市政橋梁智能移動巡檢App應用研究

崔營營,王淼,徐文城

（中交公路規劃設計院有限公司，北京100088）

1 引言

與傳統的公路橋梁相比，市政橋梁有著橋梁形式眾多、結構新穎獨特、地域分布密集、交通流量大等特點。本文通過深入分析市政橋梁管養現狀，結合橋梁監管部門業務需求，設計開發了市政橋梁智能移動巡檢App 軟件，并提出了基于地理圍欄的橋梁巡查定位技術，設計采用R 樹索引優化方法進行考勤模塊的開發，大大提高了移動巡檢App 軟件的使用便利性，滿足了市政橋梁管養精細化、實時性的要求。

2 市政橋梁管養現狀

在橋梁運營過程中，由于長期遭受環境、荷載及材料老化等多重因素作用，結構安全使用性能不斷退化，安全承載水平不斷降低，極端災害下的耦合作用可能導致橋梁結構整體或局部安全失效破壞。

目前，國內市政橋梁管養普遍存在著以下突出問題：

1）橋梁管理跨部門多，城市橋梁管理完全不同于公路行業，橋梁的投資建設部門、建成后的管理部門、橋上通行車輛的管理均屬城市不同的管理機構，相互之間信息互通、數據共享難度大。

2）橋梁養護人員短缺，懂“橋”的專業管理人員更是極度稀缺，我國中等城市市政橋梁數量大約為幾百座，大城市市政橋梁數量可達上千座，市政橋梁管養部門工作壓力巨大。

3）橋梁養護自動化水平有待提高。目前，我國多數橋梁日常養護工作還停留在人工目視巡查，紙質記錄等傳統的方式，養護手段單一低效、養護效果無法有效監管。

4）重大事故頻發，應急監管能力低。由于市政橋梁每日承擔巨大的交通壓力，近年來發生船撞卡橋、重車過橋乃至橋梁垮塌等重大事故時有發生，作為橋梁管養部門因缺乏必要的監測手段和數據支撐，往往對事件的處置不夠及時有效，影響了交通安全[1]。

3 總體架構及功能設計

為解決以上突出矛盾，本文設計開發基于安卓系統的市政橋梁智能移動巡檢App 軟件，實現了市政橋梁電子化、精細化管養的目標。

3.1 總體架構

智能巡檢App 包含運行在手機或平板端的App 程序和運行在監控中心的Web 端平臺2 部分，手機端App 主要實現便攜式巡查定位、養護維修、病害錄入等功能，Web 端平臺主要實現巡查任務制定及下發、巡查信息存儲管理等功能。手機端和Web 平臺端通過4G 網絡進行數據通信與傳輸。其總體架構如圖1 所示。

圖1 智能巡檢App 總體架構

3.2 功能設計

手機端智能移動巡檢App 主要實現以下功能。

3.2.1 GIS 橋梁定位

本模塊采用GIS 矢量地圖圖層，設計將跨江特大橋、區域中小橋和高架橋進行分類分圖層顯示，同時支持模糊定位，便于快速查找目標橋梁。

3.2.2 巡查病害錄入

對于跨江特大橋，按照橋梁結構規范進行精細化構件拆分，形成橋梁構件結構目錄樹。用戶巡查過程中定位構件可輸入病害類型、病害描述、標度及附件照片等信息。

對于中小橋梁，系統內置日常檢查項表單，用戶可通過語音、手寫或輸入法等多種方式進行日常檢查數據的錄入并保存。

對于高架橋梁，主要實現橋梁巡查軌跡的記錄、回放及上傳功能，并可查看巡查軌跡范圍內的檢查記錄信息。

3.2.3 維修養護管理

本模塊可對橋梁巡查時發現的病害進行維修養護，通過Web 端制定維修養護任務，并指派給相應的養護人員，養護人員接到維養任務后上橋完成維修養護后記錄維修工作量并拍照保存維修前后現場照片，同時可將維修記錄一鍵發送Web 端平臺。

3.2.4 智能考勤管理

為規范巡查人員日常養護工作，防止作弊情況的發生，設計基于地理圍欄技術的考勤打卡模塊。系統為每座橋梁設置多邊形坐標作為地理圍欄，當巡查人員啟動巡檢任務時，系統自動判斷用戶是否在地理圍欄范圍內，如果不在范圍內則無法錄入病害信息，以此規范養護人員巡查行為，保證巡查數據準確性。

4 關鍵技術研究

4.1 地理圍欄技術簡介

地理圍欄（Geo-fencing）是一種新型的LBS 應用技術，其原理是用多個地理坐標圍出一個虛擬地理多邊形（見圖2），當系統判斷用戶進入、離開某個特定地理區域，或在該區域內活動時，觸發相應的服務，如消息推送、互聯網廣告等[2]。

本文設計采用地理圍欄技術實現巡檢人員的考勤管理功能，系統預先為每座市政橋梁內置地理坐標邊界，當巡檢人員達到橋梁地理圍欄范圍內，才可進行考勤打卡、病害記錄等相關操作。

圖2 地理圍欄示意圖

4.2 R樹索引優化算法

判斷當前點是否落入某多邊形范圍內是地理圍欄的關鍵，一般通過射線法進行判斷，其判斷方法為：從當前點出發沿X軸方向畫一條射線，依次判斷該射線與多邊形各邊的交點，如果交點個數為奇數，則當前點在多邊形內部（如圖3 中有3 個交點），如果交點數為偶數，則在外部，射線法能夠適用于凸多邊形和非凸多邊形，復雜度為O（n）（n為多邊形邊數）。

當地理圍欄數量較少時，可逐個遍歷各多邊形，再用射線法進行判斷[3]。在實際應用中，由于市政橋梁多達幾百座，且分布較為密集，也就相當于有幾百個多邊形需要同時執行射線法計算，造成計算時間的延遲，針對以上問題，在智能巡查定位模塊開發過程中提出了R 樹索引加速判斷法，解決了地理圍欄判斷的時間延遲問題。

圖3 射線法判斷點在多邊形內部示意

R 樹索引主要原理為：（1）通過粗篩法快速找到符合條件的少量多邊形；（2）對粗篩后的多邊形使用射線法判斷，使射線法的執行次數大大降低，進而提高搜索效率。

本文通過對多邊形區域建立R 樹索引，通過R 樹遍歷快速判斷當前點是否在多邊形內，實現考勤定位。

1）對地理圍欄區域A 建立最小外包矩形，如圖4 所示。

圖4 多邊形最小外包矩形

2）外包矩形建立R 樹索引，示意圖如圖5 所示。

圖5 R樹索引示意

3）執行R 樹查詢操作。（1）采用R 樹索引方法判斷當前用戶（紅點處）是否在外包矩形內，如圖6 所示，紅色點代表用戶所在位置［注：采用R 樹查詢復雜度為Oz（Log（N）），N為多邊形個數］；（2）若當前點不在任何外包矩形內，則返回當前點狀態為多邊形外；（3）若當前點在外包矩形內，則采用射線法進一步判斷該點是否在此外包矩形的某個多邊形內部，如此遞歸判斷，最終判斷出當前點是否落入地理圍欄所在多邊形內。

圖6 R樹索引查詢操作流程

4.3 系統開發驗證

經過編寫代碼實際開發驗證，在可視范圍內有600 個地理圍欄多邊形的情況下，采用依次遍歷每個多邊形的方法，其查詢響應時間約為5s，而通過在內存中建立R 樹索引，地理圍欄平均響應時間降低到450ms。采用該技術對手機巡檢App考勤打卡功能進行性能優化（見圖7），提升了系統使用體驗。

圖7 智能巡檢App 考勤打卡界面

5 結語

本文分析了我國市政橋梁管養存在的問題，據此提出了市政橋梁移動巡檢App 總體架構及功能設計方案。針對市政橋梁分布密集的特點，提出了基于R 樹索引的優化算法，并采用該技術開發了手機巡檢App 考勤管理模塊，提升了系統使用體驗，滿足對于橋梁巡查人員考勤監管的需求。