畢都高速北盤江大橋為世界最高橋，俗稱北盤江第一橋。此前針對北盤江第一橋的特殊橋型和地理環境等特點，研發了基於結構風險管理和無線Zigbee技術的結構安全監測系統，實現了養護與橋樑安全監測一體化、運維管理3D視覺化。透過監測資料分析和運營管理實踐表明，該系統透過資訊化技術有效指導大橋的管養。
為進一步提升北盤江第一橋的智慧化管養，不斷完善本橋的病害精準化監測感知，提升管養的智慧化範圍，研發了基於AI影象識別的橋樑索塔表觀實時監測技術，利用影片實時採集、影象精準抓拍、智慧資料分析、自動判別和自動預警，使大橋的索塔維護更加靈活便捷。同時基於智慧化監測管養實際使用的需求，對基於BIM的橋樑資產管理平臺進行了最佳化和提升，提高管養的標準化和效率。
AI影象識別助力索塔監測
北盤江第一橋，位於貴州省六盤水市水城縣都格鎮，是杭瑞高速公路貴州省畢節至都格（黔滇界）公路的三座大橋之一。大橋跨越雲貴兩省交界的北盤江大峽谷，與雲南省杭瑞高速公路普立至宣威段相接。大橋跨越的是一個世界級的大峽谷，兩岸地勢陡峭，起伏很大，河谷深切達600m。大橋主橋採用主跨720m雙塔雙索麵鋼桁梁斜拉橋，全橋橋跨佈置為（80+88+88+720+88+88+80）（主橋）+3×34（引橋），全橋長為1341。4m，為目前世界第二大跨徑的鋼桁架樑斜拉橋，橋面至水面垂直高差達565米，為世界最高橋。大橋斜拉索上端錨固於上塔柱內的鋼錨樑上，下端錨固於主桁架上弦杆的鋼錨箱上。橋塔採用H形鋼筋混凝土結構。
索塔外表混凝土表觀不密實、脫落等現象，會對橋面交通行車安全產生巨大風險。貴州高速公路集團有限公司與中交公路規劃設計院有限公司，聯合研發了北盤江第一橋的影片影象識別索塔表觀破損的監測技術，其主要目的是採集索塔錨固部位實時影象，識別封錨混凝土掉落及外露件異常鬆動現象，準確地對大橋索塔狀況做出判斷，及時對其做出安全預警，使大橋運營期間的安全性處於控制之中。
影象識別技術是資訊時代的一門重要的技術，其產生目的是為了讓計算機代替人類去處理大量的物理資訊。隨著計算機技術的發展，人類對影象識別技術的認識越來越深刻。影象識別技術的過程分為資訊的獲取、預處理、特徵抽取和選擇、分類器設計和分類決策。影象識別是人工智慧的一個重要領域。
基於AI人工智慧影象識別，是透過AI人工智慧學習記憶模擬的裂縫圖片，實時抓拍索塔封錨部位，並進行影象識別，最後發出安全預警。北盤江第一橋索塔影片監測系統，將影象抓拍、智慧影象識別與網際網路等技術相結合，為索塔監測系統實時影像、影象分析、影象識別、安全預警等服務功能，提供全面的資訊化服務。
大橋索塔監測系統透過呼叫系統資料庫裡模擬的裂縫圖片等病害照片進行有效的安全預警，系統總體構架如圖1。
圖1 北盤江大橋索塔影片監測系統
影片監測系統設計
影片監測點
根據北盤江第一橋的結構特點、運營環境以及索塔的特殊性，確定索塔監測區域主要為索塔錨固區位置。在貴州側索塔上游塔柱、下游塔柱塔頂各安裝4臺高畫質攝像機，共8臺，覆蓋主塔塔頂至上橫樑監測區域，實現對貴州側索塔錨固區實時監測。
圖2 索塔影片監測部位與裝置安裝位置
系統組網
索塔影片監測組網融入至北盤江第一橋結構健康監測系統組網，透過結構健康監側系統光纖環網進行影片訊號傳輸。考慮到北盤江第一橋結構特點、攝像機及感測器的佈設情況，選用分散式資料採集方案，資料傳輸網路選用工業乙太網，分為兩級——主幹光纖仍採用傳統冗餘環網，第二級為分支鏈狀網路，無線感測器的閘道器、攝像機及其他訊號調理器等終端裝置，直接連線到主幹管理型交換機上。這一方案保證了北盤江第一橋結構健康監測系統的現場便利性，同時提高遠端傳輸的可靠性，也保證了索塔影片監測系統的影片穩定性。
圖3 PC端監測介面、手機APP監測介面
圖4 預警模組部署圖
大橋運營過程中，斜拉索處於安全狀態。如果遇到突發事件，部分拉索振幅較大或拉索索力異常時，很可能對錨固區造成損害，需要及時採取合理的管養對策。而攝像機監測到塔壁裂縫、表面異常脫落等安全隱患會自動彈出報警訊號，經由工作人員發現並及時彙報相關維護人員，以便及時採取有效的措施應對突發事件。
橋樑索塔影片監測系統，可透過AI人工智慧學習記憶模擬的塔壁裂縫、表面封錨等安全隱患圖片，進行智慧化判別，自動向工作人員發出報警訊號。系統介面簡潔，操作簡單，時常以移動端為主。簡單便捷的系統，可靠穩定的影象識別，智慧化的監測手段為大橋索塔管理養護提供一種新型的模式，助力本橋的智慧化養護管理再進一步。
基於BIM的標準化視覺化管養
北盤江大橋在建設期即結合貴州特大橋管養現狀和國內外行業管養實際，總結橋樑養護行業的技術，吸收先前養護系統難以發揮資料價值的教訓，充分利用現有數字化技術，建設基於BIM、GIS、移動網際網路、大資料、雲等技術的橋樑資產管理系統平臺。透過橋樑資產管理平臺實施橋樑的資訊化養護管理，提高養管工作的日常效率，並使管養工作更加專業和標準。同時，結合投入兩年多以來的使用情況，進行了系統功能的區域性最佳化，使橋樑管理者可及時瞭解橋樑資產的技術狀況、準確掌握橋樑養護需求、提高養護管理和養護決策的科學性，實現基於BIM的標準化視覺化管養。
資產養護管理平臺圍繞檢查、維護、評估等核心運維活動，以資料歸集、管理、流轉、展示和應用為功能主線，以資料資產（全資產靜態資料和動態資料體系）為核心，以養護管理為功能核心構建系統體系，以唯一ID編號構件作為資料載體，透過業務流程和資料體系規範養護管理。系統採用本地、雲端雙部署，總體設定3個人機互動終端（全功能WEB端資料平臺、手持移動終端、BIM三維視覺化管理平臺），資料同源，功能側重不同，滿足不同的應用場景需要。
圖5 系統的組成
其中，BIM管養平臺是在資訊模型上附著了各種資訊，包括靜態資訊和動態資訊。BIM平臺可以快速和方便地檢視各個構件的動靜態屬性資訊，透過資料庫的實時更新和對話，BIM平臺所查詢到的動態屬性也是同步實時更新的，保持資料和業務無差錯。
為使每個養護構件都能與管養資料進行關聯，需要將橋樑構件進行細分，將大橋離散成眾多的最小養護單元（即構件）。這個過程最重要的是制定一個統一標準，使不同的橋樑結構的細分能夠以一致的準則進行，建立北盤江大橋相應的資產拆分標準和編碼標準。
同時，每個資料都應該有對應的載體物件，才能使資料有實際意義，並且應該將資料逐一附著到相應的BIM構件上，透過點選任意構件都可以隨時檢視到重要的構件動靜態屬性，這是構建BIM資訊模型首先需要做的事情。
其中靜態資訊包括了構件三維模型、設計尺寸、材料、規格、製造安裝、施工單位等各種靜態不會變化的屬性資訊（包括斜拉索的成橋索力）。
圖6 橋樑構件的靜態資訊
動態屬性包括了管養期間的維養動態資訊，比如檢查、病害、維修等資訊。北盤江大橋同步開展實施了基於BIM的健康監測系統模組，BIM系統平臺透過與健康監測系統實時對接，獲取監測感測器實時資料，並在BIM平臺實現了監測資料的管理與展示。
感測器的編碼按照原BIM管養平臺的統一編碼標準進行，採用48位編碼作為資訊化系統內的識別碼，用於後續的資訊關聯。同時將監測資訊分為三類：環境監測、靜力響應和動態響應。並將環境監測、靜力響應和動態響應作為展示分類，透過BIM模型上監測項和監測點的管理，視覺化展示監測點的實時資料和曲線，改變了過去系統之間資料呼叫的難題。
基於BIM的北盤江大橋資產管養平臺彙集了管養過程中的檢測、監測等資料，旨在踐行“用資料說話、用資料決策、用資料管理、用資料創新”的管養新理念，形成大資料應用的資料基礎，進而緩解日益增長的管養壓力，提高管養的標準化和效率。
本文刊載 / 《大橋養護與運營》雜誌 2021年 第2期 總第14期
作者 / 金耀 周平 李準華
作者單位 / 中交公路規劃設計院有限公司、貴州高速公路集團
