公路桥梁数字化养护的水到渠成——构建多层级数据平台

随着物联网、5G通信、BIM、大数据、人工智能和云计算等新一代信息技术的突破与发展，“智慧交通”应运而生，并成为交通强国战略的重要组成部分。桥梁养护作为“智慧交通”中的一环，如何提高与改进其数字化、信息化水平，是所有从业人员面临的一项突出问题。           问题与不足         我国公路交通事业在近30年时间发展迅速，公路里程、桥梁数量等增速明显，桥梁规范化、标准化养护面临挑战，存在诸多的问题和不足。主要体现在下述几个方面：         1. 截至目前，公路桥梁总数约88万座，数量非常庞大。同时，随着工业化水平的提高和人民生活水平的改善，整体交通量水平呈逐年递增趋势，且增速较快，部分路段的重车比例始终处于较高水平，造成桥梁超负荷服役现象较为普遍。此外，对于国道、省道等干线公路及县乡公路桥梁，由于建设年代较早，整体服役年限较长，材料劣化、结构开裂等病害多发，整体技术状况水平较差。随着既有桥梁服役年限的增加和交通量的逐渐上升，桥梁养护工作量大和任务繁重的情况将长期存在。         2. 自本世纪初以来，桥梁养护工作逐渐得到各级管理部门及相关从业人员的重视，在制度建设、技术力量和资金投入等方面均有长足进步，档案信息化管理方面也取得了明显成效，但仍面临部分老、旧桥梁基础资料缺失或信息不详，桥梁建成后其初始指纹数据不足或缺失等问题。此外，目前所用的档案信息化管理手段仍以信息卡片为主，即使以电子化档案存储的信息，其重点仍在于对日常养护数据的电子化管理，其中静态数据占很大比例，历年积累的大量养护数据沉淀在数据库中，其利用效率与可利用度相对较低。         3. 随着养护业务信息化的发展，大多管理单位已配备了各类养护系统、软件，如养护管理系统、健康监测系统、检测软件等，各系统、软件间的养护数据由于缺乏统一的数据标准，它们的融合及交互存在技术壁垒，严重影响数据使用率。         4. 现有的桥梁检测手段相对落后，主要以人工抵近检验为主，现场检测多采用纸质记录，成果以报告形式体现，检测报告内容、形式繁杂，成果质量参差不齐。近年，随着数字化检测软件应用逐年增多，桥梁检测数字化水平有所改善，检测成果质量有所提高，但仍存在检测软件与养护管理系统交互性差、自动化检测水平低等问题。          5. 在桥梁养护设计、养护施工及后评价方面，数字化水平几乎为零。养护设计中存在的检测与设计脱节、设计周期长、变更量大等问题仍然较为突出，养护施工中仍以人工经验为主，缺乏数字化管理手段，养护质量和施工作业安全控制水平参差不齐。            解决契机与途径         面对桥梁养护中存在的诸多问题和不足,数字化养护为我们提供了一个解决问题的契机和途径。以多层级桥梁数字化养护平台为基础,充分考虑各管理层级的具体业务需求和各作业环节的实际工作需要,根据桥梁结构特色进行数据分类,建立统一的标准,预留相应的数据交互通道,确保其互融互通,为实现桥梁养护数字化管理和数字化作业提供保障。同时,基于统一的数据标准,充分利用现有的新一代信息技术和图像识别技术等,建设数字化养护平台,研发相应的智能化、自动化检测设备,开发桥梁巡查、检测、设计和施工等相关软件,形成桥梁数字化养护生态体系,提升养护数字化水平,提高养护作业效率和管理效率。         在数字化养护生态体系建设中，多层级数字化养护平台建设与数据标准建立，是最重要的两项基础性工作。数字化养护作业平台作为多级数字化养护平台的基础层，平台搭建和数据标准建立应考虑各层级实际业务需求，数据分类和交互应满足各层级业务需求与本平台各环节间的作业需要。同时，数字化养护作业平台应对建设期资料、信息和历史养护数据等，具有良好的兼容性与继承性。         建立数据标准体系，分析养护阶段所涉及各类基础数据和动态数据，保证新建系统数据的一致性，实现对既有数据进行一致性融合处理，打通现有各作业平台、软件与已有养护系统之间的数据通道，实现与既有养护系统之间的数据共享和整合，保证数据间关系的准确性、可理解性并避免数据冗余，确保数据传输过程的安全性，以及共享数据的互操作性和互用性。           数字化养护实践         为适应市场需要，提高在数字化养护领域的技术水平，基于统一的数据标准体系，初步设想的数字化养护平台主要包含基础数据、桥涵检验、健康监测、智能评估、养护规划、养护设计、养护施工和后评估共8个基础模块，各模块间数据具有不错的一致性，确保各模块间的数据交互，平台构成思路见图1。截至目前，在基础数据、桥涵检验、健康监测与养护设计方面均开展了部分工作，并取得了一定的应用效果。   图1 数字化养护作业平台           基础数据与检测评估         综合考虑养护管理、检测评估、养护设计施工等多方面需求，根据桥梁类型对养护数据进行识别、分类，以参数化形式快速建立基于GIS的数字化信息档案，包含地理位置、行政区划、桥梁功能、结构信息和养护历史等，为各作业环节提供相应的基础数据。         检测评估软件开发的基本思路是设置web端和APP端两个操作终端，共享统一的数据库。web端主要用于前期行政信息、结构信息、历史养护信息等基础数据的录入，构件目录树建立及后期报告的编制调整等。APP端主要用于现场检测信息录入，可用于桥涵的日常检验、经常性检验、定期检验与特殊检验，定期检验时软件的操作流程如图2所示。   图2 软件操作流程         软件在设计开发过程当中，针对web端与APP端，综合考虑了多方面需求，主要实现了下述特色功能。         1. Web端特色功能：         (1)建立桥梁档案、资料数据库，实现动态管理。         (2)依据规范有效、准确地评定桥梁的技术状况等级。         (3)一键生成各类标准检验报告，支持版面人为调整。         (4)根据病害类型及数量定制养护维修方案。         (5)对数据进行各种统计分析,为养护大数据奠定基础。         (6)实现不同层级用户的权限管理。           2. APP端特色功能：         (1)与web端管理系统数据交互。         (2)内置病害数据库，快速病害点选（或语音）记录。         (3)一键拍照、现场快速绘制病害示意图。         (4)病害数据离线录入，适应性强。         (5)支持一座桥梁多组同时检测。         (6)可现场出具桥梁定期检测技术状况评定结果。           健康监测及养护设计         健康监测软件开发以现行交通运输部颁行业标准为评估基础依据，综合多种分析评估方法，以静力参数监测为主、动力参数监测为辅，分web端与APP端两个操作终端，共享统一数据库而建立的监测系统。web端主要用于前期行政信息、结构信息、传感器等基础数据的录入，阈值建立及监测报表、报告的生成等。APP端则用于监测数据、预报警信息和查阅报表。   图3 健康监测系统操作界面         养护设计软件开发的基本思路是以现行国家标准和部颁行业标准为基础，针对不同结构形式桥涵的常见病害、加固方法、加固材料、加固工艺等建立基础设计信息库，辅以必要的结构分析、验算、绘图等必要软件，实现养护设计的半自动化。截至目前，基于现行桥涵设计规范和加固设计规范开发的结构验算部分，已可以完成各类构件的结构验算功能。   图4 公路桥梁加固计算程序         公路桥梁数字化养护既包含管理也包含技术，涉及桥梁全寿命周期内的各相关从业单位与人员，是新一代信息技术与传统土木技术的交叉融合。数字化养护技术的发展需要各方共同努力，建立统一的数据标准，建设多层级的数字化养护平台，开发配套的管理软件及养护作业软件，进而形成健康的、可持续发展的数字化养护生态体系。   　　柳州博奥机械制造有限公司位于全国重工业城市柳州，是一家生产桥隧检修设备、桥梁吊篮、定制型桥梁检测车、矿山机械设备、焊合件、大吨位大跨度桥梁检修平台、重型钢结构组合件、混凝士破拆机械等产品的老牌资质厂家。公司始建于2004年，于2009年正式成立柳州博奥机械制造有限公司，面向全球市场市场开展桥隧设备的定制式服务，不断为中国的桥隧养护单位提供技术和产品服务，并与中铁，中交,中建等大型公司在建筑、桥隧工程上长达十多年的诚信友好合作。 　　(版权归原作者所有，图片来自网络；如有侵权，请与我们联系，我们将在第一时间进行处理。)