工业互联网Handle标识解析技术在桥梁行业中的创新应用研究

陶世峰 杨巍 李刚 宋旋 王允成

(1.中铁大桥局集团有限公司，湖北武汉，430050 2.中铁大桥科学研究院有限公司，湖北武汉，430050 3.国家工业信息安全发展研究中心，北京，100040)

改革开放四十多年来，我国交通基础设施建设取得了巨大成就，高速铁路、高速公路里程桥梁、万吨级泊位数量等多项指标均跃居世界第一，中国路、中国桥、中国港和中国高铁已经成为靓丽的中国名片。

中国桥梁建设经历了“学习与追赶”“跟踪与提高”“创新与赶超”的跨越式发展，建成了一批技术复杂、科技含量高的长大桥梁。港珠澳大桥的落成通车，更是标志着中国由桥梁大国向桥梁强国迈进。然而，在桥梁建设实现了跨越式发展的同时，由于交通运输量加大、桥梁“老龄化”现象严重，桥梁病害问题突出。大量在役桥梁由于现行管养手段技术落后、效率低下、人员成本高，得不到有效管养而状况堪忧，长期“带病运行”，久而久之，小病发展为大病，甚至发展为危桥。桥梁“三分建，七分养”，桥梁工程领域正在由“建设为主”向“建养并重”转型，如何用智能化的手段保障既有桥梁的安全性、耐久性、使用功能已成为目前桥梁工程领域的巨大挑战和亟待解决的问题。本文所述方案借助Handle标识解析技术、数据中台、物联网等信息化技术达到了提升工作效率、统一提升管养服务水平、提高桥梁运营管理效率的目的。

一、Handle标识解析技术概述

Handle标识解析技术是由世界互联网之父、TCP/IP协议共同发明人、图灵奖获得者、美国科学家罗伯特·卡恩博士发明。Handle标识解析技术定义了一套成熟兼容的编码规则，拥有一套稳定安全的解析机制和一个全球分布式管理架构，是一套起源于互联网、以实现信息系统的互联互通为目标的标识注册、解析、管理、安全的技术体系[1]。

工业互联网标识解析体系是工业互联网网络体系的重要组成部分，是支撑工业互联网互联互通的神经枢纽。Handle标识解析技术是工业互联网标识解析体系的重要组成部分，为工业设备、机器、物料、零部件、产品和数据对象提供编码、注册与解析服务，并通过标识解析系统实现对异主、异地、异构信息的互联互通、安全共享及智能互联，是实现工业互联网快速发展的重要基石[2]。Handle标识解析体系的核心要素包括标识编码、标识解析系统和标识数据服务3部分。

（一）Handle标识编码

Handle标识编码是指能够唯一识别物料、机器、产品等物理资源和工序、软件、模型、数据等虚拟资源的身份符号，类似于“身份证”中的身份证号，标识编码通常存储在标识载体中，包括主动标识载体和被动标识载体。Handle标识编码由标识前缀与标识后缀组成，前缀与后缀之间以UTF-8字符“/”分隔[6]。其中，标识前缀由国家代码、行业代码、企业代码组成，用于唯一标识企业主体。标识后缀码由对象代码和安全代码组成，安全代码为可选，如图1所示。

图1 Handle标识编码

（二）Handle标识解析系统

Handle标识解析系统是指能够根据Handle标识编码查询目标对象网络位置或者相关信息的系统，对物理对象和虚拟对象进行唯一性的逻辑定位和信息查询，是实现全球供应链系统和企业生产系统精准对接、产品全生命周期管理和智能化服务的前提和基础，如图2所示。

图2 Handle标识解析系统

Handle系统定义了一个分层服务模型。模型的顶层是“GHR”——全球Handle注册服务，“GHR”是分布式的、可扩展的[3]。模型的其他层级由若干级区域性服务系统（LHS）组成。区域性的服务系统在全球服务系统的管理下提供特定区域、特定类型的标识管理和解析服务。

Handle系统是建立在Internet架构之上的一个分布式的信息系统，用来提供有效的、可扩展的、可靠的全球名字服务和更为复杂的资源寻址与定位需求。主要有如下3种功能：

（1）为构成数字对象的数字形式的信息分配唯一标识符，而不考虑此类信息的位置或用于服务此类信息的技术；

（2）将标识符快速解析为有关相应数字对象的当前状态信息，例如，其位置、访问和使用策略、时间戳、公钥等信息；

（3）管理包含状态信息的Handle标识符记录。

（三）Handle标识数据服务

Handle标识数据服务是指能够借助Handle标识编码资源和Handle标识解析系统开展Handle标识数据管理和跨企业、跨行业、跨地区、跨国家的数据共享共用服务。在实际部署中，我国Handle标识解析体系逻辑架构采用分层、分级模式，包括根节点、二级节点（行业节点）、企业节点和递归节点，构成我国工业互联网关键网络基础设施，为政府、企业等用户提供跨企业、跨地区、跨行业的工业要素信息查询，并为信息资源集成共享以及全生命周期管理提供重要手段和支撑[7]。

二、桥梁建设和养护信息化现状

（一）桥梁建设信息系统

基于BIM技术的桥梁工程项目施工管理企业级协同平台，处于桥梁全生命周期数字化管理的设计、建设阶段，满足工程项目的现场施工管理以及后台企业级管理需求。平台支持各业务管理部门通过企业级BIM管理平台对所属各工程项目进行垂直管理，根据管理权限实时获取项目有关信息，支持跨项目的数据查询和统计分析。各业务部门也可通过该平台对所属项目进行后台管控[5]。

系统管理员对系统运行、项目设立及用户权限进行统一管理和维护，终端用户通过Web浏览器或手机APP登录各自工程项目对施工现场各项工作进行高效、灵活的信息共享和协同管理。

（二）桥梁监控监测系统

目前，国内已经建立了部分大跨桥梁结构健康监测系统，但很多仅限于数据的采集、保存，而在对监测数据进行科学管理、合理的桥梁评估指标的建立、结构健康状态诊断体系的建立、应用监测数据对桥梁健康状况进行系统评估等方面的研究与应用尚明显不足。系统的可靠性、长期稳定性、维修性等方面也存在问题。为了提供更加全面、准确的桥梁结构安全信息，辅助桥梁管理单位对桥梁养护工作进行决策，有必要进一步研究桥梁实时在线监测技术，建立更为智能化、专业化、集中化、人性化的实时在线监测系统，切实保障桥梁结构安全。

桥梁实时在线监测系统通过因特网、4G/5G移动互联网将感知到的桥梁数据实现网络共享和互联，形成泛在“桥联网”，将桥梁集中管理，消除“信息孤岛”，为数据挖掘、远程分析和决策打下基础。系统以云平台为基础，采用智能化手段全天候、不间断采集桥梁关键部位的应变、温度、线形、索力、塔偏、动态特性、视频车载等参数，获取反映结构状况和环境因素的各种信息，通过数据处理及结构评估体系分析桥梁结构健康状态。

（三）桥梁巡检养护系统

目前，大多数地方的桥梁巡检工作停留在手工登记、人工递送（口头汇报）检测信息的阶段，导致巡检养护效率不高、信息传递不方便、无法第一时间掌握桥梁表观病害状况、缺乏科学的巡检养护指导建议等问题。

部分桥梁养护单位研发了桥梁巡检养护系统，通过深入基层巡检养护单位调研，制定了规范的桥梁巡检养护电子化流程，实现桥梁巡检养护的无纸化、专业化和智能化，并适用于各种桥型、各个管养单位的区域性桥梁群的日常巡检养护工作，解决了桥梁群日常巡检养护工作中管理难、巡检难、养护难的问题。该系统主要包括移动巡检养护APP端及综合管养后台。

为解决桥梁传统人工巡检养护过程中采用纸质化记录不方便、出错率高、数据保存难、巡检养护流程复杂并且不规范等问题，移动巡检养护APP将AI（artificial intelligence）技术、AR（augmented reality）技术、语音识别技术、二维码扫描技术、GPS（global positioning system）定位技术、移动互联网技术结合在一起，支持病害自动识别、病害尺寸AR测量、语音识别记录结果、实时在线读取桥梁结构物电子二维码、考勤打卡、任务工单接收、智能化巡检养护、数据实时上传、自动生成报告、移动审批等功能，大幅提高了一线巡检养护人员的工作效率和专业水平。移动巡检APP端可以安装在各种型号的智能手机或平板上，跨平台作业能力强，具有开放的系统接口及PC级数据处理能力，具备高速数据网络接入能力及丰富的人机交互能力，同时支持现场巡检和移动审批应用。

基于Web的后台综合管控端根据行业规范制定了标准化的巡检养护管理流程，实行设施、机构、人员集中化、专业化的分级管理机制，具备完善的人员、组织权限管理功能，便于管理人员更快捷、更科学地实现对巡检、养护、决策等业务的管理；支持采集数据多方式实时查询、模糊查询，具备丰富的图形化统计报表，能够进行智能化评估及智慧化生成报告，并利用专家系统进行决策建议，实现了桥梁巡检养护管理的智慧化、科学化和高效化。

（四）桥梁建设和养护面临的问题

当前，我国交通基础设施正在由高速发展向高质量发展阶段转变，桥梁结构日趋大型化、复杂化，桥梁通行车辆密度大、载重高，且我国尚缺乏完善的交通基础设施智慧康养体系和成熟的产业链条，产业链各环节相互独立，康养企业分散，上下游供需不紧密，协同能力差，管养手段主要还依靠人工及传统机械设备，存在管养人员不足、管养效率和质量不高、管养不及时等诸多痛点，无法满足基础设施健康养护日益增长的需求。不少基础设施实际服务年限少于设计年限，频繁的后期维修和拆除重建消耗了大量的高碳排放材料。以武汉市为例，80%的城市桥梁建设在近20年内集中建设，桥梁管理人力资源吃紧；756座桥梁由20余家责任部门管理，沟通协调管理难度大，不同桥梁管理单位的技术装备、人员专业程度参差不齐，对统一桥梁管理标准，确保桥梁巡检养护质量提出了挑战，迫切需要通过集中管控平台，统一数据编码，打破“系统壁垒”，实现数据贯通。

由于桥梁全生命周期管理具有链条长、环节多、场景复杂、软件多样等特性，大量的数据分散在不同系统中，数据表述不一致，大量的“信息孤岛”和特定的接入方式导致用户获取的服务受限，尤其在协同制造、智能服务等创新应用领域难以获取、发现、理解和利用相关数据。Handle标识解析技术通过建立与底层技术无关的公共解析服务和标准化数据模型实现数据的互联互通，同时提升现有制造系统的数据利用能力。

三、基于Handle标识解析技术的智慧桥梁信息链

目前，桥梁信息管理从项目建立到桥梁设计，从桥梁施工建设到桥梁后期管养，不同单位采用不同的信息系统进行桥梁信息的采集和管理，存在严重的“数据孤岛”现象，以至于桥梁建设管理生命周期各个阶段的信息无法贯通，无法发挥各个系统中桥梁数据信息的应有价值。

依托Handle标识解析二级节点（桥梁行业），建设一套桥梁全生命周期管理系统，从桥梁项目、桥梁设计、桥梁建设、桥梁管养等方面入手，将桥梁全生命周期数据纳入系统管理，建立桥梁在不同阶段产生的数据之间的关联关系，实现桥梁数据由点到线、由线到面的互联互通，如图3所示。

图3 桥梁全生命周期数据

（一）构建Handle标识解析体系

依托桥梁行业建设的Handle标识解析二级节点，建设下属企业和部门的企业节点，部署完成Handle标识解析3层架构，实现企业数据本地化存储，保障企业对数据所有权的控制[4]，如图4所示。

图4 Handle标识解析体系

二级节点是面向特定行业或者多个行业提供标识服务的公共节点。二级节点既要向上与国际根节点对接，又要向下为工业企业分配标识编码及提供标识注册、标识解析、标识数据服务，是标识解析体系中直接服务企业的核心环节，是满足行业需求、扩展标识解析服务能力、服务范围、服务深度的重要设施。不同行业二级节点和跨行业二级节点在建设和产业化应用过程中，对节点部署、对接方式和应用模式等都有不同的需求，通过引导行业建立相关的技术和应用标准规范，如符合行业应用需求的标识编码体系，推动企业接入标识解析体系，促进规模化应用。

企业节点是指一个企业内部的标识服务节点，能够面向特定企业提供标识注册、标识解析服务、标识数据服务等，既可以独立部署，也可以作为企业信息系统的组成要素。企业节点主要是对接企业信息系统，实现数据本地化管理。

（二）智慧桥梁信息链系统架构

智慧桥梁信息链系统分为3层，即数据层、业务层和表现层，如图5所示。

图5 基于标识技术的智慧桥梁信息链系统架构

（1）数据层：目前桥梁全生命周期涉及的数据分散在不同单位的BIM系统、智慧桥梁巡检养护系统、桥梁实时在线监测系统和桥梁健康监测系统，需要将这些系统中的数据汇聚到对应单位的Handle企业节点。

（2）业务层：业务层建构在图4所示的Handle标识解析体系逻辑架构之上，提供前缀管理、标识管理、用户管理和权限管理等功能。

（3）表现层：提供各种业务场景需求下的数据展示输出，包括大屏展示、数据接口和数据查询检索。

（三）智慧桥梁信息链全生命周期信息展示

中铁大桥局建立了Handle标识解析二级节点（桥梁行业），通过使用标识解析技术，为桥梁全生命周期上下游企业提供统一的编码和解析规范。通过对桥梁、桥梁建设、监测和管养相关系统数据统一赋码，使用标识将BIM系统、智慧桥梁巡检养护系统、桥梁实时在线监测系统和桥梁健康监测系统等不同环节的信息进行关联和锚定，实现了桥梁信息的准确定位。

智慧桥梁信息链通过对桥梁、桥梁建设、桥梁监测和桥梁养护数据赋码，并建立数据之间的关联关系，实现了以桥梁标识为中心向桥梁周边数据的延伸、关联和辐射，形成了以桥梁主体数据为中心的数据网络。智慧桥梁信息链基于标识解析统一编码规范，实现全生命周期管理数据交互，将各环节数据串联并挖掘利用，为运营或维护企业提供多维度的数据支撑；同时，为运营或维护企业提供设备运行优化、远程监控及预测性维修决策，保障生产及资产安全，降低运维费用，提高运行效率，实现信息价值最大化，如图6所示。

图6 智慧桥梁信息链全生命周期信息展示

四、结语

标识解析技术应用已经在能源、石化、机械、船舶、医疗和食品等多个行业落地，在与制造业和通信行业等多领域技术融合集成中展现了强大的生命力和创造力，为进一步拓展场景应用和行业推广奠定了坚实的基础。

目前，标识解析技术在建筑行业的应用还处在探索中，尤其在桥梁全生命周期管理过程中，还没有成熟的应用落地。本文梳理了桥梁建造、桥梁监测和桥梁管养在现阶段的数字化应用现状，并介绍了Handle标识解析技术的特点和Handle系统架构，然后根据桥梁行业数字化现状提出了标识解析技术应用的场景，即建立以桥梁主体为核心的信息链网，以Handle标识为“桥梁”打通分散在桥梁全生命周期中各个阶段信息系统中的数据，实现桥梁全生命周期的数字化管理。

Handle标识解析技术在桥梁建设全生命周期管理、设备运行维护、供应链管理、仓储管理和产业链协同方向上的应用还需进一步根据实际场景实施落地，将标识解析技术的优势和现有的桥梁管理信息系统充分融合。