“新赛道”上的耕耘——浅谈南沙大桥智慧管养创新实践

作为一项知名的桥梁工程，南沙大桥是粤港澳大湾区重要的交通枢纽。如何更好地管理和养护这座大桥，让它在繁忙的交通中持续发挥其功能，是湾区特大桥养护中心一直研究的课题。在此背景下，南沙大桥智慧管养项目应运而生。项目运用了创新技术和智能系统，为大桥的养护带来了全新的思路和解决方案。

图1 南沙大桥

智慧桥梁管理理念已经在武汉、青岛等国内部分城市得到初步应用。目前，桥梁智慧管理系统在智能化程度上仍处于初级阶段，在智能检监测技术、系统集成度、机理研究、管养行为数字化深度等方面存在一些问题。而南沙大桥智慧养护项目的问世，通过系统的深化，将有效地弥补上述不足，提升桥梁管理的智慧水平。

南沙大桥智慧养护项目离不开国家的政策支持。2019年，《交通强国建设纲要》提出了实现“智慧引领”的战略目标，强调推动新技术与交通行业的深度融合。交通运输部出台的多项政策不断地要求加快智慧公路桥梁维养技术的发展，为该智慧养护项目提供了有力保障。

智慧养护项目首次应用于南沙大桥的管养工作，并计划逐步推广至湾区的其他索承桥梁，如崖门大桥、李家沙大桥、甘竹溪大桥等。项目建设目标明确，即以缆索体系桥梁的维养任务为核心，建立基于多源数据的缆索体系桥梁性能评估方法和科学辅助决策体系。通过多项技术融合，为桥梁后续运维提供坚实的数据支撑，实现由经验驱动向数据驱动的养护决策转变。此外，在经济效益方面，项目力求降低传统人工检查的费用和其他人力费用，以节约养护成本。

为深化智慧桥梁管理体系，南沙大桥智慧养护项目设计了包含多个关键部分的系统，共同构成了一个全面而有机的智能管理网络。该系统的整体架构分为六层，包括感知层、网络层、服务层、应用层、展示层，各层级以功能为导向形成了五个主要子系统，实现了从数据采集到养护管理的全过程覆盖。

图2 系统设计架构

通过BIM运营管理平台、桥梁健康监测系统、机器人智能巡检、视觉增强等智能无损检测数据等渠道，系统充分利用丰富的感知终端，全面采集桥梁运行中产生的各类数据，为后续的评估和决策提供丰富而全面的信息。

为消除“数据孤岛”，系统将采集到的数据通过网络层传输至BIM数据管理系统，进行标准化存储，并在服务层得以融合和交互。这一过程形成了桥梁的数据库，确保了数据的规范性且便于管理。通过有效的数据存储和管理，系统能够更好地应对大规模数据的处理需求。

利用先进算法，系统能够追踪桥梁数据的变化规律，总结其性能的演化趋势，并对桥梁进行安全评估和预警，服务于科学决策；能够让桥梁管养单位更加精准地把握桥梁运行状态，有助于他们及时发现潜在问题并进行处置。

作为智慧桥梁管理体系的决策中枢,系统基于桥梁性能评估结果,通过先进算法,为桥梁制定科学而精准的养护决策。通过对比分析养护工作实施前后的桥梁性能,可辅助验证养护决策的有效性,为后续维护提供针对性建议。

整个系统通过养护管理模块实现对桥梁全生命周期的精准管理。它借助BIM+GIS技术,成功实现多维模型与多源数据的高效融合，形成直观而深入的展示层。不仅为管理人员提供了清晰的数据展示，更为维护人员提供了具体而明确的工作指引，使得桥梁运营维护事务变得井然有序。

图3 应用支撑平台设计方案

通过以上整体架构和五个主要部分的设计,南沙大桥智慧管养项目为桥梁管理提供了一套全面、高效的智能解决方案。

南沙大桥智慧管养项目涵盖多个课题，其中多源数据采集系统的多项子课题研究工作已经启动，数据汇集与共享标准研究、性能评估与科学决策研究、养护管理模块研发的工作也正在开展中。

多源数据采集系统包含智能巡检系统和健康监测系统。在多源数据采集系统建设方面，项目首先关注智能巡检系统的研发。当前桥梁检测主要依赖人工目视巡检，不仅成本昂贵，而且容易受主观因素干扰，导致检测不够准确。此外，传统人工巡检有许多难以覆盖的位置，包括主塔锚碇外表面、主缆、双吊索、钢箱梁底等。因此，项目通过研发无人机自动巡检设备、钢箱梁底巡检视觉设备、双吊索爬索机器人等一系列智能巡检设备，扩大了巡检覆盖范围。通过该系统对桥梁结构各个构件出现的多种局部损伤病害进行图像采集，建立了桥梁表观病害电子数据库，例如钢桥疲劳裂纹、混凝士裂缝、钢筋锈蚀、索夹滑移等多类型结构损伤数据库。研究了基于计算机视觉的大跨悬索桥多类型损伤识别与评估算法，实现了锚碇混凝士开裂、主缆涂层剥落、拉吊索护套破损等关键构件损伤的准确、高效识别，识别率大于85%，分析速率达到每秒10张以上。

图4 机器人智能巡检

其次，将健康监测系统进行升级。南沙大桥健康监测系统在定期调整与日常优化中逐渐趋于完善，对风速风向、温湿度、主梁转角、主梁振动、吊索振动/索力、地震、船撞响应、结构应变、主桥涡振等10余项特性进行长期健康监测，为大桥的评估与运维提供了基础数据。南沙大桥智慧管养创新实践项目对健康监测系统进行升级，并已开展车辆荷载监测系统、钢箱梁疲劳监测系统、缆索性能监测系统、约束体系监测系统等相关课题研究。

1.车辆荷载监测

近期交通荷载统计显示，南沙大桥交通流量远超前期设计报告和研究标准，桥上行车每天近乎超饱和状态。针对南沙大桥大交通量、高重载率的通行特点，项目研究了基于实桥自由流时空分布数据采集技术，采用了WIM-视觉信息融合技术对车辆荷载进行监测。相比于传统技术采集的“一维”车辆载重信息，该技术提升了观测维度和信息广度，可在已知关键位置处影响线的情况下，计算桥梁内力和响应信息，并通过可视化展示车辆荷载识别结果。

图5  基于视觉识别的大跨径全视域全时段车辆识别分析系统

2.钢箱梁疲劳监测

南沙大桥两座超千米级悬索桥都采用钢箱主梁，桥面结构均为正交异性钢桥面板。超大的交通流量严重影响了钢箱梁的疲劳寿命。本课题结合南沙大桥运营期间结构整体分析结果，考虑结构受力特点和常见损伤病害易发部位，利用应变片与光纤光栅，构建南沙大桥钢桥面板疲劳易损细节处应变-温度监测信息数字化系统，并借助数值分析手段，提出车辆-温度荷载耦合作用下扁平钢箱梁疲劳应力分析方法，为钢箱梁寿命评估提供基础数据。

图6 疲劳损伤细节处应变-温度信息数字化系统

3.缆索系统性能监测

为解决吊索异常振动问题，并对张力不足的索夹螺杆及时提出预警，开展了缆索系统性能监测研究：(1)基于等效压缩变形原理，借助光纤光栅传感器，研发了一款索夹螺杆力监测垫圈，实现索夹螺杆力的在线监测与实时预警；(2)选取重点关注吊索，增设面外加速度监测传感器，实现吊索异常振动的振动模态识别。

4.约束体系监测

大跨径钢箱梁悬索桥的约束装置受荷载和环境的作用会产生微振动，这种微振动具有幅值小、频率高的特点。现有的桥梁监测设备无法有效识别关键构件的微振动，为解决此问题，项目开发了视觉增强拍摄系统。利用高清高速摄像装置取代常规振动传感器，以获取支座、阻尼器等关键部件的振动参数，实现了微米级微小振动形态的视觉效果增强。

图7 视觉影像增强技术

5.全桥湿度监测及控制

在湿度监测方面，南沙大桥智慧养护项目充分利用全桥的湿度传感器，实现了对钢箱梁、锚室、鞍室、主缆等关键结构的湿度监测。这一举措有助于实时了解桥梁各部位的湿度状况，为养护决策提供准确的数据支持。为了有效控制湿度，该项目还对除湿系统进行主动控制，使其自动调节桥梁内部的湿度环境，确保各部位处于适宜的湿度范围，有助于防止因湿度过高而引起的腐蚀、锈蚀等问题，从而延长桥梁的使用寿命。

多源数据汇集系统建设的难点，在于对旧有系统各项数据的整合统一。服务于大桥的各类软件系统，通常由不同的开发单位实施，采集的数据种类多样、形式各异，同时各系统的建设相对独立，给数据融合、汇集分析造成了障碍。通过建立多源异构数据标准，建立大桥专题标准数据库，包括基础主数据库、管养专题库、监测专题库、信息模型库、智能成果库、融合指标库等，从而确保桥梁管养核心数据的准确性、一致性、稳定性，打破数据孤岛，提高数据共享利用的效率，方便后续数据融合、分析和应用的开展。

图8 多源数据的汇集与共享标准研究

对多源数据进行标准化、融合分析后，聚焦反映桥梁结构安全的关键指标，再通过先进算法和机器学习模型进行评估分析。从构件层面入手，通过对桥梁各个构件的监测数据进行分析，了解其性能状况和可能存在的问题。目前，基于多源数据的缆索体系桥梁性能评估系统建设，已实现桥梁的整体性能评估、钢箱梁疲劳评估、缆索体系性能评估、约束体系性能评估等。

图9 基于多源数据的缆索体系桥梁性能评估系统

基于监测系统与评估系统的结果，养护科学辅助决策系统将提供科学的、针对性的养护决策建议，实现了从构件到宏观层面的全方位养护决策支持，有助于提高桥梁管养工作的效率和准确性，确保桥梁的安全和稳定运行。目前，决策模块尚在建立之中，但项目团队已经为此投入了大量的精力和时间。他们经验丰富、能力出众，可为桥梁维养决策提供技术指导。各项课题定期邀请桥梁领域专家召开研讨会，保障“养护科学辅助决策模块”的落地应用。

图10  南沙大桥 养护科学辅助决策系统

作为整个项目核心成果的集中展示，养护管理模块规划了数据服务、智能设备管控和智慧管养三个主要方面。具体内容包括总览、检测、监测、养护、预警、决策6个模块，最终将南沙大桥的数据汇集、评估分析以及科学决策体系，以系统化和可视化的方式予以呈现。通过“BIM+互联网”管理平台汇集建养历史数据、运营养护数据等，实现南沙大桥既有BIM运营管理平台的升级，对其进行轻量化、平台重构、监测系统集成等处理，提高平台管理效率。此外，在轻量化BIM模型上可查阅到病害的具体位置、严重程度以及详细病害信息。这些可视化成果未来可与广东省交通集团“一张图”项目对接，实现对重点结构物安全性、耐久性信息的细化和补充。

图11 南沙大桥既有BIM模型轻量化升级

图12 养护管理模块（模拟近场病害展示）

经过不断探索和尝试，南沙大桥智慧管养项目在多个关键领域取得了显著的进步。从智能巡检设备的研发与健康监测各项先进技术的形成，到多源数据标准的制定与桥梁性能全面评估方法的提出，再到可视化的养护管理模块的建立，最终构建了全面的智慧养护管理体系。

目前，项目中多项核心技术已成功转化为自主知识产权，其中4项发明专利、2项软件著作权已获得授权。同时，为推广项目的成功经验，项目团队计划编制《广东省高速公路缆索体系桥梁智慧养护技术指南》，将项目成果转化为推动整个行业智能化养护的指导性文件。

南沙大桥智慧管养项目通过整合智能监测系统、尖端智能装备和先进算法，实现了科技与桥梁管养的深度融合，显著提升了养护效率。项目预计能够显著降低桥梁养护费用，尤其是占比超过4成的经常性检查、人工成本等方面。在25年运营期内，预计可节省费用约9600万元左右。此外，项目的建成将有效减少桥梁大修次数、降低桥梁事故概率、提升公共交通效率，为社会带来良好的效益。该创新实践为未来的智慧化、自动化和数字化桥梁养护工作积累了宝贵经验，进一步保障了国家基础设施和人民生命财产的安全。