基于BIM技術(shù)的軌道橋梁運(yùn)維平臺(tái)構(gòu)建與應(yīng)用

　　摘要：近年來(lái)，在軌道交通蓬勃發(fā)展的帶動(dòng)下，城市軌道橋梁的數(shù)量也逐步增長(zhǎng)。為了改善軌道橋梁“一橋一系統(tǒng)”的現(xiàn)狀，節(jié)約養(yǎng)護(hù)成本，提高管養(yǎng)效率，團(tuán)隊(duì)結(jié)合“互聯(lián)網(wǎng)+橋梁”運(yùn)維新模式，自主研發(fā)出基于GIS、BIM、大數(shù)據(jù)及云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)的軌道橋梁運(yùn)維平臺(tái)，其具有在GIS環(huán)境下實(shí)現(xiàn)集群監(jiān)測(cè)、BIM模型與運(yùn)維平臺(tái)無(wú)縫交互、智能感知與預(yù)警以及自診斷分析等功能，為軌道橋梁的運(yùn)維管理、狀態(tài)評(píng)價(jià)和養(yǎng)護(hù)決策提供科學(xué)依據(jù)。

　　關(guān)鍵詞：運(yùn)維平臺(tái);軌道橋梁;建筑信息模型;地理信息系統(tǒng);智能感知

　　近年來(lái)，我國(guó)城市軌道交通建設(shè)速度明顯加快，預(yù)計(jì)到2021年底，全國(guó)擁有軌道交通的城市將達(dá)到50個(gè)，運(yùn)營(yíng)里程達(dá)到近10000km的規(guī)模。伴隨城市軌道交通的快速發(fā)展，城市軌道橋梁的數(shù)量也逐步增長(zhǎng)。以“橋都”重慶為例，根據(jù)最新規(guī)劃獲悉主城外環(huán)以?xún)?nèi)運(yùn)營(yíng)、在建與規(guī)劃的軌道交通跨江橋梁共計(jì)29座，其中有12座軌道交通專(zhuān)用橋和17座公軌兩用橋。

　　橋梁工程論文： 市政道路橋梁工程施工及質(zhì)量控制探析

　　然而，基于每座軌道橋梁建成年份不同、管養(yǎng)單位不同、監(jiān)測(cè)單位不同、監(jiān)測(cè)信息未實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化及規(guī)范化等因素影響，導(dǎo)致正在運(yùn)營(yíng)的軌道橋梁均處于“一橋一系統(tǒng)”的現(xiàn)狀，造成綜合管理鏈條長(zhǎng)、運(yùn)維任務(wù)繁重、社會(huì)資源浪費(fèi);人工檢查與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)獨(dú)立運(yùn)行，橋梁狀態(tài)感知存在局限性、狀態(tài)評(píng)價(jià)相對(duì)片面;數(shù)智化水平低，不利于軌道橋梁智能化、信息化、高效化管理[1-2]。

　　隨著國(guó)家提出基礎(chǔ)設(shè)施大數(shù)據(jù)、智能化的戰(zhàn)略目標(biāo)以及新一代信息技術(shù)、人工智能、大數(shù)據(jù)等高新技術(shù)的成熟應(yīng)用興起，為橋梁數(shù)智運(yùn)維創(chuàng)造了機(jī)遇。與此同時(shí)，構(gòu)建基于BIM技術(shù)的軌道橋梁運(yùn)維平臺(tái)，對(duì)于軌道橋梁結(jié)構(gòu)信息綜合獲取，及時(shí)有效評(píng)價(jià)預(yù)警，保證橋梁安全運(yùn)營(yíng)以及實(shí)現(xiàn)軌道橋梁集群化[3]、一體化[4]和智能化[5]養(yǎng)護(hù)管理，具有重大的科學(xué)意義。

　　1基于BIM的運(yùn)維平臺(tái)現(xiàn)狀

　　目前，建立融合運(yùn)用BIM技術(shù)的運(yùn)維平臺(tái)已成為行業(yè)中的熱點(diǎn)，其中張貴忠等[6]針對(duì)大跨徑鐵路橋梁現(xiàn)代化運(yùn)維和管養(yǎng)需求，提出了基于BIM的數(shù)字化大橋管養(yǎng)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案，明確了平臺(tái)的基本功能和物理架構(gòu);Zou等[7]將橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)分解處理系統(tǒng)集成到BIM中，提出了基于BIM的風(fēng)險(xiǎn)可視化和信息管理方法，有效提高了橋梁管養(yǎng)質(zhì)量和效率;勾紅葉等[8]搭建了高速鐵路災(zāi)害大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，研發(fā)了具有工程實(shí)用性的高速鐵路橋行車(chē)安全智能化評(píng)價(jià)系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)外在橋梁運(yùn)維管理平臺(tái)構(gòu)建及將BIM技術(shù)融入運(yùn)維階段方面已有諸多研究[9-12]，但是在既有研究成果中鮮有基于多維度的軌道橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)感知與評(píng)價(jià)的運(yùn)維平臺(tái)。

　　2運(yùn)維平臺(tái)構(gòu)建

　　2.1運(yùn)維平臺(tái)體系架構(gòu)

　　運(yùn)維平臺(tái)采用模塊化分層設(shè)計(jì)，通過(guò)把UI與業(yè)務(wù)邏輯分開(kāi)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的松耦合和高可用性，便于系統(tǒng)后續(xù)的升級(jí)和擴(kuò)展，更能靈活滿(mǎn)足用戶(hù)的定制化需求，其由下向上分為六層結(jié)構(gòu)：1)數(shù)據(jù)采集層傳感器模塊負(fù)責(zé)采集實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，由荷載與環(huán)境監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)監(jiān)測(cè)和結(jié)構(gòu)局部響應(yīng)監(jiān)測(cè)傳感器構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)橋梁荷載參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、結(jié)構(gòu)響應(yīng)的測(cè)量。人工檢查錄入定期的檢查數(shù)據(jù)，BIM模型提供橋梁屬性數(shù)據(jù)。

　　2)網(wǎng)絡(luò)傳輸層平臺(tái)支持多種傳輸方式，綜合分析橋梁現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素，可采用如4G/5G、NB-IOT、Wifi、ZigBee、LoRa、RJ45等方式，數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)緩存機(jī)制，保證數(shù)據(jù)的完整性。3)數(shù)據(jù)管理層橋梁實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)量較大，運(yùn)維平臺(tái)支持主流的大型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，如Oracle、Sybase、SQLServer、Informix等，根據(jù)業(yè)務(wù)特點(diǎn)，分別設(shè)置靜態(tài)數(shù)據(jù)中心，存儲(chǔ)人工檢查數(shù)據(jù)、病害處置數(shù)據(jù)、維修加固數(shù)據(jù)等;設(shè)置動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)中心，存儲(chǔ)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù);設(shè)置文件數(shù)據(jù)中心，存儲(chǔ)BIM模型文件、設(shè)計(jì)文件、竣工文件等。為了方便后期進(jìn)行橋梁監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)分析，運(yùn)維平臺(tái)還預(yù)留了數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)(Hive)的接口。

　　4)數(shù)據(jù)分析層運(yùn)維平臺(tái)建立了技術(shù)狀況評(píng)價(jià)、結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)和行車(chē)影響評(píng)價(jià)的全方位評(píng)價(jià)體系，提供多維度的分析功能，如預(yù)警閾值分析、智能變形預(yù)測(cè)分析等，通過(guò)對(duì)大數(shù)據(jù)的分析，可以較好地指導(dǎo)橋梁運(yùn)維人員開(kāi)展管養(yǎng)工作。5)應(yīng)用層運(yùn)維平臺(tái)通過(guò)Restful服務(wù)，可以對(duì)外提供多種應(yīng)用，如結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)、智能預(yù)警、自動(dòng)化報(bào)告、BIM三維可視化、視頻監(jiān)測(cè)，通過(guò)規(guī)范的API調(diào)用即可獲取相應(yīng)服務(wù)，具有靈活的擴(kuò)展功能。6)展示層運(yùn)維平臺(tái)使用分布式架構(gòu)設(shè)計(jì)，可以支撐多終端的訪(fǎng)問(wèn)，如PC、手機(jī)、PAD、液晶屏等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。

　　2.2網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

　　傳感器通過(guò)水工線(xiàn)纜連接到數(shù)據(jù)采集設(shè)備——采集儀的采集端口;采集儀通過(guò)RS-485總線(xiàn)或CAN總線(xiàn)連接到二級(jí)控制單元——智能控制模塊;智能控制模塊通過(guò)RS-232接口連接到DTU;DTU通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入Internet，與控制中心計(jì)算機(jī)建立遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)軌道橋梁遠(yuǎn)程自動(dòng)化集群監(jiān)測(cè)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)的組建。

　　2.3存儲(chǔ)系統(tǒng)由于軌道橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、信息數(shù)據(jù)連續(xù)變化，生成的數(shù)據(jù)量龐大，同時(shí)數(shù)據(jù)分析和結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求很高，因此運(yùn)維平臺(tái)中數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)必須是由高性能的分布式數(shù)據(jù)系統(tǒng)所構(gòu)成，目前運(yùn)維平臺(tái)支持?jǐn)?shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)和大型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)來(lái)搭建分布式的存儲(chǔ)系統(tǒng)。針對(duì)軌道橋梁實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采集數(shù)據(jù)的類(lèi)型，數(shù)據(jù)庫(kù)可以劃分為靜態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)、文件數(shù)據(jù)庫(kù)。靜態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)主要存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的橋梁基本屬性數(shù)據(jù)、傳感器信息、結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能參數(shù)值等;動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)主要存儲(chǔ)外部荷載、結(jié)構(gòu)整體(局部)響應(yīng)和安全評(píng)價(jià)結(jié)果等;文件數(shù)據(jù)庫(kù)主要存儲(chǔ)BIM模型、設(shè)計(jì)文件、竣工文件等。

　　2.4運(yùn)維平臺(tái)安全運(yùn)維平臺(tái)安全須遵循“系統(tǒng)自保、平臺(tái)統(tǒng)保、邊界防護(hù)、安全確保”的原則，建立一個(gè)完備的系統(tǒng)安全技術(shù)體系。

　　2.5BIM與運(yùn)維平臺(tái)融合基于軌道橋梁實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵信息，借助建模軟件“Rhino+Grasshopper+Revit”，建立標(biāo)記、動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)監(jiān)測(cè)信息的運(yùn)維階段的三維精細(xì)化模型，點(diǎn)擊信息模型實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查詢(xún)及定位可視化、快速化，實(shí)現(xiàn)基于BIM模型的海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化信息傳遞與實(shí)時(shí)更新，達(dá)成BIM信息化服務(wù)與服務(wù)對(duì)象-軌道橋梁在現(xiàn)代化、科學(xué)化平臺(tái)下的互通互聯(lián)，驅(qū)動(dòng)軌道橋梁管養(yǎng)升級(jí)。

　　3運(yùn)維平臺(tái)應(yīng)用實(shí)踐

　　3.1基于GIS技術(shù)的軌道橋梁集群監(jiān)測(cè)結(jié)合GIS技術(shù)與橋梁環(huán)境模擬三維空間場(chǎng)景，突破單一橋梁監(jiān)測(cè)信息孤島，形成軌道橋梁信息集群共享模式，同時(shí)借助720全景漫游方式，實(shí)現(xiàn)橋梁的三維全景展示。

　　3.2BIM模型與運(yùn)維平臺(tái)無(wú)縫交互建立橋梁構(gòu)件三維精細(xì)化模型，基于A(yíng)utodeskForge軟件平臺(tái)，利用JAVA程序開(kāi)發(fā)集成顯示BIM模型、加載監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)、鏈接監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)于一體的可視化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)信息的三維可視化管理與信息檢索。

　　3.3運(yùn)維平臺(tái)智能感知與預(yù)警

　　利用NB-IoT、LoRa和5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以傳感、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)為基礎(chǔ)，結(jié)合人工檢查的直觀(guān)性和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性，在運(yùn)維平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、統(tǒng)計(jì)分析以及數(shù)據(jù)挖掘，進(jìn)而構(gòu)建基于技術(shù)狀況評(píng)價(jià)、結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)和行車(chē)影響評(píng)價(jià)的全方位評(píng)價(jià)體系，實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)自動(dòng)化與預(yù)警智能化。

　　4結(jié)束語(yǔ)

　　目前，團(tuán)隊(duì)自主開(kāi)發(fā)的軌道橋梁運(yùn)維平臺(tái)已成功接入世界最大跨自錨式懸索橋和國(guó)內(nèi)首座軌道交通專(zhuān)用混凝土斜拉橋等多項(xiàng)工程，實(shí)現(xiàn)了橋梁的信息化管理和科學(xué)維護(hù)，極大地滿(mǎn)足了行業(yè)市場(chǎng)需求，保障了軌道橋梁的安全運(yùn)營(yíng)，助推了智能交通行業(yè)的發(fā)展，預(yù)期效益顯著。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　[5]羅富元,余庭嘉.中國(guó)橋梁智能化的發(fā)展[J].預(yù)應(yīng)力技術(shù),2017(5):12-15.

　　作者：丁鵬，黎小剛，史喜華，曾勇，譚書(shū)林，陳勝

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