基於大數據平台的橋梁（liáng）安全監測及維護技術研究（jiū）綜述
1 建立（lì）大數據橋梁安全維護係統的必要性
21 世紀宏偉的（de）橋梁建設規模及與飛速發展的互聯網技術縮小了人們（men）交流和溝通時空，互聯網（wǎng）技術在橋梁安全維護領域應用也得（dé）到了快速（sù）發展。據統計，至2013 年我國橋梁數量有73. 53 萬座，其中特大橋3 075 座（zuò），大橋67 667 座，總裏程達3349. 44 萬m，94% 為中小橋（qiáo）梁位於縣鄉一級等通行（háng）能力差，技術標準低的公路上，其中荷載標準低，大約30%為3 ～ 4 類橋梁，大約15% 為不（bú）能滿足通行能力的橋梁。今（jīn）後，橋梁重（chóng）點將逐步（bù）從建設階（jiē）段轉為養護維護階段。這麽大量橋梁運營維護（hù）安全工作（zuò）成為十分緊迫的要（yào）求。
橋梁在長（zhǎng）期運營過程中，隨著橋齡的增加，橋梁性能不（bú）斷退化，橋梁損傷及病害不斷增多（duō），對橋梁養護及維護工（gōng）作要求不（bú）斷提高。為適應這種趨勢和需求，我國規（guī）範針對橋梁項目維護內容、維護周期以（yǐ）及評定方法均作了明確規定。《公路橋涵養護規範》要求橋梁每月至少1 次經常性檢（jiǎn）查，定期（qī）檢查最長時間不（bú）超過; 《城市（shì）橋梁養（yǎng）護（hù）技術規範》中對橋梁（liáng）技術狀況監（jiān）測及評價的內容、方法、周期都做了相應的規定; 《公路水運工程（chéng）試驗檢測管理辦（bàn）法》
對橋梁機具和設備等參數（shù）提出要求，由此每座橋梁都（dōu）產生大量的養護及維護數據。橋梁數（shù）據表現出格式多樣性和高維度的（de）特點，
不（bú）但包括文本、數（shù）字（zì）、圖片及視頻等多種（zhǒng）格式的（de）數（shù）據，還包括橋梁類型、跨度、支（zhī）座類型以及（jí）橋梁應力、撓度等多個維度的數據。傳統（tǒng）的橋梁檢測、養護、信息存儲及養護決（jué）策方式已經不（bú）能滿足於現代橋梁安全維護的要求。隨著移動（dòng）互聯網技術的發展，將移動互聯網技術融入到橋梁安全維護係統中成為一種趨勢。Sybase 公司組建Sybase 分析平台，通過複雜
橋梁數據進行快速分析，尤其是在對高峰期數據分析進行了相關的探索，而我國（guó）在基（jī）於大數（shù）據平台（tái）的橋梁維護（hù）技術方麵還不成熟，因此建（jiàn）立基於大數據（jù）的橋梁安（ān）全維護係統十分必要。
2 橋梁大數據
橋（qiáo）梁大數據具有數量大、多（duō）樣化、快速（sù）化及信息密度（dù）低的特點。每座橋梁（liáng）橋梁具有完備的全壽命周期可備查詢的數據（jù），包括橋梁規劃（huá）設計、建設、維護、檢測、加固、專（zhuān）家知識等信息數據，以及依靠先進技術建立的GIS 係統數據、3 維模型及橋梁分析數據。如圖（tú）1。
2. 1 橋梁建設資料、監控資料和施工資料對於運營橋梁來說，初始的橋（qiáo）梁檔案包括橋梁設計過程所產生的圖紙、文件、宣傳資料、試驗數據及報告，以及和施工過程所需的項目計劃書、招（zhāo）投標書、合同、驗收報告、竣工（gōng）圖紙、會議記錄、財務（wù）報表、人員及企業檔案、產品說明書、技術指南、規（guī）範文檔（dàng）等等。這部分資料將作為橋梁維護的重要參考，並
隨著橋梁建成使用，數據不斷得到擴充和（hé）更新（xīn）。
2. 2 橋梁健康監測數據
國內部分大型橋（qiáo）梁考慮到橋梁構件數量較多，人工巡（xún）檢維護困難，在建設初期即安裝了橋梁健康監測係統，橋梁健（jiàn）康（kāng）監測係統包括數據采集子係統、傳輸子係統、數據控製及（jí）管理子係統、評估及報警（jǐng）子係統。數據傳輸子係統中（zhōng）的監測數據包括環境與荷載（zǎi）數據、橋梁靜（jìng）力響應數據與橋（qiáo）梁動力響應數據等（děng）3 部分數據。橋梁健康監測（cè）係統數據量大小與傳感器數量，采樣頻率設置相關，以普通型黃河特（tè）大橋橋梁健康監測係統（tǒng）為（wéi）例，每天產生（shēng）的監測數據大約
為1. 5 G，其中大部分為高頻采樣的動力響應數（shù）據以及橋梁視頻監測數據（jù）［7］。如此海（hǎi）量的（de）數據的分析、存儲、查詢及調用的難度可想而知。全國現階（jiē）段共完成300 多座橋梁的健康監測係統，監控數據不斷實時增加，並要求係統進行實時分析（xī）評估與報警，後期分析評估及報警數據（jù）也不斷新增。隨著橋梁（liáng）健康監測係統數據挖掘工（gōng）作及評（píng）估技術的發展，從橋梁健康監測數據中挖掘更多的信息內容也在不斷擴大。
2. 3 橋梁維護（hù）及養護數據
《公路橋梁評定規程》以及《城市橋梁養（yǎng）護規範》對橋梁養護巡檢（jiǎn）周期（qī）、巡檢內容均有要求。在橋梁全壽命周期（qī）中，以每座（zuò）橋按照規範（fàn）要求每月（yuè）進行一（yī）次巡檢（jiǎn），每年進行一（yī）次定期檢查，10 a 進行1 次檢（jiǎn）定和特殊檢查，每座橋梁的檢測項目均不出現遺漏，包括主梁、墩柱及（jí）支（zhī）座等基（jī）本內容（róng）。全國76 萬座橋梁，每座橋梁每發生一次檢測資料平（píng）均30 ～ 50頁（yè），由此產生（shēng）的檢測數（shù）據（jù）容量非常巨大。這些養護資料不但需要進行本橋全壽命周期內的性能趨勢分（fèn）析，也（yě）需要（yào）實現同類型橋梁橫向對比（bǐ），包括養（yǎng）護方式，養護頻率等對（duì）比分析，以保證最優的橋梁養護效果。充分全麵的橋梁數據對於更好地把（bǎ）握橋梁狀態十分重（chóng）要，而橋梁（liáng）數據越大，橋梁維護及養護數據分析工作越困（kùn）難（nán）。
2. 4 橋梁分析數據
橋梁從建立之初的橋梁分析數據包括基於設（shè）計（jì）資料建立的有限元分析數據（jù），以及有限元建模（mó）所（suǒ）需要的CAD 圖（tú）紙數據，材料屬性數據; 為完成橋梁交竣（jun4）工進行荷載試（shì）驗（yàn）的有（yǒu）限元模型及橋梁應力應變、撓度分析數據及參數（shù）指標。橋梁長期運營後（hòu），橋梁性（xìng）能劣化進行的（de）橋梁模型修正數據，以及為模型（xíng）修正分析提供的橋梁狀態及監測采集數據。為使橋梁性能恢複，對橋梁進行加固時的橋梁加（jiā）固設計模型分析，加固後的橋梁指標分析，以及使橋（qiáo）梁性能恢複到（dào）設（shè）計（jì）狀態的對（duì）比數（shù）據分析。除此以外，對於部分中（zhōng）小橋梁定期監測的橋梁線形分析（xī）數（shù）據，沉（chén）降（jiàng）監測及分（fèn）析數據。
基於《公路橋梁評定規程》以及《城市橋梁養護（hù）規範》進行的評（píng）分機製，橋梁劣化指標判定都屬於橋梁分析數據的來源，也是橋梁養（yǎng）護決策的重要依據［8］。
2. 5 橋梁決（jué）策數據
橋梁全壽命周期內，對橋梁進行性能恢複所（suǒ）作出的決策是橋梁重要的信息數據［9］，是橋梁綜合性能（néng）階段性提升的策略和途徑。橋梁決策數據一般包括（kuò）多（duō）方麵的數據: 橋梁性能劣化發展原始數據、橋梁數（shù）據分析及（jí）原因數（shù）據、規範相關指標數據、橋梁加固及（jí）改造數據、橋梁修複決策數據。
3 大數據平台功能
橋梁大數據平台依（yī）靠雲（yún）技術、互聯網（wǎng）技術、數據庫技術、多媒體技術（shù）、數（shù）據分析技術（shù）、數（shù）據挖掘技術、虛擬現實技術，實現橋梁數據的信息化、便捷性、智能性、時效性、統（tǒng）一規範（fàn）、安（ān）全性等（děng）內容［10］。完整的橋（qiáo）梁資料及（jí）快捷的查詢服務（wù）是延長橋梁（liáng）壽命（mìng），提高橋梁性能的基本要求。橋梁大數據不但包括橋（qiáo）梁自身建設（shè）、養護及分（fèn）析數據，還包括橋梁車輛（liàng）荷（hé）載數據，天（tiān）氣及溫濕度數據。因此建立大數據
平台的目的包括:
2) 為不同級別、不同地區的管理用戶對線（xiàn）路級（jí）或路網級橋梁提供便捷的智能化管理平台，通過（guò）平台實時了解橋梁狀態，實現橋梁相關資源共享，提供一種新的（de）橋梁安（ān）全維護的合作模式和革新方式，提（tí）高橋梁管理遠程協助能力。
3) 為橋梁管理人員（yuán）提供快捷查詢，多角度（dù）、多方（fāng）位、多層次的提供橋梁對比信（xìn）息，為橋梁快（kuài）速、準確及有效（xiào）的決策提供高質量的服務。
4) 為使用用戶提供可（kě）視（shì）化、友好界麵、安全快速、全麵的橋梁服務功（gōng）能（néng）。
5) 為（wéi）巡檢人員科學製定巡檢任務及計劃，提供完備的檢測方案，預備檢測工具或推薦完善的解決方案及（jí）更適用的檢測儀器。
6) 通過大數據平台實（shí）現大規模數據的（de）解決方（fāng）案，避免大麵積的災難事故發生，及早預防。
7) 為橋梁加固（gù）提供解決（jué）方案，並方便用（yòng）戶對橋梁加固及資金的合理管理（lǐ），透明分配。
4 大數據平台的架構
大數據平台整（zhěng）體架構是由多（duō）個分布式微雲平台組成（chéng），采用一定的拓撲（pū）結構，通過網絡（luò）傳輸實現（xiàn）平台內數據互聯（lián）互通。大數據（jù）平台整（zhěng）體架構包括硬件層、網絡層、數（shù）據層、邏（luó）輯層（céng）、軟件層及應用層( 圖2) 。大數（shù）據平（píng）台具有開放、自由（yóu）、統一規範的特點，平台內的用戶之間提供信（xìn）息、資源、存（cún）儲、查詢、統（tǒng）計及分（fèn）析（xī）等共享服務［11］。
1) 微雲（yún）平台是橋梁大數（shù）據平台的數據來源，包括數據（jù）來源、數據存儲、數據分析、數據整合及用戶（hù）多樣性（xìng）展示等功能（néng）。微雲平（píng）台信息來源非（fēi）常廣泛，既（jì）包（bāo）括橋梁（liáng）結構性（xìng）信息，也包括（kuò）非橋梁結（jié）構性信（xìn）息，例如實時天氣信息，路況信（xìn）息，地震台風（fēng）等信息，為其他用戶實時收集和傳播信息數據。微雲（yún）平台具有全麵、靈活的配置特點。每個微（wēi）雲平台也包括硬件
層、網絡層、數據層（céng）、邏輯層、軟件（jiàn）層及應用層，在滿足橋梁大數據平台下的安全性及（jí）統一性要求的情況下，既可以由單台服務器或多台服（fú）務（wù）器組（zǔ）成（chéng），也可以由移動終端（duān）組成，實現資源共享，為平台（tái）提供服務或獲取相關服務［12］。每個微小雲平台在大數據平台內具有同等地位，但（dàn）根據每個微小雲平台的存儲介（jiè）質大小、平（píng）台（tái）硬件數量多少，運算能力快慢，以及網
絡速度（dù）的快慢分配不（bú）同的邏輯分析、運算能力及優先級別。
2) 硬件層包括（kuò）前端采集設備及（jí）傳感器，傳輸（shū）層的網絡或3 G 傳輸設備，以及（jí）雲中心的數據（jù）存儲服務器，網絡安全防火牆以及後端的展示（shì）平台（tái）。
3) 網絡層包括物理接入（rù）以及安全防護兩部（bù）分，保證數據通訊以及數據通訊安全，包括尋址和路由選擇、連（lián）接的建立、保（bǎo）持和終止功能。大數據平台的網絡拓撲結構（gòu）複雜，網絡層對平台下的通訊網（wǎng）絡的管（guǎn）理，實（shí）現資源子（zǐ）網聯通平台網絡的（de）方式。網絡（luò）層需要實現查詢時間、容量的（de）均衡性（xìng）。
4) 數據層包括提供數據存儲架構，存儲模式、中心數（shù）據庫，是（shì）整個係統的核心。數據層下的（de）中心數據庫分為數據數據庫、邏輯數據庫、地址數據庫。為實現網絡層快捷（jié）尋址，數據層中的數據庫結構應保持（chí）一致，使存儲（chǔ）保（bǎo）持規（guī）範與統一。
5) 邏輯層主要規劃（huá）數據流程處理及（jí）查詢路線（xiàn），調度數據流程。
6) 軟件層包括用戶（hù）管理軟件、數據（jù）錄入軟件、地理信息軟件、數據分析（xī）軟件、評估及報警（jǐng）軟件、數據查詢軟件以及信息統計軟件。軟件層是連接數據層與（yǔ）應用層的（de）重要環節（jiē），主要對原始數據進行操作，牽涉到較複雜的算法，軟件層要滿足健壯性（xìng）、安全性，對軟（ruǎn）件響應時間、係統響（xiǎng）應時間和應用延遲時間、吞吐量、並發用戶（hù）數、資源（yuán）利用率滿足相應的指標
7) 應用層直接麵對用戶，為用戶提供多元化（huà），定製化的服務，為用戶提供快捷查詢，滿足用（yòng）戶（hù）需求（qiú）。應用（yòng）層包（bāo）括對用戶體驗感，意見回收（shōu）處理。
5 橋梁大數據平台（tái）功能模塊
橋梁大數據平（píng）台按照功能模塊及用戶需求（qiú）進行劃分（fèn），主要包括用戶（hù）管理子係統、橋梁地理信息（xī）係統、橋梁檔案及資料子（zǐ）係統、橋梁信息錄入及發布子係統（tǒng）、橋梁維護及管理子係統（tǒng）、橋梁加（jiā）固維修子係統
等6 個（gè）部分。
5. 1 用戶管理子係統（tǒng）
橋梁大數據平台具有自由（yóu）、開放的特點，因此平台用戶具有複雜性。用戶管理（lǐ）子係統主要對用（yòng）戶（hù）注冊、登錄權限進行分配及管理，對不同組（zǔ）織機構、不同（tóng）部門用戶實行角色權限管理。並根據用戶的角（jiǎo）色權限開放不同的功能。
5. 2 橋梁地理信息係統
橋梁地理信息係統利用虛擬現實技術，將移動GPS 定位與橋梁空間定（dìng）位相結合，實現橋梁快速定位。通過地理信息（xī）係統（tǒng）實現橋梁可視化，對（duì）橋梁進（jìn）行三維或二維（wéi）展示，標注橋梁（liáng）屬性、狀態以及模擬橋梁周圍環境，提高用（yòng）戶的體驗感與參與。並根據不同權限用戶定（dìng）製的橋梁信息，開放橋梁相關的圖紙信息、視頻信息、維修檢（jiǎn）查及其他信息內容。
5. 3 橋梁檔案資料子係統
橋梁檔（dàng）案資料子係統主要對橋梁全壽命周期的橋梁資料（liào）進行管（guǎn）理，提供查詢（xún）服務功能。橋（qiáo）梁檔案（àn）資料包括數字、文本、圖片及視頻等多種類型（xíng）的格式，主要采（cǎi）用數據庫管理方式對資料進行歸納和管理。數據庫根（gēn）據橋梁信息屬性統一進行存儲，以實現橋梁信息查詢的（de）便捷性，快速實現橋（qiáo）梁信息的定位、收集及統計功能。
5. 4 橋梁信息錄入及發布子係統
橋梁信息錄入子係統主要基於智能終端的數據錄入方式，充分應用新技術、新設備實現橋梁信息的高效采集，充分減輕管理人員的工作量，顯著提高工作效率。實現對橋梁病害信息的全麵采集，以及對病害的文本描述（shù）信息、照（zhào）片、位置信息錄入、病害養護過程記錄（lù）、病害分析及養護決策。支持本地計算機的同步傳輸和無線網絡的實時傳輸，對道路通行
影響較大、危害大的重大病害，實現數據的實（shí）時傳輸，增強（qiáng）對重大事件的應（yīng）急響（xiǎng）應能力。
橋梁信息發布子係統對需要經常變動的信息，如橋梁交通信息、橋梁維修加固信息和橋梁動態等更新信息集中管理，並通（tōng）過係統進（jìn）行發布。
5. 5 橋梁維護及管理（lǐ）子係統
橋梁維護及管（guǎn）理子係統主要（yào）對維修方案進行定製，編製養護任務單，按照養護任務（wù）單記錄養護（hù）信息或者添加單條養護信（xìn）息，對養護進（jìn）行驗收，維修（xiū）保（bǎo）養台賬（zhàng），養（yǎng）護工程合同管理。編製維修（xiū）方（fāng）案、維修保養任務單，自動生成台賬，按照任務單進行養護，填寫養護信息，添（tiān）加任務（wù）單之外的養護信息，按照任務單進行工程驗收，填寫工程報驗單，記錄病害處理方（fāng）法。
5. 6 橋梁加固維修（xiū）子係統
橋梁加固（gù）子係統主要對橋梁加固方案，加固（gù）資金等進行管理，包括對橋梁病害情況介紹（shào），病害原因分析，專家意（yì）見，加固方案，加固效（xiào）果以及加固資金的（de）管（guǎn）理。橋（qiáo）梁病害、原（yuán）因分析以（yǐ）及加固方案等重要信息進行分類管理，以便於用戶的查詢。
6 橋梁（liáng）大數據平台應用
6. 1 橋（qiáo）梁綜合信息
橋梁主要（yào）承擔交通功能，橋梁大數據平台向公眾發布橋梁安全信息、交通信息以及天氣信息，為公眾（zhòng）出行提（tí）供出行參（cān）考。橋梁所處線路上的橋梁交通信息在大平台上實現資源共享，包括攝（shè）像頭（tóu）信息、監測信息以及天氣信息，改變橋梁被動或事後反映的境況，實現橋梁的預測性預警，提前向公眾發（fā）布預警信息。超載對橋梁的影響較大（dà），輕則使橋梁（liáng）損傷加大，壽命（mìng）減少，嚴重時導致橋梁垮塌（tā）。通過大數據平台對超載車輛類型統計規律分析，超載司機的統計規律分析，以及超載車輛通行時間規（guī）律的分析，向交通管理部門以及公眾（zhòng）發布相（xiàng）關超（chāo）載信息（xī），實（shí）現橋梁（liáng）超載治理。
6. 2 智能化養護
良好的橋梁維（wéi）護可以延長橋梁壽命，減少橋梁病害出現的風險（xiǎn），有（yǒu）效減少（shǎo）橋梁病害的（de）發展。大數據平台可實現橋梁養護的智能化與便捷化。通過大數據平台智能提供養護計劃，養護要求，進行養護（hù）設備的合理配置，向養護人員實時（shí）提供橋梁曆史養護信息，為養護提供參考，根據養護完成內容製定下階（jiē）段的推薦內容及方案。大數據平台可根據養護人員（yuán）的不同需要，提供相（xiàng）關的內容，包括對養護設備管理，設備維護及標定提醒，推薦精度更高（gāo）的（de）維護設備以及進行設備（bèi）升級等
6. 3 多元化橋梁決策（cè）
大數據平台實現了橋梁維修加固的多元化決策。通過橋梁大數據平台，對橋梁（liáng）病害發生及發展曆史進行分析，實現對橋梁病害發展（zhǎn）對橋梁影響的整體及全麵分析。通過平台對同類型橋梁發生病（bìng）害進行對比分析，對病害的規律性進行統計分（fèn）析，包括對病害發生的原因進行（háng）統計，判斷病害屬於普通病害或（huò）特殊（shū）病害。對橋梁病害信息全麵性掌握後，通過平台遠程協作及專家庫，請求專家提（tí）出相關檢修及加固意見，最後綜合專家意見對橋梁（liáng）病害及缺陷進行加固方案決策。
6. 4 便（biàn）捷化辦公
利用橋梁大數據平台還可以（yǐ）實現便捷化辦公，提供個人日常辦公管理功能，包括（kuò）工作（zuò）計劃管理、日程安排、通訊（xùn）名錄、個性設置等功能; 提供公（gōng）文的收（shōu）發管（guǎn）理功能，包括（kuò）收文登記（jì）、發文擬製、公文辦理（lǐ）、公文催辦、公文跳轉（zhuǎn）、歸檔銷毀、公文查詢（xún）等功能。
7 結語
由（yóu）於橋梁（liáng）安（ān）全養護涉及到海量的數據，傳統的養護技術已經不能滿足現代化橋梁養護的需要（yào）。本文通過（guò）對養護數據類型的來源分析和數據特（tè）點，提出采用（yòng）橋梁大數據平台解決現階段橋（qiáo）梁養（yǎng）護的問題，並對大數據平台建設目的，整（zhěng）體架構、功能模塊劃分及應用進行了闡述。隨著橋梁養護技術的發展，大數據平台（tái）將會與（yǔ）更多（duō）領域提供廣泛應用，為人們生活提供便捷化服務。
《來源科技文獻，經本人（rén）整（zhěng）理，以技術會（huì）友，廣交天下朋友》
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