基于BIM的橋梁健康監測系統的設計與實現

梁雪　齊善魯　馬徳俊

摘要：文章針對梁式橋梁，根據《CJJ 99-2017 城市橋梁養護技術標準》，設計了基于BIM的橋梁健康監測系統，描述了系統的結構層次設計、功能設計、數據庫設計的主要內容，并運用Mybatis、ECharts等技術實現了對橋梁健康監測系統的開發。

關鍵詞：梁式橋梁;BIM;橋梁健康監測系統

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）07-00112-02

1 概述

自20世紀90年代末橋梁監測技術傳入中國以來，研究人員開展了一系列針對橋梁健康監測的研究和試驗，不僅成功搭建了如港珠澳大橋[1]、南京長江大橋[2]、東江大橋[3]等大橋的健康監測系統，監測技術和監測設備也不斷推陳出新[4-6]，成果斐然。與此同時，我國公路橋梁建設總數已超過100萬座，數量眾多，監測系統的市場需求量很大。根據用戶需求，本文針對梁式橋梁，對基于BIM的橋梁健康監測系統進行設計與實現。

2 系統結構層次設計

系統在橋梁監測平臺的實現上主要分為四個層次：數據采集層、數據傳輸層、業務邏輯層、界面展示層。數據采集層是整個平臺的基礎部分，主要包括人工巡檢和實時監測數據采集兩部分。通過傳感器等設備實現橋梁結構信息與環境信息到監測數據的轉換，數據采集模塊對數據進行預處理和儲存。數據傳輸層是將采集到的數據傳輸到已創建好的數據庫中，并且通過一些去噪算法，把部分非法數據和噪聲數據過濾。業務邏輯層主要是響應來自前臺展示層的業務請求，并根據編寫的框架對數據進行封裝處理，以統一的JSON（JavaScript Object Notation，一種輕量級的數據交換格式）數據格式返回給展示層進行展示。界面展示層主要根據用戶的操作，把請求提交給后臺業務邏輯層，并根據業務層返回的數據以某種特定的形式進行展示。其系統結構層次圖如圖1所示。

3 系統功能設計

系統主要包含基本信息模塊、模型展示模塊、數據采集模塊、數據管理模塊、系統管理模塊。如圖2所示。

基本信息模塊主要對檢測的橋梁的基本信息、傳感器基本信息及監測項目、布設信息、預警等級信息等進行管理，監測的項目參照《CJJ 99-2017 城市橋梁養護技術標準》中給出的內容進行設定。

模型展示模塊利用BIM技術，通過Revit軟件將橋梁進行三維建模，主要完成測點在檢測平臺Web頁面中的展示，包括測點的位置、數據以及測點的實際健康狀況等，直觀準確地反映橋梁的信息。并且，用戶能夠實現對三維模型的旋轉、放大縮小等操作。

數據采集模塊分為實時監測和人工巡檢。實時監測部分利用布設的有線、無線傳感器網絡和其他實時監測設備對橋梁結構數據信息進行實時監控;人工巡檢部分采用專業的儀器設備，以人工檢查的方式，對橋梁必要的檢測部位進行定期檢測或者災后緊急檢測，并將檢測數據傳入系統，實現對人工檢測數據的規范化管理。

數據管理模塊主要是將采集的數據傳入MySQL數據庫中，然后利用ECharts圖形庫對數據在平臺中進行可視化展示，通過綠、黃、紅三級預警等級的閾值（根據橋梁具體設計、實際狀況與相關規定得出）進行判斷與預警，并且能夠實現數據和數據報表的查看、下載功能。

系統管理模塊主要實現對用戶、前臺和數據庫的管理，進行增刪改查等操作，保證系統的安全性、可操作性和交互界面的友好性。

4 系統數據庫設計

設計合理的數據庫是系統的基礎，關系著系統從開發到應用的全部過程。本系統應用后需要長期運行，存儲時間周期長;且各類構件和傳感器種類多，監測點采集頻率高，數據量大，因此選用靈活性高、可靠性高的關系型數據庫MySQL[7]，數據庫的連接通過Mybatis技術實現。

在進行數據庫設計時，除了要滿足范式原則，還要滿足系統的需求。數據庫中包含用戶、橋梁、橋梁構件、監測項目、橋梁傳感器等實體。其中，橋梁、橋梁構件、監測項目、橋梁傳感器4個實體之間均是順序的一對多關系，增加了實體操作的靈活性，也能夠滿足系統監測項目、傳感器數量較多的需求;用戶可以按照權限設置查看自己能夠查看的數據模塊;人工巡檢檢查結果包含各種類型的數據，如檢測項目、巡檢時間、橋梁構件、使用設備、巡檢人、現場照片等;系統根據傳感器監測的實時數據和預警等級信息中的閾值進行對比產生預警信息，實現橋梁健康狀況的實時預警。系統簡要E-R圖如圖3所示。

5 功能實現

系統在裝有Windows 7 64位操作系統的計算機上實現。系統后端采用了Mybatis、SpringBoot框架，在IDEA 2020 軟件上使用Java、SQL語言進行開發;前端采用漸進式框架VUE和基于JavaScript的數據可視化圖表庫ECharts在Visual Studio Code軟件上使用HTML、CSS、JavaScript語言進行開發;數據庫采用的是MySQL8.0。

系統通過Chrome瀏覽器運行，用戶輸入正確的用戶名、密碼后登錄系統。首頁通過百度地圖展示橋梁具體地點并彈出示例橋梁的詳情介紹，界面上方和右方都有可以進行操作的菜單欄，方便操作。系統首頁如圖4所示。

三維模型展示屬于橋梁的模型展示模塊，用戶通過拖動鼠標即可實現對模型的放大、縮小、旋轉等功能，示例橋梁顯示界面如圖5所示。

監測屏幕功能能夠對用戶比較關注的多個重點監測項目進行集中的動態數據展示，數據內容更加豐富，顯示界面如圖6所示。

6 總結

基于BIM的橋梁健康監測系統是國內外研究的熱點。本文通過結合BIM技術，利用其可視化的特點，設計并實現了針對梁式橋梁的健康監測系統。系統的應用對保障橋梁安全，提高橋梁的運維、管理效率，節約成本等方面都具有十分積極的意義。

參考文獻：

[1] 周永川.港珠澳大橋結構健康監測系統總體設計及應用[J].中國交通信息化，2012（10）：71-73.

[2] 儲彤，劉志強，馮良平，等.南京長江第四大橋結構健康監測系統設計[J].中國交通信息化，2013（S2）：62-65.

[3] 張豐.東江大橋健康監測系統設計[J].中外公路，2016，36（4）：202-206.

[4] 羅劍.地面干涉雷達技術在公路橋梁動態檢測中的應用[J].工程與建設，2019，33（4）：564-566.

[5] 邸昊.基于轉角及振型參量的橋梁撓度監測方法[J].鐵道工程學報，2019，36（10）：72-76.

[6] 蔣依壇.基于改進遺傳算法的橋梁監測傳感器測點優化布置研究及監測信號處理[D].成都：西南交通大學，2017.

[7] 李金海.橋梁健康監測信息化管理系統設計與實現[D].成都：電子科技大學，2019.

【通聯編輯：聞翔軍】

收稿日期：2021-11-08

作者簡介：梁雪（1994—），女，山東高密人，碩士研究生，研究方向為智能信息系統;齊善魯（1998—），男，山東東阿縣人，碩士研究生，研究方向為智能信息系統;馬徳俊（1996—），男，安徽阜陽人，碩士研究生，研究方向為智能信息系統。