高原山區(qū)鐵路懸索橋信息化設計及實踐

李艷哲, 王熊玨, 王 波

(1 中鐵大橋局集團有限公司, 湖北 武漢 430034; 2 橋梁智能與綠色建造全國重點實驗室, 湖北 武漢 430034)

橋梁工程建設作為一項極其復雜的系統(tǒng)工程,具有建設周期長、參與單位數(shù)量多、協(xié)同組織困難、現(xiàn)場數(shù)據(jù)數(shù)量大、管理難度高、施工環(huán)境復雜、質(zhì)量安全風險控制責任重大等特點。因此,橋梁工程信息化工作需落到實處,并形成一套規(guī)范的應用體系,確保能在實際生產(chǎn)過程中發(fā)揮重要作用。

隨著建筑工程領(lǐng)域信息化發(fā)展的需求,項目建設各參與方對 BIM 技術(shù)的重視程度不斷增加,越來越多的工程項目應用 BIM 技術(shù)取得了突出的成績和效果。在橋梁領(lǐng)域,對 BIM 技術(shù)的應用研究大多集中在施工模擬、工程算量、智能出圖、可視化展示等層面[1]。但是僅運用 BIM 技術(shù)難以對橋梁施工管理、安全監(jiān)察、智能建造等環(huán)節(jié)進行全面的信息化升級,仍然存在著施工傳統(tǒng)、信息斷層、協(xié)同性不高等問題。目前國內(nèi)對于信息化技術(shù)整體架構(gòu)的研究仍然較少,缺乏對橋梁建設協(xié)同機制的深入研究和建造全過程的集成應用。

1 橋梁信息化運用內(nèi)容及系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 信息化整體概況

信息技術(shù)雖然為橋梁施工提供了發(fā)展方向和技術(shù)支持,但是應用缺乏整體規(guī)劃、頂層設計,導致在實際運用過程中難以將信息技術(shù)的優(yōu)勢完全發(fā)揮。在橋梁施工過程中信息技術(shù)的運用均停留在比較淺的層次上,信息化建設以網(wǎng)絡建設為主,基本實現(xiàn)了高效網(wǎng)絡部署、視頻監(jiān)控、視頻會議的應用。但是對于施工過程中的重難點,難以進行深度結(jié)合[2]。導致投入多、成果少,應用流于表面等問題。

本文根據(jù)高原山區(qū)懸索橋項目特點,結(jié)合施工管理需求,通過智能化施工裝備、智能監(jiān)測控制系統(tǒng)、硬件及軟件系統(tǒng)集成、三維可視化等技術(shù),構(gòu)建橋梁施工信息化平臺。平臺包括橋梁虛擬建造、橋梁智能建造、BIM及數(shù)字孿生、現(xiàn)場信息化管理四大模塊,覆蓋了施工規(guī)劃、施工工藝、施工監(jiān)控、施工管理所有的環(huán)節(jié)。旨在通過集成統(tǒng)一管理,提升建造的安全、質(zhì)量和效益水平。

1.2 信息化整體概況

根據(jù)高原山區(qū)懸索橋的施工特點,將平臺按照四大板塊25個模塊進行規(guī)劃。橋梁虛擬建造側(cè)重前期規(guī)劃和過程可視化,橋梁智能建造側(cè)重施工過程智能化應用,BIM及數(shù)字孿生側(cè)重施工過程模擬及分析,現(xiàn)場信息化管理側(cè)重施工監(jiān)管。各板塊根據(jù)自身需求配套相應的軟硬件,通過信息化平臺進行統(tǒng)一的集成,其模塊規(guī)劃如表1所示。

表1 高原山區(qū)懸索橋信息化平臺模塊規(guī)劃

1.3 硬件選擇及智能化升級

硬件作為信息化實施的基礎,各板塊都有著不同的硬件需求。主要分為以下幾類:信息采集硬件設備,包含各類智能傳感器,傾斜攝影無人機,三維激光掃描儀,測量機器人等;信息化處理硬件,包含智能算法服務器,邊緣計算盒子,圖形工作站等;智能化生產(chǎn)硬件,包括鋼筋智能加工設備、智能拌和站系統(tǒng)、液壓可控爬模以等;現(xiàn)場反饋及展示硬件,包含可視化大屏、智能預警擴音系統(tǒng)、集中控制室等。各子系統(tǒng)采用的硬件種類及作用如表2所示。

表2 高原山區(qū)鐵路懸索橋信息化硬件及其實施目標

1.4 數(shù)據(jù)處理與傳輸系統(tǒng)

信息化平臺各功能模塊硬件設施包含數(shù)據(jù)采集設備及運算處理設備。由于采集設備種類繁多,分布廣泛,因此對于網(wǎng)絡建設和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)需要進行合理的設計。為防止長距離傳輸造成的信號失真和減少電磁信號干擾,以隧道錨等特殊地形條件下傳輸效率,需要考慮多種傳輸手段結(jié)合使用[3-4]。

針對山區(qū)橋梁工程建設現(xiàn)場多作業(yè)面同時施工而搭建的泛在智能感知體系,構(gòu)建立體移動傳輸體系,如圖2所示。包括:基于射頻識別(RFID)、數(shù)據(jù)傳輸單元(DTU)、近距離無線通信(NFC)等技術(shù)的近場通信;基于WiFi、藍牙等技術(shù)的短距離大容量通信;基于NB-IoT、LoRa 等技術(shù)的低功耗遠距離通信;基于4G、5G 和衛(wèi)星等技術(shù)的遠距離通信。對于近場數(shù)據(jù)采集在有條件的情況下還是以光纖等有線傳輸手段為主以保證穩(wěn)定性。通過部署基站硬件及軟件措施,實現(xiàn)多種信息源、不同物理信號的采集與預處理,針對施工區(qū)域特點進行專項設計。總體實現(xiàn)建設現(xiàn)場、參與各方的無障礙傳輸,形成立體移動傳輸體系。

圖1 基于移動互聯(lián)數(shù)據(jù)傳輸體系

圖2 信息化駕駛倉

1.5 數(shù)據(jù)存儲與分析系統(tǒng)

信息化平臺運用SQL數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)的存儲與處理。對采集回來的數(shù)字信號,綜合運用頻域、時域內(nèi)的統(tǒng)計、平均、平滑等各種數(shù)學處理方法分析,得到各機械設備當前使用狀態(tài)規(guī)律及趨勢。通過編制智能算法,確定各指標閾值,當檢測指標出現(xiàn)異常時進行警報,確保設備使用狀況正常。攝像頭采集的視頻數(shù)據(jù)同樣通過數(shù)據(jù)庫進行管理,視頻覆蓋周期為一個月[5]。數(shù)據(jù)庫服務器由交通與建筑領(lǐng)領(lǐng)域內(nèi)唯一的A級共享數(shù)據(jù)中心“大橋云”提供,保障數(shù)據(jù)的存儲容量、處理速度及安全性。

對外開放是我國的基本國策，對外貿(mào)易是全面開放的重要組成部分。過去多年，我們對外貿(mào)易中著重開拓了發(fā)達國家市場，在當前新的形勢下，我國需要多元化出口市場，同時應更注重進口，實現(xiàn)對外貿(mào)易的平衡發(fā)展和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1.6 系統(tǒng)集成及駕駛艙

每個應用板塊根據(jù)架構(gòu)建立管理系統(tǒng),基于GIS引擎將四個板塊進行集成。根據(jù)各模塊的需求,以可視化、可交互、可控制的方式將所有的功能進行了集中和分類,管理者通過平臺即對當前項目實施情況一目了然。

2 高原山區(qū)懸索橋信息化應用系統(tǒng)設計

信息化平臺用戶終端采用 B/S 架構(gòu),通過接入大橋云服務器獲取數(shù)據(jù)展示、信息接收,實現(xiàn)對傳感器的遠程控制等功能。中繼轉(zhuǎn)發(fā)設備根據(jù)實際的施工位置進行布設:隧道錨施工時需要布設無線通信專用網(wǎng)絡和外部通訊,一方面負責將無線通信專網(wǎng)的數(shù)據(jù)上傳至大橋云,另一方面將接收大橋云服務器發(fā)出的操作指令轉(zhuǎn)發(fā)至隧道錨內(nèi)無線通信網(wǎng)絡;纜索施工和塔柱施工過程由于施工高度高,同樣需要通過無線傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)傳輸至基站后再由基站上傳至大橋云;對于有條件布設有限網(wǎng)路的施工部位,例如樁基施工時則可以采用有線的方式將終端和基站設備連接起來。系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 橋梁智能建造平臺網(wǎng)絡架構(gòu)

圖4 橋梁虛擬建造功能架構(gòu)

圖5 橋梁智能建造功能架構(gòu)

2.1 橋梁虛擬建造

橋梁虛擬建造旨在針對項目實施前期,通過虛擬結(jié)合實景的高度可視化,解決高原山區(qū)高陡邊坡山區(qū)地形下分散式臨建選址、便道規(guī)劃難的問題。我們在設計交付的施工圖BIM模型基礎上,結(jié)合項目管理需要開展BIM應用。施工過程中,結(jié)合現(xiàn)場的工程特點,開展基于BIM模型的虛擬建造應用。

通過虛擬建造規(guī)劃及應用,實現(xiàn)虛擬預演、提前規(guī)劃,優(yōu)化施工場地布局。橋梁虛擬建造基于模型技術(shù),能夠在采集現(xiàn)場地形數(shù)據(jù)的基礎上,進一步通過可視化、可交互、可模擬的手段,模擬預演建造難點、呈現(xiàn)建造完成效果、監(jiān)控建造施工過程,從而管控項目進度、提高施工質(zhì)量、保障現(xiàn)場安全,具有精度高、效率高、效果佳的特點,在前期項目臨建設施的場布規(guī)劃中起到了極大的促進和保障作用。

2.2 橋梁智能建造

針對高原山區(qū)懸索橋施工重難點,通過智能化施工裝備、智能監(jiān)測控制系統(tǒng)、三維可視化等技術(shù),構(gòu)建智能建造系統(tǒng),提升建造的安全、質(zhì)量和效益水平。

智能建造的實施是一個長期的過程,伴隨整個項目。智能建造的規(guī)劃旨在實現(xiàn)遠程控制、可視調(diào)度,推動建造過程提質(zhì)增效。在隧道錨、主塔、主纜、主梁等結(jié)構(gòu)專項智能建造方案制定過程中,我們結(jié)合虛擬建造技術(shù)進行技術(shù)攻關(guān)和研發(fā),實現(xiàn)混凝土生產(chǎn)、鋼筋加工、主塔液壓爬模智能噴淋養(yǎng)護、鋼梁虛擬拼裝、鋼梁吊裝等工序的智能遠程控制、可視化調(diào)度和協(xié)同管理,大大提升管理人員處置突發(fā)事件的效率效能。

2.3 BIM及數(shù)字孿生

數(shù)字孿生技術(shù)指在建造物理世界橋梁的同時,通過數(shù)模互通、場景孿生等技術(shù)手段,將物理世界中的橋梁主塔、施工設備、施工環(huán)境等數(shù)字化,在孿生世界中即可進行數(shù)據(jù)管理、監(jiān)控數(shù)據(jù)分析。從而實現(xiàn)項目數(shù)字化管理的同時,通過對數(shù)據(jù)實時的解析進行風險預測,保障項目施工安全。在實際項目實施過程中,通過深化BIM模型,構(gòu)建地質(zhì)、設備、環(huán)境模型,將模型進行多源數(shù)據(jù)融合并賦予監(jiān)測及管理信息,形成GIS+BIM+GM+管理數(shù)據(jù)+監(jiān)控數(shù)據(jù)的橋梁數(shù)字孿生應用。孿生模型中的模型構(gòu)件具備唯一性,存儲了與該構(gòu)件相關(guān)的過程管理文件以及監(jiān)測信息,通過數(shù)字孿生平臺即可實現(xiàn)溯源施工過程管理數(shù)據(jù)、模擬橋梁力學狀態(tài)、預警施工風險等功能,為施工提供輔助決策。在項目完工后孿生平臺可將所有數(shù)字化的信息對接橋梁運維,形成全生命周期數(shù)字孿生應用。

橋梁數(shù)字孿生平臺不僅構(gòu)建了交互式數(shù)字化場景對項目施工狀態(tài)進行實時查看,同時通過持續(xù)深化模型,將管理和監(jiān)測數(shù)據(jù)對接至相應構(gòu)件,通過臺進行統(tǒng)計、管理、調(diào)用,實現(xiàn)了項目數(shù)據(jù)的可視化。數(shù)字孿生平臺架構(gòu)如圖6所示。

圖6 BIM及數(shù)字孿生功能架構(gòu)

2.4 現(xiàn)場信息化管理

為提高施工現(xiàn)場管控智能化程度,開展智慧工地相關(guān)應用,對工地環(huán)境、安全、質(zhì)量等進行智能狀態(tài)感知和主動預警,打通信息化落地的最后一公里。

高原環(huán)境下施工安全風險因素多,需要對施工現(xiàn)場邊坡位移、橋梁、隧道施工過程中的位移、變形和應力進行自動化監(jiān)測與控制,確保工程施工的質(zhì)量與安全。通過建立施工監(jiān)控監(jiān)測信息化平臺,覆蓋施工全過程的結(jié)構(gòu)和施工裝備,以自動化監(jiān)測為主,并輔以人工測量數(shù)據(jù)錄入上傳功能,實現(xiàn)數(shù)據(jù)展示、預警及控制。現(xiàn)場信息化管理功能架構(gòu)如圖7所示。

圖7 現(xiàn)場信息化管理功能架構(gòu)

現(xiàn)場信息化管理內(nèi)容繁多,因此建立一個平臺將生產(chǎn)過程中人機料法環(huán)集成管理旨在實現(xiàn)實時監(jiān)控、在線預警,保障施工現(xiàn)場安全。通過現(xiàn)場信息化管理實現(xiàn)了“空、天、地”邊坡監(jiān)測、現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測、風力風向監(jiān)測等數(shù)據(jù)的實時呈現(xiàn),及可視化預警。該平臺與現(xiàn)場管理體系深度融合,其中搭載的智慧工地應用,可借助智能化管理設備等輔助手段,實現(xiàn)勞務實名制、智能視頻不安全行為識別、車輛位置油耗監(jiān)測等信息化、精細化管理,提升管理效能,保障現(xiàn)場安全。現(xiàn)場信息化管理的模塊也將隨著項目推進不斷豐富,能夠?qū)崿F(xiàn)基于管理數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)分析,形成技術(shù)沉淀。

3 信息化應用關(guān)鍵問題

總體來說,信息化技術(shù)在橋梁領(lǐng)域的應用尚處于快速發(fā)展初級階段,如何利用先進的信息技術(shù)、智能化自動化設備,建立完善智能建造技術(shù)體系,是當前面臨的核心難題,也是橋梁信息化建設領(lǐng)域研究發(fā)展的趨勢。可概括為以下3點。

1) 完善橋梁信息化理論創(chuàng)新

綜合物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動互聯(lián)、大數(shù)據(jù)、BIM、GIM 等技術(shù),立足信息化技術(shù)和施工技術(shù)的深度融合,基于橋梁施工技術(shù)、工程理論、工程經(jīng)濟學,構(gòu)建適用于我國國情的橋梁智能建造平臺頂層設計體系及功能架構(gòu)。通過引入工程控制論的基本思想,提出適用于橋梁建造全生命周期的建造方案規(guī)劃、數(shù)據(jù)采集傳輸、信息整合融合、材料適配優(yōu)選、工程經(jīng)濟優(yōu)化等方面的理論體系。

2) 加快多功能智能化橋梁建造裝備研發(fā)

近年來來橋梁工程突破了一個個挑戰(zhàn),港珠澳跨海大橋、麗香鐵路金沙江特大橋、平潭海峽大橋等項目的相繼建成,將橋梁建設推向了一個新的高度,同時隨著我國高原地區(qū)鐵路建設的開啟也為橋梁施工提出了新的要求。高原地區(qū)海拔高、地形復雜,對大型橋梁建造設備有著更高要求。因此對橋梁施工常用的液壓爬模、纜索吊、塔吊等設備進行研究,在硬件升級的同時結(jié)合智能化監(jiān)控設備和配套軟件,達到可視、安全、高效的目的。裝備研發(fā)還需要結(jié)合新材料、新技術(shù)研發(fā)以能夠滿足多種建造要求。

3) 推動橋梁數(shù)字孿生應用

數(shù)字孿生常在園區(qū)管理及運維項目中應用,在橋梁施工過程中沒有進行過嘗試。基于高原山區(qū)橋梁實際項目,從模型維度、數(shù)據(jù)維度、連接維度、功能維度四個方面整合了BIM模型、GIS模型、GM地質(zhì)模型三種模型。采用了大數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析與挖掘、數(shù)據(jù)集成與融合等方面的技術(shù),通過物聯(lián)網(wǎng)平臺將各種傳感器數(shù)據(jù)的雙向連接、雙向交互、雙向驅(qū)動,且強調(diào)實時性,從而形成信息物理閉環(huán)系統(tǒng)。基于模型和數(shù)據(jù)雙驅(qū)動,在力學仿真、虛擬驗證和可視化等方面展現(xiàn)了應用價值。為數(shù)字孿生在橋梁施工中的應用提供了思路。

4 結(jié)束語

大力發(fā)展施工信息化建設,推動橋梁產(chǎn)業(yè)變革,是一個復雜而艱巨的歷史性征程,對于持續(xù)推動我國橋梁工程建造高質(zhì)量發(fā)展,邁向工程建造強國具有決定性的意義。目前信息化技術(shù),與實際橋梁工程結(jié)合還處在起步階段,大量的新興技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)結(jié)合勢必需要進行深度磨合方能完全發(fā)揮出這些技術(shù)在橋梁建造中的價值。本文提出的信息化平臺設計在一定程度為智能建造、數(shù)字孿生等技術(shù)在橋梁工程中的應用提供了思路。