任曉春，王瑋，周權

[摘要]介紹了基于BIM+GIS的橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)，給出了從前端數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)分析與可視化的完整設計方案，旨在解決當前橋梁健康管理中存在的不足，提高橋梁在運維過程中的安全指數(shù)并降低管養(yǎng)成本。

[關鍵詞]智慧監(jiān)測； BIM； GIS; 傳感器； 信息化

[中國分類號]U446.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]A

0引言

交通運輸作為國家國民經(jīng)濟發(fā)展的大動脈，其良好運行對支撐國家經(jīng)濟社會的快速健康發(fā)展起到關鍵作用，而橋梁工程是保障公共交通暢通無阻的重要一環(huán)。一座橋梁建成使用后需要服役幾十年甚至上百年時間。雖然在橋梁工程已經(jīng)采用科學合理的計算設計與準確安全的施工來保證橋梁結構的可靠性，但由于這些工程的建設和運營在空間和時間上的跨度都很大，諸多預想不到的因素影響會造成橋梁工程結構在完工后或運營一段時間后的實際狀態(tài)和設計理論狀態(tài)產(chǎn)生偏差。同時，由于橋梁的特殊性，其工程結構需要長期暴露在自然環(huán)境中，在自然風雨、自然災害、有害物質(zhì)以及車輛荷載的長期影響下，橋梁結構容易產(chǎn)生結構疲勞以及材料老化等現(xiàn)象。這些現(xiàn)象會直接影響橋梁結構的承載能力，有可能會引起橋梁倒塌事故［1］。

近10年來，國內(nèi)外橋梁倒塌的事例屢見不鮮，不僅威脅著人們生命財產(chǎn)安全，還造成了社會經(jīng)濟的損失。為了提高橋梁日常管養(yǎng)水平，降低由橋梁結構疲勞導致的風險，近年來我國橋梁業(yè)主單位開始改變了思路，由“重建設”慢慢轉變成“建養(yǎng)并重”，推動了橋梁健康監(jiān)測技術在我國的發(fā)展。朱小忠［2］以長門特大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的方案設計為背景，論述了自動化實時監(jiān)測與人工巡檢相結合的必要性。杜立嬋等［3］基于物聯(lián)網(wǎng)技術搭建了C/S和B/S架構搭建了遠程監(jiān)測系統(tǒng)平臺，設計了一種橋梁健康遠程在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過采集預埋的振弦式傳感器信息，實時反應橋梁結構健康狀態(tài)。目前，國內(nèi)蘇通大橋、潤揚長江大橋、杭州灣跨海大橋等多座橋梁已建立了健康監(jiān)測系統(tǒng)。雖然近年來，基于信息化、自動化與無人化的橋梁健康技術受到了廣泛關注，但整體來看當前國內(nèi)的橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)構建仍處于探索及嘗試階段，這些已有橋梁監(jiān)測系統(tǒng)仍普遍存在以下幾個問題。

（1）三維場景可視化度不高，現(xiàn)有橋梁監(jiān)測系統(tǒng)普遍使用二維圖紙查詢傳感器位置信息，其展示方式缺乏直觀性。

（2）性能指標的預測不精確，部分監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)精度低，預測方式單一，對不同類型的傳感器的數(shù)據(jù)預測適用性不高。

（3）結構健康判斷機制不完善，很多工程結構損傷檢測與診斷的方法只停留在理論上的推演，缺乏與實際監(jiān)測系統(tǒng)融合。

（4）預警機制準確度和及時性有待提高。

基于此，本文研究了基于BIM（Building Infomation Model，建筑信息模型）與GIS GIS（Geographic Information System，地理信息系統(tǒng)）的橋梁健康監(jiān)測方法，同時結合物聯(lián)網(wǎng)、通信、可視化等技術，給出了集橋梁健康監(jiān)測、信息可視化管理和橋梁結構健康指標預警等于一體的智能橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的設計思路與方法。

1BIM與GIS技術

BIM是建筑物模型數(shù)字化的表現(xiàn)形式，以一種三維虛擬現(xiàn)實建模為基礎，將建筑施工所涉及的涉及、規(guī)劃、建造、運營等各個環(huán)節(jié)中的相關信息進行集成所得到的工程數(shù)據(jù)模型，其不僅包含了三維幾何形狀信息，還涉及了建筑構件的材質(zhì)、價格、重量和進度等非幾何信息。為管理者和參與者提供工程項目信息并協(xié)同工作，提高了建筑項目的績效水平［4］。

GIS則是在計算機軟硬件系統(tǒng)的支撐下，以測繪為基礎，融合計算機圖形和數(shù)據(jù)庫于一體的空間信息系統(tǒng)。其主要用來對整個地球表層空間中的地理分布數(shù)據(jù)進行采集、存儲，進而完成對數(shù)據(jù)成圖和分析［5］。

BIM與GIS技術優(yōu)勢互補，它們的結合實質(zhì)是宏觀與微觀的集成。GIS擁有強大的空間分析、查詢的能力，將彌補BIM缺少設施周邊宏觀環(huán)境的不足，為BIM的管理提供宏觀決策支持，也將推動BIM的應用從精細化單體模型設計提升至多維空間數(shù)據(jù)層面。利用GIS技術可以在大范圍內(nèi)對項目中的每座橋梁進行定位，并對橋梁周圍的自然與地質(zhì)進行呈現(xiàn)。而高精度的BIM模型將成為GIS的重要微觀數(shù)據(jù)來源。在定位到橋梁的基礎上，可以利用BIM高精度三維模型對橋梁監(jiān)測點進行定位，并對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行管理、存儲、顯示、分析等［6］。

2基于BIM+GIS橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)邏輯架構

本文設計了基于BIM+GIS橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)的邏輯架構如圖1所示。整個系統(tǒng)架構包括智能感知采集層、通信傳輸層、數(shù)據(jù)存儲層、智能分析層、服務層、應用層、用戶訪問層幾個主要層次。

（1）. 智能感知采集層：由各類傳感器組成，主要實現(xiàn)外部多源異構數(shù)據(jù)的采集，是整個健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的來源。

（2）. 通信傳輸層：由通信線纜、無線傳輸模塊等設備組成，負責將采集的信號傳輸至存儲設備。

（3）. 數(shù)據(jù)存儲層：負責前端采集數(shù)據(jù)的存儲并對采集數(shù)據(jù)進行預處理。采用分布式數(shù)據(jù)存儲以及災備模式，確保證數(shù)據(jù)的安全性。

（4）. 智能分析層：基于可靠度理論并結合機器學習等算法對預處理后的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，建立橋梁健康狀況的評價和預測模型。

（5）. 服務層：提供各獨立功能模塊的具體實現(xiàn)，各服務模塊之間相互協(xié)作提供功能。

（6）. 應用層：讓使用者直接在線使用溫江區(qū)城市橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)橋梁結構安全監(jiān)測、橋梁環(huán)境信息監(jiān)測、城市協(xié)同管理、橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、橋梁狀態(tài)評估、橋梁管養(yǎng)決策支持、橋梁管養(yǎng)維護管理等功能。

（7）. 用戶訪問層：與用戶交互的入口，兼容多端設備。

3前端數(shù)據(jù)采集與傳輸方案設計

由于橋梁空間約束點多、結構變形復雜，為獲得反映整個橋梁健康狀態(tài)的參數(shù)，需要在橋梁的各個重要部位設計、布設并安裝各種不同類型的傳感器。這些不同類型的傳感器離散的分布在橋梁上，組成了傳感器網(wǎng)絡。要實時獲得這些傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)，需要配套建立起自動化采集系統(tǒng)，而采用分布式設計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)最適合工程需要的。另外由于橋梁空間有一定的跨度，經(jīng)常是幾十上百米，這就要求這個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有一定遠距離數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸能力。

3.1數(shù)據(jù)采集

傳感數(shù)據(jù)采集設備包含傳感器與數(shù)據(jù)采集卡。由于橋梁結構監(jiān)測系統(tǒng)感知主要是對橋梁關鍵截面、部位應力、位移、撓度與沉降等進行監(jiān)測，因此需要采用相應的傳感器完成相應參數(shù)的數(shù)據(jù)采集。

（1） 橋梁結構應力情況能夠反映橋梁結構的強度狀況，可采用應力傳感器來進行監(jiān)測。應力傳感器一般安裝于橋梁結構控制截面，如梁橋跨中截面的梁下緣。

（2）橋梁支座缺陷是中小型橋梁的主要病害，不及時發(fā)現(xiàn)和處置將導致梁體受力不均直至造成梁體扭轉等結構性損傷。支座缺陷可用位移傳感器來進行監(jiān)測，位移傳感器一般布置在橋梁梁底與墩臺連接部位，在工作的過程中，實時獲取橋梁梁底與橋梁墩臺之間的距離值，當支座發(fā)生塌陷、銹蝕扭轉等病害致使梁體出現(xiàn)姿態(tài)異常時，提前感知并進行預警。

（3） 橋梁撓度與沉降在一定程度上體現(xiàn)了橋梁的剛度情況與變形情況，是橋梁健康情況直接的表征之一。當橋梁出現(xiàn)嚴重病害會導致剛度下降。而在長期運營過程中出現(xiàn)水底淤泥流動、墩臺沉降、橋臺扭轉傾斜等問題都將導致橋梁撓度情況發(fā)生異常，固實時監(jiān)測橋梁撓度與沉降特性是橋梁智慧監(jiān)測的重要環(huán)節(jié)。橋梁撓度與沉降均可以采用靜力水準儀來進行監(jiān)測。

3.2數(shù)據(jù)傳輸

在傳感器完成數(shù)據(jù)采集后，需要采用合適的通信手段，將采集數(shù)據(jù)傳輸回服務器進行數(shù)據(jù)存儲與分析，在傳輸技術上，可以采用幾種方案：

（1） 傳感器通過光纖接入上位機，上位機對多個傳感器數(shù)據(jù)進行匯聚后再利用4G/5G公網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳回服務器。

（2） 傳感器通過RS-485串口與數(shù)據(jù)傳輸單元（DTU）相連，再通過4G/5G無線網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)回傳。

（3） 有源傳感器可以配備4G/5G模塊，直接將采集數(shù)據(jù)傳回服務器。

4基于BIM+GIS橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計

4.1BIM+GIS橋梁模型三維場景展示

三維橋梁模型采用BIM+GIS技術來展示。GIS是以地理空間數(shù)據(jù)為對象的空間分析技術，其突出特點是能顯示橋梁的空間屬性，將橋梁與周圍的場景相銜接，為橋梁賦予地理坐標。由于GIS的應用停留在瀏覽查看橋梁的外部方面，所以需要BIM技術將橋梁相關信息有效集成和應用在三維模型上，實現(xiàn)所有的結構信息都可方便查詢，大到橋梁墩臺，小到伸縮縫和支座的螺栓都可利用BIM模型進行查閱。同時，利用第三方BIM+GIM平臺，不僅可以對橋梁結構等細節(jié)精確展示，還可以通過第三方天氣API接口，模擬不同天氣下的三維場景。

4.2傳感器管理

軟件系統(tǒng)可利用 BIM 模型的三維可視化特性，對橋梁上的傳感器進行可視化，由此解決二維表格羅列無法直觀展示傳感器空間分布的問題。同時，為了方便管理傳感器并查看采集的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可采用樹形結構將傳感器關聯(lián)至橋梁構件樹上，即把傳感器作為子節(jié)點掛載到橋梁的某個構件下。圖2給出了傳感器關聯(lián)至橋梁構件的示意圖，從中可以看到，整個橋梁分為了很多個不同類型的構件，不同構件下又有不同的結構塊，最后各個傳感器將掛載到這些結構塊中。管理人員通過點擊構件樹的某個節(jié)點，可以展開該節(jié)點下的全部傳感器。

從數(shù)據(jù)庫設計的角度來看，在數(shù)據(jù)庫中保存?zhèn)鞲衅鞯慕?jīng)緯度位置、高度、傳感器模型的長、寬、高、半徑、拉伸高度等基礎數(shù)據(jù)。用戶可以在BIM模型中點擊對應的傳感器查看相應傳感器的信息，如圖3所示。而當用戶在傳感器結構樹視角下點擊傳感器葉子節(jié)點時也可獲取每一個傳感器的位置信息，并將視角切換至BIM模型視角，定位到相應傳感器的位置上。

軟件系統(tǒng)還需要傳感器管理模塊實現(xiàn)對傳感器的高效管理。如圖4所示的傳感器管理模塊中，頁面左側為結構樹，右側為傳感器信息表格。點擊結構樹中的一個節(jié)點后，將在右側表格中顯示該節(jié)點下所部署的全部傳感器的信息，傳感器信息包括傳感器唯一編號、名稱、圖片、閾值上限、閾值下限、傳感器類型等。

4.3采集數(shù)據(jù)顯示與報警

在橋梁健康監(jiān)控系統(tǒng)中，對傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行合理與高效是非常重要的。為此，軟件系統(tǒng)需要提供傳感器采集數(shù)據(jù)的可視化功能，對實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進行呈現(xiàn)。實時數(shù)據(jù)將展現(xiàn)傳感器當前采集到的數(shù)據(jù)，且隨著時間的推進自動更新圖表。歷史數(shù)據(jù)將展示傳感器過去某段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)。通過點擊頁面中的“歷史曲線”和“實時曲線”兩個按鈕，可以切換圖表，分別查看傳感器采集的某段時間內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)或實時數(shù)據(jù)。

在數(shù)據(jù)采集與顯示的基礎上，橋梁健康管理人員可以為每一個傳感器設置采集數(shù)值的閾值上限和閾值下限數(shù)值，以便從圖中可以查看到某個特定數(shù)值是否超過了設定的閾值。在閾值設置合理的前提下，一旦采集的實際數(shù)值超過或低于設定的閾值上下限時，表明此時可能存在發(fā)生災害的風險，需要健康監(jiān)測人員做好災害預警與處理。同時，在BIM模型中，存在異常數(shù)據(jù)的傳感器也會以閃動的形式提醒健康監(jiān)測人員盡快對異常進行查看，以采取進一步措施，該過程如圖5所示。

5結論

為了提高我國橋梁健康管理水平，保障橋梁運維安全，響應國家智慧交通的號召，本文研究了基于BIM+GIS的橋梁智慧監(jiān)測技術。在給出了BIM+GIS橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)通用邏輯架構的基礎上，本文詳細闡述了在橋梁健康監(jiān)測中的傳感器數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析以及三維可視化等步驟的設計思路，為同類型橋梁健康監(jiān)測平臺的設計提供參考。

參考文獻

［1］武智霞，韓鵬，鄭樹泉，等.橋梁健康監(jiān)測及養(yǎng)護平臺設計與實現(xiàn)［J］.計算機應用與軟件，2018，35（5）：109-114.

［2］朱小忠. 大跨度斜拉橋結構健康監(jiān)測系統(tǒng)研究與設計［J］. 福建交通科技， 2020（6）：69-72.

［3］杜立嬋， 王文靜， 韋冬雪， 等. 基于NB-IoT的橋梁健康遠程監(jiān)測系統(tǒng)設計［J］. 電子測量技術， 2020，43（20）：155-159.

［4］賈宏. 淺析BIM在國內(nèi)設計行業(yè)的應用障礙及解決措施［J］. 四川建筑， 2016， 36（1）：35-37.

［5］寇邦寧.基于BIM+GIS技術的鐵路隧道設計應用研究［J］.四川建筑，2017，37（2）：128-130.

［6］曹祎楠. 融合BIM與GIS的三維空間數(shù)據(jù)可視化研究［D］.北京： 北京建筑大學，2020.