多源数据融合下基于多维度的斜拉桥在线综合评价系统研发.pdf

1、第 15 卷 第 5 期2023 年 10 月Vol.15 No.5Oct.2023引言目前，我国众多桥梁管理中存在着“重建轻养”的思想1，仅关注于规划和建设阶段。但运营期及时判断桥梁技术状况状态，对杜绝事故的发生具有重要意义。因此，桥梁评价已成为了行业研究的关键2。国外学者 Shepard 等3提出了加州桥梁健康指数 BHI，它与桥梁各部分构件的经济价值呈正相关。Sylvester 等4基于构件故障的时间分布和修复率，引入桥梁的构件数量和构件位置等信息，使得 BHI 可以更准确地表示桥梁的健康状况。我国学者也对桥梁健康状况的定量评价展开了大量研究。于松延5结合灰色系统理论与关联法，提出了基于

2、多因素的桥梁评价管理系统。王克斌6添加了政治这一影响桥梁状况因素，使用理想点法等多种方法，解决了人为主观因素权重占比过重的问题。吕全德等7将桥梁健康评价分为两个阶段，首先计算出桥梁的超限损伤率，再对危重桥梁进行由构件至子系统的健康状态分层模糊综合评判。目前，国内外桥梁技术状况评定的方法大多具有较复杂的计算逻辑，评价工作的实施需要相关负责人员查询单体桥梁的海量多源信息。例如施工期图纸、维修记录、自动监测数据及人工观测数据等。这些信息有的以纸质文件的形式存储在相关负责单位手中8，有的以电子格式存储在电子数据库中。由于相关运维数据间的侧重点不同，数据通过不同形式存储在不同的载体中。分散、多样的数据之

3、间缺乏连接性，不利于定期桥梁评价的数据传输、分析和管理。例如，在评估桥梁服役状态时，无法将动态监测数据与结构本身的静态数据进行结合9，因此无法得到准确评估。为解决上述问题，本文以.NET微服务框架为基础，利用 C#语言、中间件技术和 MySQL 数据库研发了斜拉桥在线综合评价系统，充分利用桥梁全寿命周期数据，建立了多维评价指标及计算方法，并通过可视化技术将评价结果直观呈现，便于养护单位进行针对性分析，调整养护方案。多源数据融合下基于多维度的斜拉桥在线综合评价系统研发金语璁金语璁1,21,2 徐伟 徐伟1,21,2 喻钢 喻钢1,21,2 胡珉 胡珉1,21,2 滕丽 滕丽3 3 马明雷 马明雷

4、4 4(1.上海大学 悉尼工商学院，上海 201800；2.上海大学上海城建建筑产业化研究中心，上海 200072；3.上海城建城市运营(集团)有限公司，上海 200126；4.上海浦江桥隧运营管理有限公司，上海 200125)【摘 要】【摘 要】本文基于全寿命周期的理念，融合桥梁初始设计信息等静态数据、人工巡检、维修记录和实时监测等动态数据，从土建结构、机电系统、附属设施及运营服务四个维度对斜拉桥进行综合评价，提出了基于多维度的评价指标、评价流程与计算方法。同时，针对传统桥梁评价系统的单体架构存在系统耦合度高、错误隔离性差及可收缩性差等不足，以.NET 微服务框架为基础，利用 C#语言、中间

5、件技术和 MySQL 数据库设计，实现了斜拉桥在线综合评价系统。通过在上海市某斜拉桥进行应用验证，结果表明评价方法与系统能够满足桥梁评价的业务需求，可有效帮助运营企业进行养护分析，具有一定的实用性。【关键词】【关键词】桥梁评价；全寿命周期；多源数据；数据驱动；微服务【中图分类号】【中图分类号】TU17 【文献标识码】【文献标识码】A 【文章编号】【文章编号】1674-7461（2023）05-09-07【DOI】【DOI】10.16670/11-5823/tu.2023.05.02【基金项目】上海市道路运输局资助项目“城市基础设施(越江大桥)全生命周期运营管理关键技术及应用研究”（编号：JT2

6、021-KY-013）【第一作者】金语璁（1998-），女，在读硕士研究生，主要研究方向：城市基础设施信息化管理。101 多源斜拉桥评价数据组织新一代信息技术的普遍应用为桥梁技术状况评价提供了大量的多源异构数据资源，包括桥梁设计基本信息、桥梁健康监测数据、桥梁巡检数据、桥梁维修数据及桥梁运营数据等。本文将根据其在评价中的作用划分为四类：评价配置类数据、评价基础类数据、评价分析类数据及评价结果类数据。以附属设施评价模型为例，评价数据组织如图 1 所示。图 1 多源斜拉桥评价数据组织（1）评价配置类数据评价配置类数据与桥梁项目无关，为通用性数据。例如附属设施评价中主要包括附属设施构件数量系数状况评

7、定（表示不同附属设施构件数量所对应的计算系数）、附属设施技术状况等级评定标准（表示不同技术状况对应的等级及分数）、附属设施各设施类型权重及重要度和附属设施构件状况评分标准。该类数据为桥梁附属设施评价的必要数据，涉及到评价过程中的扣分标准、分数加权汇总等。（2）评价基础类数据评价基础类数据与具体桥梁有关，属于桥梁的静态基本数据，体现了桥梁的初始状态、设计信息等。每个桥梁进行评价前需要按照数据标准提供，频次为初始评价提交 1 次，但如果桥梁的此部分数据发生变更则需及时更新。例如，附属设施评价中主要包括待评价桥梁的附属设施清单及附属设施数量统计数据。该类数据定义了桥梁附属设施评价的具体对象，属于必要

8、数据。（3）评价分析类数据评价分析类数据与具体桥梁项目、评价时间周期等相关，属于桥梁运维过程产生的动态业务数据，每个桥梁项目进行评价前需要按照标准提供，频次为每次评价均需提供相关数据。例如，附属设施评价中主要包括待评价桥梁的附属设施检查状况信息，为技术状况评价提供计算数据。该类数据属于非必要数据。（4）评价结果类数据评价结果类数据与具体桥梁项目相关，根据每个桥梁提交的数据进行评价计算得到，频次为每次评价产生 1 次。例如，附属设施评价中主要包括待评价桥梁的附属设施子设施级评价结果数据、分设施级评价结果数据和总体评价结果数据。2 基于多维度的桥梁评价土建结构作为构成桥梁最主要的一部分10，直接影

9、响到桥梁的使用寿命年限，因此需要定期对桥梁本体结构进行评估和养护。同时，我国越江大桥的机电系统具有设备种类多，分布散且更新换代快的特点11。这些特点导致桥梁的机电系统设备出故障的概率较大，在长年累月的运行中，若疏于检查，发生事故的几率将会随之增加。因此，机电系统也将成为评价体系的一个重要部分。其次，尽管附属设施是桥梁的辅助性部分12，但是在桥梁的长期使用中起着至关重要的保障作用，因此对其进行及时的评估亦应是评价桥梁的重要部分。最后，桥梁的运营服务评价可以直接反映出桥梁提供的多方面服务的状况，这些内容也将作为桥梁评价体系的参考。因此，本文基于全寿命周期的理念，把评价对象划分为土建结构、机电系统、

10、附属设施和运营服务四类，从以上四个维度对桥梁进行综合评价，提出了多维度的评价指标、评价流程与计算方法，形成了新的评价体系。各维度的指标计算所需的数据均来源于桥梁的日常巡检、健康监测及定期检测等过程。因不同桥梁的监测检测手段差异或条件限制等因素造成的指标项缺失可以忽略。对于忽略后指标项，若涉及到权重累计，则需根据该指标与其他指标的权重比例关系等比例地分摊给其他指标。若该指标项为设计扣分的指标项，则认为该项指标完全合格，不作扣分处理。最后，为保证桥梁评价的顺利进行，在全样本检查困难的情况下，允许采用抽样指标代替全样本指标。本文提出的桥梁评价体系主要采用分层综合评价的方法，首先根据前文所述数据组织准

11、备对桥梁各检测项目进行评价并转换为标准评价数据，然后分别对桥梁土建设施、机电系统、附属设施和运营服务进行评价，最后得到桥梁总体的技术状况评价。整体桥梁评价体系如图 2 所示。其中，各维度技术状况的评价流程分别如图 3 图 6 所示，均采用分层汇总评价的11多源数据融合下基于多维度的斜拉桥在线综合评价系统研发方法，先计算子指标得分，再计算各分项指标得分、最后汇总得到技术状况指数。图 2 桥梁评价体系图 3 土建结构技术状况评价流程图 4 机电系统技术状况评价流程图 5 附属设施技术状况评价流程图 6 运营服务技术状况评价流程3 系统设计3.1 系统架构为解决现有桥梁评价系统架构耦合度高、难以维护

12、的缺点。本文提出了基于微服务的斜拉桥在线综合评价系统，系统架构如图 7 所示。其中包括应用层、接入层、交互层、服务层、数据访问层及数据层。图 7 系统架构12数据层是整个系统的基础，主要负责土建结构、机电系统、附属设施及运营服务等评价的配置类数据、基础类数据、评价分析类数据、评价结果类数据和桥梁基本信息等数据资源的组织与存储。数据访问层根据不同的业务逻辑指令实现对相关数据库的读写、更新、查询等操作。服务层提供了后端系统的微服务，包括土建结构、机电系统、附属设施、运营服务、桥梁整体的在线评价服务、评价结果查询及桥梁数据读取服务，独立实现了系统的各功能。交互层提供基于RabbitMQ 的消息队列机

13、制，实现前后端的信息传递、解析及处理，并触发服务层的相应微服务。接入层提供应用程序编程接口(Application Programing Interface,API)网关整合服务层的微服务交互接口，并基于REST 协议与前端进行数据通信，实现了多源数据的融合，降低了维护和管理的难度。应用层则是用户与系统进行交互的方式，可以实现桥梁在线综合评价、相关数据的读取及评价结果的可视化。该系统架构具有以下特点：（1）服务单一独立，将系统复杂的应用功能拆分成独立的服务，将功能拆分到离散的服务中以实现解耦，每一个服务执行专门的任务；（2）服务自治，每个微服务都具有极高的自治性，可实现独立开发与部署，服务间互

14、不干扰；（3）服务数据自治，每个微服务有独有的数据存储模式，部署独立的数据库，保证了在多源数据融合下的系统稳定；（4）轻量级通信，采用轻量级的消息中间件机制实现微服务间及微服务与外界的信息交互。3.2 数据库设计本文采用 MySQL 创建了系统数据库。数据库中存储桥梁基础信息、四个维度的评价模型对应的评价配置类数据、评价基础类数据、评价分析类数据及评价结果类数据，后三个表可根据桥梁评价项目的任务号及项目号进行连接。每个桥梁评价项目都含有唯一的评价基础类数据，用户根据每次的业务需求上传待评价分析类数据，随后触发在线评价服务计算并将结果插入到数据库中。用户每次都以唯一的项目和任务号进行分析数据的上

15、传及评价数据的查询读取。3.3 系统功能设计本文研发的斜拉桥在线综合评价系统核心功能主要包括数据管理、性能评价、在线交互和评价可视化，功能模块如图 8 所示。图 8 功能模块图（1）数据管理模块数据管理模块是用户实现数据操作的模块，主要包括对斜拉桥梁基本信息、评价采集信息等多源数据的录入，待评价桥梁信息的更新及在线评价结果的维护，是系统的基础功能模块。用户根据前端接口申请到的任务号及项目号完成对待评价项目信息的追踪查询及更新。（2）性能评价模块性能评价模块实现桥梁在线综合评价，主要包含土建结构、机电系统、附属设施、运营服务评价的性能计算，具体评价流程如图 9 所示。首先，用户根据前文的数据组织

16、及采集标准准备和收集桥梁运营养护过程中的资料数据，并在系统前端提交评价模型计算请求。之后，上传待评价分析数据，触发后端评价服务程序进行在线评价计算。图 9 在线性能评价流程（3）在线交互模块在线交互模块主要分为前端服务申请及后端结果反馈两种功能。首先，用户在页面前端通过对应的接口申请到唯一的项目号及任务号，然后通过基于RabbitMQ 的消息中间件，触发相应的微服务申请。后端微服务在接收到前端的服务申请后，开始启动相应的微服务，并根据服务进度，通过消息中间件返回服务进程，以便用户了解评价计算进度。13多源数据融合下基于多维度的斜拉桥在线综合评价系统研发（4）结果展示模块本系统可实现按项目、按分

17、项指标等多层级的结果显示。同时，用户也可通过结果趋势可视化的功能，对桥梁性能演变情况进行细致的研究，便于养护单位及时发现问题并进行管理维修,有助于养护单位进行养护政策的制订，提高桥梁使用寿命。4 系统实现与验证4.1 多源数据交互控制本文根据前文的数据组织方式，将海量的桥梁多源异构数据如健康监测实时数据、巡检数据、维修数据及运营数据等融合成评价基础类数据及评价分析类数据，并结合既定的评价配置类数据进行在线桥梁综合评价，最终将生成的结果存储到数据库中，数据交互逻辑如图 10 所示。图 10 数据交互逻辑4.2 基于消息队列的评价服务交互消息中间件即消息队列，因自身的安全框架、可靠性传输协议及良好

18、的扩展性13，在分布式系统中有着广泛的应用。其主要解决应用解耦、异步消息及流量削锋等问题，实现高性能、高可用、可伸缩和最终一致性架构。目前，主流的消息中间件有 ActiveMQ、RabbitMQ、Kafka 等。其 中，RabbitMQ14是 使 用Erlang 语言开发的，基于 AMQP 协议实现的开源信息队列系统。因其对数据一致、稳定和可靠有一定的保证，并支持多种客户端和交互模式。本系统选用 Rabbit MQ作为前后端进行信息交互的实现方法。基于 Rabbit MQ 实现的消息队列流程如图 11 所示。首先，Publisher 将消息发布到 Exchange 交换器上。随后，Exchan

19、ge 根据指定的路由规则把消息投递到信息的载体 Queues 队列中。一旦消息被投递到队列中，监听的 Consumer 就会立即接受、解析和处理消息。若Consumer 正常处理完消息后，则向队列中返回消息处理完成的信号，该消息在队列中就会被删除，开始下一消息的投递处理。根据本系统多模型并行计算的逻辑，选用 Rabbit MQ 中的 Direct Exchange 模型。该模式通过指定 Routing Key，将队列和交换机进行绑定，保证消息的准确转递，防止错误消息导致的后续在线评价模型报错。图 11 基于 Rabbit MQ 的消息队列流程本系统的前后端交互逻辑如图 12 所示。系统根据既定

20、的消息格式，封装包含项目号及任务号等的标准信息到消息队列中，从而实现系统微服务的请求功能。同时，系统前端通过对消息队列的循环监听，掌握微服务的后端进程，便于用户管理。系统通过对 Rabbit MQ 的循环监听，自动触发评价微服务，并实时反馈项目进展到队列中。通过轻量化的消息中间件机制，保证各微服务的平稳运行和平台数据的一致性。MQWEBPython1、发送Python执行请求消息2、同时完成模型执行结果主表的插入循环监听消息队列2、监听到Python模型对应的请求，Python程序解析3、Python程序成功解析后，反馈应答消息4、Python程序进入执行后，发送执行中状态消息5、同时完成模型

21、执行结果主表的插入6、Python程序完成所有明细结果表插入后，计算结束，发送执行结束状态消息7、同时完成模型执行结果主表的插入（注：如果执行错误或者中途退出，发送执行异常状态消息，同时完成在执行结果主表的错误信息的插入并取消所有已经插入的结果明细表数据）循环监听到请求应答消息，触发页面业务逻辑循环监听到请求执行中消息，触发页面业务逻辑循环监听到请求计算结束消息，触发页面业务逻辑循环监听消息队列图 12 基于 Rabbit MQ 的交互逻辑4.3 工程验证本文以上海某斜拉桥项目为例，验证系统的关键功能。该斜拉桥是中国上海市境内连接黄浦区与浦东新区的过江通道，位于黄浦江水道之上，为上海内环高速架

22、路组成部分之一。用户完成待评价数据的提交14并提交模型计算请求，在确认桥梁在线评价结果后，用户根据自身业务需求对结果进行不同类型的可视化查询。图 13 展示了附属设施分项设施的评价结果。图14 展示了土建结构的性能趋势可视化结果。最终该斜拉桥的评价结果如表 1 所示，桥梁的土建结构、机电系统及附属设施等技术状况完好，运行正常，养护单位进行正常保养或预防养护及巡检即可。但桥梁运营服务分数是 58.08 分，总体水平较低，用户基本不满意，交通服务比较糟糕，养护单位应根据评价结果进行及时的针对性处置以改善该桥梁性能情况。图 13 附属设施分项设施评价结果图 14 土建结构性能趋势可视化结果表 1 评

23、价结果项目指标权重分数总体分数斜拉桥土建结构0.591.1891.24机电系统0.1599.97附属设施0.2599.37运营服务0.158.08目前，本文所开发的斜拉桥在线综合评价系统已经投入到上海城建城市运营(集团)有限公司管理的桥梁运营养护中，包括上海市闵浦大桥、徐浦大桥及杨浦大桥等重点桥梁设施。系统为运维人员制定养护策略提供数据支撑，为监管人员理解桥梁全寿命周期概括提供展示平台，完善了现有桥梁运维体系，提供了高效、高质量的管理工具。5 总结本文提出了斜拉桥在线综合评价系统，采用了.NET 微服务框架为基础，利用 C#语言、Rabbit MQ 中间件技术和 MySQL 数据库设计并实现。

24、该系统能够有效整合桥梁多源异构数据，实现桥梁状况的快速、准确在线评价，并通过不同的可视化方式呈现结果，便于用户对桥梁状况进行精确的把控和趋势研究，是维护桥梁运营安全的重要实用工具。参考文献参考文献1 王康宁.新时期道路桥梁养护管理现状及问题分析 J.交通世界,2019(07):170-171.2 胡健勇,苏木标.基于监测数据的铁路桥梁结构健康 状 态 评 估 J.石 家 庄 铁 道 大 学 学 报(自 然 科 学版),2016,29(03):39-44.3 Shepard R W,Johnson M B.California bridge health index:A diagnostic t

25、ool to maximize bridge longevity,investmentJ.TR News,2001(215):6-11.4 Inkoom S,Sobanjo J.Availability function as bridge elements importance weight in computing overall bridge health indexJ.Structure and Infrastructure Engineering,2018,14(12):1598-1610.5 于松延.基于多因素评价的桥梁管理系统 D.东北大学,2010.6 王克斌.基于综合评价的桥

26、梁养护智能决策系统 J.中国科技期刊数据库 工业 C,2016(06):00242-00243.7 吕全德,基于超限损伤率的桥梁健康两阶段评价技术.河南省,河南盈科交通工程有限公司,2004-11-01.8 陈国佳.基于 BIM 技术的桥梁工程运维管理平台构建研究 J.城市道桥与防洪,2022(04):158-162+20.9 满吉芳.基于“BIM+”的桥梁智慧运维系统研究 J.福建建材,2021(08):100-101+109.10 杨军.基于层次分析法的城市桥梁安全评估模型与评估系统研究 D.云南大学,2019.11 李志强,薛瑞华.跨江公路桥梁机电系统运维管理体系的研究 J.工程技术研究

27、,2020,5(07):176-177.12 张治国,陈志华.浅谈桥梁工程桥面附属设施施工技术J.科技传播,2011(14):155+150.13 王腾,郑静.基于 MQTT 协议的服务器中间消息队列设计与实现 J.电脑编程技巧与维护,2022(03):52-55.14 刘栋,姚建国.RabbitMQ 在智能家居云平台中的研究与应用 J.电子世界,2018(16):141-14.15多源数据融合下基于多维度的斜拉桥在线综合评价系统研发Online Comprehensive Evaluation System of Cable-stayed Bridge Based on Online Com

28、prehensive Evaluation System of Cable-stayed Bridge Based on Multi-dimensional Index under Multi-source Data Fusion Multi-dimensional Index under Multi-source Data Fusion Jin Yucong1,2，Xu Wei1,2，Yu Gang1,2,Hu Min1,2，Teng Li3，Ma Minglei4(1.SILC Business School,Shanghai University,Shanghai 201800,Chin

29、a；2.Shanghai University and Shanghai Urban Construction(Group)Corporation Research Center for Building Industrialization,Shanghai University,Shanghai 200072,China；3.Shanghai Urban Operation(Group)Co.,Ltd.,Shanghai 200126,China；4.Shanghai Pujiang Bridge and Tunnel Operation Management Co.,Ltd.,Shangh

30、ai 200125,China)Abstract：Based on the concept of the life cycle,this paper integrates static data(e.g.the initial design information of the bridge),and dynamic data(e.g.manual inspection,maintenance records,and real-time monitoring data)to conduct a comprehensive evaluation of cable-stayed bridges f

31、rom four dimensions of the civil structure includes electromechanical system,ancillary facilities,and operational services,and proposes multi-dimensional evaluation indexes,evaluation process,and calculation methods.Given the shortcomings of the single architecture of the traditional bridge evaluati

32、on system,for instance,high system coupling,poor error isolation,and poor scalability,based on the.NET microservice framework,the paper designs and realizes the online comprehensive evaluation system of the cable-stayed bridge by using C#language,middleware technology,and MySQL database.Through the

33、application verification of a cable-stayed bridge in Shanghai,the results show that the evaluation method and system can meet the business needs of bridge evaluation,which can effectively help operating enterprises carry out maintenance analysis.Key Words:Bridge Evaluation;Life Cycle;Multi-source Data;Data Driven;Microservices