5G＋桥梁结构安全监测将大规模兴起

　　【安防展览网 市场分析】据相关数据显示，目前我国公路桥梁数量已超过80万座，铁路桥梁超过20万座。意味着在桥梁结构安全监测方面，拥有巨大的应用市场。
 

　　在桥梁建设技术论坛上专家介绍，一个大跨度桥梁的健康监测系统由少则50、多则300个以上的传感器测点组成，其费用约占到桥梁总造价的0.25%—1.0%(2.0%)；监测系统的设计理念越来越侧重于为桥梁的养护管理提供支撑，偏重监测内容和技术而轻视测试数据处理和评价的设计方案越来越不易被桥梁业主所接受；健康监测系统本身的耐久性受到重视，要求传感器和其他硬件具有可更换性，并且更换时不能影响到数据采集的连续性；成桥后的结构健康监测系统与施工控制的监测系统相结合，监测数据内容前伸到施工阶段；结构状态评估子系统和评估软件的水平有所提高，注重桥梁专家对桥梁结构健康监测结果分析评估的介入。
 

　　智慧桥梁建设当中要求综合集成：结构健康监测集传感器网络、数据采集与管理、数据建模、安全评定、寿命预测于一体，全天候不间断地监测桥梁荷载与环境作用、结构局部和整体响应，全寿命监测建模荷载与环境作用、推断或在识别结构损伤和性能退化。并在此基础上，实时、定期或特殊事件下修正服役结构的计算模型、分析和定量评定结构的服役安全状况、预测结构剩余寿命，把握和预警结构安全和寿命状况，科学地支撑桥梁结构安全寿命的管养维护与维修加固。
 

　　目前，我国目前已有400余座大型桥梁安装了结构健康监测系统，随着系统的运行、维护和升级，结构健康监测愈来愈在桥梁服役安全评定和寿命预测等方面发挥着重要作用。同时推动桥梁结构，乃至土木工程结构由现阶段的“安全”设计为主，逐步迈向“安全和寿命”设计、评定、预测与维护的新台阶。
 

　　桥梁健康监测系统的四大要求
 

　　一是为结构长期科学有序的监测、巡检、养护、管理提供一个数据平台，建立结构长期的数字化和信息化档案。过去是人为管理，对结构不了解、不掌握;
 

　　二是尽早发现结构自身或者行车过程中的危险状态，在结构危险萌芽阶段时提前预警，确保安全，特别是铁路，要实时提前发现事故隐患，提前排除确保安全;
 

　　三是有效掌控运行期间结构的局部或整体长期使用状态和发展趋势，为养护决策提供数据与信息支持。
 

　　四是有效掌握交通基础设施运营期在的运行状态，为突发状态时提供数据保障。
 

　　从宏观上结构健康监测系统的主要目标：为结构安全、设计校核、养护维修和监测技术发展提供服务;从技术细节和实现要求来说，健康检测系统是具备足够的船干测试能力;二是具备数据采集和传输能力，这就与互联网相关;三是需要对结构的安全评估与健康诊断，首先是对结构模型的修正与分析，对损伤的模型定位，损伤发生在什么地方，对结构将来有什么影响，同时对结构的安全性发出实时预警预报。这就是健康监测的任务。
 

　　实时健康监测是跨学科、多领域的综合技术，将涉及到土木工程、动力学、材料学、传感技术、测试技术、信号分析、计算机技术以及网络通信技术等等，所以结构健康监测系统的发展以致于通信与网络技术的发展紧密相关。
 

　　随着传感器技术、无线通信技术、自动化处理技术和数据挖掘技术的发展，桥梁结构安全监测朝着信息化、自动化的方向发展。
 

　　桥梁安全监测物联网
 

　　安全物联网是一种集信息获取、智能处理和数据分析为一体的新型技术，目前受到国内外各界的高度关注，已在智能家居、环境监测、工业控制、智慧交通等领域得到大量应用。将安全物联网应用于桥梁结构安全监测不单单具有重要的现实意义，还具有重要的研究价值，在推动和发展智能化、数字化和信息化桥梁工程中起到了积极的作用。
 

　　物联网监测云平台系统的主要功能是：对采集的数据存储监测数据，并提供数据统计、分析、绘图、报表汇总以及自动预警等服务，并可通过计算机浏览器与移动端App访问使用。
 

　　其中，无线物联网方案的优势是：
 

　　采用无线传感网的监测方案，能满足快速部署需求、减少专业的网络配置工作(自动组网)，同时满足远程配置和分析(可自定义的采集、获取和分析数据)。还具有以下优势：
 

　　1、方案简捷易行，实用性强；

　　2、与传统方案相比，可显著减少滤波器、线缆等中间设备采购；

　　3、可随时随地随需增减测点、调整测点类型，支持由小到大平滑扩建；

　　4、支持移动智能终端APP，有利于应急监测的快速实施和进行；

　　5、无线测点自带电源市场上有可坚持3年以上，无需供电及防雷等保护；

　　6、方案分布式特点，数据集中接入在线系统，适合大规模部署；

　　7、一年可完成300个桥梁的监测系统施工；
 

　　在线监测系统特点：
 

　　使用在线监测系统，按需付费的在线监测系统云系统，因购买服务方式能有效降低系统使用门槛。通过在线监测系统，能实时数据查看、健康评估、阈值预警、时间序列分析等。系统应具有以下特点：
 

　　1、提供直观明了的图表，分析方便快捷；

　　2、可将多种相关因素共同绘图，快捷、直观地查看趋势及关联变化；

　　3、图表数据量可简可繁可定制，可直接用于多种工作报告；

　　4、提供时均值、日均值、变化速率等统计值的实时计算和更新；

　　5、提供多级阈值预警设置及对应报警，快速的风险等级评估；

　　6、提供数据导出，以便用户采用第三方软件进行分析；

　　7、自带数据加密等安全机制，防止非法接入和使用；

　　8、提供Android和IOS APP。
 

　　以光纤物联网为基础的智能检测技术拥有预知桥梁病害的发展趋势的能力, 可为桥梁预防性养护提供必要的技术支持, 对延缓桥梁大修和翻建的期限, 提高桥梁的使用水平和寿命, 为设计、施工和管养单位决策提供参考依据。
 

　　BIM全生命周期桥梁健康管理应用
 

　　BIM技术在现代桥梁建设阶段应用较多，而将其成功应用到运营阶段的较少，依托BIM技术能实现大桥全生命周期管养。
 

　　1、在大桥建设期，依托BIM技术建立了BIM协同管理系统。在大桥建设之初，项目依据桥梁设计，集合桥梁各部件的具体几何尺寸、材料属性、配置特征等基本信息，建立BIM数字化信息模型。同时集成了质量、进度、安全、风险、成本控制等信息，辅以GIS、物联网技术，实现了规划、设计、建造、管理的全过程信息化管理。一是生成计划与实际进度信息模型，通过可视化查询、偏差状态分析，追踪工程进度；二是通过手机端采集现场质量安全问题推送至平台，推送短信提醒，实现问题采集、跟踪、处理闭合式管理；三是分解工程量清单，把工程量及费用信息赋予模型，实现计划与实际成本比对管控；四是对接视频监控系统的数据库，实时动态监控现场施工人员与环境安全。
 

　　2、在大桥运营期，基于BIM模型开发了桥梁健康监测系统。该系统是一个集结构分析计算、计算机技术、通信技术、网络技术、传感器技术等高新技术于一体的综合系统工程。监测系统由3大部分组成：健康监测系统、健康与安全分析评估系统、管理应用系统。
 

　　(1)健康监测系统。监控系统负责结构安全信息采集。主要采集主桥、引桥、悬索等位置安装的近700个传感器信息，包括桥梁结构的荷载(风力、温度、交通荷载、地震等)，桥梁结构静力响应(线形、索力、应力等)，桥梁结构动力特性(频率、阻尼比和模态振型等)，以及桥梁结构在运营期出现各种结构变化信息。
 

　　(2)健康与安全分析评估系统。健康与安全分析评估系统负责结构安全信息处理判断。结构安全信息处理判断就是识别影响结构安全性的各种因素，包括建筑材料性能退化、结构抗力下降、荷载超限、结构静力及结构动力特性等参数的异常变化。通过对这些参数的测试采集、分析处理和识别判断，形成健康监测日报、月报和年报输出数据及图形，评估桥梁结构安全等级和适用条件。
 

　　(3)管理应用系统。管理应用系统包括安全预警、危险报警、交通管制和管养决策等方面。同时，利用健康与安全监测系统提供的平台进行设计验证方面的研究工作，能够分析桥梁在各种荷载长期作用下的静动力特性变化规律。通过管理应用系统实现结构安全主动控制。
 

　　智慧桥梁体系建设
 

　　建设智慧桥梁需要从项目全生命周期角度出发，以BIM技术为核心，以移动互联网等先进信息技术为手段，通过打破信息断层，有效控制工程信息的采集、加工、存储和交流，构建信息的创造、传递、评估和利用的良性循环机制。实现智慧设计、智慧建造和智慧管养，支持决策者对项目进行合理的协调、规划和控制，进而不断提升桥梁技术创新、信息化和智能化水平。
 

　　1、智慧管养
 

　　针对工务部门的现场检查，直接利用移动终端进行数字化信息采集，实时上传病害描述、照片和视频等内容，免去了“手工记录一数据录入一导人系统”的繁琐步骤，不仅提高了巡检效率，实现病害的立体展示，而且有利于病害的可持续追踪，方便追溯管理。
 

　　2、病害库及专家远程会商
 

　　该模块实现了运营期间病害的分类管理，关联有效处理措施及维修养护过程，形成规范的管养步骤和流程。针对新病害，采取专家远程会商，及时获取有效处理措施，并补充和完善病害库，形成有机良性循环。
 

　　3、病害处理流程
 

　　基于互联网、物联网和云计算技术，搭建基于车-线-桥的数字化管养系统，集成智能巡检、病害库和知识库管理等模块。综合设计、施工、联调联试等信息，利用大数据技术对多源数据进行分析和深度挖掘。结合相关规范、标准，梳理并构建桥梁结构性能评价的基本指标体系，终实现基于“状态修”的智慧管养体系，为今后类似工程的设计、施工和运营提供技术依据。
 

　　智慧桥梁相关标准体系
 

　　BIM标准体系下需要建立统一的BIM模型、数据传递交换、存储、交付、实施、管理等相关指南，形成智慧桥梁BIM技术应用标准体系。其中包括：
 

　　1、基于BIM技术的项目协同综合管理平台
 

　　搭建面向多参与方、多阶段的BIM管理平台，为各阶段的BIM应用及各参与方的数据交换提供一体化信息平台支持，打造各方信息无损传递和数据共享的生态链。
 

　　2、构件库、模型库的建设
 

　　基于参数化建模，搭建桥梁构件库和模型库，累积标准构件的几何尺寸、属性信息，提高设计效率及质量。
 

　　3、模拟与分析
 

　　研究基于BIM模型的数值模拟和空间分析，实现与力学分析软件的接口设计，完成建模、计算、分析评估和优化的成套流程。
 

　　4、数字化施工与施工管理系统
 

　　基于BIM技术，搭建多维施工管理系统，完善和集成多个数字化施工模块，实现不同阶段信息的关联查询，追溯管理。实现施工信息资源的智能化、标准化、专业化的深层次应用，达到提升桥梁工程结构建造质量和管理水平的目的。
 

　　5、多源数据综合分析技术
 

　　集设计、建造、联调联试、试验、智能巡检及车-线-桥环境耦合系统等多源数据于一体，利用大数据技术，通过数据挖掘、预测分析、关联分析等专用算法库和模型库，将不同阶段的数据进行综合分析和利用，为大桥进行状态诊断、预测分析和健康管理提供基础。
 

　　6、基于全生命周期的BIM运维管理系统研究
 

　　融合先进信息技术，建立包括结构设计、施工、运营、养护维修等内容的全生命周期BIM管养系统，将动态轨检车、静态轨道监测系统、桥梁结构监测系统、工务监(检)测等信息纳入多维度的监测内容。采取多源数据分析手段，借助大数据分析技术，构建结构性能评判、预测和健康管理的综合技术体系，实现大桥维护管理的信息化、自动化和智能化，终实现基于“状态修”的桥梁管养模式升级。
 

　　结束语
 

　　业界新的实践是：通过“物联网+移动通信+互联网+云计算+BIM技术+桥梁结构分析”理念和技术的综合运用，可对桥梁结构安全实施全过程、全天候、全覆盖在线监测，从而建立起一套先进的、科学的桥梁健康监控和评价体系。通过对桥梁的综合状态实施系统检查、科学分析、客观评估，使管理者能够准确掌握桥梁结构的安全性能、使用性能和耐久性能，进而采取更加具有针对性和预防性的管养措施，确保桥梁运营安全。与此同时，借助现代信息手段和专家诊断分析系统，利用这一平台，可以更加地分析、判断和预测桥梁使用性能的变化，为桥梁科学管养和桥梁设计、施工的优化提供科学、客观的依据，从而提高桥梁本质安全度，降低桥梁建设和运行的综合成本。
 

　　为什么说5G+桥梁结构监测会大规模兴起呢？智慧城市中国咨询专家周智勇分析认为：
 

　　首先，5G技术是一种以场景驱动的类似专网通信的高带宽数据传输网，因此，比较适合于高价值城市资产的管理、监测、运维和服务；
 

　　其次，现代化的桥梁的生命周期通常在50年-100年以上，时间跨度大，基于智能手持终端的桥梁健康监测设备如能在5G的支撑下，必将实现现场的可视化巡检，可以发挥5G+AR的优势；
 

　　再次，未来随着BIM+GIS+IOT应用的深入推进，利用5G技术设备和网络的支撑，有望改变传统的桥梁设计、建造、施工、运维、养护的理论和方法，实现智慧桥梁。