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      行業資訊

      南沙大橋智慧管養:探索創新養護新路徑新方案

      新聞時間:2024-05-08 文章來源:網絡 文章作者:admin

      作為一項知名的橋梁工程,南沙大橋是粵港澳大灣區重要的交通樞紐。如何更好地管理和養護這座大橋,讓它在繁忙的交通中持續發揮其功能,是灣區特大橋養護中心一直研究的課題。在此背景下,南沙大橋智慧管養項目應運而生。項目運用了創新技術和智能系統,為大橋的養護帶來了全新的思路和解決方案。

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      一、智慧引領  護航灣區

      智慧橋梁管理理念已經在武漢、青島等國內部分城市得到初步應用。目前,橋梁智慧管理系統在智能化程度上仍處于初級階段,在智能檢監測技術、系統集成度、機理研究、管養行為數字化深度等方面存在一些問題。而南沙大橋智慧養護項目的問世,通過系統的深化,將有效地彌補上述不足,提升橋梁管理的智慧水平。

      南沙大橋智慧養護項目離不開國家的政策支持。2019年,《交通強國建設綱要》提出了實現“智慧引領”的戰略目標,強調推動新技術與交通行業的深度融合。交通運輸部出臺的多項政策不斷地要求加快智慧公路橋梁維養技術的發展,為該智慧養護項目提供了有力保障。

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      智慧養護項目首次應用于南沙大橋的管養工作,并計劃逐步推廣至灣區的其他索承橋梁,如崖門大橋、李家沙大橋、甘竹溪大橋等。項目建設目標明確,即以纜索體系橋梁的維養任務為核心,建立基于多源數據的纜索體系橋梁性能評估方法和科學輔助決策體系。通過多項技術融合,為橋梁后續運維提供堅實的數據支撐,實現由經驗驅動向數據驅動的養護決策轉變。此外,在經濟效益方面,項目力求降低傳統人工檢查的費用和其他人力費用,以節約養護成本。


      二、打造全過程的解決方案

      為深化智慧橋梁管理體系,南沙大橋智慧養護項目設計了包含多個關鍵部分的系統,共同構成了一個全面而有機的智能管理網絡。該系統的整體架構分為六層,包括感知層、網絡層、服務層、應用層、展示層,各層級以功能為導向形成了五個主要子系統,實現了從數據采集到養護管理的全過程覆蓋。

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      1、多源數據采集與匯集

      通過BIM運營管理平臺、橋梁健康監測系統、機器人智能巡檢、視覺增強等智能無損檢測數據等渠道,系統充分利用豐富的感知終端,全面采集橋梁運行中產生的各類數據,為后續的評估和決策提供豐富而全面的信息。

      為消除“數據孤島”,系統將采集到的數據通過網絡層傳輸至BIM數據管理系統,進行標準化存儲,并在服務層得以融合和交互。這一過程形成了橋梁的數據庫,確保了數據的規范性且便于管理。通過有效的數據存儲和管理,系統能夠更好地應對大規模數據的處理需求。


      2、纜索體系橋梁性能評估系統

      利用先進算法,系統能夠追蹤橋梁數據的變化規律,總結其性能的演化趨勢,并對橋梁進行安全評估和預警,服務于科學決策;能夠讓橋梁管養單位更加精準地把握橋梁運行狀態,有助于他們及時發現潛在問題并進行處置。


      3、養護科學輔助決策系統

      作為智慧橋梁管理體系的決策中樞,系統基于橋梁性能評估結果,通過先進算法,為橋梁制定科學而精準的養護決策。通過對比分析養護工作實施前后的橋梁性能,可輔助驗證養護決策的有效性,為后續維護提供針對性建議。


      4、養護管理模塊

      整個系統通過養護管理模塊實現對橋梁全生命周期的精準管理。它借助BIM+GIS技術,成功實現多維模型與多源數據的高效融合,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據展示,更為維護人員提供了具體而明確的工作指引,使得橋梁運營維護事務變得井然有序。通過整體架構和五個主要部分的設計,南沙大橋智慧管養項目為橋梁管理提供了一套全面、高效的智能解決方案。

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      三、統籌規劃  多點開花

      南沙大橋智慧管養項目涵蓋多個課題,其中多源數據采集系統的多項子課題研究工作已經啟動,數據匯集與共享標準研究、性能評估與科學決策研究、養護管理模塊研發的工作也正在開展中。

      1、“兼聽則明”

      多源數據采集系統包含智能巡檢系統和健康監測系統。在多源數據采集系統建設方面,項目首先關注智能巡檢系統的研發。當前橋梁檢測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,導致檢測不夠準確。此外,傳統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,項目通過研發無人機自動巡檢設備、鋼箱梁底巡檢視覺設備、雙吊索爬索機器人等一系列智能巡檢設備,擴大了巡檢覆蓋范圍。通過該系統對橋梁結構各個構件出現的多種局部損傷病害進行圖像采集,建立了橋梁表觀病害電子數據庫,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構損傷數據庫。研究了基于計算機視覺的大跨懸索橋多類型損傷識別與評估算法,實現了錨碇混凝士開裂、主纜涂層剝落、拉吊索護套破損等關鍵構件損傷的準確、高效識別,識別率大于85%,分析速率達到每秒10張以上。


      其次,將健康監測系統進行升級。南沙大橋健康監測系統在定期調整與日常優化中逐漸趨于完善,對風速風向、溫濕度、主梁轉角、主梁振動、吊索振動/索力、地震、船撞響應、結構應變、主橋渦振等10余項特性進行長期健康監測,為大橋的評估與運維提供了基礎數據。南沙大橋智慧管養創新實踐項目對健康監測系統進行升級,并已開展車輛荷載監測系統、鋼箱梁疲勞監測系統、纜索性能監測系統、約束體系監測系統等相關課題研究。

      (1)車輛荷載監測

      近期交通荷載統計顯示,南沙大橋交通流量遠超前期設計報告和研究標準,橋上行車每天近乎超飽和狀態。針對南沙大橋大交通量、高重載率的通行特點,項目研究了基于實橋自由流時空分布數據采集技術,采用了WIM-視覺信息融合技術對車輛荷載進行監測。相比于傳統技術采集的“一維”車輛載重信息,該技術提升了觀測維度和信息廣度,可在已知關鍵位置處影響線的情況下,計算橋梁內力和響應信息,并通過可視化展示車輛荷載識別結果。

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      (2)鋼箱梁疲勞監測

      南沙大橋兩座超千米級懸索橋都采用鋼箱主梁,橋面結構均為正交異性鋼橋面板。超大的交通流量嚴重影響了鋼箱梁的疲勞壽命。本課題結合南沙大橋運營期間結構整體分析結果,考慮結構受力特點和常見損傷病害易發部位,利用應變片與光纖光柵,構建南沙大橋鋼橋面板疲勞易損細節處應變-溫度監測信息數字化系統,并借助數值分析手段,提出車輛-溫度荷載耦合作用下扁平鋼箱梁疲勞應力分析方法,為鋼箱梁壽命評估提供基礎數據。

      (3)纜索系統性能監測

      為解決吊索異常振動問題,并對張力不足的索夾螺桿及時提出預警,開展了纜索系統性能監測研究:(1)基于等效壓縮變形原理,借助光纖光柵傳感器,研發了一款索夾螺桿力監測墊圈,實現索夾螺桿力的在線監測與實時預警;(2)選取重點關注吊索,增設面外加速度監測傳感器,實現吊索異常振動的振動模態識別。

      (4)約束體系監測

      大跨徑鋼箱梁懸索橋的約束裝置受荷載和環境的作用會產生微振動,這種微振動具有幅值小、頻率高的特點?,F有的橋梁監測設備無法有效識別關鍵構件的微振動,為解決此問題,項目開發了視覺增強拍攝系統。利用高清高速攝像裝置取代常規振動傳感器,以獲取支座、阻尼器等關鍵部件的振動參數,實現了微米級微小振動形態的視覺效果增強。

      (5)全橋濕度監測及控制

      在濕度監測方面,南沙大橋智慧養護項目充分利用全橋的濕度傳感器,實現了對鋼箱梁、錨室、鞍室、主纜等關鍵結構的濕度監測。這一舉措有助于實時了解橋梁各部位的濕度狀況,為養護決策提供準確的數據支持。為了有效控制濕度,該項目還對除濕系統進行主動控制,使其自動調節橋梁內部的濕度環境,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,從而延長橋梁的使用壽命。


      2、“書同文  車同軌”

      多源數據匯集系統建設的難點,在于對舊有系統各項數據的整合統一。服務于大橋的各類軟件系統,通常由不同的開發單位實施,采集的數據種類多樣、形式各異,同時各系統的建設相對獨立,給數據融合、匯集分析造成了障礙。通過建立多源異構數據標準,建立大橋專題標準數據庫,包括基礎主數據庫、管養專題庫、監測專題庫、信息模型庫、智能成果庫、融合指標庫等,從而確保橋梁管養核心數據的準確性、一致性、穩定性,打破數據孤島,提高數據共享利用的效率,方便后續數據融合、分析和應用的開展。

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      3、“壹引其綱  萬目皆張”

      對多源數據進行標準化、融合分析后,聚焦反映橋梁結構安全的關鍵指標,再通過先進算法和機器學習模型進行評估分析。從構件層面入手,通過對橋梁各個構件的監測數據進行分析,了解其性能狀況和可能存在的問題。目前,基于多源數據的纜索體系橋梁性能評估系統建設,已實現橋梁的整體性能評估、鋼箱梁疲勞評估、纜索體系性能評估、約束體系性能評估等。


      4、謀定而后動

      基于監測系統與評估系統的結果,養護科學輔助決策系統將提供科學的、針對性的養護決策建議,實現了從構件到宏觀層面的全方位養護決策支持,有助于提高橋梁管養工作的效率和準確性,確保橋梁的安全和穩定運行。目前,決策模塊尚在建立之中,但項目團隊已經為此投入了大量的精力和時間。他們經驗豐富、能力出眾,可為橋梁維養決策提供技術指導。各項課題定期邀請橋梁領域專家召開研討會,保障“養護科學輔助決策模塊”的落地應用。


      5、實現成果可視化

      作為整個項目核心成果的集中展示,養護管理模塊規劃了數據服務、智能設備管控和智慧管養三個主要方面。具體內容包括總覽、檢測、監測、養護、預警、決策6個模塊,最終將南沙大橋的數據匯集、評估分析以及科學決策體系,以系統化和可視化的方式予以呈現。通過“BIM+互聯網”管理平臺匯集建養歷史數據、運營養護數據等,實現南沙大橋既有BIM運營管理平臺的升級,對其進行輕量化、平臺重構、監測系統集成等處理,提高平臺管理效率。此外,在輕量化BIM模型上可查閱到病害的具體位置、嚴重程度以及詳細病害信息。這些可視化成果未來可與廣東省交通集團“一張圖”項目對接,實現對重點結構物安全性、耐久性信息的細化和補充。

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      四、核心技術自主可控

      經過不斷探索和嘗試,南沙大橋智慧管養項目在多個關鍵領域取得了顯著的進步。從智能巡檢設備的研發與健康監測各項先進技術的形成,到多源數據標準的制定與橋梁性能全面評估方法的提出,再到可視化的養護管理模塊的建立,最終構建了全面的智慧養護管理體系。目前,項目中多項核心技術已成功轉化為自主知識產權,其中4項發明專利、2項軟件著作權已獲得授權。同時,為推廣項目的成功經驗,項目團隊計劃編制《廣東省高速公路纜索體系橋梁智慧養護技術指南》,將項目成果轉化為推動整個行業智能化養護的指導性文件。

      南沙大橋智慧管養項目通過整合智能監測系統、尖端智能裝備和先進算法,實現了科技與橋梁管養的深度融合,顯著提升了養護效率。項目預計能夠顯著降低橋梁養護費用,尤其是占比超過4成的經常性檢查、人工成本等方面。在25年運營期內,預計可節省費用約9600萬元左右。此外,項目的建成將有效減少橋梁大修次數、降低橋梁事故概率、提升公共交通效率,為社會帶來良好的效益。該創新實踐為未來的智慧化、自動化和數字化橋梁養護工作積累了寶貴經驗,進一步保障了國家基礎設施和人民生命財產的安全。

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