作為一項(xiàng)知名的橋梁工程，南沙大橋是粵港澳大灣區(qū)重要的交通樞紐。如何更好地管理和養(yǎng)護(hù)這座大橋，讓它在繁忙的交通中持續(xù)發(fā)揮其功能，是灣區(qū)特大橋養(yǎng)護(hù)中心一直研究的課題。在此背景下，南沙大橋智慧管養(yǎng)項(xiàng)目應(yīng)運(yùn)而生。項(xiàng)目運(yùn)用了創(chuàng)新技術(shù)和智能系統(tǒng)，為大橋的養(yǎng)護(hù)帶來了全新的思路和解決方案。

一、智慧引領(lǐng)  護(hù)航灣區(qū)

智慧橋梁管理理念已經(jīng)在武漢、青島等國內(nèi)部分城市得到初步應(yīng)用。目前，橋梁智慧管理系統(tǒng)在智能化程度上仍處于初級(jí)階段，在智能檢監(jiān)測(cè)技術(shù)、系統(tǒng)集成度、機(jī)理研究、管養(yǎng)行為數(shù)字化深度等方面存在一些問題。而南沙大橋智慧養(yǎng)護(hù)項(xiàng)目的問世，通過系統(tǒng)的深化，將有效地彌補(bǔ)上述不足，提升橋梁管理的智慧水平。

南沙大橋智慧養(yǎng)護(hù)項(xiàng)目離不開國家的政策支持。2019年，《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》提出了實(shí)現(xiàn)“智慧引領(lǐng)”的戰(zhàn)略目標(biāo)，強(qiáng)調(diào)推動(dòng)新技術(shù)與交通行業(yè)的深度融合。交通運(yùn)輸部出臺(tái)的多項(xiàng)政策不斷地要求加快智慧公路橋梁維養(yǎng)技術(shù)的發(fā)展，為該智慧養(yǎng)護(hù)項(xiàng)目提供了有力保障。

智慧養(yǎng)護(hù)項(xiàng)目首次應(yīng)用于南沙大橋的管養(yǎng)工作，并計(jì)劃逐步推廣至灣區(qū)的其他索承橋梁，如崖門大橋、李家沙大橋、甘竹溪大橋等。項(xiàng)目建設(shè)目標(biāo)明確，即以纜索體系橋梁的維養(yǎng)任務(wù)為核心，建立基于多源數(shù)據(jù)的纜索體系橋梁性能評(píng)估方法和科學(xué)輔助決策體系。通過多項(xiàng)技術(shù)融合，為橋梁后續(xù)運(yùn)維提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支撐，實(shí)現(xiàn)由經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)向數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的養(yǎng)護(hù)決策轉(zhuǎn)變。此外，在經(jīng)濟(jì)效益方面，項(xiàng)目力求降低傳統(tǒng)人工檢查的費(fèi)用和其他人力費(fèi)用，以節(jié)約養(yǎng)護(hù)成本。

二、打造全過程的解決方案

為深化智慧橋梁管理體系，南沙大橋智慧養(yǎng)護(hù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)了包含多個(gè)關(guān)鍵部分的系統(tǒng)，共同構(gòu)成了一個(gè)全面而有機(jī)的智能管理網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)的整體架構(gòu)分為六層，包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、服務(wù)層、應(yīng)用層、展示層，各層級(jí)以功能為導(dǎo)向形成了五個(gè)主要子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了從數(shù)據(jù)采集到養(yǎng)護(hù)管理的全過程覆蓋。

1、多源數(shù)據(jù)采集與匯集

通過BIM運(yùn)營管理平臺(tái)、橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、機(jī)器人智能巡檢、視覺增強(qiáng)等智能無損檢測(cè)數(shù)據(jù)等渠道，系統(tǒng)充分利用豐富的感知終端，全面采集橋梁運(yùn)行中產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)，為后續(xù)的評(píng)估和決策提供豐富而全面的信息。

為消除“數(shù)據(jù)孤島”，系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)層傳輸至BIM數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化存儲(chǔ)，并在服務(wù)層得以融合和交互。這一過程形成了橋梁的數(shù)據(jù)庫，確保了數(shù)據(jù)的規(guī)范性且便于管理。通過有效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理，系統(tǒng)能夠更好地應(yīng)對(duì)大規(guī)模數(shù)據(jù)的處理需求。

2、纜索體系橋梁性能評(píng)估系統(tǒng)

利用先進(jìn)算法，系統(tǒng)能夠追蹤橋梁數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，總結(jié)其性能的演化趨勢(shì)，并對(duì)橋梁進(jìn)行安全評(píng)估和預(yù)警，服務(wù)于科學(xué)決策；能夠讓橋梁管養(yǎng)單位更加精準(zhǔn)地把握橋梁運(yùn)行狀態(tài)，有助于他們及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在問題并進(jìn)行處置。

3、養(yǎng)護(hù)科學(xué)輔助決策系統(tǒng)

作為智慧橋梁管理體系的決策中樞,系統(tǒng)基于橋梁性能評(píng)估結(jié)果,通過先進(jìn)算法,為橋梁制定科學(xué)而精準(zhǔn)的養(yǎng)護(hù)決策。通過對(duì)比分析養(yǎng)護(hù)工作實(shí)施前后的橋梁性能,可輔助驗(yàn)證養(yǎng)護(hù)決策的有效性,為后續(xù)維護(hù)提供針對(duì)性建議。

4、養(yǎng)護(hù)管理模塊

整個(gè)系統(tǒng)通過養(yǎng)護(hù)管理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁全生命周期的精準(zhǔn)管理。它借助BIM+GIS技術(shù),成功實(shí)現(xiàn)多維模型與多源數(shù)據(jù)的高效融合，形成直觀而深入的展示層。不僅為管理人員提供了清晰的數(shù)據(jù)展示，更為維護(hù)人員提供了具體而明確的工作指引，使得橋梁運(yùn)營維護(hù)事務(wù)變得井然有序。通過整體架構(gòu)和五個(gè)主要部分的設(shè)計(jì),南沙大橋智慧管養(yǎng)項(xiàng)目為橋梁管理提供了一套全面、高效的智能解決方案。

三、統(tǒng)籌規(guī)劃  多點(diǎn)開花

南沙大橋智慧管養(yǎng)項(xiàng)目涵蓋多個(gè)課題，其中多源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的多項(xiàng)子課題研究工作已經(jīng)啟動(dòng)，數(shù)據(jù)匯集與共享標(biāo)準(zhǔn)研究、性能評(píng)估與科學(xué)決策研究、養(yǎng)護(hù)管理模塊研發(fā)的工作也正在開展中。

1、“兼聽則明”

多源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包含智能巡檢系統(tǒng)和健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在多源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)建設(shè)方面，項(xiàng)目首先關(guān)注智能巡檢系統(tǒng)的研發(fā)。當(dāng)前橋梁檢測(cè)主要依賴人工目視巡檢，不僅成本昂貴，而且容易受主觀因素干擾，導(dǎo)致檢測(cè)不夠準(zhǔn)確。此外，傳統(tǒng)人工巡檢有許多難以覆蓋的位置，包括主塔錨碇外表面、主纜、雙吊索、鋼箱梁底等。因此，項(xiàng)目通過研發(fā)無人機(jī)自動(dòng)巡檢設(shè)備、鋼箱梁底巡檢視覺設(shè)備、雙吊索爬索機(jī)器人等一系列智能巡檢設(shè)備，擴(kuò)大了巡檢覆蓋范圍。通過該系統(tǒng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)各個(gè)構(gòu)件出現(xiàn)的多種局部損傷病害進(jìn)行圖像采集，建立了橋梁表觀病害電子數(shù)據(jù)庫，例如鋼橋疲勞裂紋、混凝士裂縫、鋼筋銹蝕、索夾滑移等多類型結(jié)構(gòu)損傷數(shù)據(jù)庫。研究了基于計(jì)算機(jī)視覺的大跨懸索橋多類型損傷識(shí)別與評(píng)估算法，實(shí)現(xiàn)了錨碇混凝士開裂、主纜涂層剝落、拉吊索護(hù)套破損等關(guān)鍵構(gòu)件損傷的準(zhǔn)確、高效識(shí)別，識(shí)別率大于85%，分析速率達(dá)到每秒10張以上。

其次，將健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)。南沙大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在定期調(diào)整與日常優(yōu)化中逐漸趨于完善，對(duì)風(fēng)速風(fēng)向、溫濕度、主梁轉(zhuǎn)角、主梁振動(dòng)、吊索振動(dòng)/索力、地震、船撞響應(yīng)、結(jié)構(gòu)應(yīng)變、主橋渦振等10余項(xiàng)特性進(jìn)行長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)，為大橋的評(píng)估與運(yùn)維提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。南沙大橋智慧管養(yǎng)創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目對(duì)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，并已開展車輛荷載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、鋼箱梁疲勞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、纜索性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、約束體系監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等相關(guān)課題研究。

（1）車輛荷載監(jiān)測(cè)

近期交通荷載統(tǒng)計(jì)顯示，南沙大橋交通流量遠(yuǎn)超前期設(shè)計(jì)報(bào)告和研究標(biāo)準(zhǔn)，橋上行車每天近乎超飽和狀態(tài)。針對(duì)南沙大橋大交通量、高重載率的通行特點(diǎn)，項(xiàng)目研究了基于實(shí)橋自由流時(shí)空分布數(shù)據(jù)采集技術(shù)，采用了WIM-視覺信息融合技術(shù)對(duì)車輛荷載進(jìn)行監(jiān)測(cè)。相比于傳統(tǒng)技術(shù)采集的“一維”車輛載重信息，該技術(shù)提升了觀測(cè)維度和信息廣度，可在已知關(guān)鍵位置處影響線的情況下，計(jì)算橋梁內(nèi)力和響應(yīng)信息，并通過可視化展示車輛荷載識(shí)別結(jié)果。

（2）鋼箱梁疲勞監(jiān)測(cè)

南沙大橋兩座超千米級(jí)懸索橋都采用鋼箱主梁，橋面結(jié)構(gòu)均為正交異性鋼橋面板。超大的交通流量嚴(yán)重影響了鋼箱梁的疲勞壽命。本課題結(jié)合南沙大橋運(yùn)營期間結(jié)構(gòu)整體分析結(jié)果，考慮結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)和常見損傷病害易發(fā)部位，利用應(yīng)變片與光纖光柵，構(gòu)建南沙大橋鋼橋面板疲勞易損細(xì)節(jié)處應(yīng)變-溫度監(jiān)測(cè)信息數(shù)字化系統(tǒng)，并借助數(shù)值分析手段，提出車輛-溫度荷載耦合作用下扁平鋼箱梁疲勞應(yīng)力分析方法，為鋼箱梁壽命評(píng)估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（3）纜索系統(tǒng)性能監(jiān)測(cè)

為解決吊索異常振動(dòng)問題，并對(duì)張力不足的索夾螺桿及時(shí)提出預(yù)警，開展了纜索系統(tǒng)性能監(jiān)測(cè)研究：(1)基于等效壓縮變形原理，借助光纖光柵傳感器，研發(fā)了一款索夾螺桿力監(jiān)測(cè)墊圈，實(shí)現(xiàn)索夾螺桿力的在線監(jiān)測(cè)與實(shí)時(shí)預(yù)警；(2)選取重點(diǎn)關(guān)注吊索，增設(shè)面外加速度監(jiān)測(cè)傳感器，實(shí)現(xiàn)吊索異常振動(dòng)的振動(dòng)模態(tài)識(shí)別。

（4）約束體系監(jiān)測(cè)

大跨徑鋼箱梁懸索橋的約束裝置受荷載和環(huán)境的作用會(huì)產(chǎn)生微振動(dòng)，這種微振動(dòng)具有幅值小、頻率高的特點(diǎn)。現(xiàn)有的橋梁監(jiān)測(cè)設(shè)備無法有效識(shí)別關(guān)鍵構(gòu)件的微振動(dòng)，為解決此問題，項(xiàng)目開發(fā)了視覺增強(qiáng)拍攝系統(tǒng)。利用高清高速攝像裝置取代常規(guī)振動(dòng)傳感器，以獲取支座、阻尼器等關(guān)鍵部件的振動(dòng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了微米級(jí)微小振動(dòng)形態(tài)的視覺效果增強(qiáng)。

（5）全橋濕度監(jiān)測(cè)及控制

在濕度監(jiān)測(cè)方面，南沙大橋智慧養(yǎng)護(hù)項(xiàng)目充分利用全橋的濕度傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋼箱梁、錨室、鞍室、主纜等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的濕度監(jiān)測(cè)。這一舉措有助于實(shí)時(shí)了解橋梁各部位的濕度狀況，為養(yǎng)護(hù)決策提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。為了有效控制濕度，該項(xiàng)目還對(duì)除濕系統(tǒng)進(jìn)行主動(dòng)控制，使其自動(dòng)調(diào)節(jié)橋梁內(nèi)部的濕度環(huán)境，確保各部位處于適宜的濕度范圍，有助于防止因濕度過高而引起的腐蝕、銹蝕等問題，從而延長(zhǎng)橋梁的使用壽命。

2、“書同文  車同軌”

多源數(shù)據(jù)匯集系統(tǒng)建設(shè)的難點(diǎn)，在于對(duì)舊有系統(tǒng)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的整合統(tǒng)一。服務(wù)于大橋的各類軟件系統(tǒng)，通常由不同的開發(fā)單位實(shí)施，采集的數(shù)據(jù)種類多樣、形式各異，同時(shí)各系統(tǒng)的建設(shè)相對(duì)獨(dú)立，給數(shù)據(jù)融合、匯集分析造成了障礙。通過建立多源異構(gòu)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，建立大橋?qū)ｎ}標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，包括基礎(chǔ)主數(shù)據(jù)庫、管養(yǎng)專題庫、監(jiān)測(cè)專題庫、信息模型庫、智能成果庫、融合指標(biāo)庫等，從而確保橋梁管養(yǎng)核心數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、一致性、穩(wěn)定性，打破數(shù)據(jù)孤島，提高數(shù)據(jù)共享利用的效率，方便后續(xù)數(shù)據(jù)融合、分析和應(yīng)用的開展。

3、“壹引其綱  萬目皆張”

對(duì)多源數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、融合分析后，聚焦反映橋梁結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵指標(biāo)，再通過先進(jìn)算法和機(jī)器學(xué)習(xí)模型進(jìn)行評(píng)估分析。從構(gòu)件層面入手，通過對(duì)橋梁各個(gè)構(gòu)件的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，了解其性能狀況和可能存在的問題。目前，基于多源數(shù)據(jù)的纜索體系橋梁性能評(píng)估系統(tǒng)建設(shè)，已實(shí)現(xiàn)橋梁的整體性能評(píng)估、鋼箱梁疲勞評(píng)估、纜索體系性能評(píng)估、約束體系性能評(píng)估等。

4、謀定而后動(dòng)

基于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與評(píng)估系統(tǒng)的結(jié)果，養(yǎng)護(hù)科學(xué)輔助決策系統(tǒng)將提供科學(xué)的、針對(duì)性的養(yǎng)護(hù)決策建議，實(shí)現(xiàn)了從構(gòu)件到宏觀層面的全方位養(yǎng)護(hù)決策支持，有助于提高橋梁管養(yǎng)工作的效率和準(zhǔn)確性，確保橋梁的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。目前，決策模塊尚在建立之中，但項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)已經(jīng)為此投入了大量的精力和時(shí)間。他們經(jīng)驗(yàn)豐富、能力出眾，可為橋梁維養(yǎng)決策提供技術(shù)指導(dǎo)。各項(xiàng)課題定期邀請(qǐng)橋梁領(lǐng)域?qū)＜艺匍_研討會(huì)，保障“養(yǎng)護(hù)科學(xué)輔助決策模塊”的落地應(yīng)用。

5、實(shí)現(xiàn)成果可視化

作為整個(gè)項(xiàng)目核心成果的集中展示，養(yǎng)護(hù)管理模塊規(guī)劃了數(shù)據(jù)服務(wù)、智能設(shè)備管控和智慧管養(yǎng)三個(gè)主要方面。具體內(nèi)容包括總覽、檢測(cè)、監(jiān)測(cè)、養(yǎng)護(hù)、預(yù)警、決策6個(gè)模塊，最終將南沙大橋的數(shù)據(jù)匯集、評(píng)估分析以及科學(xué)決策體系，以系統(tǒng)化和可視化的方式予以呈現(xiàn)。通過“BIM+互聯(lián)網(wǎng)”管理平臺(tái)匯集建養(yǎng)歷史數(shù)據(jù)、運(yùn)營養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)等，實(shí)現(xiàn)南沙大橋既有BIM運(yùn)營管理平臺(tái)的升級(jí)，對(duì)其進(jìn)行輕量化、平臺(tái)重構(gòu)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成等處理，提高平臺(tái)管理效率。此外，在輕量化BIM模型上可查閱到病害的具體位置、嚴(yán)重程度以及詳細(xì)病害信息。這些可視化成果未來可與廣東省交通集團(tuán)“一張圖”項(xiàng)目對(duì)接，實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)結(jié)構(gòu)物安全性、耐久性信息的細(xì)化和補(bǔ)充。

四、核心技術(shù)自主可控

經(jīng)過不斷探索和嘗試，南沙大橋智慧管養(yǎng)項(xiàng)目在多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域取得了顯著的進(jìn)步。從智能巡檢設(shè)備的研發(fā)與健康監(jiān)測(cè)各項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)的形成，到多源數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的制定與橋梁性能全面評(píng)估方法的提出，再到可視化的養(yǎng)護(hù)管理模塊的建立，最終構(gòu)建了全面的智慧養(yǎng)護(hù)管理體系。目前，項(xiàng)目中多項(xiàng)核心技術(shù)已成功轉(zhuǎn)化為自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，其中4項(xiàng)發(fā)明專利、2項(xiàng)軟件著作權(quán)已獲得授權(quán)。同時(shí)，為推廣項(xiàng)目的成功經(jīng)驗(yàn)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)計(jì)劃編制《廣東省高速公路纜索體系橋梁智慧養(yǎng)護(hù)技術(shù)指南》，將項(xiàng)目成果轉(zhuǎn)化為推動(dòng)整個(gè)行業(yè)智能化養(yǎng)護(hù)的指導(dǎo)性文件。

南沙大橋智慧管養(yǎng)項(xiàng)目通過整合智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、尖端智能裝備和先進(jìn)算法，實(shí)現(xiàn)了科技與橋梁管養(yǎng)的深度融合，顯著提升了養(yǎng)護(hù)效率。項(xiàng)目預(yù)計(jì)能夠顯著降低橋梁養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，尤其是占比超過4成的經(jīng)常性檢查、人工成本等方面。在25年運(yùn)營期內(nèi)，預(yù)計(jì)可節(jié)省費(fèi)用約9600萬元左右。此外，項(xiàng)目的建成將有效減少橋梁大修次數(shù)、降低橋梁事故概率、提升公共交通效率，為社會(huì)帶來良好的效益。該創(chuàng)新實(shí)踐為未來的智慧化、自動(dòng)化和數(shù)字化橋梁養(yǎng)護(hù)工作積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步保障了國家基礎(chǔ)設(shè)施和人民生命財(cái)產(chǎn)的安全。