2020年度進展40：橋梁云計算

唐繼舜 2021-04-28

展開全文

PART-1 前言

近年來，我國的橋梁工程無論在建設規(guī)模還是科技水平上，均已躋身世界先進行列，進入了橋梁建設的快速發(fā)展期。伴隨著橋梁建設過程中的設計、施工、運維等，勢必會有海量的數(shù)據(jù)需要存儲和處理，以及橋梁結構的復雜化、設計-施工-運維的一體化和運營管理的精細化等要求，對存儲、計算設備的能力提出了更高的要求。

云計算（Cloud Computing）是一種基于互聯(lián)網的計算方式，通過這種方式，共享的軟硬件資源可以按需求提供給各種計算機終端、移動終端等設備[1][2]（圖 1）。其主要特點包括：云服務的訪問不受時間和地點的限制，并且可以通過任意互聯(lián)網設備進行訪問；多用戶共享計算基礎設施，保證隱私安全；計算資源的彈性屬性好，即可根據(jù)用戶需求增加或減少對計算資源的請求[3]。云計算概念仍在不斷發(fā)展中，目前其核心技術包括BIM，大數(shù)據(jù)（Big Data），物聯(lián)網（Iot, Internet of Things），AI，VR（Virtual Reality），AR（Augmented Reality），移動計算（Mobile Computing），機器人（Robotics）等。

云計算自2006年由亞馬遜（Amazon）公司率先推出以來，近十幾年發(fā)展迅速，在世界范圍、多個行業(yè)內產生了廣泛影響，在建筑行業(yè)的應用逐年增多，在我國的發(fā)展尤為迅速[4][5]。

圖 1 云計算概念圖[1]

（A）截止2019年一季度的文獻數(shù)量

（B）作者國別分布

圖 2 建筑行業(yè)（Construction Industry）中云計算相關英文文獻統(tǒng)計[4]

我國橋梁工程深入發(fā)展所帶來的新問題和新要求，很多方面是與云計算的特點相契合的，兩者的結合一定程度上是必然的[6]。本文嘗試通過文獻檢索，對橋梁工程中的云計算應用進行總結，主要包括基于云計算的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)平臺架構、大數(shù)據(jù)處理和物聯(lián)網及基于云計算的橋梁BIM及協(xié)同設計等方面。

PART-2

基于云計算的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)

目前，云計算在橋梁結構健康監(jiān)測（Structural Health Monitoring，SHM）系統(tǒng)中的應用主要集中在監(jiān)測數(shù)據(jù)的存貯、數(shù)據(jù)的可視化處理及多終端接口等方面，有少量系統(tǒng)利用云平臺的強大計算能力實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)的（準）實時分析。

2.1 SHM云平臺架構設計方面

結構健康監(jiān)測系統(tǒng)會生成大量的各種類型數(shù)據(jù)，云計算的合理應用可為SHM的長期部署提供可靠保證，Jeong S等[7]設計了一套基于云平臺的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括虛擬機、分布式數(shù)據(jù)庫及云端服務器，可實現(xiàn)SHM數(shù)據(jù)的彈性管理、共享和有效利用，該系統(tǒng)還在一座實橋上進行了測試，結果表明該云平臺可以有效管理傳感器數(shù)據(jù)，方便了管理人員及時可靠地獲取數(shù)據(jù)。

（A）系統(tǒng)架構

（B）傳感器管理、數(shù)據(jù)查詢移動終端

圖 3 基于云平臺的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)[7]

位移監(jiān)測是橋梁健康監(jiān)測及保證結構安全的重要內容之一，拉線式位移監(jiān)測費用較高，傳統(tǒng)的無線位移監(jiān)測傳輸距離受限，設備維護及數(shù)據(jù)處理困難，Shitong Hou等[8]基于物聯(lián)網（IoT）概念設計了一種低成本、低功耗的無線位移傳感器，可直接向云端服務器發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)，并在網頁端遠程分析及可視化監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖 4 基于云服務器的無線位移監(jiān)測系統(tǒng)框圖[8]

綜合多種來源的大量數(shù)據(jù)、形成有效的以數(shù)據(jù)驅動的決策系統(tǒng)是SHM系統(tǒng)成功的關鍵，Alampalli S等[9]提出了一個基于多種相關監(jiān)測和分析數(shù)據(jù)并及時做出風險決策的大數(shù)據(jù)分析框架，其數(shù)據(jù)源包括傳感器采集的近實時的數(shù)據(jù)流、歷史巡檢數(shù)據(jù)及結構計算模型的分析數(shù)據(jù)，該框架實現(xiàn)快速決策的關鍵在于四項技術的應用：云計算、關系型數(shù)據(jù)庫處理、NoSQL數(shù)據(jù)庫支持及內存分析（in-memory analytics）。作者在一條存在多種危險源的鐵路線上對該框架進行了驗證，可實時計算橋梁關鍵部件及橋跨的可靠度指標，并基于風險分析做出決策。

圖 5 對鐵路網進行健康評估及風險緩釋（risk mitigation）的系統(tǒng)架構[8]

意大利Polcevera橋坍塌是由于侵蝕性環(huán)境引起的局部損傷累積直接導致的嚴重事故，F(xiàn)uringhetti M等[10]基于對該橋垮塌原因的分析，提出了一種橋梁SHM系統(tǒng)方案及其軟件、硬件布置策略，可實現(xiàn)對全部橋梁重要構件單元的可靠養(yǎng)護，及時預警，防止橋梁結構垮塌。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存貯與分析采用了云計算技術。

圖 6 一種橋梁SHM系統(tǒng)的軟件布置方案[10]

張若鋼等[11]以一座主跨180m的三跨連續(xù)梁為例，探討了基于“北斗系統(tǒng)”的橋梁變形監(jiān)測，變形數(shù)據(jù)存貯在云數(shù)據(jù)中心，并實現(xiàn)了多終端訪問。楊亮等[12]以云計算在橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)中的應用為背景，從安全角度分析了云計算系統(tǒng)面臨的風險和威脅，介紹了橋梁健康監(jiān)測云計算系統(tǒng)各層次的安全防護體系，闡述了云計算安全防護體系在云計算系統(tǒng)中的重要作用。朱仕村等[13]則提出了一種新興的由第三方專業(yè)機構提供服務的結構健康監(jiān)測云的概念，描述了云平臺的系統(tǒng)架構，回顧了相關技術的研究現(xiàn)狀并展望了應用前景。

2.2 SHM大數(shù)據(jù)處理方面

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)通常會接入數(shù)百至上萬個傳感器，系統(tǒng)應考慮大量監(jiān)測數(shù)據(jù)實時并發(fā)處理的場景；系統(tǒng)對大風、地震、超載、車船撞擊等突發(fā)事件及偶然荷載響應的實時性要求高，數(shù)據(jù)采集通常為連續(xù)動態(tài)采集，部分監(jiān)測項采集頻率更高（如振動），一般一座大型橋梁的監(jiān)測系統(tǒng)一年可產生數(shù)百GB的監(jiān)測數(shù)據(jù)。此外，系統(tǒng)還需對數(shù)據(jù)進行濾波、物理量轉換、溫度補償、時頻域轉換、統(tǒng)計值計算等大量數(shù)據(jù)處理。如此海量數(shù)據(jù)的實時采集、處理、分析、存儲等依靠傳統(tǒng)方法已很難處理，作為云計算基礎技術之一的大數(shù)據(jù)（Big Data）架構是一種有效的解決方案。

梁柱[14]提出傳統(tǒng)的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)建設方式在機房建設、軟件開發(fā)及部署上投資大，且管理者后期對系統(tǒng)進行運維管理的難度高。隨著云計算技術的發(fā)展，數(shù)據(jù)和服務向云端遷移已成為發(fā)展的必然趨勢。研發(fā)橋梁健康監(jiān)測云平臺需要重點解決大量傳感器高頻信號的并發(fā)采集及處理、海量數(shù)據(jù)存儲與分析等關鍵技術問題，采用分布式實時大數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)架構、基于NoSQL的分布式數(shù)據(jù)庫及分布式文件系統(tǒng)、分布式計算框架Spark等可有針對性地解決這些問題。

圖 7 基于流式大數(shù)據(jù)的分布式實時數(shù)據(jù)處理架構[14]

向陽等[15]針對橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)海量數(shù)據(jù)在傳輸、處理等環(huán)節(jié)面臨的難題，提出了一種基于K線圖時間片驅動的滑動窗口數(shù)據(jù)流處理模型，對傳感器網絡中的數(shù)據(jù)流進行快速有效地采集，并且減少了數(shù)據(jù)存儲量；針對斜拉索索力統(tǒng)計評估，提出了基于Map/Reduce的索力并行處理模型。

（A）基于K線圖時間片驅動的滑動窗口數(shù)據(jù)流處理模型

（B）基于Map/Reduce 的索力分布式并行處理流程

圖 8 SHM系統(tǒng)中的大數(shù)據(jù)處理方案[15]

Yiming Zhao等[16]提出了一種利用動應變相關系數(shù)指標對鉸接的裝配式梁橋協(xié)同工作性能進行評價的方法，并在一座實橋上實現(xiàn)了動應變數(shù)據(jù)采集、云端存貯、鉸接性能指標（準）實時計算及狀態(tài)診斷的遠程云監(jiān)測系統(tǒng)。

圖 9 裝配式梁橋協(xié)同工作性能遠程云監(jiān)測系統(tǒng)架構[16]

受計算能力和數(shù)據(jù)分析方法所限，橋梁SHM系統(tǒng)的海量監(jiān)測數(shù)據(jù)所蘊含的信息目前并未能很好地提取出來，大數(shù)據(jù)（Big data）和人工智能中的深度學習（deep learning）技術是解決這一問題的可能途徑之一。針對橋梁SHM的具體問題，Sun Limin等[17]提出，大數(shù)據(jù)技術可分為兩類，即計算技術和數(shù)據(jù)分析方法，在SHM系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、存貯和分析的不同階段應分步驟綜合運用各類別下的具體技術手段；深度學習算法可用于處理諸如視覺觀察的非結構化數(shù)據(jù)和時間序列數(shù)據(jù)，并據(jù)此對結構損傷進行識別。

（A）大數(shù)據(jù)技術

（B）SHM中的大數(shù)據(jù)計算技術

（C）橋梁SHM大數(shù)據(jù)分析過程

圖 10 橋梁SHM監(jiān)測數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)處理方案[17]

凃慧敏等[18]分析了橋梁安全與健康監(jiān)測數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)管理技術及發(fā)展趨勢，闡述了基于云計算的數(shù)據(jù)中心基礎架構，探討了關鍵設備和軟件選型，對基于云計算的橋梁安全監(jiān)測數(shù)據(jù)中心的應用前景進行了展望。

2.3 物聯(lián)網方面

物聯(lián)網（IoT）是云計算的基礎技術之一，是一種借助智能終端，依照約定將物體與互聯(lián)網相連，實現(xiàn)對物體的智能識別、感應、監(jiān)控和管理的網絡。它能實現(xiàn)施工現(xiàn)場數(shù)字化、信息化施工和管理，形成全壽命周期的安全管理智能化網絡。

Shitong Hou等[8]基于IoT概念設計了一種低成本、低功耗的無線位移傳感器。

圖 11 無線位移傳感器單元集成[8]

Tong X.等[19]介紹了低功耗無線加速度傳感器的研制與部署，研究無線網關上的傳感器和遵循物聯(lián)網協(xié)議的云平臺橋梁監(jiān)測，SHM系統(tǒng)在上海赤涇大橋的現(xiàn)場測試中得到了驗證，可實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲和分析處理等綜合功能。

杜立嬋[20]等基于物聯(lián)網技術設計了一種橋梁健康遠程在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過采集預埋的振弦式傳感器信息，實時反應橋梁結構健康狀態(tài)。系統(tǒng)采用ARM處理器STM32F407作為主控制器，采集振弦式傳感器頻率變化及溫度信息，并通過物聯(lián)網NB-IoT模塊BC26將數(shù)據(jù)上傳至云服務器。此系統(tǒng)采用了目前主流的技術方案，具有較好的實用價值。

圖 12 基于NB-IoT無線數(shù)據(jù)采集橋梁監(jiān)測系統(tǒng)[20]

馬小琴等[21]提出將物聯(lián)網技術與橋梁構造相結合設計一個橋梁智能健康監(jiān)測系統(tǒng)，從虛擬節(jié)點的構建、傳感器的選擇和優(yōu)化布設、監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與無線傳輸、云端車載的數(shù)據(jù)連接與立體即時反饋等方面探討了應用中涉及的關鍵問題并提出了相應的解決方案。

PART-3

基于云計算的橋梁BIM及協(xié)同設計

簡而言之，BIM是帶有設計參數(shù)的三維模型，同時也是多用戶信息交流與共享的平臺?；贐IM 的橋梁結構，能夠承載橋梁全生命期不同階段數(shù)據(jù)和資源，對橋梁構件進行完整描述，實現(xiàn)多方管理協(xié)同，提升橋梁工程信息化水平[22]。對AEC（Architecture-Engineering-Construction）行業(yè)，云計算與BIM的結合（Cloud-BIM）是BIM應用的新階段，必將對全行業(yè)帶來廣泛而深入的影響[23]。目前對橋梁Cloud-BIM的研究相對較少。

Wong J.等[23]通過文獻檢索、分析發(fā)現(xiàn)，當前多數(shù)Cloud-BIM研究集中在建筑規(guī)劃、設計和施工階段，作者建議應對建筑全壽命周期的運營、維護、設備管理及能源效率、拆除，包括結構安全性、可靠性等方面投入更多研究。

圖 13 基于云計算的BIM概念框圖[23]

Zhang L.等[24]從云計算的基本概念出發(fā)，對BIM的云平臺框架進行了分類，包括傳統(tǒng)單機軟件的云服務（云存儲，云計算）、軟件開發(fā)商云服務平臺和通用云服務平臺，并對各平臺的特點及適用情況進行了比較。可作為BIM選擇云平臺框架的參考。

對于云計算在促進BIM應用、在結構全壽命周期內利用BIM以促進各方協(xié)作等方面的潛在影響多有研究，但對協(xié)作的具體方法、數(shù)據(jù)接口等方面研究不多，這也是阻礙BIM協(xié)作平臺廣泛應用的主要障礙。Alreshidi E.等[25]考察了BIM管理方法的需求，提出了基于云計算的BIM管理平臺的規(guī)范及流程，并按照軟件工程方法，使用BPMN（Business Process Model Notation）和UML（Unified Modeling Language）對此進行了定義?？勺鳛榛谠朴嬎愕腂IM平臺設計參考。

圖 14 基于云計算的BIM平臺軟件架構[25]

許玉娟[26]提出了基于云計算的BIM施工管理體系模型及結構，并以施工模擬為例，介紹了系統(tǒng)的典型應用流程，分析了該管理體系的效能。

圖 15 基于云計算的BIM施工管理體系模型[26]

云計算和BIM技術使得協(xié)同設計成為可能，而基于云計算的BIM能給予協(xié)同設計更大的支持[27]。陳杰等[28][29]構建了一個基于云計算的BIM協(xié)同設計平臺，設計了其包括BIM建模、任務劃分與設計協(xié)同、設計者權限管理、沖突檢測與消解、知識管理和基于BIM模型的擴展功能等六大模塊，并通過一個實際拱橋工程案例分析了該協(xié)同設計平臺的實施過程。陳杰在文獻[29]中還構建了一個Cloud-BIM施工協(xié)同平臺。

圖 16 基于云計算的BIM協(xié)同設計平臺[28][29]

總結與展望

近年來云計算發(fā)展極為迅速，應用十分廣泛，但在土木工程行業(yè)，特別是橋梁工程方面的應用范圍仍相對較小，應用深度也不大。筆者認為，以下方面的研究及應用近期值得關注：

（1）基于大數(shù)據(jù)架構、AI深度學習的橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)分析及可視化；

（2）橋梁結構全壽命周期的Cloud-BIM模型及應用；

（3）橋梁的設計、施工（含施工控制）和管養(yǎng)（含SHM系統(tǒng)建立、融合）等部分工作“云服務”化。

限于作者水平和時間，本文文獻收集、歸納必有疏漏和不妥之處，敬請批評指正。

作者簡介

楊興旺，博士，講師。主要研究方向：橋梁結構分析，橋梁施工控制。

郵箱：xwy@swjtu.edu.cn

唐成，碩士研究生。研究方向：橋梁抗震

郵箱：1287530520@qq.com

易用強，碩士研究生。研究方向：橋梁抗震

郵箱：1711516580@qq.com

梁偉軍，碩士研究生。研究方向：組合結構橋梁

郵箱：626032655@qq.com

參考文獻

[1] https://en./wiki/Cloud_computing. Wikipedia, 2021.

[2] Mell P, Grance T. The NIST Definition of Cloud Computing[Z]. New York: Association for Computing Machinery, 2011: 53, 50.

[3] Bilal M,Oyedele LO,Qadir J,et al.Big Data in the construction industry: A review of present status, opportunities, and future trends[J]. Advanced Engineering Informatics, 2016, 30( 3):500-521.

[4] Bello S A, Oyedele L O, Akinade O O, et al. Cloud computing in construction industry: Use cases, benefits and challenges[J]. Automation in Construction. 2020, 122: 103441.

[5] Oesterreich T D, Teuteberg F. Understanding the implications of digitisation and automation in the context of Industry 4.0: A triangulation approach and elements of a research agenda for the construction industry[J]. Computers in Industry, 2016, 83: 121–139.

[6] 劉波.淺談云計算在橋梁工程中的應用[J].城市建設理論研究（電子版）,2013,(36).

[7] Jeong S, Hou R, Lynch J P, et al. A scalable cloud-based cyberinfrastructure platform for bridge monitoring[J]. Structure and infrastructure engineering. 2019, 15(1): 82-102.

[8] Hou S, Wu G. A low-cost IoT-based wireless sensor system for bridge displacement monitoring[J]. Smart Materials and Structures. 2019, 28(8): 85047.

[9] Alampalli S, Alampalli S, Ettouney M, et al. Big data and high-performance analytics in structural health monitoring for bridge management[C]. SPIE, 2016.

[10] Furinghetti M, Pavese A, Lunghi F, et al. Strategies of structural health monitoring for bridges based on cloud computing[J]. Journal of Civil Structural Health Monitoring. 2019, 9(5): 607-616.

[11] 張若鋼，李文洋，李萬鵬，等. 基于“北斗系統(tǒng)”的大跨連續(xù)梁橋形變監(jiān)測設計分析[J]. 廣東土木與建筑. 2017, 24(03): 82-85.

[12] 楊亮. 橋梁健康監(jiān)測云計算系統(tǒng)的安全防護體系淺析[J]. 計算機時代. 2016(4): 49-52.

[13] 朱仕村，張宇峰，張立濤，等. 面向長大橋梁結構健康監(jiān)測物聯(lián)網的云計算[J]. 現(xiàn)代交通技術. 2011, 8(01): 24-27.

[14] 梁柱. 基于大數(shù)據(jù)架構的橋梁健康監(jiān)測云平臺[J]. 中國交通信息化. 2020(06): 115-117.

[15] 向陽，杜君. 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)中的大數(shù)據(jù)分析與研究[J]. 鐵路計算機應用. 2020, 29(01): 44-48.

[16] Zhao Y , D anhui Dan, Yan X , et al. Cloud monitoring system for assembled beam bridge based on index of dynamic strain correlation coefficient[J]. Smart Structures and Systems, 2020, 26(1):11-21.

[17] Sun L, Shang Z, Xia Y, 等. Review of Bridge Structural Health Monitoring Aided by Big Data and Artificial Intelligence: From Condition Assessment to Damage Detection[J]. Journal of Structural Engineering, American Society of Civil Engineers, 2020, 146(5): 04020073.

[18] 凃慧敏，吳巨峰. 基于云計算的橋梁安全與健康監(jiān)測數(shù)據(jù)中心基礎架構及其數(shù)據(jù)管理技術[J]. 計算機時代. 2013(12): 18-21.

[19] Tong X, Yang H, Wang L, et al. The Development and Field Evaluation of an IoT System of Low-Power Vibration for Bridge Health Monitoring[J]. Sensors. 2019, 19(5): 1222.

[20] 杜立嬋,王文靜,韋冬雪.基于NB-IoT的橋梁健康遠程監(jiān)測系統(tǒng)設計[J]. 電子測量技術, 2020, v.43: 160-164.

[21] 馬小琴，毛凡俊，劉雨凡，等. 橋梁智能健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設計[J]. 黑龍江工業(yè)學院學報(綜合版). 2019, 19(07): 38-46.

[22] 吳巨峰，祁江波，方黎君，等. 基于BIM的橋梁全生命期管理技術及應用研究[J]. 世界橋梁. 2020, 48(04): 75-80.

[23] Wong J, Wang X, Chair W, et al. A review of cloud-based BIM technology in the construction sector [J]. Journal of Information Technology in Construction, 2014, 19: 281–291

[24] Zhang L, Issa R R A. Comparison of BIM Cloud Computing Frameworks[A]. Computing in Civil Engineering (2012)[C]. Clearwater Beach, Florida, United States: American Society of Civil Engineers, 2012: 389–396.

[25] Alreshidi E, Mourshed M, Rezgui Y. Cloud-Based BIM Governance Platform Requirements and Specifications: Software Engineering Approach Using BPMN and UML[J]. Journal of Computing in Civil Engineering, American Society of Civil Engineers, 2016, 30(4): 04015063–1~23.

[26] 許玉娟. 基于BIM和云計算的橋梁施工管理系統(tǒng)研究[J]. 信息與電腦(理論版). 2019(05): 75-77.

[27] Redmond A, Hore A, Alshawi M, 等. Exploring how information exchanges can be enhanced through Cloud BIM[J]. Automation in Construction, 2012, 24: 175–183.

[28] 陳杰, 武電坤, 任劍波, 等. 基于Cloud-BIM的建設工程協(xié)同設計研究[J]. 工程管理學報, 2014, 28(05): 27–31.

[29] 陳杰. 基于云BIM的建設工程協(xié)同設計與施工協(xié)同機制[D]. 清華大學, 2014.