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摘 要：系统将桥梁安全隐患监测、预警和三维虚拟现实展示进行融合，在有效实施桥梁健康监测的同时具备了更加形象的三维直观化桥梁模型显示方式，为桥梁健康安全评估、事故应急方案的制定和决策提供了良好的依据。
关键词：桥梁健康监测，构件化，视频监控
一、概况
随着交通建设事业的蓬勃发展， 一些大跨度和超大跨度桥梁的相继建成， 人们对这些大型重要桥梁的安全性、耐久性与正常使用功能日渐关注和重视， 桥梁健康监测系统和智能控制技术相继运用到这些大型桥梁中， 并得到了迅速发展， 这项课题日益成为国内外桥梁學术界和工程界的研究热点， 对于不同类型的桥梁建立了各种规模的桥梁健康监测系统。
当前，三维产品主要用于展示，为用户提供美观的界面，但功能性普遍不足。该项目旨在用三维虚拟显示技术为用户解决具体问题，摆脱传统纸质图纸及二维电子图纸的不便操作，用虚拟技术再现实际构件，并依托此技术实现用户与构件的多种交互，包括构件模型查询、构件与周边构件位置关系查询、构件属性查询、构件图纸查询等。在此基础上，系统具有多重开放性，包括模型组建开放平台和数据对接开放平台，从而降低模型与平台的耦合度以及为系统集成提供底层支持。系统不仅支持文件数据库，而且支持大型关系型数据库，如Oracle ，SQL Server等。此外，系统具有强大的数据交互能力，通过布设在桥体关键部位的传感器，读取桥梁实时的监测数据，并传回监控中心，通过系统的分析，触发相应动作，达到对桥梁的健康监测。系统建设的目的是实现以三维桥梁为用户接口，集成多种桥梁管理系统的一站式桥梁管理解决方案，减轻桥梁管理工作负担，提高桥梁管理工作效率。
1.项目主要建设内容
随着我国城市化进程的加快，高层建筑、大跨和超大跨空间结构、大型复杂立交桥和大型跨江跨海桥梁等建（构）筑物得到了飞速发展，这些建（构）筑物投资规模大、结构复杂，使用期长达几十年、甚至上百年，环境侵蚀、材料老化和荷载的长期效应、疲劳效应与突变效应等灾害因素的耦合作用将不可避免地导致结构的损伤积累和抗力衰减，从而抵抗自然灾害、甚至正常环境作用的能力下降，极端情况下引发灾难性的突发事故。因此，为了保障结构的安全性、完整性、适用性与耐久性，本系统开展了结构健康监测的研究与应用，从而为桥梁等建（构）筑物长期服役的安全性评估提供坚实的技术支撑。本系统建设主要内容如下：
1）桥梁健康信息实时采集、监测、预警
系统通过布设在桥体关键部位的测试传感器、测试系统、测试仪器，可以实时、在线的监测桥梁各组成构件在日常使用过程中的状态，并将这些监测数据传回系统中心，根据输入在系统中的评估方法及反应限值，对桥梁当前状况做出合理的分析，并触发相应行为。例如当桥梁某一部件存在安全隐患时，系统则会经过分析处理，自动报警。
2）桥梁环境安全信息实时监控、报警
系统拥有强大的兼容性，可与视频监控系统对接，将桥梁实时监管与视频监控系统整合在同一个三维平台上，通过三维渲染，将实时监控画面嵌套在三维场景中，虚实结合，实现对桥体及桥体周界环境的实时监控与报警。
3）桥梁三维构件采集与处理
三维信息采集是本项目研发与进行的基础。本项目对于三维模型的设计是基于构件为基本单位，即是将整个桥体根据功能拆分成若干大小不一的构件，分别采集信息，然后再拼接成一座完整的桥。采用构件化的管理方便对桥体各结构的定义与修改，当有突发事件发生的时候，系统可直接定位在病害构件，确定病害目标。
4）高性能三维场景还原与仿真显示
将桥梁进行三维立体化的展示，不仅为用户创建了一个充满沉浸感的虚拟现实环境，还为桥梁立体化管理提供了可能。通过对桥梁构件建立三维模型，使用户可以自主拆分、显隐桥梁构件，透过桥梁外观，直接透视桥梁内部结构；三维场景支持同一场景多比例、多角度观看，用户可通过鼠标、键盘对模型放大、缩小、拖拽、旋转，从多种角度观看模型；系统支持实体、线框、点模式，即对同一模型，可在实体、线框、点三种不同的显示模式之间切换，寻找最优的观赏模式；三维仿真平台将各系统整合在三维场景中，实现了多部门协同工作。
2.总体目标
本系统针对桥梁长期环境侵蚀和荷载作用导致的累积损伤和抗力衰减，以及结构服役期内遭受极端灾害作用导致的破坏，通过多学科交叉融合和高新技术集成，发展桥梁健康监测与诊断的三维虚拟现实技术、装置、系统及其产业化成套技术，建立城市桥梁健康监测示范系统，编制结构健康监测系统设计指南，提升社会公共交通基础设施运行安全性与维修实时性，为保障城市安全与高效运行提供先进实用技术。
通过本系统的实施，将桥梁安全隐患监测、预警和三维虚拟现实展示两个不同的学科技术进行融合，在有效实施桥梁健康监测的同时具备了更加形象的三维直观化桥梁模型显示方式，为桥梁健康安全评估、事故应急方案的制定和决策提供了良好的依据，为城市公共安全、减灾防灾、应急体系建设提供了一套完整的解决方案，提升了城市抵御突发公共事件的能力，实现城市桥梁维护、桥梁健康监测由被动型向主动保障型技术转变的重大突破。所建立的三维桥梁安全监测系统在城市桥梁管理、维护保养、安全事故应急处理等方面有广泛的应用前景和推广意义。
二、系统功能
1.三维构件采集与处理模块
本系统对三维模型的设计是基于构件为基本单元的，三维构件的建立可以依托CAD图纸、3DMAX模型、激光扫描雷达形成的“点云”图等。整座桥梁的结构具有很多一致性的构件，在模型设计时可以定义其共同的属性。三维模型设计要充分考虑其可视化，有效的可视化是保证几何对象显示效果的前提条件。
系统要求对地物空间内的三维几何对象进行定义和修改，为实现该功能，项目设计时需明确对象定义的语言、几何变化的关系、布尔操作变化。同时为了表示桥梁三维构件化显示的各种模型的空间逻辑关系，系统还需具备如方位、距离、关联等的分析计算能力。 数据模型中选用3维要素的数据模型，它能实现对建筑空间的表示、对路径的表示、对设备的表示和同一工作空间几何对象多比例尺的表示，采用改进的矢量数据表示方法来满足上述要求。
2.高性能的三维场景还原与仿真显示模块
本系统不仅能对桥梁进行三维方式展示，同时也为用户创建了一个沉浸感的虚拟现实环境，在三维场景还原与仿真显示模块设计中充分考虑模型在形态、光照、质感等方面的表现。系统借鉴了CAD等软件对模型的精确定位，同时也借鉴了3DMAX等软件对模型的渲染效果来完成三维场景的还原于仿真显示。
以桥梁三维可视化构件为基础，以虚拟现实技术为手段的桥梁三维构件化管理平台是本项目的一大特色，也为其他基于桥梁建模模型上开展的业务提供了一个很好的基础。本项目三维场景还原与仿真显示模块的关键技术包括以下几个方面，也是本项目在虚拟现实处理过程中所着重研究的：
1）桥梁建模技术：即虚拟桥梁的建立，通过获取桥梁的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟桥梁模型。
2）交互技术：利用计算机键盘和鼠标的操作，实现三维桥梁虚拟展示与现实使用者的信息交互。
3）系统集成技术：由于虚拟现实系统中包括大量的感知信息和模型，因此系统的集成技术为重中之重：包括信息同步技术、模型标定技术、数据转换技术、识别和合成技术等等。
3.桥梁环境安全实时监控与报警模块
传统的三维立体虚拟现实系统无法实现现场视频的监控以及和各类健康监测传感器的集成，更多的是关注三维渲染，在表现效果上具有很大的优势，但却无法满足专业用户的应用需求。
本项目所研究的桥梁不仅有架设于没有居住人群的高速公路桥梁，同时还有许多随着城市立体交通建设而建立的城市内桥梁，能实时了解桥梁环境安全，诸如桥梁周边环境、桥梁上的人员密度、车流密度等的视频监控也是本项目的研究内容。
本系统要构建一种开放的环境安全实时监控和报警系统接口，能兼容当前主流视频编码压缩算法和主要厂商的设备，为用户提供全方位的桥梁健康监测系统解决方案。
4.桥梁结构实时监测与预警模块
为了准确了解桥梁结构健康状况，可以利用一些设置在桥梁关键部位的测试传感器、测试系统、测试仪器，实时、在线地量测桥梁结构在日常使用过程中的各种反应，并将这些数据传输给中心控制系统，按照事先确定的评估方法与反应限值，实时地做出桥梁健康状况的评判。
结构健康实时监测与系统的主要监测内容包括：
1）桥梁结构在正常荷载作用下的结构响应和力学状态；
2）桥梁建筑结构在突发事件（如地震、意外大风或其它严重事故等）之后的损伤情况；
3）桥梁建筑结构构件的耐久性，主要是提供构件疲劳状况的真实情况；
4）桥梁重要非结构构件和附属设施的工作状态；
5）大桥所处的环境条件，如风速、温度、地震等。
上述桥梁健康状况的监测可以通过在选择的桥梁上安装位移、加速度等传感器，测量典型桥梁建筑结构的基本动静力参数。通过对桥梁长期监测、观察存储的参数及周围环境状况的变化记录，逐步建立桥梁建筑实际运营状况的动力参数库，为桥梁维护部门及桥梁设计部门都有非常重要的参考意义。本项目将通过对桥梁结构分析，选择适合不同监测对象的传感器，建立桥梁结构健康监测模型。
三、結论
随着我国城市化进程的加快，大跨和超大跨空间结构、大型复杂立交桥和大型跨江跨海桥梁、城市地铁和轨道交通等建（构）筑物得到了飞速发展，在未来20～30年中我国仍将保持大规模基础设施建设的高潮，标志着我国经济实力和科技发展水平的城市桥梁建设将是基础设施建设中的重要地位。本系统设计的三维桥梁结构健康监测系统将迎来广阔的销售。
三维构件化桥梁健康监测系统旨在开发一套基于桥梁仿真三维电子模型的桥梁安全隐患监测、预警的平台系统。该平台首先建立一套具有强大管理和集成功能的三维管理平台，为桥梁建立完整的三维空间信息档案和病害数据库，建立桥体各构件和病害数据之间的对应关系；独特的三维直观化桥梁显示方式，为桥梁健康安全评估、事故应急方案的制定和决策提供了良好的依据，为城市公共安全、减灾防灾、应急体系建设提供了一套完整的解决方案，提升了城市抵御突发公共事件的能力，实现城市桥梁维护、桥梁健康监测由被动型向主动保障型技术转变的重大突破。
本系统对城市桥梁管理、维护保养、安全事故应急处理等方面有广泛的应用前景和推广意义。
关键词：桥梁健康监测，构件化，视频监控
一、概况
随着交通建设事业的蓬勃发展， 一些大跨度和超大跨度桥梁的相继建成， 人们对这些大型重要桥梁的安全性、耐久性与正常使用功能日渐关注和重视， 桥梁健康监测系统和智能控制技术相继运用到这些大型桥梁中， 并得到了迅速发展， 这项课题日益成为国内外桥梁學术界和工程界的研究热点， 对于不同类型的桥梁建立了各种规模的桥梁健康监测系统。
当前，三维产品主要用于展示，为用户提供美观的界面，但功能性普遍不足。该项目旨在用三维虚拟显示技术为用户解决具体问题，摆脱传统纸质图纸及二维电子图纸的不便操作，用虚拟技术再现实际构件，并依托此技术实现用户与构件的多种交互，包括构件模型查询、构件与周边构件位置关系查询、构件属性查询、构件图纸查询等。在此基础上，系统具有多重开放性，包括模型组建开放平台和数据对接开放平台，从而降低模型与平台的耦合度以及为系统集成提供底层支持。系统不仅支持文件数据库，而且支持大型关系型数据库，如Oracle ，SQL Server等。此外，系统具有强大的数据交互能力，通过布设在桥体关键部位的传感器，读取桥梁实时的监测数据，并传回监控中心，通过系统的分析，触发相应动作，达到对桥梁的健康监测。系统建设的目的是实现以三维桥梁为用户接口，集成多种桥梁管理系统的一站式桥梁管理解决方案，减轻桥梁管理工作负担，提高桥梁管理工作效率。
1.项目主要建设内容
随着我国城市化进程的加快，高层建筑、大跨和超大跨空间结构、大型复杂立交桥和大型跨江跨海桥梁等建（构）筑物得到了飞速发展，这些建（构）筑物投资规模大、结构复杂，使用期长达几十年、甚至上百年，环境侵蚀、材料老化和荷载的长期效应、疲劳效应与突变效应等灾害因素的耦合作用将不可避免地导致结构的损伤积累和抗力衰减，从而抵抗自然灾害、甚至正常环境作用的能力下降，极端情况下引发灾难性的突发事故。因此，为了保障结构的安全性、完整性、适用性与耐久性，本系统开展了结构健康监测的研究与应用，从而为桥梁等建（构）筑物长期服役的安全性评估提供坚实的技术支撑。本系统建设主要内容如下：
1）桥梁健康信息实时采集、监测、预警
系统通过布设在桥体关键部位的测试传感器、测试系统、测试仪器，可以实时、在线的监测桥梁各组成构件在日常使用过程中的状态，并将这些监测数据传回系统中心，根据输入在系统中的评估方法及反应限值，对桥梁当前状况做出合理的分析，并触发相应行为。例如当桥梁某一部件存在安全隐患时，系统则会经过分析处理，自动报警。
2）桥梁环境安全信息实时监控、报警
系统拥有强大的兼容性，可与视频监控系统对接，将桥梁实时监管与视频监控系统整合在同一个三维平台上，通过三维渲染，将实时监控画面嵌套在三维场景中，虚实结合，实现对桥体及桥体周界环境的实时监控与报警。
3）桥梁三维构件采集与处理
三维信息采集是本项目研发与进行的基础。本项目对于三维模型的设计是基于构件为基本单位，即是将整个桥体根据功能拆分成若干大小不一的构件，分别采集信息，然后再拼接成一座完整的桥。采用构件化的管理方便对桥体各结构的定义与修改，当有突发事件发生的时候，系统可直接定位在病害构件，确定病害目标。
4）高性能三维场景还原与仿真显示
将桥梁进行三维立体化的展示，不仅为用户创建了一个充满沉浸感的虚拟现实环境，还为桥梁立体化管理提供了可能。通过对桥梁构件建立三维模型，使用户可以自主拆分、显隐桥梁构件，透过桥梁外观，直接透视桥梁内部结构；三维场景支持同一场景多比例、多角度观看，用户可通过鼠标、键盘对模型放大、缩小、拖拽、旋转，从多种角度观看模型；系统支持实体、线框、点模式，即对同一模型，可在实体、线框、点三种不同的显示模式之间切换，寻找最优的观赏模式；三维仿真平台将各系统整合在三维场景中，实现了多部门协同工作。
2.总体目标
本系统针对桥梁长期环境侵蚀和荷载作用导致的累积损伤和抗力衰减，以及结构服役期内遭受极端灾害作用导致的破坏，通过多学科交叉融合和高新技术集成，发展桥梁健康监测与诊断的三维虚拟现实技术、装置、系统及其产业化成套技术，建立城市桥梁健康监测示范系统，编制结构健康监测系统设计指南，提升社会公共交通基础设施运行安全性与维修实时性，为保障城市安全与高效运行提供先进实用技术。
通过本系统的实施，将桥梁安全隐患监测、预警和三维虚拟现实展示两个不同的学科技术进行融合，在有效实施桥梁健康监测的同时具备了更加形象的三维直观化桥梁模型显示方式，为桥梁健康安全评估、事故应急方案的制定和决策提供了良好的依据，为城市公共安全、减灾防灾、应急体系建设提供了一套完整的解决方案，提升了城市抵御突发公共事件的能力，实现城市桥梁维护、桥梁健康监测由被动型向主动保障型技术转变的重大突破。所建立的三维桥梁安全监测系统在城市桥梁管理、维护保养、安全事故应急处理等方面有广泛的应用前景和推广意义。
二、系统功能
1.三维构件采集与处理模块
本系统对三维模型的设计是基于构件为基本单元的，三维构件的建立可以依托CAD图纸、3DMAX模型、激光扫描雷达形成的“点云”图等。整座桥梁的结构具有很多一致性的构件，在模型设计时可以定义其共同的属性。三维模型设计要充分考虑其可视化，有效的可视化是保证几何对象显示效果的前提条件。
系统要求对地物空间内的三维几何对象进行定义和修改，为实现该功能，项目设计时需明确对象定义的语言、几何变化的关系、布尔操作变化。同时为了表示桥梁三维构件化显示的各种模型的空间逻辑关系，系统还需具备如方位、距离、关联等的分析计算能力。 数据模型中选用3维要素的数据模型，它能实现对建筑空间的表示、对路径的表示、对设备的表示和同一工作空间几何对象多比例尺的表示，采用改进的矢量数据表示方法来满足上述要求。
2.高性能的三维场景还原与仿真显示模块
本系统不仅能对桥梁进行三维方式展示，同时也为用户创建了一个沉浸感的虚拟现实环境，在三维场景还原与仿真显示模块设计中充分考虑模型在形态、光照、质感等方面的表现。系统借鉴了CAD等软件对模型的精确定位，同时也借鉴了3DMAX等软件对模型的渲染效果来完成三维场景的还原于仿真显示。
以桥梁三维可视化构件为基础，以虚拟现实技术为手段的桥梁三维构件化管理平台是本项目的一大特色，也为其他基于桥梁建模模型上开展的业务提供了一个很好的基础。本项目三维场景还原与仿真显示模块的关键技术包括以下几个方面，也是本项目在虚拟现实处理过程中所着重研究的：
1）桥梁建模技术：即虚拟桥梁的建立，通过获取桥梁的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟桥梁模型。
2）交互技术：利用计算机键盘和鼠标的操作，实现三维桥梁虚拟展示与现实使用者的信息交互。
3）系统集成技术：由于虚拟现实系统中包括大量的感知信息和模型，因此系统的集成技术为重中之重：包括信息同步技术、模型标定技术、数据转换技术、识别和合成技术等等。
3.桥梁环境安全实时监控与报警模块
传统的三维立体虚拟现实系统无法实现现场视频的监控以及和各类健康监测传感器的集成，更多的是关注三维渲染，在表现效果上具有很大的优势，但却无法满足专业用户的应用需求。
本项目所研究的桥梁不仅有架设于没有居住人群的高速公路桥梁，同时还有许多随着城市立体交通建设而建立的城市内桥梁，能实时了解桥梁环境安全，诸如桥梁周边环境、桥梁上的人员密度、车流密度等的视频监控也是本项目的研究内容。
本系统要构建一种开放的环境安全实时监控和报警系统接口，能兼容当前主流视频编码压缩算法和主要厂商的设备，为用户提供全方位的桥梁健康监测系统解决方案。
4.桥梁结构实时监测与预警模块
为了准确了解桥梁结构健康状况，可以利用一些设置在桥梁关键部位的测试传感器、测试系统、测试仪器，实时、在线地量测桥梁结构在日常使用过程中的各种反应，并将这些数据传输给中心控制系统，按照事先确定的评估方法与反应限值，实时地做出桥梁健康状况的评判。
结构健康实时监测与系统的主要监测内容包括：
1）桥梁结构在正常荷载作用下的结构响应和力学状态；
2）桥梁建筑结构在突发事件（如地震、意外大风或其它严重事故等）之后的损伤情况；
3）桥梁建筑结构构件的耐久性，主要是提供构件疲劳状况的真实情况；
4）桥梁重要非结构构件和附属设施的工作状态；
5）大桥所处的环境条件，如风速、温度、地震等。
上述桥梁健康状况的监测可以通过在选择的桥梁上安装位移、加速度等传感器，测量典型桥梁建筑结构的基本动静力参数。通过对桥梁长期监测、观察存储的参数及周围环境状况的变化记录，逐步建立桥梁建筑实际运营状况的动力参数库，为桥梁维护部门及桥梁设计部门都有非常重要的参考意义。本项目将通过对桥梁结构分析，选择适合不同监测对象的传感器，建立桥梁结构健康监测模型。
三、結论
随着我国城市化进程的加快，大跨和超大跨空间结构、大型复杂立交桥和大型跨江跨海桥梁、城市地铁和轨道交通等建（构）筑物得到了飞速发展，在未来20～30年中我国仍将保持大规模基础设施建设的高潮，标志着我国经济实力和科技发展水平的城市桥梁建设将是基础设施建设中的重要地位。本系统设计的三维桥梁结构健康监测系统将迎来广阔的销售。
三维构件化桥梁健康监测系统旨在开发一套基于桥梁仿真三维电子模型的桥梁安全隐患监测、预警的平台系统。该平台首先建立一套具有强大管理和集成功能的三维管理平台，为桥梁建立完整的三维空间信息档案和病害数据库，建立桥体各构件和病害数据之间的对应关系；独特的三维直观化桥梁显示方式，为桥梁健康安全评估、事故应急方案的制定和决策提供了良好的依据，为城市公共安全、减灾防灾、应急体系建设提供了一套完整的解决方案，提升了城市抵御突发公共事件的能力，实现城市桥梁维护、桥梁健康监测由被动型向主动保障型技术转变的重大突破。
本系统对城市桥梁管理、维护保养、安全事故应急处理等方面有广泛的应用前景和推广意义。