基于數(shù)據(jù)融合的橋梁狀態(tài)分析研究＊

洪衛(wèi)星，毛明潔

（1.南京智行信息科技有限公司，江蘇 南京 211100；2.江蘇前沿交通研究院，江蘇 南京 211100）

隨著橋梁事業(yè)的高速發(fā)展，越來越多的橋梁事故也隨之產(chǎn)生，這極大地威脅著人們的安全，因此，維護(hù)橋梁的正常運(yùn)營(yíng)，并做好橋梁病害的預(yù)警工作就顯得尤為重要。傳統(tǒng)的檢測(cè)主要采用人工巡檢技術(shù)，通過巡檢員的評(píng)判對(duì)橋梁情況進(jìn)行判斷，但由于主觀性較大，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性難以保證，損傷識(shí)別不全面。此外，各業(yè)務(wù)領(lǐng)域全局性、系統(tǒng)性、協(xié)同性不足，存在一些資源共享難、互聯(lián)互通難、業(yè)務(wù)協(xié)同難的問題，尚未形成一個(gè)能支撐全行業(yè)共享應(yīng)用的基礎(chǔ)信息資源體系，行業(yè)信息資源開放共享程度不夠，跨方式、跨部門、跨地區(qū)信息開放共享不足，數(shù)據(jù)不能夠有效轉(zhuǎn)化運(yùn)用并賦能[1]。

本文在已有的研究基礎(chǔ)上，在融合橋梁的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與檢測(cè)數(shù)據(jù)后，基于BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)橋梁數(shù)據(jù)融合管理模塊的研究，多維度地發(fā)揮BIM技術(shù)在橋梁養(yǎng)護(hù)和管理領(lǐng)域的優(yōu)越性。

1 橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與檢測(cè)數(shù)據(jù)

1.1 橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的種類

目前橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)可分為撓度監(jiān)測(cè)、裂縫監(jiān)測(cè)、振動(dòng)監(jiān)測(cè)、索力監(jiān)測(cè)、位移監(jiān)測(cè)及應(yīng)變監(jiān)測(cè)等。橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)不同于傳統(tǒng)的橋梁健康監(jiān)測(cè)，應(yīng)立足于橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)安全，監(jiān)測(cè)指標(biāo)應(yīng)分為結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)和結(jié)構(gòu)局部響應(yīng)2類，結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)主要有結(jié)構(gòu)振動(dòng)、變形、位移、轉(zhuǎn)角，結(jié)構(gòu)局部響應(yīng)則有局部應(yīng)變、裂縫、索力、支座反力及位移等[2]。除此之外，還需根據(jù)橋梁類型、所處地理環(huán)境情況進(jìn)行具體分析。

1.2 橋梁檢測(cè)數(shù)據(jù)的種類

橋梁檢測(cè)數(shù)據(jù)主要包括橋梁的基本信息，如橋梁名稱、橋梁代碼、中心樁號(hào)、路線編號(hào)、路線名稱、技術(shù)等級(jí)、橋梁全長(zhǎng)、跨徑總長(zhǎng)、單孔最大跨徑、跨徑組合、橋梁全寬、橋面凈寬、跨徑類型分類、使用年限分類、結(jié)構(gòu)類型、材料類型、橋墩類型、設(shè)計(jì)荷載等級(jí)、抗震等級(jí)、跨越類型、跨越名稱、通航等級(jí)、是否互通立交、建設(shè)單位、設(shè)計(jì)單位、施工單位、監(jiān)理單位、修建年度、建成通車日期、管理單位代碼、管理單位名稱、收費(fèi)性質(zhì)、技術(shù)狀況等級(jí)、評(píng)定日期、最近一次改造情況、主要病害、交通管制措施、政區(qū)代碼等，其中橋梁改造情況、主要病害、交通管制措施數(shù)據(jù)主要以人為檢測(cè)結(jié)果為依據(jù)。

2 橋梁數(shù)據(jù)融合方法研究

如今，傳感器在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中起到了重要作用，融合了實(shí)時(shí)采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與人工橋梁巡檢的檢測(cè)數(shù)據(jù)后，能夠提高橋梁安全管理的精確度，保證橋梁健康安全管理的全面性，最終實(shí)現(xiàn)向多方共建共享共用交通數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)變，打造科學(xué)化、精細(xì)化、智能化的治理和服務(wù)體系。

2.1 橋梁數(shù)據(jù)融合結(jié)構(gòu)層次

本文從信息處理層次的角度出發(fā)將數(shù)據(jù)融合結(jié)構(gòu)劃分為3個(gè)層次，分別是數(shù)據(jù)級(jí)、特征級(jí)和決策級(jí)。

2．1．1 數(shù)據(jù)級(jí)融合

在數(shù)據(jù)級(jí)融合中需要對(duì)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)同一時(shí)間節(jié)點(diǎn)，不同物理量之間的關(guān)聯(lián)性及影響狀況進(jìn)行分析，建立了一種帶反饋的并行結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 分布式數(shù)據(jù)級(jí)融合結(jié)構(gòu)

2．1．2 特征級(jí)融合

特征級(jí)融合在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理并對(duì)局部特征進(jìn)行提取的基礎(chǔ)上，對(duì)所獲特征進(jìn)行關(guān)聯(lián)處理，完成目標(biāo)的融合識(shí)別過程。特征級(jí)融合的分布式結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 分布式特征級(jí)融合結(jié)構(gòu)

2．1．3 決策級(jí)融合

決策級(jí)融合在數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征提取的基礎(chǔ)上，綜合所有信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)、融合取得最終聯(lián)合決策結(jié)果，其結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

圖3 決策級(jí)融合結(jié)構(gòu)

2.2 橋梁數(shù)據(jù)融合功能模型研究

本文采用JDL（Joint Directors of Laboratories）模型，建立出相應(yīng)的修正JDL模型，修正的JDL模型有望很好地描述橋梁狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)各個(gè)組成部分的功能，并通過數(shù)據(jù)庫(kù)更新實(shí)現(xiàn)了信息反饋，進(jìn)而為數(shù)據(jù)融合及傳感器管理的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)平臺(tái)。

2.3 基于檢測(cè)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資源的橋梁健康評(píng)估體系

評(píng)估指標(biāo)的確定是建立基于檢測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的橋梁技術(shù)狀況綜合評(píng)估體系的基礎(chǔ)，是進(jìn)行橋梁評(píng)估理論與方法研究的重要組成部分。將已有的檢測(cè)病害分析結(jié)果和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)形成層次化、合理化的指標(biāo)體系，是本項(xiàng)研究的重要內(nèi)容。為把復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化，本文從橋梁養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中提煉出合理的評(píng)估指標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行分析、歸類和分層，建立橋梁技術(shù)狀況綜合評(píng)估指標(biāo)體系[3]。基于檢測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合的橋梁綜合評(píng)估方法示例如表1所示。

表1 檢測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合橋梁技術(shù)狀況綜合評(píng)估示例

3 基于數(shù)據(jù)融合的橋梁BIM智能管理模塊研究

基于BIM技術(shù)橋梁數(shù)據(jù)融合模塊的可視化展示，主要是利用BIM模型的信息集成度高和信息可視化展示等特點(diǎn)，對(duì)傳統(tǒng)評(píng)估過程進(jìn)行優(yōu)化，從而提高橋梁養(yǎng)護(hù)的精細(xì)化管理水平。

本文基于運(yùn)維階段BIM多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，探索運(yùn)維階段的數(shù)據(jù)信息集成方法，對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)信息與橋梁監(jiān)測(cè)信息關(guān)聯(lián)性進(jìn)行分析并展現(xiàn)出數(shù)據(jù)融合情況。對(duì)不同監(jiān)測(cè)指標(biāo)做關(guān)聯(lián)分析，計(jì)算相關(guān)系數(shù)，從橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提取有效的數(shù)據(jù)節(jié)段進(jìn)行性能監(jiān)測(cè)指標(biāo)的計(jì)算，包括橫向聯(lián)系的應(yīng)變相關(guān)系數(shù)指標(biāo)和動(dòng)力響應(yīng)相關(guān)系數(shù)指標(biāo)、剛度矩陣的抗力剛度因子指標(biāo)、截面特性的中性軸高度指標(biāo)、邊界條件的支座剛度指標(biāo)，通過獲取各類性能監(jiān)測(cè)指標(biāo)的數(shù)值與預(yù)測(cè)長(zhǎng)期趨勢(shì)，對(duì)橋梁關(guān)鍵結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析與評(píng)估，對(duì)可能的典型病害類型進(jìn)行提示，對(duì)路網(wǎng)中的同類橋梁的結(jié)構(gòu)狀況進(jìn)行趨勢(shì)預(yù)測(cè)，分析預(yù)測(cè)情況如圖4所示。

圖4 橋梁分析預(yù)測(cè)可視化

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于對(duì)橋梁現(xiàn)狀的分析，結(jié)合橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)數(shù)據(jù)及橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將檢測(cè)數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合分析，構(gòu)建出一個(gè)多源數(shù)據(jù)融合分析架構(gòu)，從數(shù)據(jù)級(jí)、特征級(jí)和決策級(jí)3個(gè)層級(jí)對(duì)橋梁整體狀態(tài)進(jìn)行整體分析，并從數(shù)據(jù)融合的角度進(jìn)行分析，最終通過BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)橋梁數(shù)據(jù)融合模塊的可視化功能。