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投稿须知 2019WTC专题
智能化养护跨海大桥

来源:中国公路网 时间:2018-07-20

  针对跨海大桥规模巨大、检修盲区多、涉及专业多、海量数据处理效率低、数据展示不直观的养护特点,笔者提出养护信息智能化采集、智能化分析、建立资产管理系统等技术手段,以提高跨海大桥的养护效率和管理效果。

  我国的海岸线总长1.8万公里,居世界第四。漫长的海岸线沿线岛屿众多,连接大陆和岛屿的跨海大桥,成为重要的交通枢纽。目前,我国海岸线上一共分布着35座跨海大桥,其中已建成通车的有30座,在建的有5座,包括著名的港珠澳大桥、杭州湾大桥、舟山跨海大桥、泉州湾大桥、青岛湾大桥等。

  保持跨海大桥良好的技术状况,是大桥养护管理单位的重要任务之一。跨海大桥的养护除了具有内陆普通桥梁养护时需要关注的常见问题外,还具有其自身的养护特点。

  跨海大桥养护面临的问题

  跨海大桥的养护首先面临的是跨海大桥线路长、规模大,检修任务重的问题。以港珠澳大桥为例,海中主体工程包含6.7公里隧道、22.9公里桥梁和两座海中人工岛,这给养护工作带来了巨大挑战。此外,跨海大桥巡检盲区多。例如,大跨径的缆索体系桥梁,检测人员难以到达索塔、拉索等构造复杂且存在较多隐蔽部位的高耸区域,以及大桥海底冲淤、结构基础破损等难以检查的部位,都是跨海大桥巡检的盲区。加上当前大部分养护管理工作还停留在手工记录、人工誊写的阶段,自动化处理程度低。

  大桥的养护涉及到海量的数据,从建设期的设计图纸资料、施工资料、交竣工验收资料,到运营期的检测、养护、维修等资料。涉及的资料众多,数据庞大,需要规范管理和利用。而目前检测、保养和维修等各项工作基本都委托给不同专业单位,信息也以纸质记录为主,未纳入统一平台中分析处理,客观上形成了数据孤岛,既不能有效共享信息,也导致数据处理效率极低。

  除此之外,养护管理涉及专业众多。不仅包括桥梁、隧道、道路、房屋等建筑结构,而且还包括监控系统、通信系统、收费系统、高中低压供配电系统及交安设施、绿化设施等,这些同样是跨海大桥养护需要面对的问题。

基于BIM的VR信息展示
北斗系统短期监测

  养护信息的智能化采集

  从跨海大桥养护所面临的问题中,不难看出有效收集养护数据是大桥养护的前提,且收集的数据应该是结构化、标准化的,以便后续的统计分析与有效利用。为了解决养护数据的采集问题,智能化信息采集手段应运而生,具体包括无人巡检技术、智能化人工巡检、自动化机械巡检、北斗系统短期监测、非接触式高清摄像等。

  无人巡检技术是大桥养护过程中应用较普遍的技术,包括无人机检测技术、水下机器人检测技术和无人驾驶梁底检查车等。其中,使用无人机检测技术可开展桥梁保护区内挖沙、杂物堆积、违规建筑物的检查,对高耸结构物如桥塔、斜拉索、主缆、锚碇的检测,以及基于无人机技术的3D实景建模。通过实景建模,不仅了解到桥位区域的平面信息,同时可获取到高程信息,从而使桥梁保护区得到更有效的监控。除了空中的无人机检测,水下机器人则可对桩基破损、冲刷深度、河床断面等开展检测。该技术相较于当前的蛙人探摸方法,有效扩展了检测区域,提高了工作的效率与安全。

  至于桥梁本身的检测,无人驾驶梁底检查车表现优异。该检查车是对现有梁底检查车行走系统的改造,检修人员可在桥面上利用有线(或无线)操作面板控制检查车的行走。当行走到需要进行维修的位置时,检修人员到检查车上进行维修。无人驾驶梁底检查车,可有效减少检修人员在检查车上的工作时间,也提高了操作的安全性。

  自动化机械巡检

  自动化机械巡检技术充分利用智能化检测机器人对大桥的缆索、梁底及隧道进行检测,该技术较当前依赖桥检车及登高车的检测方法,检查效率更高、更加节省人力成本。

  具体包括缆索爬索机器人、磁通量变化检测拉索损伤设备、智能化桥梁检测机器人、隧道多功能实时检测系统、智能化道路巡查机器人等。其中缆索爬索机器人是当机器人在拉索上爬升时,控制器将4台摄像机图像传输给数据存储器,以实现对拉索表面保护层全方位图像的存储,并通过无线传输子系统传输到地面PC机监控系统上。磁通量变化检测拉索损伤设备,是当机器人在拉索上爬升时,磁头首先磁化索体至饱和状态,内嵌的霍尔传感器通过磁通量变化可以捕捉到索体中的缺陷(如断丝、磨损、锈蚀等),并转换为电信号输出处理,按照特定算法及模型转换为图形信号,直观反映索体的损伤状态。

  上至大桥缆索,下至桥面、隧道,机器人的身影无处不在。智能化桥梁检测机器人可在桥梁紧急停车带上行进,自动避让灯杆,实现对桥梁表观裂缝、缺损、渗漏水情况的实时检测。而智能化道路巡查机器人,则可在道路上以正常车速行进,过程中自动检测、识别道路上影响行车安全的因素,如道路上的坑槽、护栏损坏、标志标线不清晰等,之后结合GPS信号将病害信息传送给云端,后台自动向养护队指派维修任务。对于海底隧道的检测,则利用搭载有检测设备的检查车在隧道中以正常车速行进,实现对隧道的表观检测、渗漏水检测、3D激光界限扫描、洞内气体检测等。

  智能化人工巡检

  如果说机器人是工作在数据采集的一线,那智能化人工巡检系统则相当于“快递员”,负责将采集到的数据输送到云端。智能化人工巡检主要包括智能外业记录系统、批量报告生成器、基于BIM的VR病害信息展示等内容。其中,智能外业记录系统是利用pad实现无纸化记录,现场操作点选录入、记录批量复制的方式,将数据上传到云端,后台自动生成可存档的原始记录,自动导出病害列表、图片等信息。而系统从云端提取病害信息后,自动进行技术状况评定,批量化自动生成检测报告,这就是批量报告生成器的功劳,有效降低了工程师的现场工作强度,减少出错几率,让工程师从简单重复的工作中脱离出来,专注于病害分析、结构计算等更重要的工作。

  系统从云端提取病害信息后,还可一键自动导入到BIM模型中,并以VR形式直观化地展示病害详细位置,让展示效果更加逼真,养护人员能快速地了解结构物病害位置和严重程度。

  依靠我国完全自主知识产权的位置服务,实现高程、平面坐标的短期监测的北斗监测系统,具有数据传输稳定可靠、可视化的数据表达、应用成功案例众多等特点。此外,基于摄影测量与图像识别的基本原理,综合使用光学、数字图像处理、模式识别等多学科理论和方法的非接触式高清摄像,则可从拍摄的影像中提取出待检测物体病害位置、尺寸等信息。其优点在于不干扰被测物的自然状态;桥梁检测中无需封路,避免了交通审批;操作人员在空旷区域拍摄,避免在支架或挂篮上登高作业,有效保证检测人员的人身安全。

  管养信息的智能化

  人工智能技术在各行各业的应用方兴未艾,具体应用到跨海大桥的养护管理上,就是给桥梁赋予一个“大脑”,实现智能化、精准化的大桥养护管理。而大桥管养信息的智能化推送,以及数据的智能化分析都让大桥的养护变得精准、高效。

  管养信息智能化推送可实现向养护管理单位自动推送其关心的信息,如当前需要重点关注的构件、重点病害、可能的病害成因、可能的维修工艺和方法等。主要实现步骤为标准化的基础数据、信息偏好计算和重点数据推送。

  标准化的基础数据,包括标准知识库、结构化的病害信息,是后续数据推送的基准数据;基于潜在因子算法的信息偏好计算,其思想是认为每个用户都有自己的偏好,比如某用户对伸缩缝、混凝土等元素感兴趣,如果某病害带有这些元素,便将相关的检测措施数据推荐给该用户,也就是用元素去连接用户和数据库;重点数据推送,是对于病害情况较严重的构件、影响结构安全的病害,系统自动从后台提取出来,推送给管养人员,使巡检工作更具有针对性。

  管养信息智能化识别是指应用人工智能技术,对智能化桥梁检测机器人采集到的病害照片进行批量化图像识别,获取到病害位置、类型和尺寸等信息。还可利用三维重构技术(StructurefromMotion,SFM)重构包含有景深信息的图像,非常真实地还原结构实际的外观状态,甚至直接生成三维BIM模型。

  管养信息智能化分析是针对感兴趣的结构单元,在小范围内布设较多数量的传感器,采集一定时间内的数据,实施针对性的统计分析,获取到管养单位需要的数据。此外,依据智能化道路巡查机器人获取到的道路病害,将一定时期内易发病害路段标出,辅助管养人员抓住重点管养路段,进而采取有效措施提高行车安全性。

  跨海大桥资产的智能化管理

  跨海大桥的资产管理是大桥养护的保障,且同样需要智能化管理。而智能化离不开对数据的利用,因此建立标准知识库、利用平台规范工作流程及智能化的管养制度,是跨海大桥资产智能化管理的重要内容。

  建立标准知识库。以数据的标准化实现信息化,依靠标准知识库实现资产属性体系的重构和关联。标准知识库包括构件类型库、病害库、病害成因库、维修措施库、风险库、专家库等。标准知识库是资产管理库的底层数据,也是实现各项功能的基础。

  利用平台规范工作流程。围绕资产属性的管理,利用BIM等信息化手段,将运营检测、预算与项目管理、检测、采购、养护及维修、资产评估等养管活动统一在公路资产管理系统平台上。平台包含网页端、移动终端和BIM平台,移动端实现现场数据采集,网页端实现后端数据处理,BIM平台实现信息的可视化展示。

  依据管养制度辅助管养决策。大型结构物标准化管养手册和养护规划,是跨海大桥资产管理系统的执行标准。系统将规章制度电子化,根据采集到的信息自动匹配相关规章制度,为管养单位提供科学完备的资产管理辅助决策支持。此外,还应将健康监测系统、档案管理系统、自动化办公系统、指挥调度系统等统一接入到资产管理系统中,成为统一的运行平台。

  跨海大桥的养护规模大、涉及专业多,且需要处理海量的数据,通过智能化采集、智能化分析、以及建立资产管理系统等最新科技手段,为跨海大桥的智能化养护、信息化养护提供了解决思路,同时为类似大型结构物的信息化养护提供了技术参考。(文/ 图 中交公路规划设计院有限公司 赵耀 邓广繁 胡斌)

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