沪通长江大桥数字化运维系统的设计研发

张贵忠，赵维刚，张 浩

(1. 山东大学 岩土与结构工程研究中心, 山东 济南 250061; 2. 沪通长江大桥建设指挥部, 江苏 南通 226000;3. 石家庄铁道大学 大型结构健康诊断与控制研究所, 河北 石家庄 050043;4. 河北省大型结构健康诊断与控制实验室, 河北 石家庄 050043)

大跨桥梁的设计寿命通常上百年，在寿命期内，不可避免的会产生各类缺陷或病害，以至结构发生破坏甚至倒塌，如何保障桥梁的安全性、适用性以及耐久性已成为巨大挑战。目前，我国铁路系统建立了集“管、检、养、修”于一身的运营维护管理体制，既有体制一方面在加强线路养护维修、保持基础设施稳定和维持相对良好的运输安全状况方面发挥了巨大作用，另一方面也带来了养修管理机构庞大、检测技术落后且效率低下、养护维修技术水平低、投入产出比低等弊端，根据调研情况看，当前我国大跨铁路(公铁两用)桥梁运营维护工作普遍存在以下突出问题[1-3]：(1)管养理念滞后，采用周期性检查和 “状态修”方式，病害检修不及时、不全面；(2)线路行车密度大，“天窗点”内的养修作业时间严重不足；(3)日常维护采用“检、养、修分离”的模式，效率低、响应慢；(4)桥梁检查、检测、维修的技术及设备落后且现代检修装备配备严重不足；(5)养修工区人员严重不足，尤其是掌握现代检修技术的人员奇缺；(6)近年来建设的桥梁附属检修通道不完善或不合理；(7) 缺少针对性的大跨铁路桥梁检测、监测及养修技术规范。现行管理制度已不适应大型铁路桥梁现代化、信息化、智能化运营管理的要求。

针对大跨桥梁养护管理中存在的问题，国内外学者开展了大量相关研究[4-8]，世界各发达国家大多开发出以检测与管理智能化为目标的桥梁管理系统(Bridge Management System)并在工程实际中广泛应用，实现了对桥梁建设、运营养护、维修加固、状态评价及养修决策的系统化管理。我国交通运输部于1986年开始着手“桥梁管理系统”的研究与开发。随着20世纪80年代以来结构健康监测技术的发展和应用，国内外学者在桥梁养护管理研究方面都注重结合结构健康监测，从寿命周期成本等角度力求优化桥梁的养护决策。以结构健康监测为基础，通过智能感知、数据融合、协调共享和运营来实现结构智能化，进而提高其管养效率。

然而，目前大跨铁路桥梁仍然存在重建轻养、施工期与运营期之间信息不通畅、桥梁生命周期的各主要工作阶段数据难以重复利用、不同系统之间更是缺乏数据互用性等突出问题，数据共享缺乏统一标淮进一步加剧了这一问题。在总结我国既有特大型桥梁养护维修的工作经验以及对桥梁管理系统、健康监测系统深入认识的基础上，人们认识到，必须建立日常养护、定期检测和健康监测“三位一体”的桥梁养护管理体系，才可使桥梁运营期的养护管理工作更具计划性、科学性、规范性。在此背景下，以物联网、云计算、大数据等现代信息技术为手段，搭建的行业性、区域性大桥智慧运维平台，提升养修技术水平、掌控桥梁的使用状态，保障结构安全，避免灾难性事故的发生是极其必要和迫切的。从长远看，桥梁的管理养护将会形成由点到线、由线到片的发展趋势，建立智慧运维平台也将极大地提高管养工作的规模和效益，实现不同功能业务之间的重用共享，是管养工作实现数字化、标准化、网络化、智能化的依托和保障，对健全大跨桥梁的运营安全保障体系意义重大[9-10]。为提升沪通长江大桥运营管理的技术水平，通过充分调研国内外相关管理经验和成果，在现代化运营维护管理方案研究基础上，结合大桥结构及运营特点，提出集多源信息获取及管理、结构智能分析与状态评估、智能养修管理等功能于一身的大桥智慧运维平台，为科学、安全、高效管理大桥运营提供技术支撑。

1 大型铁路桥梁现代化运维与管养需求

1.1 多源、异构数据的融合与处理[8-12]

从信息的角度出发，桥梁管理、养护工作可以看成一个从数据采集到应用的过程，应该尽可能全地获取桥梁全寿命周期的数据，包括桥梁规划、设计阶段信息；结构数值模型及计算分析数据；施工监控及施工记录；日常人工巡检、桥梁定期检测数据及结构状态评价；桥梁环境及结构健康监测数据；交通信息、灾害、事故信息及GIS系统等多源数据。大型桥梁管养数据的类型不断丰富，日益呈现出明显的异构和大数据特性，为充分利用数据价值，现代化桥梁养修管理系统必须具备实现海量多源异构信息存储和处理，数据特征挖掘、多源异构数据融合，智能分析等方面需求的技术水平。

1.2 结构状态实时快捷评定及信息适时推送

交通基础设施发生的损伤、灾害、事故在时间、空间上的随机性，及其发生后的重大经济损失和恶劣社会影响，要求现代化桥梁管养平台在结构日常运营、灾后及特殊事件后应该具备实时在线的结构状态智能诊断和快速评定的能力，在此基础上才能采取相应养修计划或管控措施，实现科学、快捷响应。

而且，针对结构所处不同特定状态，系统平台自主面向不同职能、权限以及需求的对象群体，适时向对象的不同客户端发送其权限范围内的合理信息，帮助相关人员各司其职，及时做出合理处置，可有效减小乃至避免重大损失。

1.3 数据可靠保证[13]

结构数据信息是后续所有工作的基础，失真的数据将会导致后续所有的工作和流程失去意义，数据可靠性保证包含两方面需求：一方面是数据从感知、传输、存储到处理完整性保障，尽可能保障数字化管养系统生命期内信息的准确和完整；另一方面是互联网时代的数据信息安全保证，避免恶意侵入、删改和毁坏数据信息。

2 桥梁运维平台功能设计及框架 [14]

随着 “大智移云”(大数据、人工智能、移动互联网及云计算)、物联网及BIM(Building Information Modeling) 为代表的新信息技术的广泛应用，传统土木行业正经历向智慧产业发展的信息革命。在此背景下，依托现代信息技术，搭建桥梁数字化运维管理平台逐渐成为可能。

2.1 运维平台主要功能

从大的功能实现看，平台可分为3大主要功能模块，见图1。

图1 平台的功能模块划分

2.1.1 多源、立体信息获取、管理模块

该模块由BIM建设管理子系统、桥梁长期监测子系统、交通监测子系统、电子化巡检子系统、多源信息接入与数据管理子系统共同组成，主要完成平台信息的收集与管理功能。

(1) 结构监测子系统[15]

结构监测子系统结合大桥结构和运营特点,合理选择监测内容和布置监测测点，通过一定的采集和传输策略，自动获取结构作用及响应数据，使用数据处理和控制设备对采集到的数据作进一步处理，为安全报警与状态评估子系统提供分析数据，并有选择、有层次地存储于数据管理子系统中。

(2) 交通监测子系统

交通监测子系统覆盖范围为铁路列车信息监测和桥区行车状况的视频监测。实现交通安全监控，分析交通状况，统计交通流量，由列车信息监测模块、视频监测组成。

列车信息监测：该模块包含列车车号识别、行车速度监测，全面监测列车过桥时脱轨系数、减载率、列车型号和车速，从而分析列车过桥对桥梁结构响应的影响。

视频监测：视频监测主要针对人工难于到达的重要部位表观病害监测、梁端列车行车状态及温调器工作性能监测、航道监控。

(3) 电子化巡检子系统

实现巡检信息化与智能化，巡检与检查人员可以手持巡检终端，进行现场拍照、数据录入等操作，在现场或养护中心将数据导入数据库，管理人员在养护中心或通过远程网络查看数据，掌握桥梁结构各构件的技术状态，汇集和完善其技术及管理资料，为日常养护维修和大中修计划提供依据和支撑。在维修养护实施过程中做好维修日志，并每年将桥梁观测、养护资料报送主管部门，为桥梁运营安全评估提供依据。

(4) BIM建设管理子系统

采用专业软件对沪通长江大桥进行全桥建模，以BIM 模型为信息载体，主要提供桥梁设计、建设阶段的GIS、基础信息、3D 电子施工日志、可视化交底、进度管理、报表中心、施工监控、安全质量管理等信息。

(5) 多源信息接入与数据管理子系统

该子系统主要管理系统运营后的所有动静态数据(包括前期大桥的设计资料、 施工期资料、实时监测数据、报警评估数据、桥梁加固、养修信息、系统管理信息)，并接入灾害、气候、交通、物流等方面数据，完成数据的归档、查询、存储。建立大桥管理系统的中心数据库及数据存储仓库，向后续模块提供有效的信息源。

2.1.2 桥梁智能分析与评估模块[16-17]

该模块主要对上一模块提供的数据资源进行有效分析、挖掘与利用，重点实现以下功能：

(1) 海量数据处理与挖掘

实现对数据清洗、提纯、存储、管理、挖掘等功能。依托海量数据的融合与分析，能够对自动化监测数据进行统计、对比分析、趋势分析和相关性分析，将海量数据信息化、知识化，输出友好、可视、客观、智能的数据分析结果，为管养决策提供准确的依据和支持。

(2) 结构性能演变分析与评价[11]

针对选定的评价对象或评价内容，根据设定的评价指标体系及评价标准把当前需要重点控制的结构性能和历史状态对比的分析结果在系统中进行全面的展现。方便管养人员或专家对桥梁结构的性能演变进行查询、统计和评价。

(3) 安全报警与状态评估[18]

主要实现以下功能：①利用各类监(检)测数据对桥梁基准数据进行修正，建立系统运行时的基准数据库，用于桥梁结构状态评估和高速列车桥梁行车安全状态评定。②提出明确的报警指标及分级报警体系，通过设置明确的阈值，对实时监测结构状态参数信号进行判断和分级报警。③能够综合各种监测数据和分析结果，对结构异常状态进行识别和诊断, 并对结构技术状态和行车安全进行总体评价。④根据预警、评估结果，提出针对性管养措施。

(4) 风险管理及预警[7]

针对大桥运营期间可能发生的各种风险事态和紧急事故，全面分析、评估其对大桥运营管养、人员伤亡、结构状态、行车安全的影响；研究制定相应的管理策略、应急预案及养护要点；降低风险事态管理措施引发的次生灾害，提高大桥运营安全保证程度、降低寿命周期管养成本。

2.1.3 桥梁养修管理模块[4]

在现有技术规范及养修管理体系框架下，依托数字化运维平台，在实现现有常规养护措施及养修方式基础上，还可进一步实现以下功能：

(1) 管养计划制定及桥梁快速修复

将性能评估结果、风险预警数据、交通流特性、材料物流管理数据、人力资源数据、天气情况、修复工序等信息进行综合分析，在满足桥梁快速修复和更换的相关技术需求基础上，智能生成合理的人员、设备、物资养修实施计划，通过移动网络给相关参与人员发布任务安排和任务提醒，实现资源最省、效率最高、影响最小的桥梁维护加固。

(2) 管养措施的经济模型

通过长期的数据积累，建立起常见管养措施的经济模型，对投入产出效益进行分析，结合桥梁结构健康长期监测数据，获取结构长期性能演变规律与寿命预测，逐步建立健全桥梁生命周期内的养护维修策略，并建立桥梁养护维修决策模型。

(3) 应急管控

在大数据背景下，应急管控将变得更加智能、更注重时效性，比如可根据以往极端天气桥梁结构响应、灾害数据档案，利用气象卫星数据锁定极端天气，实时对桥梁多尺度数值模型以及列车行车安全等情况进行后台并行验算，做出灾害等级评价和对结构性能影响评价，自动输出预控决策并分发到不同用户端，提醒工作人员开展安全维护工作。

(4) 行车安全及信息推送

大数据背景下，通过建立个人或车辆的数据库，挖掘出该车辆或驾驶员的行车习惯和个人偏好，再结合桥面交通事故数据、天气环境数据，结构响应数据发布更加个性化的交通提示或安全预警，让管养平台为个人也能提供定制服务。

(5) 养修跟踪

应实现对设备日常检查计划、故障抢修计划、大中维修计划的实施进行跟踪管理，对维修所需的人力、财力、物力进行资源安排，实现对维修实施情况和维修质量评价的查询、统计；实现各级工作人员实时查看维修计划安排及完成情况。

2.2 平台物理架构及层次[14]

为保证上述功能模块的实现，运维平台的物理架构见图2。

总体架构在我国现有法规、规范框架下搭建，依托现代信息技术和管养体系，从物理关系上而言可分为感知和网络层、云平台和数据资源层、数据服务层、管养应用层和用户访问层等层面。

各平台间协同工作框架系统各功能模块间数据融合途径和协同工作框架见图3。图3中：绿色箭头连接部分表示共用；蓝色箭头表示数据单向流动；红色箭头表示数据输出与反馈双向流动。

图2 桥梁运维平台物理架构

3 沪通长江大桥运维系统的设计与应用

3.1 工程背景

沪通长江大桥是沪通铁路的控制性工程，桥位位于锡通公路过江通道处，上距江阴长江公路大桥约 45 km，下距苏通长江公路大桥约 40 km。沪通长江大桥与公路共通道建设，上层设计速度为100 km/h双向六车道高速公路，下层设计速度为200 km/h的双线沪通铁路线和设计速度为250 km/h双线客运专线。沪通长江大桥主要包括一座(140+462+1 092+462+140) m 的两塔五跨斜拉主航道桥、一座(140+336+140) m 刚性梁柔性拱专用航道桥以及多跨简支钢桁梁桥。

图3 各子系统间数据融合途径与协同工作框架

3.2 BIM建设管理子系统[19-20]

沪通长江大桥设计和建设期的相关数据通过BIM建设管理子系统接入，系统采用C/S 架构，通过采用桌面虚拟云方式，可向任何地点、任何设备的任何用户交付。BIM管理子系统依托TEKLA软件，以施工图和施工组织设计为依据，建立了主航道桥、专用航道桥、简支钢桁梁、南北引桥的施工BIM模型，以该模型为信息载体，建立多维度项目管理系统，子系统有7大基本功能模块: GIS 模块、基础应用、可视化交底、进度管理、施工监控、安全质量、施工日志和报表中心，见图4。

图4 沪通长江大桥BIM建设管理子系统功能模块

3.3 结构健康监测子系统[21-22]

3.3.1 结构仿真计算

根据桥梁实际结构特点，利用空间有限元软件MIDAS 分别对主航道桥与天生港专用航道桥进行计算。其中，主航道桥计算模型见图5。

图5 沪通长江大桥主航道桥计算模型

考虑的荷载组合如下：①恒载+汽车+火车+支座沉降；②恒载+汽车+火车+支座沉降+制动力+纵向风(25 m/s)+组合温度；③恒载+汽车+火车+支座沉降+摇摆力+横向风(25 m/s)+组合温度；④恒载+极限纵风+支座沉降；⑤恒载+极限横风+支座沉降。

(1) 静力计算结果

① 位移计算结果

主梁刚度指标见表1，主梁各墩顶处水平位移见表 2。

表1 竖向位移及转角

表2 主梁纵向水平位移 mm

注：“+”表示主梁向中跨中心方向移动。

② 内力计算结果

主力组合作用下，主梁各杆件控制内力见表3，主力工况、主力+附加力组合作用下，主塔各控制点应力见表4。

表3 主梁控制内力

表4 塔身应力 MPa

(2) 动力分析结果

主航道桥成桥状态的结构动力特性见表5。

专用航道桥计算分析过程类似，在此不赘述。

同时，分析在CRH2、CRH3和C80列车作用下不考虑风荷载作用时的车-线-桥耦合动力仿真，评价桥梁的动力性能和列车的行车安全性，同时也为考虑风荷载作用工况提供对比值。单线 CRH2、CRH3、C80列车作用下主航道桥主桁各跨跨中的动力响应见表6，包括桥梁主桁下弦节点的横向位移、竖向位移、横向加速度以及竖向加速度，仅统计三片主桁动力响应较大者。单线列车作用下主航道桥车辆的动力响应值见表7。

表5 成桥状态结构动力特性

表6 列车作用下主航道桥各跨跨中的动力响应

仿真分析表明：当不考虑风荷载作用，CRH2 动车组以车速150～250 km/h，CRH3动车组以车速 200～300 km/h，C80货车以 100～120 km/h运行时，桥梁的动力性能均满足要求，车辆的脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力等安全性指标均在限值以内，保证了列车的行车安全，乘坐舒适性(或平稳性)均达到优良及良好。

表7 列车作用下车辆动力响应值

3.3.2 测点布置

主要根据对主航道桥与天生港专用航道桥的计算分析结果以及所处环境对沪通长江大桥进行监测，主要监测内容包括：(1)桥址环境监测，包括风、温湿度、水文、雨量监测；(2)外部作用监测，包括地震及船撞响应、列车及汽车信息、行车状况及航道视频监测；(3) 结构安全性监测，包括结构空间姿态及变形、基础变位、塔梁受力、梁塔振动、斜拉索索力、动应力监测；(4)特殊部位监测，包括轨道伸缩装置、支座及阻尼器监测。主航道桥和专用航道桥测点布置见图6。

3.3.3 预警

根据多层次的理论分析计算结果，设定了以下主要预警阈值见表8。

图6 沪通长江大桥结构监测系统测点总体布置(单位:m)

序号监测项目预警阈值设定通常值安全限值报警方式1风速风向—设定风速v为预警值。v<20km/h(9级)正常运行;20km/h≤v≤25km/h(10级)列车限速200km/h以下;25km/h≤v≤30km/h(11级)列车限速120km/h以下;v>30km/h(11级以上)停运当多台风速风向仪,在同一时段出现风速超限值时进行报警2温湿度统计日平均湿度>60%的天数—连续10d构件局部日平均湿度大于60%进行报警3地震船撞—地震仪监测到地震或船舶撞击单个地震仪监测到振动冲击时通过视频确定进行船撞报警,多台同时监测到振动冲击时进行地震报警4钢应变分工况统计列车过桥时各测点应力幅值通常值σ1=σ±3Δσ设计时理论计算的应力包络值σ2实测应力幅值在同一工况下连续6次超通常限值σ1进行报警5加速度分工况统计列车过桥时各测点加速度峰值通常值a1=a±3Δa规范规定的横向、竖向加速度限值a2实测加速度峰值在同一工况下连续6次超通常限值a1进行报警6振幅分工况统计列车过桥时各测点振幅峰值通常值A1=A±3ΔA规范规定的横向、竖向振幅限值A2实测振幅峰值在同一工况下连续6次超通常限值A1进行报警7振动特性统计桥梁振动频率通常值f—当时实测振动频率变化超过通常值的10%进行报警8空间变形统计空间变形的时变规律及与环境的相关性设计允许塔偏d1、跨中竖向d2、横向d3变形根据统计的时变规律和与环境的相关性预测空间变形的发展9主梁挠度统计主梁挠度的时变规律及与环境的相关性列车行车安全允许的挠度限值d4根据统计的时变规律和与环境的相关性预测主梁挠度的发展10梁端倾角分工况统计列车过桥时梁端转角变化幅值通常值r1=r±3Δr行车允许的最大梁端转角r2实测转角峰值在同一工况下连续6次超通常限值r1进行报警11支座位移支座自身滑移总量s1,统计支座位移与温度相关性的斜率通常值k1—统计支座位移总量大于s1进行报警提示、支座位移与温度相关性的斜率偏离通常值的10%进行报警12拉索索力统计拉索在夜间天窗时间的拉索索力通常值N1拉索允许索力N2=拉索极限承载力/安全系数实测索力偏离索力通常值的10%进行报警

3.4 电子化巡检子系统[22]

该子系统包含巡检设备、巡检管理软件。

(1) 巡检设备。以智能终端为核心，辅助点温计与激光测距仪，在智能终端开发软件，使其实现任务提醒、病害录入、拍照、数据上传与资料查询等功能，代替纸质记录，避免巡检人员现场录入数据后事后再重复录入电脑，简化流程，同时也解决了照片、病害对应不方便等问题。

(2) 巡检管理软件。这是一套基于智能终端的软件，巡检或检查人员使用终端发现病害时可以及时录入病害至智能终端中，系统提供病害库、病害等级、参考图片以及养护措施建议等辅助用户选择录入，在录入病害的同时用户可以拍照、录像等，所有录入的数据暂存在智能终端中，智能终端功能要求见图7，巡检人员返回办公室后通过网络直接将巡检结果上传至服务器。

图7 智能终端功能组成

(3) 巡检数据管理。数据主要包括两部分：第一部分为桥梁基础数据管理，主要包括桥梁基本状况卡片、设计资料、竣工试验、养护记录、特殊事件、桥上事件、结构信息、管理资料、检查资料、养护维修资料、特殊情况资料、桥梁构件信息、相关单位信息等；第二部分为巡检数据管理，是大量设计、施工、检查、养护、维修、评估数据的数据库，并通过桥梁养护管理人员对桥梁定期、全面的检查而采集到的数据并不断的加以积累。本子系统综合分析以上数据，在此基础上，评价决策模块能让管理人员清晰直观的掌握桥梁技术状况、承载能力等，并为管理和决策人员作相应的决策提供依据，并定期生成自动报表。软件界面见图8。

图8 巡检养护管理系统界面

3.5 视觉检测子系统

为实现沪通长江大桥的自动化维养作业，设计一种高效智能的视觉检修平台。该检修平台主要由五部分构成：机械动力系统、数据采集系统、图像处理系统、导航定位系统，以及中央控制系统等，见图9。

图9 自动化桥梁检修平台框图

(1) 机械动力系统，具体指桥梁移动检修平台，采用上、下弦检修平台，直接与桥梁作业对象接触。该系统一方面搭载新型锂电池，为整个系统提供电力驱动。另一方面，主要用于接收中央控制系统的命令，实现作业平台的检修路线管理。

(2) 数据采集系统，通过搭载各种视觉传感器，例如：可见光相机、红外相机、高速摄像仪等，获取桥梁整个框架结构的表观特征信息。除了视频采集外，检修平台同时会搭载一些辅助传感器，例如风向、温湿度传感器等，获取整个系统的运行工作状态。

(3) 图像处理系统，是视觉检修平台的核心之一。该部分通过完成图像信息预处理(去噪、增强等)、作业结构区域检测、表观状态特征提取、病害区域探测识别等流程，完成对桥梁表观状态的智能化处理。

(4) 导航定位系统，为实现整个桥梁安全监视系统的全信息管理，首先需要借助导航定位系统，完成作业平台的轨迹管理，为最终建立大桥的信息化管养系统建立基础。

(5) 中央控制系统，是整个视觉检测平台的核心，它通过机械动力系统、导航定位系统以及数据采集系统，获取沪通长江大桥固定区域的结构表观数据。并利用图像处理系统中的一系列高性能图像处理算法，提取病害可疑区域，建立结构缺陷档案。

4 结论

(1) 当前，如何利用数字信息技术，提高维护效率，提升管养工作层次，已成为大型桥梁管养的方向。现阶段桥梁行业中各类数字化桥梁管理系统逐步研发与应用，但大型桥梁数字化运维平台尚未有研发与应用先例。

(2) 构建集大桥BIM建设管理、移动互联人工巡检、无损检测、荷载试验、在线监测、结构运维管养、突发事故、气候与地质灾害、交通等全方位信息于一体的数据获取、采集、处理、分析、利用、反馈的数字化运维平台，通过统一的数据类型、接口标准，保证不同系统间互联互通，未来可进一步形成全国性大跨铁路桥梁信息资源库，可最大限度地利用和发挥数据的价值，形成资源共享，为协同分析决策奠定基础。

(3) 桥梁的管养工作必然朝着网络化、标准化、时效化、数字化、智能化方向转变，搭建数字化桥梁运维平台，将现代信息技术(物联网、数据库、云计算、大数据、移动互联技术)与大跨桥梁在状态监测、性能评估、风险预警、养修决策等层面相融合，将催生大跨桥梁运营管理与维护技术和体系的变革，为桥梁结构的精准养修和先进维护打下坚实基础。