数据库软件来管理监测系统的数据，在数据的处理、写入以及数据的存储、读取上都会越来越慢，如果不经过及时的维护及清理，最终会导致整个监测系统的崩溃。近年来，随着大数据技术的不断发展和成熟，采用分布式计算[4]、分布式存储[5]等大数据技术可以解决数据的高并发、大容量等问题。因此，系统设计建议采用流式大数据处理架构[6](如Storm)和分布式数据库存储系统来进行数据处理和管理。

(3)云计算技术。云计算和大数据是两个互相促进的技术方向，云计算可为大数据应用和管理提供良好的可靠的平台[7]。考虑到数据的安全性和私密性，在桥梁管理中心构建自己的云计算平台(私有云)成为一个可行的解决方案。根据系统的当前规模，管理中心云计算平台设计由一台虚拟资源管理服务器、三台高性能云计算服务器和一台磁盘阵列组成，未来可根据接入桥梁数量的增多进行资源的弹性扩展。

(4)虚拟化技术。虚拟化技术可以将服务器物理资源抽象成逻辑资源，变成多台相互隔离的虚拟服务器，让CPU、内存、磁盘、I/O等硬件变成可以动态管理的“资源池”， 所有的虚拟资源可以统一管理及调度，从而提高资源的利用率，对业务的变化更具适应力[8]。本项目设计将除了虚拟化资源管理服务器以外，其他所有服务器均设计为虚拟化架构，可以根据具体应用的负载水平进行服务器资源的分配及在线迁移，具有高度的可管理性。

3 多源信息融合

多源信息融合技术是把从不同空间或时间上获得的多个来源的同质或异构信息进行不同抽象层次的合并或集成，以得到有关实体、关系或事件的更完整、更精确、更可靠的信息或推论[9]。早期的城市桥梁信息管理系统通常侧重于对桥梁的基本档案及日常检查、养护等信息的管理，仅仅基于定期的、表观的桥梁检查结果进行的桥梁管养，已经不能满足智慧城市建设背景下市政基础设施管理的需要，基于多源信息的桥梁综合管理系统是综合利用桥梁基础信息、在线监测信息、日常巡查信息、定期检测信息、养护和维修加固信息、交通荷载信息、视频监控信息等多种信息化手段进行信息融合，实时、系统掌握桥梁运行使用状态，为管理者提供更全面、更准确的管养决策。

根据处理信息源所在的层次，信息融合可分为数据层融合、特征层融合和决策层融合[10]。

(1)数据层融合。数据层融合是对未经预处理的各类数据直接进行归纳分析，例如对多个同类传感器如应变传感器的数据进行综合分析；对桥梁检查出的病害按类型和数量进行统计、分类，提取结构损伤指标和材料性能退化指标；对安全监测数据、超载情况进行实时告警等，建议车辆荷载模型；根据视频监控进行突发事件的识别等。

(2)特征层融合。特征层融合是在对数据进行预处理并对局部特征进行提取的基础上，对所获特征进行关联处理，从而完成目标的融合识别过程。例如根据桥梁巡检和检测数据对桥梁进行技术状况等级评定，融合车辆荷载模型、桥梁基准模型、监测数据、演变趋势进行桥梁安全性评估和综合评估；融合超载预警、结构安全预警、视频特殊事件识别进行综合性预警。

(3)决策层融合。决策层融合是在数据预处理、特征提取并取得初步决策的基础上，综合所有信息进行关联、融合取得最终联合决策结果，即综合利用桥梁技术状况评定、安全性评估、综合评估、综合预警等初步决策，给出最终的桥梁管养决策。

桥梁综合管理中的多源信息融合架构如图4所示。

图4 桥梁综合管理多源信息融合架构

4 结束语

随着我国社会经济的快速发展，城市规模不断扩大，城市基础设施智慧化、科学化管理要求也不断提高。桥梁作为城市生命线工程，是城市重要的基础设施。综合利用新一代信息技术手段，建立基于多源信息融合的城市桥梁信息管理系统可以对城市桥梁实行多技术、多层次的统一管理，为管理者提供更全面、更准确的管理决策支持，提高城市基础设施管理智能化水平。