省级城市桥梁运行监测综合管理平台研发研究

文｜安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司 杜赛赛 梁柱；安徽省高速公路试验检测科研中心有限公司 丁绪聪 叶志文

桥梁是城市重要的基础设施，城市基础设施的安全与人民生命财产安全息息相关，是充分发挥城市载体功能的重要基础。近年来，由于先天缺陷、材料劣化、超载和养护管理不到位等因素的综合作用，桥梁垮塌等安全性事故时有发生，造成了巨大的经济损失和不良的社会影响。

为了确保桥梁、隧道等城市基础设施的安全运行，更好的做好监管、养护工作。2014年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。”安徽省安全生产委员会印发《安徽省安全生产委员会2020年工作要点》（皖安[2020]1 号），在第三大点“深入开展安全生产隐患排查，健全安全预防控制体系”中明确要求：“加强城市桥梁防护。加强桥梁等交通安全隐患点段的排查治理，进一步提高桥梁安全防护水平，重点强化桥梁的超限超载治理。”随着城市科学治理需求的不断提升，利用桥梁在线监测、检测等信息，建立基于GIS+BIM、物联网、大数据、云计算、人工智能等新一代信息技术的城市基础设施管理平台正当其时。

1 建设目标

按照《城市桥梁养护技术标准》（CJJ 99-2017）管理制度要求，建立基于GIS+BIM、物联网、大数据、云计算、人工智能等新一代信息技术的省市县三级城市桥梁运行监测综合管理平台，对桥梁完好率、日常巡检完成率、定期检测完成率、养护维修合格率等重点指标进行监测，全面掌握桥隧总体运行情况及安全技术状况，实现“一库统合、一网统管、一屏通观”，实现城市桥梁信息管理、日常巡查、检测、养护、维修全过程信息化、智能化管理。

2 需求分析

2.1 桥梁信息化管理的需要

由于传统结构监测系统多为“独立”项目，监测系统投资较大、性价比有限，监测系统软件复用性低，研发、调试、部署周期长，桥梁的监测数据分析、利用难度大，影响桥梁管理者的实施积极性，特别是不利于在一些中小型桥梁上推广和应用。此外，系统建设完成并交付后，由于缺少专业人才，管理者在后期的系统维护、管理上也存在困难。因此，监测系统的集约化、平台化成为城市中小桥梁群监测的趋势。

2.2 多源数据融合挖掘的需要

从信息的角度出发，桥梁结构物养护工作是一个数据处理到数据应用的过程，这些数据应该包括一切与结构相关的数据，包括定巡检检测数据、桥梁在线健康监测数据、规范标准设定的各类参数量化数据、数值模型计算数据等。如此数量庞大、种类多样、实时性强的数据，其价值不言而喻。但是目前现有的一些管理系统和养护技术在这样复杂的系统问题面前，无法实现对数据的深度挖掘和分析，处理过程无法标准化、智能化，导致付出了大量的人力、物力，但实际效果难以令人满意。因此，基于多源的监测数据的分析挖掘成为需要迫切解决的问题。

2.3 辅助决策的需要

传统上，桥梁结构健康状况评估是通过人工目视检查或借助便携式仪器测量得到的信息进行的。但是人工检查的方法在实际应用中有很大的局限性，其需要大量人力、物力和财力并有诸多检查盲点，评估结果主要取决于检查人员的专业知识水平和现场检测经验，主观性强，难以量化。许多重要的结构数据需要长期连续的积累，对数据进行分析、归类，才能正确评估桥梁工作状态。且大型桥梁或桥梁群检测周期长，这使得在有重大事故或严重自然灾害的情况下，不能向养管部门提供即时信息。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，通过多源信息的深度分析，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。

3 平台总体设计

平台业务由基础信息、检测评估、养护维修、系统建设、隐患整治和信息化建设组成各个微服务，使用SpringBoot 框架，各微服务之间基于HTTP 进行通信；技术采用前后端分离框架。用户可通过电脑端访问，访问通过Nginx 到达API 网关，经网关认证授权后，有权限的用户才能通过，并利用网关进行动态路由，实现负载均衡、访问合适的服务器。数据存储部分，缓存采用Redis，基本数据采用的MySQL 存储，消息队列使用Kafka。平台支持省市县三级用户登录，能根据用户级别进行切换。

城市桥梁运行监测综合管理平台的总体框架主要包含四个层次，即数据资源管理层、应用支撑层、业务实现层、平台展现层。

数据管理层：主要由数据库和文件系统组成，其中结构化数据库主要包括桥梁基础数据、养护维修记录数据、检测记录数据、结构分析数据及其它信息资源库等。非结构数据库主要是由一些图片、文件型的数据构成。

图1 平台总体框架图

应用支撑层：主要包括支撑服务 （表单工具、文件服务、权限管理、BIM 服务、地图服务）、服务通信（消息中间件、RPC服务、REST 服务）和服务管理（配置管理、系统监控和注册发现）。通过应用支撑层，实现界面集成、应用集成、数据集成及流程集成，通过四个集成来达到平台的集成效果。

业务实现层：主要包括基础信息子系统、检测评估子系统、养护维护子系统、体系建设子系统、隐患整治子系统、信息化建设子系统、系统API接口和平台维护等。

平台展示层：主要由工作站、大屏、业务计算机等组成。

4 功能实现

4.1 基础信息

具有GIS 地图、城市桥梁数量统计、城市桥梁类别统计、桥梁桥型分类统计、城市桥梁分类等板块。

（1）GIS 地图

①总数总长:展示桥梁总座数、桥梁总长、总面积。

②城市桥梁类别统计：展示车行桥梁、人行天桥、人行地下通道、隧道的数量。

③各地市桥梁统计：展示各地市按照桥梁数量排序。

④桥梁桥型分类：展示梁式桥、拱桥、悬索桥、斜拉桥、组合桥数量及占比。

⑤建设年代分布：展示城市桥梁数，桥梁建成年代明确的桥梁数、占比，桥龄不详的桥梁数、占比；桥梁建成年代明确的桥梁中，桥龄在1～10年的桥梁数、占比；桥龄在11～20年的桥梁数、占比；桥龄在21～30年的桥梁、占比；桥龄在30年以上的桥梁数、占比。

⑥一桥一档：展示已建立“桥梁资料卡”桥梁数，占比。

⑦桥长分类：展示小桥、中桥、大桥、特大桥桥梁数。

（2）桥梁概况

①桥梁概况：文字内容，包括城市桥梁的坐落位置（省、市、区/县、所在路名）、建成年月、结构类型、道路等级、设计荷载、桥梁总长、桥梁总宽、断面布置、主要设施量等信息。

②结构简图：图片内容，包括城市桥梁的平面图、纵断面图、横断面图。

③BIM 模型：可对桥梁BIM 模型进行操作。

④附照：图片内容，主要为反映桥梁整体情况的图片。

（3）桥梁资料卡

按照《城市桥梁养护技术标准》（CJJ 99-2017）附录B 中的资料卡格式展示城市桥梁信息，包括基本信息[桥梁名称、所在路名、跨越、等级]、一般资料（如管理单位、建成年月、养护类别等）、上部结构（如主梁尺寸、主梁数量、支座型式等）、附属工程（如集水口尺寸、泄水管尺寸、栏杆结构等）、下部结构（如桥墩数量、基桩尺寸、桥台数量等）、附挂管线（如给水管、燃气管、电力缆等）。

4.2 检测评估

具有检测开展情况统计、桥梁完好状态等级统计、未检测桥梁情况、隐患桥梁等板块。

（1）检测开展情况。展示检测数量/桥梁数量检测率数据，各地市按检测率排名等。

（2）桥梁完好状态。展示全省的城市桥梁总数。可以对省所辖各市/县（区）的城市桥梁数量进行排序，能够展示全省完好状态等级为A 级、B 级、C 级、D 级、E级的城市桥梁比例。

（3）未检测桥梁情况。展示全省未检测桥梁总数、建设年代、桥龄分布信息。

（4）隐患桥梁。展示全省的城市桥梁隐患桥梁总数。可以对省所辖各市/县（区）的城市桥梁数量进行排序，能够展示全省/市/县完好状态等级为D 级、E 级的城市桥梁比例。

（5）GIS 地图。展示检测评估专题图，各市区块可根据桥梁数据显示不同的颜色，点击或者鼠标滑动到地市区域，显示该区域桥梁基础信息和详情，点击详情，进入该地市默认GIS 地图界面，并能返回省级；各市区块颜色变化可根据不同指标进行切换，指标包括：检测率地市分布、完好率分布、危桥数量分布等。

4.3 养护维修

具有总体信息、养护维修情况统计、护栏改造、GIS 地图等板块。

（1）总体情况

展示桥梁总数、维修率、归档率、维修质量合格率，维修金额，各地市已维修桥梁占比排名等。

（2）养护信息

展示桥梁养护类别Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ各个类别桥梁数及占比；展示桥梁养护等级Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ各个等级桥梁数及占比。

（3）维修情况

展示伸缩缝、泄水孔、护栏、桥墩桥台、支座、桥面铺装、标志标牌等维修内容的桥梁数及占比；展示小修、中修、大修、加固及改扩建等维修类别的数量及占比。

（4）护栏升级改造情况统计

展示应设未设护栏或等级不足、护栏高度满足规范要求、栏杆主体及基础或连接受损、栏杆净间距满足规范要求、路缘石高度满足规范要求、制定升级改造方案的城市桥梁数量及比例。

（5）GIS 地图

①GIS 地图：GIS 地图中的市/县（区）应显示不同的颜色，区域性桥梁数量要能够以热点形式展示在GIS 地图中。

②自定义搜索：在GIS 地图的页面上方提供城市桥梁名称、完好状态等级（最近一次定期检测的完好状态等级）、养护类别、养护等级的搜索框，搜索结果以热点（集群）或桥梁icon（单个）形式展示在GIS地图中。

4.4 体系建设

具有管理体系建设情况、制度制定情况、养护规划制定情况等板块。

（1）管理体系建设情况

①安全应急领导小组组建情况：展示由责任主体单位成立的安全应急领导小组的组长、职务、联系方式。

②城市桥梁专业管养人员配置情况：展示责任主体单位管理的桥梁养护工程师人数。

（2）制度制定情况

①一桥一档：展示一桥一档建档数及各个地市桥梁建档率排名。

②巡查机制：展示各个等级桥梁的巡查率及各个地市的巡查率排名。

③检测机制：展示各个等级桥梁的检测率及各个地市的检测率排名。

4.5 隐患整治

具有GIS 地图、重点隐患桥梁情况统计、抽检评估情况等板块。

（1）GIS 地图

①GIS 地图：GIS 地图中的市/县（区）应显示不同的颜色，城市重点隐患桥梁以icon 形式展示在GIS 地图中。

②城市重点隐患桥梁卡片：点击GIS地图中的桥梁icon 弹出重点隐患桥梁简介卡片的提示框，包含桥梁名称、技术状况等级、是否设置警示标志、主要安全隐患、整改措施、计划完成时间等内容。

③技术状况等级展示：不同技术状况等级（D 级、E 级）的重点隐患桥梁的icon对应不用的颜色。

（2）城市重点隐患桥梁统计

展示重点隐患桥梁的数量及比例、技术状况等级比例、重点桥梁整改情况、病害部位、建成年代及桥龄分布等信息。

（3）抽检评估

展示全省抽检桥梁数，桥梁完好状态等级评定情况。

4.6 信息化建设

具有GIS 地图、桥梁信息管理系统建设情况、桥梁安全监测系统建设情况等板块。

（1）GIS 地图

①GIS 地图：GIS 地图中的市/县（区）应显示不同的颜色，已安装安全监测系统的城市桥梁以icon 形式展示在GIS 地图中。

②桥梁监测信息简介卡片：点击GIS地图中的桥梁icon 弹出桥梁监测信息简介卡片的提示框，桥梁监测部分包含桥梁名称、结构类型、桥梁跨度、桥梁全长、桥梁全宽、通车年月、系统建设单位、系统建设时间、是否有专业人员负责系统维护、桥梁图片等信息。提示框中应分别提供“实时监测”的超链接。

（2）桥梁信息管理系统建设情况

若未建立系统，提示未建立系统。省级用户可以查看市级或县级的系统，对应的展示内容也会从数量及比例统计变为基本情况展示。

（3）桥梁安全监测系统建设情况

展示安装安全监测系统的桥梁总数、各市/县（区）安装安全监测系统的桥梁数量，可以基于所有监测系统展示各监测项目（应变、位移、挠度、振动、索力、地震、能见度、风速风向、温湿度、其他）的数量。

5 结语

平台在充分的技术调研、桥隧管理现状及需求调研的基础上，以问题为导向，以用户为中心，以服务安全监管为宗旨，以提高桥隧安全运行科技保障水平为目标，融合运用GIS+BIM、物联网、大数据、人工智能等新一代信息技术开展研发工作，并经过试点城市验证后，未来可以各市县单位进行推广。