省级特大桥群结构健康监测平台设计与关键技术分析

■魏必成 林毅标 陈美忠

（福建省高速公路达通检测有限公司， 福州 350108）

20 世纪80-90 年代，欧、美等国的基础设施（桥梁、大坝）大多进入设计使用寿命中期，结构病害、事故频发，需投入巨大的养护资金。 为了提高基础设施的养护水平，提出了“主动预防式”的结构健康监测理念，并在一些重要桥梁上开展了应用[1-4]。通过健康监测系统， 可对不利环境参数及结构异常响应进行实时预警，开展结构分析评估，指导养护工作开展；在突发事件下，辅助应急决策及灾后评估。

目前，我国已有上百座大型桥梁安装了桥梁健康监测系统， 为桥梁的科学管养提供了重要支撑，但仍然存在以下几个问题[5-6]：（1）只针对特定某一座或几座桥梁，各桥之间的信息不共享，没有从省市级桥梁管理的角度集成为统一的平台；（2）同一地区不同桥梁结构的监测系统的监测变量 （如环境与荷载监测）存在一定的冗余，且多传感器长时间连续采集与传输的数据量相当庞大， 造成数据累积和冗余；（3）由于健康监测的专业化，桥梁管养单位缺乏数据分析、 系统养护管理的专业技术力量，无法从监测数据获悉结构当前状态，给桥梁结构管养部门的维护、 维修和养护决策造成一定困难。

因此，迫切需要构建省级公路特大桥群结构监测与安全预警平台，以实现省级特大桥群监测数据的集中管理，统一数据标准、多源共享使用，提升桥梁管养水平。

1 高速公路特大桥统计分析

福建省桥梁众多，且分布广泛，各单桥系统数据分散在各地，不利于系统的集中管理。 依托于福建省特大桥群和既有单桥系统，开展省级监测平台关键技术研究，具有典型意义。 对福建省高速公路特大桥基本数据进行统计分析， 掌握各类桥梁占比，可作为构建省级特大桥群结构监测管理平台的基础。 据统计，截至2020 年，福建省高速公路共有特大桥316 座，按照单孔跨径和结构类型对其进行统计分析，结果如图1～2 所示。

图1 福建省高速公路特大桥统计分析结果（按上部结构类型）

根据统计结果发现，福建省高速公路特大桥按照上部结构类型划分主要有连续梁桥、连续刚构和斜拉桥3 种，其中主要以连续梁桥为主，占比达到了85%；斜拉桥占比7%。 按照单孔最大跨径，59%的特大桥单孔跨径在20～40 m 间。

图2 福建省高速公路特大桥统计分析结果（按单孔最大跨径）

因此，在构建福建省特大桥群结构监测管理平台时，需考虑能够实现连续梁桥、连续刚构和斜拉桥3 种桥型在平台上进行统一管理，根据桥型分类展示，并具有一定的拓展功能。

2 省级监测平台总体设计

2.1 需求分析

省级监测管理平台的核心功能是整合分散于各地的数据资源、集中管理，确保在役及在建桥梁的安全运行，更好地服务群众出行，进一步提升特大桥梁的科学化管理水平。 因此，监测平台应满足以下功能需求：

（1） 实现省内多座特大桥在线监测集中式管理， 可扩展接入不同单桥健康监测系统的数据，实现数据共享及联动，预留桥梁其他重要设施在线监测系统接口，共享监测管理信息，实现桥梁基础设施的智能化管理。

（2）建立桥梁全寿命期信息化“电子档案”及日常桥梁管理工作平台，将人工巡检管理与在线健康监测相结合，打造省级特大桥梁预警应急管理体系。

（3）监管桥梁的结构使用状态及其发展演化趋势， 对桥梁运营期出现的各类异常状况进行评估、预警，辅助桥梁监管养护，保障桥梁的安全运营。

2.2 设计思路

省级监测管理平台涉及单桥健康监测系统、交通荷载监测系统、电子化巡检子系统等不同平台系统的整合，以及单桥监测系统的远程接入等，具有业务类型各异、数据种类多的特点，故对数据的整合与平台内各系统的融合提出了更高的要求。 平台设计需考虑下述几个方面：

（1）在遵循国家和行业相关规范、标准、规程的基础上，本着“架构清楚、方便扩展、稳定可靠、高效实用”的理念进行分级构建；

（2）省级平台软件设计与单桥监测系统接口标准统一、功能清晰、协调一致；

（3）遵循“业务决定应用，软件决定硬件”的构建思路，平台设计以GIS 为基础，集成各特大桥自动化监测子系统、电子人工巡检子系统等，兼容资料管理、交通监测、日常桥梁养管等工作，建立全寿命周期电子档案管理体系、制定各类数据、视频、通信等接口标准；

（4）基于统一的中心数据库平台进行各子系统的数据管理和存储，形成“大数据中心”。

2.3 平台构架

省级监测管理平台所涉及数据内容广、 范围大，将平台架构从逻辑上分为5 个层级，即数据源层、数据融合层、数据管理层、数据展现层、数据应用层，如图3 所示。

图3 平台架构

数据源层是数据的主要来源，包含桥梁建、管、养的各种数据；数据融合层将数据源层中的数据提取、转换、加载、整合，形成面向业务的数据和分析类数据； 数据管理层对整合后的数据进行处理，输出决策支持数据结果；数据展现层对数据结果进行直观展现； 数据应用层向外提供标准的数据接口，其他系统可以通过标准的数据接口获取数据。

3 关键技术研究

3.1 数据远程传输技术

由于各特大桥地域分布广、 管养单位不同、数据远程传输困难，如何实现多源异构数据的远程传输，是构建省级监测平台的关键难点之一。 目前常用的数据传输技术主要有轮询、 长连接和Web-Socket。 相比于其他两种技术，WebSocket 技术具有以下优点： ①只需要通过HTTP Request 建立一次连接即可进行后续的数据交换， 大大节省了带宽；②双向通信连接，建立TCP 连接后可以实现数据的接发； ③几个不同的URI 可以复用同一个Web-Socket 连接，理论上更适合作为省级平台数据的远程传输技术。 下面基于WebSocket 开展省级监测平台远程数据传输技术研究。

（1）传输架构

由于socket 数据量多且快，如果将数据直接存入传统的关系型数据库则会遇到效率瓶颈，必须进行缓存处理。利用Redis 缓存快的特点，可将接收到的socket 数据源源不断地写入redis 中， 通过websocket 服务端定时去redis 读取缓存数据，一旦有新数据则可直接推送至前端页面，实现前端界面监测数据的高效、实时展示。 采用的实时数据传输架构如图4 所示：

图4 实时数据传输架构

①外场传感器设备与数据分析平台建立Socket 连接实现监测数据的可靠传输；

②数据分析平台对数据进行解析、处理等标准化处理，并将处理后数据存入Redis 缓存；

③Redis 服务将缓存数据持久化存入高性能数据库，方便历史数据的调研分析；

④WebSocket 服务器与前端页面建立Web-Socket 连接，如果是进行中的socket 作业可直接从Redis 抓取数据实现实时数据刷新； 如果是已完成的socket 作业， 则请求hbase 数据库数据实现历史数据回放；

⑤前端调用Echarts 控件实现数据展示。

（2）心跳包重连技术

数据传输存在连接中断的情况，需要一种机制来检测客户端和服务端是否处于正常连接的状态，以保障监测界面服务端与客户端始终保持连接。 研究采用了心跳包重连技术，在指定时间间隔发送心跳包来保证连接正常，如果连接出现问题，就需要手动触发onclose 事件，进行重连操作。 平台软件设计可考虑在前端加入心跳重连服务，定期向后端发送心跳包， 当后端收到心跳包后会返回心跳消息，若前端未收到心跳消息，则判断WebSocket 连接已断开，此时应重新建立WebSocket 连接，以防止实时数据传输中断。

（3）WebSocket 技术与HTTP 比较

相比于HTTP 需要重复建立客户端与服务端之间连接， WebSocket 一旦建立连接， 只要Web-Socket 连接或Server 端连接不中断，无需重复建立连接即可实现数据的连续传输。 对于健康监测系统，具有数据量大、使用用户多的特点，采用Web-Socket 可以大大节省带宽资源， 具有很好的实时性，适用于省级监测平台的数据远程传输。

3.2 数据整合技术

省级监测管理平台汇集了监测预警数据、桥梁静态资料数据、专项工程数据、视频监控数据等各类数据， 进行数据整合是服务于桥梁管养的关键。数据整合涉及到多源数据的交互、单桥系统与省级平台的接口、数据转换与发布等。

数据交换平台主要是从其他子系统中提取数据、进行数据融合处理、组织实时数据和历史数据、提供数据服务和支撑系统运行，主要实现桥梁结构静态数据、实时监测与定期检测的动态数据以及特征数据、图表等的交换共享。 各子系统之间统一数据接口规范、标准，实现各子系统之间的数据共享和传输操作。 数据交换平台总体架构如图5 所示：

图5 数据交换平台总体架构

由于监测系统不同监测项目的数据格式不一，在数据传输中，需要对数据按照数据字典的要求进行格式转换。 采用数据登记标准的、基于XML 格式的数据接口方案设计，灵活性比较好，系统扩展方便， 适合接入系统的增加或接入信息内容的扩展，有利于满足新系统的接入和系统发展的需求。

数据发布需考虑应用层从各子系统提取数据，再打包成数据服务在公共数据缓存库进行保存，在缓存库开展数据比对、冲突检查、审核、转换；满足一致性、 完整性的数据将被发布到公共数据发布库，供数据使用方访问。

3.3 数据可视化技术

省级监测管理平台需汇总接入省内不同区域各特大桥健康监测数据，对实时监测数据有高实时性、高可靠性的要求。 面向服务的体系结构（SOA）可满足松散耦合、基于标准和独立于协议的分布式计算的要求。 在SOA 中运行的业务操作包括对这些不同组件的大量调用， 通常以反映底层业务流程需求的事件驱动或异步方式，利用Web 服务标准能够支持多种传输协议上的各种通信模式， 便于功能扩展，尤为适用于省级平台可视化软件体系架构。

（1）SOA 架构

SOA 通过开放消息传递的语义为异构系统之间的集成提供了一种新的解决方案。 SOA 将调用远程对象和功能（称为“服务”）的能力与动态服务发现工具相结合， 强调互操作性。 SOA 可以通过Web Services 技术（通用描述、发现和集成）、WSDL（Web 服务描述语言）、SOAP （简单对象访问协议）等来实现，作为一套灵活的、可互操作的分布式系统标准。 原理如图6 所示：

图6 基于SOA 数据可视化原理图

（2）监测数据可视化

监测数据可视化主要针对不同的监测内容，以图表、列表、曲线图、柱状图等形式实现数据的展示。 平台采用JavaScript 技术开发可视化库，保证了浏览器端的展示效果， 并适用于电脑端和移动端任意场景。通过在底层构建矢量图库，可以实现数据可视化图表的定制化、个性化。 应用流程如图7 所示。

图7 数据可视化流程

4 成果展示

基于前述研究，依托福建省内的既有单桥健康监测系统，初步构建了福建省级特大桥群监测管理平台。 按照功能模块主要包括：首页展示、监测总览、通知公告、基本信息、交通状况、实时监测、特殊事件、分析评估和系统管理等，实现对省级桥群的统一监管。

（1）平台首页

平台首页基于WebGIS 技术，实现各桥位置信息定位、桥梁预警状态、异常监测项显示、桥梁图册查询等。 界面左侧显示桥梁信息列表，点击桥梁缩略图，主界面区域自动定位到当前桥梁所在地图位置，并弹窗显示桥梁基本信息（图8）。

图8 盖梁支架的变形

图8 平台首页示意图

（2）监测总览

监测总览界面主要实现省级桥群重点监测信息的总体显示， 包括各桥预警总数， 各监测项运行状态、技术状况评定（评估打分）变化趋势、风速风向、环境湿度、车流量信息统计等功能，如图9 所示。

图9 监测总览

（3）实时监测

实时监测界面主要实现各监测项实时数据的展示，界面上部展示传感器布点图，下部展示数据时程曲线、仿真仪表、历史数据统计分项等功能，界面数据每秒钟实时刷新，同时数据列表展示实时数据变化情况及其预警状态，如图10～11 所示。

图10 实时监测（1）

图11 实时监测（2）

（4）超限预警

超限预警界面实现各监测项超限预警数据的统计查询功能，用户可按照时间段、预警级别、状态等信息进行预警数据查询，如图12 所示。

图12 超限预警

5 结语

依托福建省高速公路特大桥群，设计了省级监测管理平台并深入研究了其中的关键技术。 基于WebSocket 远程数据传输技术， 实现了监测内容的服务端发布及客户端订阅，各桥数据在非局域网环境下的远程实时传输；通过模块化功能架构、多线程数据处理模式和实时数据处理等技术，构建数据处理算法工厂，实现对不同传感器数据类型、不同数据采样频率的高效并行处理；基于多源异构数据整合技术， 通过接口将各个子系统数据包装成服务，建立连接中枢，实现数据逻辑整合、平台“高内聚、低耦合”的功能，有效管理各类多源异构数据，进行数据挖掘，服务于桥梁管养；基于SOA 体系架构，建立三层C/S 和B/S 混合结构管理平台，实现数据的可视化展示；研究结果可为今后省级监测平台设计与开发提供一定参考。