守护大桥的“智慧天眼”——智能监控技术在大桥施工中的应用与开发

施工监控通过对结构的分析、监测、预测、调整，控制结构内力和变形，使桥梁结构符合设计要求，保证桥梁结构的安全和质量。随着桥梁建设的发展，施工监控已经成为必不可少的内容，施工监控技术日渐成熟。

智能监控技术通过结合多种先进的技术手段，实现对工程中各种场景的全面、精准的监控和管理。其中包含测量技术——卫星定位测量、全站仪、传感器与识别；信息传输技术——无线通信技术，如移动通信、卫星通信和无线局域网；视频监控——远程视频、视觉辨识；存储和交换——噪音、图像、环境信息；计算——智能溯源和统计、预警。

本文通过介绍山东沾临高速黄河特大桥、贵州德余高速乌江大桥和江苏张靖皋长江大桥北航道桥北锚碇中的智能监控技术研发与应用，力图助力桥梁工程的高品质建设与高质量发展。

黄河特大桥全长4630m，包括主桥、南北堤内引桥、南北堤外引桥以及跨大堤桥。其中主桥为(80+180+442+180+80)m双塔双索面钢混组合梁斜拉桥。全桥主梁总长961.04m，采用双边钢梁钢-UHPC顶板组合断面，宽度34.36m。钢混组合梁采用先叠合后顶推的全断面顶推施工工艺。施工中运用了多种智能化系统——智能化监控系统、智能步式顶推系统、远程视频监控系统。

基于数字孪生的顶推全过程智能化监测技术

构建了融合数字孪生模型、BIM三维可视化模型、失效模式库、失效风险库和应急处置库的多源信息施工管控平台,开发了与系统平台、可视化模型、移动终端等联动的在线管控系统,实现了大跨度斜拉桥顶推施工实时、可视化监测，保证了大跨桥梁施工过程的安全性及合理成桥状态。

多源监测数据异常识别算法与处理方法

受温度、强风、暴雨等环境因素的影响,监测数据异常等问题较为突出,异常数据的诊断和识别是桥梁监测领域需要面对和解决的关键难题。

基于LSTMw网络结构，通过数据清洗流程，海量监测数据、特征参数提取，对失真数据进行判别与修复，实现将数据异常的问题，利用检测与修复方法（深度学习模型）进行数据修复，达到能够对多源监测数据的异常识别与处理。

多源监测数据驱动安全评价与预警方法

传统的安全评价与预警方法存在各类监测指标碎片化的问题，导致结果失准。

通过融合分布式监测特征值数据与有限元模拟结构整体线形——局部应变的分布规律，提出了多源监测数据驱动的桥梁顶推施工梁体结构安全评价与预警方法，建立了整体线形-局部应变相结合的评价指标体系，开发了结构安全多尺度特征参数自适应优化识别、计算与提取算法，实现了基于多源监测数据的结构安全实时预警。

顶推系统具有如下特点：

自动控制 ：电脑集中控制三个方向的位移，设置参数后可自动实现横向纠偏、纵向推进及竖直顶升的动作过程；

精确度高 ：动作全程实施位移及压力监控，位移同步精度在士1mm以内；

操作简便 ：采用标准化产品模块化连接及通讯总线连接方式，便于现场使用及管理；

适应性强 ：触摸屏操作，具有便捷的人机交互界面，操作起来简便快捷。

实施效果 ：由于传统钢-混凝土组合梁通常采用先顶推后叠合的施工方案，存在工期长、工厂化率低、质量不易保证等问题，且顶推过程需要投入数量较多的步履式千斤顶，施工成本高。通过智能步履式顶推系统，首创了姿态与线形精准可调的斜拉桥整体式全断面单端顶推施工方法，有效解决了主梁脱胎起升及线形调整难的问题，实现了顶推及就位过程的毫米级高精度管控水平。

远程无线视频监控系统采用视频采集加网络编码传输、分控中心用网络硬盘录像机实现视频接入，对新建的前端监控点位进行实时监视及录像采用，该种方式可支持多用户同时登陆实时监看回放、下载同一路视频，多用户操作模式，可有效利用资源。然后通过网络传输至总控中心实现集中监控和管理。

主要由高清网络摄像机、网络硬盘录像机、高清解码器、液晶电视屏组成，其中高清网络摄像机用于采集前端图像并编码压缩，在网络上进行传输，并通过网络硬盘录像机，将图像进行管理、存储、转发，支持多客户端同时接入。然后通过网络传输至总控中心。

此系统具有图像视窗、任意缩放、叠加、漫游，支持多个窗口显示同一通道的图像；高处理能力和优秀的稳定性；整机模块化设计；启动速度快，全实时处理；支持多种信号格式、多种控制方式；纯硬件构架；安全性好等特点。

通过对远程无线视频监控系统现场环境条件、施工状态的全天候无死角“盯梢”，配合远程喊话功能，实现了施工过程更可视、施工指令更畅通、施工安全更可控的管理目标。

乌江大桥主跨504m上承式钢管混凝土拱桥。拱肋为空间桁架构,径向高度为10m~7m,幅间距为13.5m。弦管外径1.4m,管内灌注C70混凝土。立柱为双柱式矩形等截面钢箱,最大高度接近80m。主梁采用跨径33.6m槽形钢梁+UHPC150桥面板刚构的连续梁。由于是全栓接、全固结结构,施工方法采用斜拉扣挂+缆索吊装系统施工。

施工过程中面临施工安全的控制、节段精确安装与成桥线形精确控制的双重目标。

通过全过程最优控制法，从封铰阶段、悬拼阶段，到合龙嵌补阶段，实现全过程可行域的误差分析。并且，依托自动化变形监测系统对已安装拱肋线形实时监测，厘清拱肋线形波动规律，预测出下一节段拱肋安装时产生的温度变形，剔除复杂环境温度对拱肋安装线形的干扰。利用原形复位法，判断出安装线形可行域。最终的监控效果实现了全拱线形高程最大偏位为-2.7cm，全拱线形横向最大偏位为1.5cm。

通过前述技术确定理论预警阈值，监测系统自动采集、分析，并实时反馈，实现信息化、精细化的施工监控。

主拱总体施工布置图

拱上结构总体施工布置图

数字预拼装示意图

首先，通过激光扫描数字预拼，进行原形预拼控制。即采用高保真模型进行拱肋制造节段数字预拼、模拟和预测。

其次，采用以三维偏差最小为目标的拱肋节段快速数字预拼方法，解决了实体预拼面临的重型设备使用多、场地占用大、制造成本高问题。通过螺栓孔特征自动提取，识别精度优于1mm，预拼姿态精度优于2mm。

最后，应用重构数字模型进行全桥制造线形和拱肋安装线形控制。最终，主拱含有的9万颗螺栓通孔率100%，224对法兰盘无一处增设调整垫片，合龙时8根弦杆对齐偏差均小于2mm，实现了全栓接构件的高精度安装。

拱肋制造数字化验收

全拱制造线形预测

拱肋安装线形预测

张靖皋长江大桥位于江阴大桥下游约28公里处，路线全长29.849km。其中跨江段桥梁全长7859m，自北向南分为北引桥、北航道桥、民主沙引桥、南航道桥、南引桥五部分，北航道桥为主跨1208m双塔单跨吊悬索桥，南航道桥为桥跨布置2300m+717m的双塔双跨吊悬索桥。

北锚碇三维效果图

施工技术的重难点包括：地基处理；钢壳沉井制造、拼装；沉井下沉；大体积混凝土施工；锚碇锚固系统安装、定位。其中，作为国内尺寸最大的公路桥梁沉井基础，施工目标要求高。由于水文地质环境复杂，沉井下沉易出现突沉、拒沉、倾斜、扭转等问题，控制沉井受力、姿态以及周边沉降难度大。

通过统计分析和反演，实现“孪生”当前，预测未来，并能够智能取土、智能决策。该系统初步应用的效果，沉井应力、周边沉降远小于预警值，实现了安全、平稳就位。

其中，智能化取土设备及控制系统实现精确取土50cm，高效取土，自动测量，实施监控+集控，实现水下取土的精确、可视、可测、可控。

针对地下障碍物隐患危害大、清障工效低的问题，借助智能清障管理平台，实现无遗漏、可追溯、高效率的清障工作。

钢壳智能化拼装

采用下料软件自动读取BIM钢构件模型构造大样，自动套料排版，优化切割路径，减少板材废料；采取虚拟预拼装技术激光扫描逆向建模，与设计模型进行自动化的三维比对，提高拼装精度；采用一套快速、敏捷、全自动、非接触式3D视觉检验系统。

沉井BIM模型

混凝土拌和云工厂

通过对进料计量、拌和生产系统智能化改造，实现原材料库存量和量差精确管控、智能拌和、混凝土量差管控及材料溯源。

混凝土智能化温控系统

应用自主研发的“基于BIM技术的大体积混凝土全自动智能化温控系统”。通过数据存储、信息查询、数据分析、操作提示、预警和水流自动控制等功能，减少全过程中人为干预，实现大体积混凝土全过程温度控制的三维可视化、信息化和智能化管理。

智能化管理在生产过程管理(技术管理、 质量管理、进度计划、构件储存、安全管理、现场环境管理)应用较成熟，在大型设备、工厂生产线方面应用进展较快，在工地建造施工监控中还有很大空间，大力提高管理和施工的标准化程度，标准化程度越高越容易实现智能化。

智能化平台开发的系统基础框架、系统基本要求、数据接口、数据类型、格式及传输方式、系统安全是平台的基础。由于需求的层次和开发的水平不一，综合平台与专项系统之间协作难度很大，成为应用和研发的主要障碍，亟需统一标准。

通用性的工艺流程和个性化的工艺设计是智能化的基础，尚需对平台进行通用兼容的特殊的适用性深化研究。

以智能化产业政策为指引，以工程建设市场需求为依托，以管理、技术标准化研究为支撑，为使用者服务，构建合理的、系统的发展体系，才能加快促进智能化应用和发展，实现创新创效。