杭瑞高速洞庭大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)軟件研究

韋麗瓊 張國剛 劉 維

（1.湖北工業(yè)大學(xué)，湖北 武漢 430068；2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長沙 410008；3.湖南建工集團(tuán)有限公司，湖南 長沙 410004）

1 項(xiàng)目背景

為了保障公共安全和交通暢通，世界各國的學(xué)者和工程界專家相繼提出了利用現(xiàn)代傳感技術(shù)、新一代信息技術(shù)、橋梁預(yù)警與狀態(tài)評(píng)估等先進(jìn)技術(shù)對重要橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測、預(yù)警及評(píng)定。近年來，國內(nèi)越來越多的大橋梁建立了健康監(jiān)測系統(tǒng)，尤其是特大型橋梁基本都建立了監(jiān)測系統(tǒng)。杭瑞高速洞庭大橋作為鋼桁加勁梁懸索橋中排名國內(nèi)第一、世界第二的特大型橋梁，在橋梁設(shè)計(jì)階段就布局了橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)。

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)軟件作為軟件評(píng)估分析重要部分，同時(shí)是用戶與系統(tǒng)之間交互的門戶，承擔(dān)了數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲(chǔ)、展示、計(jì)算分析、出具報(bào)表等各項(xiàng)工作，是整個(gè)系統(tǒng)的核心。

2 項(xiàng)目情況

杭瑞洞庭大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的核心任務(wù)是獲得橋梁在役期的代表性環(huán)境荷載、動(dòng)態(tài)交通荷載以及結(jié)構(gòu)的響應(yīng)、局部損傷等信息，在對監(jiān)測信息進(jìn)行評(píng)估的基礎(chǔ)上定期獲得行車和結(jié)構(gòu)的雙重安全狀態(tài)信息，為結(jié)構(gòu)的安全、高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)營管養(yǎng)決策的制定提供技術(shù)支持。該系統(tǒng)包括傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、橋梁健康監(jiān)測軟件子系統(tǒng)。

3 軟件簡介

（1） 軟件基于GIS平臺(tái)和分布式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立一個(gè)B/S架構(gòu)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測及安全監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)；并利用通訊光纜傳輸網(wǎng)絡(luò)作為信息傳輸平臺(tái)，將結(jié)構(gòu)現(xiàn)場測站和控制中心地鏈接為一個(gè)分布式的有機(jī)整體。

（2） 本軟件由6個(gè)子模塊構(gòu)成：數(shù)據(jù)采集模塊、橋梁信息與檔案管理模塊、電子化人工巡檢模塊、B/S用戶界面模塊、預(yù)警與安全評(píng)估模塊、三維漫游展示模塊，其構(gòu)成如圖1所示。

圖1 軟件構(gòu)成圖

（3） 數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集模塊基于多線程異步總線式采集技術(shù)理念設(shè)計(jì)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了多種采集設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，以及數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)采集，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、解析、計(jì)算、處理、存儲(chǔ)等操作，為橋梁監(jiān)測提供各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

軟件數(shù)據(jù)采集模塊為2個(gè)自啟動(dòng)的windows 服務(wù)程序，沒有用戶界面，當(dāng)計(jì)算機(jī)關(guān)閉時(shí)同步關(guān)閉，即不需要用戶的介入就能自動(dòng)運(yùn)行和關(guān)閉。這種運(yùn)行方式非常適合在服務(wù)器上需要長時(shí)間運(yùn)行的功能。同時(shí)由于沒有界面，用戶無法通過簡單的方式更改采集參數(shù)或關(guān)閉程序，可以保證數(shù)據(jù)采集的安全性。

（4） 橋梁信息與檔案管理。橋梁信息管理與檔案管理模塊根據(jù)《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》（JTG H11—2004）和《公路橋梁養(yǎng)護(hù)管理工作制度》最新的信息化要求，建立可實(shí)現(xiàn)公路橋梁技術(shù)檔案的分類管理，所分類包括前期資料、設(shè)計(jì)圖紙、竣工文件、維掮資料、檢測報(bào)告6種。其存儲(chǔ)的技術(shù)檔案資料形式囊括了現(xiàn)有常用格式，如word、CAD、PDF、圖片、視頻等。

（5） 電子化人工巡檢模塊。電子化人工巡檢模塊根據(jù)《杭瑞高速洞庭大橋養(yǎng)護(hù)手冊》的經(jīng)常檢查需求進(jìn)行開發(fā)，實(shí)現(xiàn)橋梁巡檢信息電子化錄入、巡檢信息查詢、缺損統(tǒng)計(jì)、橋梁狀態(tài)評(píng)估和巡檢報(bào)表功能。

電子化人工巡檢模塊主要由兩部分組成：

①移動(dòng)端人工巡檢APP：用于手持上橋進(jìn)行巡檢病害信息的無紙化錄入。APP基于Android系統(tǒng)開發(fā)，功能包括巡檢考勤記錄、巡檢信息分類記錄、巡檢信息上傳、歷史巡檢數(shù)據(jù)查詢。巡檢信息錄入支持文字和圖片形式。

②巡檢管理PC端子系統(tǒng)：對巡檢移動(dòng)終端導(dǎo)入的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類管理，提供橋梁的技術(shù)狀況評(píng)定、統(tǒng)計(jì)分析、瀏覽查詢、統(tǒng)計(jì)報(bào)表生成等功能。

（6） B/S用戶界面模塊。B/S用戶界面模塊采用圖形和數(shù)據(jù)表等方式，展示實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)和歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將各子系統(tǒng)的應(yīng)用功能結(jié)合成整體，避免用戶在使用各個(gè)橋梁健康監(jiān)測軟件時(shí)來回切換。B/S用戶界面模塊功能菜單包括監(jiān)測總圖、系統(tǒng)概況、視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、交通荷載、結(jié)構(gòu)監(jiān)測、除濕系統(tǒng)、預(yù)警報(bào)警、人工巡檢、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、大橋檔案、系統(tǒng)管理。

（7） 預(yù)警與評(píng)估模塊。預(yù)警與評(píng)估模塊通過對關(guān)鍵構(gòu)件關(guān)鍵參數(shù)變化的監(jiān)測，提供報(bào)警信號(hào)，提醒管養(yǎng)人員關(guān)注橋梁運(yùn)營環(huán)境以及結(jié)構(gòu)構(gòu)件安全狀況，督促其及時(shí)進(jìn)行維保，保障結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行。

①預(yù)警模塊。軟件預(yù)警分為系統(tǒng)報(bào)警與結(jié)構(gòu)預(yù)警：系統(tǒng)報(bào)警：當(dāng)系統(tǒng)硬件設(shè)備運(yùn)行失常時(shí)，進(jìn)行系統(tǒng)報(bào)警，報(bào)警條件如表1所示。

表1 系統(tǒng)報(bào)警條件

結(jié)構(gòu)預(yù)警：當(dāng)單項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過預(yù)警閾值時(shí)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)預(yù)警。單項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)來自自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)，其相應(yīng)的預(yù)警閾值主要依據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算值確定，并可隨著系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的長期積累自動(dòng)統(tǒng)計(jì)分析進(jìn)行修正。預(yù)警分二級(jí)預(yù)警。

②評(píng)估模塊。評(píng)估模塊包括技術(shù)狀態(tài)評(píng)定和專項(xiàng)評(píng)估：

a. 技術(shù)狀況評(píng)定模塊基于《公路橋梁養(yǎng)護(hù)規(guī)范》（JTG H11—2004） 和《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T H21—2011）開發(fā)，采用“考慮橋梁各部件權(quán)重的綜合評(píng)定方法”對人工巡檢結(jié)果進(jìn)行技術(shù)狀態(tài)評(píng)定，并出具評(píng)定報(bào)告；

b. 專項(xiàng)評(píng)估：模塊提供了離線的專項(xiàng)評(píng)估工具，橋梁專家可利用評(píng)估工具對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出結(jié)構(gòu)評(píng)估結(jié)論。專項(xiàng)評(píng)估包括：荷載校驗(yàn)系數(shù)專項(xiàng)評(píng)估、動(dòng)力特性專項(xiàng)評(píng)估、吊索索力專項(xiàng)評(píng)估、吊索振動(dòng)專項(xiàng)評(píng)估等。

（8） 三維展示模塊。本模塊可提高可視化描述的準(zhǔn)確性和直觀性，為橋梁管理決策提供正確的信息支持。模塊將監(jiān)測數(shù)據(jù)與橋梁BIM模型關(guān)聯(lián)，可在模型中動(dòng)態(tài)顯示橋梁各測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)和交通狀況動(dòng)態(tài)，并可根據(jù)巡檢結(jié)果在模型上進(jìn)行病害標(biāo)記，橋梁病害情況一目了然。模塊還包括3D漫游、結(jié)構(gòu)透明等功能，有結(jié)構(gòu)分組選擇展示、自由視角展示、切換角色展示等多種展示手段。展示示意如圖2所示。

圖2 三維漫游展示

4 結(jié)語

杭瑞洞庭大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)軟件是一套功能完善、使用簡便的大跨徑橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)軟件，其實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)監(jiān)控與人工檢測相結(jié)合的橋梁健康狀態(tài)管理。本軟件擁有專業(yè)預(yù)警和結(jié)構(gòu)安全專項(xiàng)評(píng)估功能、完善的自動(dòng)化報(bào)表系統(tǒng)，并通過用戶界面、三維視圖實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)，達(dá)成系統(tǒng)與用戶的交互。通過該軟件在杭瑞高速洞庭大橋健康監(jiān)測項(xiàng)目上的應(yīng)用，橋梁管養(yǎng)人員能直觀了解橋梁健康狀態(tài)，對橋梁全生命周期的各方面管理起到了有效指導(dǎo)作用。