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(fā)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(chuàng )新技術(shù)和智能系統，為大橋的養護帶來(lái)了全新的思路和解決方案。

一、智慧引領(lǐng)  護航灣區

智慧橋梁管理理念已經(jīng)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(shù)、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(wèn)題。而南沙大橋智慧養護項目的問(wèn)世，通過(guò)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(kāi)國家的政策支持。2019年，《交通強國建設綱要》提出了實(shí)現“智慧引領(lǐng)”的戰略目標，強調推動(dòng)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技術(shù)的發(fā)展，為該智慧養護項目提供了有力保障。

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(mén)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(wù)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(xué)輔助決策體系。通過(guò)多項技術(shù)融合，為橋梁后續運維提供堅實(shí)的數據支撐，實(shí)現由經(jīng)驗驅動(dòng)向數據驅動(dòng)的養護決策轉變。此外，在經(jīng)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(guò)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(gè)關(guān)鍵部分的系統，共同構成了一個(gè)全面而有機的智能管理網(wǎng)絡(luò )。該系統的整體架構分為六層，包括感知層、網(wǎng)絡(luò )層、服務(wù)層、應用層、展示層，各層級以功能為導向形成了五個(gè)主要子系統，實(shí)現了從數據采集到養護管理的全過(guò)程覆蓋。

1、多源數據采集與匯集

通過(guò)BIM運營(yíng)管理平臺、橋梁健康監測系統、機器人智能巡檢、視覺(jué)增強等智能無(wú)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(chǎn)生的各類(lèi)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(guò)網(wǎng)絡(luò )層傳輸至BIM數據管理系統，進(jìn)行標準化存儲，并在服務(wù)層得以融合和交互。這一過(guò)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(guò)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(jìn)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(jìn)行安全評估和預警，服務(wù)于科學(xué)決策；能夠讓橋梁管養單位更加精準地把握橋梁運行狀態(tài)，有助于他們及時(shí)發(fā)現潛在問(wèn)題并進(jìn)行處置。

3、養護科學(xué)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(guò)先進(jìn)算法,為橋梁制定科學(xué)而精準的養護決策。通過(guò)對比分析養護工作實(shí)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(gè)系統通過(guò)養護管理模塊實(shí)現對橋梁全生命周期的精準管理。它借助BIM+GIS技術(shù),成功實(shí)現多維模型與多源數據的高效融合，形成直觀(guān)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(yíng)維護事務(wù)變得井然有序。通過(guò)整體架構和五個(gè)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。

三、統籌規劃  多點(diǎn)開(kāi)花

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

1、“兼聽(tīng)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(guān)注智能巡檢系統的研發(fā)。當前橋梁檢測主要依賴(lài)人工目視巡檢，不僅成本昂貴，而且容易受主觀(guān)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(guò)研發(fā)無(wú)人機自動(dòng)巡檢設備、鋼箱梁底巡檢視覺(jué)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(guò)該系統對橋梁結構各個(gè)構件出現的多種局部損傷病害進(jìn)行圖像采集，建立了橋梁表觀(guān)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(lèi)型結構損傷數據庫。研究了基于計算機視覺(jué)的大跨懸索橋多類(lèi)型損傷識別與評估算法，實(shí)現了錨碇混凝士開(kāi)裂、主纜涂層剝落、拉吊索護套破損等關(guān)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(jìn)行升級。南沙大橋健康監測系統在定期調整與日常優(yōu)化中逐漸趨于完善，對風(fēng)速風(fēng)向、溫濕度、主梁轉角、主梁振動(dòng)、吊索振動(dòng)/索力、地震、船撞響應、結構應變、主橋渦振等10余項特性進(jìn)行長(cháng)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(chuàng )新實(shí)踐項目對健康監測系統進(jìn)行升級，并已開(kāi)展車(chē)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(guān)課題研究。

（1）車(chē)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(chē)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(diǎn)，項目研究了基于實(shí)橋自由流時(shí)空分布數據采集技術(shù)，采用了WIM-視覺(jué)信息融合技術(shù)對車(chē)輛荷載進(jìn)行監測。相比于傳統技術(shù)采集的“一維”車(chē)輛載重信息，該技術(shù)提升了觀(guān)測維度和信息廣度，可在已知關(guān)鍵位置處影響線(xiàn)的情況下，計算橋梁內力和響應信息，并通過(guò)可視化展示車(chē)輛荷載識別結果。

（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(yíng)期間結構整體分析結果，考慮結構受力特點(diǎn)和常見(jiàn)損傷病害易發(fā)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(chē)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(dòng)問(wèn)題，并對張力不足的索夾螺桿及時(shí)提出預警，開(kāi)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(fā)了一款索夾螺桿力監測墊圈，實(shí)現索夾螺桿力的在線(xiàn)監測與實(shí)時(shí)預警；(2)選取重點(diǎn)關(guān)注吊索，增設面外加速度監測傳感器，實(shí)現吊索異常振動(dòng)的振動(dòng)模態(tài)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(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)?，F有的橋梁監測設備無(wú)法有效識別關(guān)鍵構件的微振動(dòng)，為解決此問(wèn)題，項目開(kāi)發(fā)了視覺(jué)增強拍攝系統。利用高清高速攝像裝置取代常規振動(dòng)傳感器，以獲取支座、阻尼器等關(guān)鍵部件的振動(dòng)參數，實(shí)現了微米級微小振動(dòng)形態(tài)的視覺(jué)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(shí)現了對鋼箱梁、錨室、鞍室、主纜等關(guān)鍵結構的濕度監測。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(jìn)行主動(dòng)控制，使其自動(dòng)調節橋梁內部的濕度環(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(guò)高而引起的腐蝕、銹蝕等問(wèn)題，從而延長(cháng)橋梁的使用壽命。

2、“書(shū)同文  車(chē)同軌”

多源數據匯集系統建設的難點(diǎn)，在于對舊有系統各項數據的整合統一。服務(wù)于大橋的各類(lèi)軟件系統，通常由不同的開(kāi)發(fā)單位實(shí)施，采集的數據種類(lèi)多樣、形式各異，同時(shí)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(guò)建立多源異構數據標準，建立大橋專(zhuān)題標準數據庫，包括基礎主數據庫、管養專(zhuān)題庫、監測專(zhuān)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(kāi)展。

3、“壹引其綱  萬(wàn)目皆張”

對多源數據進(jìn)行標準化、融合分析后，聚焦反映橋梁結構安全的關(guān)鍵指標，再通過(guò)先進(jìn)算法和機器學(xué)習模型進(jìn)行評估分析。從構件層面入手，通過(guò)對橋梁各個(gè)構件的監測數據進(jìn)行分析，了解其性能狀況和可能存在的問(wèn)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(shí)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(dòng)

基于監測系統與評估系統的結果，養護科學(xué)輔助決策系統將提供科學(xué)的、針對性的養護決策建議，實(shí)現了從構件到宏觀(guān)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(jīng)為此投入了大量的精力和時(shí)間。他們經(jīng)驗豐富、能力出眾，可為橋梁維養決策提供技術(shù)指導。各項課題定期邀請橋梁領(lǐng)域專(zhuān)家召開(kāi)研討會(huì )，保障“養護科學(xué)輔助決策模塊”的落地應用。

5、實(shí)現成果可視化

作為整個(gè)項目核心成果的集中展示，養護管理模塊規劃了數據服務(wù)、智能設備管控和智慧管養三個(gè)主要方面。具體內容包括總覽、檢測、監測、養護、預警、決策6個(gè)模塊，最終將南沙大橋的數據匯集、評估分析以及科學(xué)決策體系，以系統化和可視化的方式予以呈現。通過(guò)“BIM+互聯(lián)網(wǎng)”管理平臺匯集建養歷史數據、運營(yíng)養護數據等，實(shí)現南沙大橋既有BIM運營(yíng)管理平臺的升級，對其進(jìn)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(lái)可與廣東省交通集團“一張圖”項目對接，實(shí)現對重點(diǎn)結構物安全性、耐久性信息的細化和補充。

四、核心技術(shù)自主可控

經(jīng)過(guò)不斷探索和嘗試，南沙大橋智慧管養項目在多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域取得了顯著(zhù)的進(jìn)步。從智能巡檢設備的研發(fā)與健康監測各項先進(jìn)技術(shù)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(shù)已成功轉化為自主知識產(chǎn)權，其中4項發(fā)明專(zhuān)利、2項軟件著(zhù)作權已獲得授權。同時(shí)，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護技術(shù)指南》，將項目成果轉化為推動(dòng)整個(gè)行業(yè)智能化養護的指導性文件。

南沙大橋智慧管養項目通過(guò)整合智能監測系統、尖端智能裝備和先進(jìn)算法，實(shí)現了科技與橋梁管養的深度融合，顯著(zhù)提升了養護效率。項目預計能夠顯著(zhù)降低橋梁養護費用，尤其是占比超過(guò)4成的經(jīng)常性檢查、人工成本等方面。在25年運營(yíng)期內，預計可節省費用約9600萬(wàn)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(huì )帶來(lái)良好的效益。該創(chuàng )新實(shí)踐為未來(lái)的智慧化、自動(dòng)化和數字化橋梁養護工作積累了寶貴經(jīng)驗，進(jìn)一步保障了國家基礎設施和人民生命財產(chǎn)的安全。