基于数据融合的桥梁状态分析研究＊

2022-12-09洪卫星毛明洁

科技与创新 2022年23期

洪卫星，毛明洁

（1.南京智行信息科技有限公司，江苏南京 211100；2.江苏前沿交通研究院，江苏南京 211100）

随着桥梁事业的高速发展，越来越多的桥梁事故也随之产生，这极大地威胁着人们的安全，因此，维护桥梁的正常运营，并做好桥梁病害的预警工作就显得尤为重要。传统的检测主要采用人工巡检技术，通过巡检员的评判对桥梁情况进行判断，但由于主观性较大，检测结果准确性难以保证，损伤识别不全面。此外，各业务领域全局性、系统性、协同性不足，存在一些资源共享难、互联互通难、业务协同难的问题，尚未形成一个能支撑全行业共享应用的基础信息资源体系，行业信息资源开放共享程度不够，跨方式、跨部门、跨地区信息开放共享不足，数据不能够有效转化运用并赋能[1]。

本文在已有的研究基础上，在融合桥梁的监测数据与检测数据后，基于BIM技术实现桥梁数据融合管理模块的研究，多维度地发挥BIM技术在桥梁养护和管理领域的优越性。

1 桥梁监测数据与检测数据

1.1 桥梁监测数据的种类

目前桥梁结构安全监测可分为挠度监测、裂缝监测、振动监测、索力监测、位移监测及应变监测等。桥梁结构安全监测不同于传统的桥梁健康监测，应立足于桥梁结构运营安全，监测指标应分为结构整体响应和结构局部响应2类，结构整体响应主要有结构振动、变形、位移、转角，结构局部响应则有局部应变、裂缝、索力、支座反力及位移等[2]。除此之外，还需根据桥梁类型、所处地理环境情况进行具体分析。

1.2 桥梁检测数据的种类

桥梁检测数据主要包括桥梁的基本信息，如桥梁名称、桥梁代码、中心桩号、路线编号、路线名称、技术等级、桥梁全长、跨径总长、单孔最大跨径、跨径组合、桥梁全宽、桥面净宽、跨径类型分类、使用年限分类、结构类型、材料类型、桥墩类型、设计荷载等级、抗震等级、跨越类型、跨越名称、通航等级、是否互通立交、建设单位、设计单位、施工单位、监理单位、修建年度、建成通车日期、管理单位代码、管理单位名称、收费性质、技术状况等级、评定日期、最近一次改造情况、主要病害、交通管制措施、政区代码等，其中桥梁改造情况、主要病害、交通管制措施数据主要以人为检测结果为依据。

2 桥梁数据融合方法研究

如今，传感器在桥梁结构健康监测中起到了重要作用，融合了实时采集的监测数据与人工桥梁巡检的检测数据后，能够提高桥梁安全管理的精确度，保证桥梁健康安全管理的全面性，最终实现向多方共建共享共用交通数据的转变，打造科学化、精细化、智能化的治理和服务体系。

2.1 桥梁数据融合结构层次

本文从信息处理层次的角度出发将数据融合结构划分为3个层次，分别是数据级、特征级和决策级。

2．1．1 数据级融合

在数据级融合中需要对传感器采集到的数据进行预处理，对同一时间节点，不同物理量之间的关联性及影响状况进行分析，建立了一种带反馈的并行结构，如图1所示。

图1 分布式数据级融合结构

2．1．2 特征级融合

特征级融合在对数据进行预处理并对局部特征进行提取的基础上，对所获特征进行关联处理，完成目标的融合识别过程。特征级融合的分布式结构如图2所示。

图2 分布式特征级融合结构

2．1．3 决策级融合

决策级融合在数据预处理、特征提取的基础上，综合所有信息进行关联、融合取得最终联合决策结果，其结构形式如图3所示。

图3 决策级融合结构

2.2 桥梁数据融合功能模型研究

本文采用JDL（Joint Directors of Laboratories）模型，建立出相应的修正JDL模型，修正的JDL模型有望很好地描述桥梁状态评估系统各个组成部分的功能，并通过数据库更新实现了信息反馈，进而为数据融合及传感器管理的优化提供数据平台。

2.3 基于检测与监测数据资源的桥梁健康评估体系

评估指标的确定是建立基于检测监测数据的桥梁技术状况综合评估体系的基础，是进行桥梁评估理论与方法研究的重要组成部分。将已有的检测病害分析结果和监测数据形成层次化、合理化的指标体系，是本项研究的重要内容。为把复杂问题简单化，本文从桥梁养护管理系统和长期监测系统中提炼出合理的评估指标，对其进行分析、归类和分层，建立桥梁技术状况综合评估指标体系[3]。基于检测监测数据融合的桥梁综合评估方法示例如表1所示。

表1 检测监测数据融合桥梁技术状况综合评估示例

3 基于数据融合的桥梁BIM智能管理模块研究

基于BIM技术桥梁数据融合模块的可视化展示，主要是利用BIM模型的信息集成度高和信息可视化展示等特点，对传统评估过程进行优化，从而提高桥梁养护的精细化管理水平。

本文基于运维阶段BIM多源异构数据的特点，探索运维阶段的数据信息集成方法，对检测数据信息与桥梁监测信息关联性进行分析并展现出数据融合情况。对不同监测指标做关联分析，计算相关系数，从桥梁监测数据提取有效的数据节段进行性能监测指标的计算，包括横向联系的应变相关系数指标和动力响应相关系数指标、刚度矩阵的抗力刚度因子指标、截面特性的中性轴高度指标、边界条件的支座刚度指标，通过获取各类性能监测指标的数值与预测长期趋势，对桥梁关键结构性能进行分析与评估，对可能的典型病害类型进行提示，对路网中的同类桥梁的结构状况进行趋势预测，分析预测情况如图4所示。