作為一項知名的橋梁工程，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)護中心一直研究的課題。在此背景下，南沙大橋智慧管養(yǎng)項目應(yīng)運而生。項目運用了創(chuàng)新技術(shù)和智能系統(tǒng)，為大橋的養(yǎng)護帶來了全新的思路和解決方案。

一、智慧引領(lǐng)  護航灣區(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階段，在智能檢監(jiān)測技術(shù)、系統(tǒng)集成度、機理研究、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)護項目的問世，通過系統(tǒng)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(yǎng)護項目離不開國家的政策支持。2019年，《交通強國建設(shè)綱要》提出了實現(xiàn)“智慧引領(lǐng)”的戰(zhàn)略目標(biāo)，強調(diào)推動新技術(shù)與交通行業(yè)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(yǎng)技術(shù)的發(fā)展，為該智慧養(yǎng)護項目提供了有力保障。

智慧養(yǎng)護項目首次應(yīng)用于南沙大橋的管養(yǎng)工作，并計劃逐步推廣至灣區(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估方法和科學(xué)輔助決策體系。通過多項技術(shù)融合，為橋梁后續(xù)運維提供堅實的數(shù)據(jù)支撐，實現(xiàn)由經(jīng)驗驅(qū)動向數(shù)據(jù)驅(qū)動的養(yǎng)護決策轉(zhuǎn)變。此外，在經(jīng)濟效益方面，項目力求降低傳統(tǒng)人工檢查的費用和其他人力費用，以節(jié)約養(yǎng)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(yǎng)護項目設(shè)計了包含多個關(guān)鍵部分的系統(tǒng)，共同構(gòu)成了一個全面而有機的智能管理網(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，各層級以功能為導(dǎo)向形成了五個主要子系統(tǒng)，實現(xiàn)了從數(shù)據(jù)采集到養(yǎng)護管理的全過程覆蓋。

1、多源數(shù)據(jù)采集與匯集

通過BIM運營管理平臺、橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)、機器人智能巡檢、視覺增強等智能無損檢測數(shù)據(jù)等渠道，系統(tǒng)充分利用豐富的感知終端，全面采集橋梁運行中產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)，為后續(xù)的評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)，進行標(biāo)準(zhǔn)化存儲，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)存儲和管理，系統(tǒng)能夠更好地應(yīng)對大規(guī)模數(shù)據(jù)的處理需求。

2、纜索體系橋梁性能評估系統(tǒng)

利用先進算法，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，并對橋梁進行安全評估和預(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)地把握橋梁運行狀態(tài)，有助于他們及時發(fā)現(xiàn)潛在問題并進行處置。

3、養(yǎng)護科學(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)基于橋梁性能評估結(jié)果,通過先進算法,為橋梁制定科學(xué)而精準(zhǔn)的養(yǎng)護決策。通過對比分析養(yǎng)護工作實施前后的橋梁性能,可輔助驗證養(yǎng)護決策的有效性,為后續(xù)維護提供針對性建議。

4、養(yǎng)護管理模塊

整個系統(tǒng)通過養(yǎng)護管理模塊實現(xiàn)對橋梁全生命周期的精準(zhǔn)管理。它借助BIM+GIS技術(shù),成功實現(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(wù)變得井然有序。通過整體架構(gòu)和五個主要部分的設(shè)計,南沙大橋智慧管養(yǎng)項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  多點開花

南沙大橋智慧管養(yǎng)項目涵蓋多個課題，其中多源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的多項子課題研究工作已經(jīng)啟動，數(shù)據(jù)匯集與共享標(biāo)準(zhǔn)研究、性能評估與科學(xué)決策研究、養(yǎng)護管理模塊研發(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)測系統(tǒng)。在多源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)建設(shè)方面，項目首先關(guān)注智能巡檢系統(tǒng)的研發(fā)。當(dāng)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(dǎo)致檢測不夠準(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，項目通過研發(fā)無人機自動巡檢設(shè)備、鋼箱梁底巡檢視覺設(shè)備、雙吊索爬索機器人等一系列智能巡檢設(shè)備，擴大了巡檢覆蓋范圍。通過該系統(tǒng)對橋梁結(jié)構(gòu)各個構(gòu)件出現(xiàn)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(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。研究了基于計算機視覺的大跨懸索橋多類型損傷識別與評估算法，實現(xiàn)了錨碇混凝士開裂、主纜涂層剝落、拉吊索護套破損等關(guān)鍵構(gòu)件損傷的準(zhǔn)確、高效識別，識別率大于85%，分析速率達(dá)到每秒10張以上。

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

（1）車輛荷載監(jiān)測

近期交通荷載統(tǒng)計顯示，南沙大橋交通流量遠(yuǎn)超前期設(shè)計報告和研究標(biāo)準(zhǔn)，橋上行車每天近乎超飽和狀態(tài)。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(shù)據(jù)采集技術(shù)，采用了WIM-視覺信息融合技術(shù)對車輛荷載進行監(jiān)測。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別結(jié)果。

（2）鋼箱梁疲勞監(jiān)測

南沙大橋兩座超千米級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)合南沙大橋運營期間結(jié)構(gòu)整體分析結(jié)果，考慮結(jié)構(gòu)受力特點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，為鋼箱梁壽命評估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（3）纜索系統(tǒng)性能監(jiān)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(yù)警，開展了纜索系統(tǒng)性能監(jiān)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(fā)了一款索夾螺桿力監(jiān)測墊圈，實現(xiàn)索夾螺桿力的在線監(jiān)測與實時預(yù)警；(2)選取重點關(guān)注吊索，增設(shè)面外加速度監(jiān)測傳感器，實現(xiàn)吊索異常振動的振動模態(tài)識別。

（4）約束體系監(jiān)測

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

（5）全橋濕度監(jiān)測及控制

在濕度監(jiān)測方面，南沙大橋智慧養(yǎng)護項目充分利用全橋的濕度傳感器，實現(xiàn)了對鋼箱梁、錨室、鞍室、主纜等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的濕度監(jiān)測。這一舉措有助于實時了解橋梁各部位的濕度狀況，為養(yǎng)護決策提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。為了有效控制濕度，該項目還對除濕系統(tǒng)進行主動控制，使其自動調(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，在于對舊有系統(tǒng)各項數(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)單位實施，采集的數(shù)據(jù)種類多樣、形式各異，同時各系統(tǒng)的建設(shè)相對獨立，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”

對多源數(shù)據(jù)進行標(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)，再通過先進算法和機器學(xué)習(xí)模型進行評估分析。從構(gòu)件層面入手，通過對橋梁各個構(gòu)件的監(jiān)測數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的纜索體系橋梁性能評估系統(tǒng)建設(shè)，已實現(xiàn)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(jiān)測系統(tǒng)與評估系統(tǒng)的結(jié)果，養(yǎng)護科學(xué)輔助決策系統(tǒng)將提供科學(xué)的、針對性的養(yǎng)護決策建議，實現(xiàn)了從構(gòu)件到宏觀層面的全方位養(yǎng)護決策支持，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)定運行。目前，決策模塊尚在建立之中，但項目團隊已經(jīng)為此投入了大量的精力和時間。他們經(jīng)驗豐富、能力出眾，可為橋梁維養(yǎng)決策提供技術(shù)指導(dǎo)。各項課題定期邀請橋梁領(lǐng)域?qū)＜艺匍_研討會，保障“養(yǎng)護科學(xué)輔助決策模塊”的落地應(yīng)用。

5、實現(xiàn)成果可視化

作為整個項目核心成果的集中展示，養(yǎng)護管理模塊規(guī)劃了數(shù)據(jù)服務(wù)、智能設(shè)備管控和智慧管養(yǎng)三個主要方面。具體內(nèi)容包括總覽、檢測、監(jiān)測、養(yǎng)護、預(yù)警、決策6個模塊，最終將南沙大橋的數(shù)據(jù)匯集、評估分析以及科學(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)”管理平臺匯集建養(yǎng)歷史數(shù)據(jù)、運營養(yǎng)護數(shù)據(jù)等，實現(xiàn)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(gòu)、監(jiān)測系統(tǒng)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(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“一張圖”項目對接，實現(xiàn)對重點結(jié)構(gòu)物安全性、耐久性信息的細(xì)化和補充。

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)項目在多個關(guān)鍵領(lǐng)域取得了顯著的進步。從智能巡檢設(shè)備的研發(fā)與健康監(jiān)測各項先進技術(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估方法的提出，再到可視化的養(yǎng)護管理模塊的建立，最終構(gòu)建了全面的智慧養(yǎng)護管理體系。目前，項目中多項核心技術(shù)已成功轉(zhuǎn)化為自主知識產(chǎn)權(quán)，其中4項發(fā)明專利、2項軟件著作權(quán)已獲得授權(quán)。同時，為推廣項目的成功經(jīng)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(yǎng)護技術(shù)指南》，將項目成果轉(zhuǎn)化為推動整個行業(yè)智能化養(yǎng)護的指導(dǎo)性文件。

南沙大橋智慧管養(yǎng)項目通過整合智能監(jiān)測系統(tǒng)、尖端智能裝備和先進算法，實現(xiàn)了科技與橋梁管養(yǎng)的深度融合，顯著提升了養(yǎng)護效率。項目預(yù)計能夠顯著降低橋梁養(yǎng)護費用，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年運營期內(nèi)，預(yù)計可節(jié)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(shù)、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(chuàng)新實踐為未來的智慧化、自動化和數(shù)字化橋梁養(yǎng)護工作積累了寶貴經(jīng)驗，進一步保障了國家基礎(chǔ)設(shè)施和人民生命財產(chǎn)的安全。