基于BIM 技術的軌道橋梁運維平臺構建與應用

丁 鵬，黎小剛，史喜華，曾 勇，譚書林，陳 勝

（林同棪國際工程咨詢（中國）有限公司，重慶 401121）

近年來，我國城市軌道交通建設速度明顯加快，預計到2021 年底，全國擁有軌道交通的城市將達到50 個，運營里程達到近10 000 km 的規模。伴隨城市軌道交通的快速發展，城市軌道橋梁的數量也逐步增長。以“橋都”重慶為例，根據最新規劃獲悉主城外環以內運營、在建與規劃的軌道交通跨江橋梁共計29 座，其中有12 座軌道交通專用橋和17 座公軌兩用橋。

然而，基于每座軌道橋梁建成年份不同、管養單位不同、監測單位不同、監測信息未實現標準化及規范化等因素影響，導致正在運營的軌道橋梁均處于“一橋一系統”的現狀，造成綜合管理鏈條長、運維任務繁重、社會資源浪費；人工檢查與實時監測獨立運行，橋梁狀態感知存在局限性、狀態評價相對片面；數智化水平低，不利于軌道橋梁智能化、信息化、高效化管理[1-2]。

隨著國家提出基礎設施大數據、智能化的戰略目標以及新一代信息技術、人工智能、大數據等高新技術的成熟應用興起，為橋梁數智運維創造了機遇。與此同時，構建基于BIM 技術的軌道橋梁運維平臺，對于軌道橋梁結構信息綜合獲取，及時有效評價預警，保證橋梁安全運營以及實現軌道橋梁集群化[3]、一體化[4]和智能化[5]養護管理，具有重大的科學意義。

1 基于BIM的運維平臺現狀

目前，建立融合運用BIM 技術的運維平臺已成為行業中的熱點，其中張貴忠等[6]針對大跨徑鐵路橋梁現代化運維和管養需求，提出了基于BIM 的數字化大橋管養平臺設計方案，明確了平臺的基本功能和物理架構；Zou 等[7]將橋梁結構的實時風險分解處理系統集成到BIM 中，提出了基于BIM 的風險可視化和信息管理方法，有效提高了橋梁管養質量和效率；勾紅葉等[8]搭建了高速鐵路災害大數據分析平臺，研發了具有工程實用性的高速鐵路橋行車安全智能化評價系統。國內外在橋梁運維管理平臺構建及將BIM 技術融入運維階段方面已有諸多研究[9-12]，但是在既有研究成果中鮮有基于多維度的軌道橋梁結構狀態感知與評價的運維平臺。

2 運維平臺構建

2.1 運維平臺體系架構

運維平臺采用模塊化分層設計，通過把UI 與業務邏輯分開，實現系統的松耦合和高可用性，便于系統后續的升級和擴展，更能靈活滿足用戶的定制化需求，其由下向上分為六層結構：

1）數據采集層

傳感器模塊負責采集實時監測數據，由荷載與環境監測、結構整體響應監測和結構局部響應監測傳感器構成，可實現橋梁荷載參數、環境參數、結構響應的測量。人工檢查錄入定期的檢查數據，BIM模型提供橋梁屬性數據。

2）網絡傳輸層

平臺支持多種傳輸方式，綜合分析橋梁現場環境因素，可采用如4G/5G、NB-IOT、Wifi、ZigBee、LoRa、RJ45 等方式，數據傳輸實現緩存機制，保證數據的完整性。

3）數據管理層

橋梁實時監測的數據量較大，運維平臺支持主流的大型數據庫管理系統，如Oracle、Sybase、SQL Server、Informix 等，根據業務特點，分別設置靜態數據中心，存儲人工檢查數據、病害處置數據、維修加固數據等；設置動態數據中心，存儲實時監測數據；設置文件數據中心，存儲BIM 模型文件、設計文件、竣工文件等。為了方便后期進行橋梁監測大數據分析，運維平臺還預留了數據倉庫（Hive）的接口。

4）數據分析層

運維平臺建立了技術狀況評價、結構安全評價和行車影響評價的全方位評價體系，提供多維度的分析功能，如預警閾值分析、智能變形預測分析等，通過對大數據的分析，可以較好地指導橋梁運維人員開展管養工作。

5）應用層

運維平臺通過Restful 服務，可以對外提供多種應用，如結構安全評價、智能預警、自動化報告、BIM三維可視化、視頻監測，通過規范的API 調用即可獲取相應服務，具有靈活的擴展功能。

6）展示層

運維平臺使用分布式架構設計，可以支撐多終端的訪問，如PC、手機、PAD、液晶屏等，實現數據的互聯互通。

2.2 網絡架構

傳感器通過水工線纜連接到數據采集設備——采集儀的采集端口；采集儀通過RS-485 總線或CAN總線連接到二級控制單元——智能控制模塊；智能控制模塊通過RS-232 接口連接到DTU；DTU 通過無線通信網絡進入Internet，與控制中心計算機建立遠程網絡連接，實現軌道橋梁遠程自動化集群監測應用網絡的組建，網絡關系如圖1、圖2 所示。

圖1 遠程自動化監測應用網絡

圖2 運維平臺移動終端網絡架構

2.3 存儲系統

由于軌道橋梁結構實時監測、信息數據連續變化，生成的數據量龐大，同時數據分析和結構安全評價對數據的實時性要求很高，因此運維平臺中數據庫系統必須是由高性能的分布式數據系統所構成，目前運維平臺支持數據倉庫和大型數據庫管理系統來搭建分布式的存儲系統。

針對軌道橋梁實時監測采集數據的類型，數據庫可以劃分為靜態數據庫、動態數據庫、文件數據庫。靜態數據庫主要存儲結構的橋梁基本屬性數據、傳感器信息、結構動力性能參數值等；動態數據庫主要存儲外部荷載、結構整體（局部）響應和安全評價結果等；文件數據庫主要存儲BIM 模型、設計文件、竣工文件等。

2.4 運維平臺安全

運維平臺安全須遵循“系統自保、平臺統保、邊界防護、安全確保”的原則，建立一個完備的系統安全技術體系，具體內容如表1 所示。

表1 運維平臺安全技術體系

2.5 BIM與運維平臺融合

基于軌道橋梁實時監測關鍵信息，借助建模軟件“Rhino+Grasshopper+Revit”，建立標記、動態關聯監測信息的運維階段的三維精細化模型，點擊信息模型實現監測數據查詢及定位可視化、快速化，實現基于BIM 模型的海量監測數據可視化信息傳遞與實時更新，達成BIM 信息化服務與服務對象-軌道橋梁在現代化、科學化平臺下的互通互聯，驅動軌道橋梁管養升級。

3 運維平臺應用實踐

3.1 基于GIS技術的軌道橋梁集群監測

結合GIS 技術與橋梁環境模擬三維空間場景，突破單一橋梁監測信息孤島，形成軌道橋梁信息集群共享模式，同時借助720 全景漫游方式，實現橋梁的三維全景展示，如圖3 所示。

圖3 720全景漫游示例

3.2 BIM模型與運維平臺無縫交互

建立橋梁構件三維精細化模型，基于Autodesk Forge 軟件平臺，利用JAVA 程序開發集成顯示BIM模型、加載監測測點、鏈接監測實時數據于一體的可視化平臺，實現監測信息的三維可視化管理與信息檢索，如圖4 所示。

圖4 BIM與運維平臺無縫交互示例

3.3 運維平臺智能感知與預警

利用NB-IoT、LoRa 和5G 物聯網技術，以傳感、網絡應用系統為基礎，結合人工檢查的直觀性和長期監測的實時性，在運維平臺中實現數據共享、統計分析以及數據挖掘，進而構建基于技術狀況評價、結構安全評價和行車影響評價的全方位評價體系，實現橋梁結構評價自動化與預警智能化，如圖5、圖6所示。

圖5 實時監測與人工檢查深度融合

圖6 全方位評價與智能預警示例

3.4 運維平臺自診斷分析

橋梁運維平臺中的數據失真大多是由信息獲取環節的傳感設備造成的。研究表明[13-16]，運維平臺中一半以上的警報均是由于傳感器系統自身的故障而產生的誤警。一旦傳感設備出現故障或失效，將無法提供客觀、準確的信息，從而對橋梁結構安全評價與預警產生極大的影響。因此，高效、準確的自診斷分析對于運維平臺必不可少，自診斷分析結果如圖7所示。

圖7 自診斷分析結果

4 結束語

目前，團隊自主開發的軌道橋梁運維平臺已成功接入世界最大跨自錨式懸索橋和國內首座軌道交通專用混凝土斜拉橋等多項工程，實現了橋梁的信息化管理和科學維護，極大地滿足了行業市場需求，保障了軌道橋梁的安全運營，助推了智能交通行業的發展，預期效益顯著。