桥梁在使用过程中结构部分会产生劣化和损伤^[1]，如不对桥梁严加管控与维护会发生重大事故。近年来，桥梁局部破坏和坍塌频发，如美国的塔科玛大桥、中国台湾的高屏大桥和重庆的彩虹桥等都发生了突发性断裂，造成大量的人员伤亡和严重的经济损失。事故的原因是由于桥梁在运营阶段缺乏良好的安全监管和监测。桥梁健康系统通过对桥梁结构状态的监控与评估为大桥在特殊气候、交通条件下桥梁运营异常时发出预警信号，为桥梁维护、维修与管理决策提供依据和指导^[2]，在结构监控与安全评估、设计验证、研究与发展等3个方面有重要意义。目前，传统的桥梁健康系统是对某个桥梁进行单独监测，随着地区大型桥梁与城市高架桥的大规模建设，这种单独监测不利于桥梁统一的保养与维修。

物联网技术越来越多集成应用于基础设施安全健康监控^[3]，应用于桥梁健康系统中的物联网技术主要有传感与解调技术、通讯接口与数据传输技术、中间件技术、Web Service与数据可视化分析技术^[4]。GIS能精确地对城市内桥梁进行模拟表达可视化，对物联网采集传输回来的数据进行空间分析与定位、属性查询与处理，从而辅助专业人员进行桥梁管理、安全评估、应急预警、交通疏导、事故处理和恢复等一系列相关工作^[5]。将物联网技术结合三维GIS强大的空间信息处理能力构建桥梁健康监测系统，对于实现桥梁管理、智慧交通有重大意义。

本文统筹考虑城市公共安全与交通质量，提出了结合物联网和GIS技术构建城市桥梁健康监测系统的方法，实现对城市区域内所有桥梁的实时监测、安全评估与预警，建立了较为完备的健康监测系统。

1 系统组成与功能设计 1.1 系统总体架构设计

依据物联网技术与GIS原理设计城市桥梁健康监测系统的工作流程，工作流程主要由感知层、传输层、数据层和应用层组成。

1) 感知层系统构成物联网网络中的末梢节点，通过在桥体上布设各种传感器、网关、网络传输设备、电源设备以及工控机等多种设备采集各项数据，传感器进行内部组网并通过网络设备与网关进行连接，传感器定时上传数据到网关设备再到工控机，工控机负责把采集到的数据传送到指定数据库中并保存。用户可以远程通过相关的上位机控制软件实现对桥梁上的传感器设备进行控制和调整参数等操作。

2) 数据传输系统是物联网网络的末梢网络和承载网络，网络传输包括前端预处理机、交换机以及运营商网络等。数据接入网关汇聚后，传输至前端预处理机进行信号处理。汇聚后的数据信息由系统提供两种通讯网络进行传输，一种是通过3G/4G路由器以无线的方式传输到监控中心进行综合分析处理；另一种是汇聚后的数据信息通过传输至交换机，再通过铺设的光纤网络传输到监控中心。

3) 数据库系统用于存储与桥梁安全监测密切相关的各种信息，包括数据分析所需要的相关模型、监测数据、预案信息、事件信息和备份数据等，为政府相关部门提供咨询和辅助决策。数据存储层主要由采集数据库、应用数据库以及流媒体数据库等组成。为尽可能的减小数据损失风险，提高设备利用率，本系统数据存储采用分布/集中式存储结构。分布式存储方式是指在数据采集系统中每个工控机的本地硬盘均作为数据存储介质，用于存储本桥梁采集的数据；集中式存储方式是指每个桥梁的所有监测数据，包括自动监测和人工监测的数据都按约定标准集中存放至监控中心数据机房。

4) 系统应用层是整套系统的核心功能，也是系统体现价值所在的地方。桥梁安全监测诊断系统的上层应用，即系统应用层软件系统架构，基于Java EE(java platform，enterprise edition)的MVC(model view controller)开发框架，采用B/S设计，使用浏览器访问，主要包括实时监测、分析预警、安全评估、信息发布和指挥调度等5个板块。

感知层物理设备监测数据通过传输层进行数据传输，数据/服务层存储分析数据，提供数据服务，通过展示层将应用层功能展示给系统用户。

1.2 系统硬件和软件架构设计

桥梁健康系统的硬件组成部分按其工作性质主要分为传感器、数据采集、数据传输、数据处理与控制和辅助支持5大模块。传感器模块由布设在被监测桥体上的设备和传感器组成，前端设备网络架构主要有固定设备、临时设备和移动设备，传感器模块通过传感器与传感器的连接组成前端设备网络，与监控中心相连接就构成了物联网；数据采集模块由布设在被监测桥梁上的自动化采集设备、信号调理设备、传感器电缆和采集计算机组成^[6]；数据处理与控制模块由布设在监控中心的工作站、监控终端以及服务器组成；辅助支持模块确保系统安全运行，考虑各方面可能出现的影响系统工作的不利因素而进行的辅助工作，如外场机箱、外场机柜远程监控和防雷等系统。

在本文设计的桥梁健康系统中，笔者将软件分为传感子、数据采集与传输、数据处理和控制字、应用及数据库等5个子系统进行开发。软件的详细框架设计如图 1所示。

各子系统的作用和各部分的功能：①传感器子系统通过传感器采集的监测数据进行模拟，以数字信号形式反馈给数据采集与传输子系统；②数据采集与传输系统将监测信号转换为数据通讯要求的传输格式，完成数据采集、传输和本地存储的工作；③数据处理和控制子系统完成对原始数据的实时接受和预处理，并将处理好的数据经传输系统传输出去；④应用子系统对预处理的数据进行二次处理，并为桥梁监测系统提供处理各种业务的服务；⑤数据库对桥梁的基本信息和完成了预处理后的原始数据分类存储。

1.3 功能模块

按照用户需求、设计原则及框架进行分析，结合对众多用户部门的实地考查，参考国内外优秀的桥梁健康系统^[6-10]，设计出本城市桥梁健康系统，该系统的功能如图 2所示。主要分成以下8个模块。

1) 桥梁监测包括桥梁信息展示、监测数据展示、视频数据展示、预警处置、模型动画展示和桥梁相关信息展示。

2) 数据分析实现对传感器数据的实时分析，如环境数据、静态响应、动态响应和阈值超限时触发报警；实现对各种监测数据的模型化的分析，如阻尼比、模态分析、包络图等；实现应用分析，如桥梁极端荷载分析、撞击分析等；完成数据分析，后台触发预警，进行预警处置。

3) 安全评估管理是系统通过数据分析得出的桥梁整体健康状态的评估管理，分为在线安全评估和离线专家安全评估两种。

4) 决策辅助是根据桥梁预警信息以及分析评估的结果，依据预警类型和级别给出不同的辅助方案。与预警和安全评估挂钩，不同类型和级别的预警给出不同辅助方案。决策辅助由预警/评估级别、数据显示、可能的危害、决策辅助建议等4部分组成。决策辅助可提出如可能的维护维修方法及进行监测(正常监测、加密/特殊部位监测、专业监测队伍、专家会商)等建议。

5) 巡检养护实现了桥梁管养单位相关领导和业务人员对桥梁巡检养护的全方位及多角度地监测与监管，巡检养护管理分为数字化巡检管理和桥梁维修管理。

6) 查询统计实现了对桥梁监测设备和监测数据等系统信息的查询统计。

7) 运维管理实现了对系统运行的硬件设备信息的管理，包括设置传感器设备的参数，监测设备的状态和运行情况等。

8) 系统管理提供系统的角色、用户、系统配置的管理功能。

2 原型系统设计 2.1 开发工具

应用层系统是系统的核心。结合物联网和GIS的特点，本系统基于面向服务的体系结构(service-oriented architecture，SOA)进行设计，服务采用通用的、统一的、与平台无关的方式进行交互，基于Java EE的MVC开发框架设计开发的应用层系统，采用B/S设计，使用浏览器进行访问。

系统表示层是在CityMakerSDK的基础上使用HTML5/CSS进行二次开发的，CityMakerSDK是伟景行所提供的三维GIS二次开发组件库，用户可以将优秀的三维引擎集成到自己的系统中或对已有系统进行功能拓展。服务器层包括业务服务器和GIS服务器：业务数据存储在Oracle中，方便进行属性数据的编辑和修改；GIS服务器用来发布存储在地理特征数据库(feature database，FDB)的三维模型数据和地形数据。

2.2 系统应用实例

以华东某市为例验证系统可用性，如图 3(a)所示，主界面左侧是搜索框和桥梁分类，搜索栏用来快速对所查桥梁信息进行访问，桥梁分类为系统管理者提供市内每座桥梁的监管部门信息。系统主界面展示城市桥梁地理信息与三维模型，点击被监测桥梁将显示其基本信息、安全等级、运行状态、报警显示、维修记录、历史报警记录以及进入单座桥梁的监测主页，如图 3(b)所示。单击桥梁进入监测界面，显示基本信息、实时报警信息、实时动态响应、分析评估、预警信息、历史案例、巡检记录以及维修记录，如图 3(c)所示，点击每个模块可进入其子界面中进行单独操作。

实时报警信息显示的是桥梁监测的具体部位在模拟三维图中的展示，并根据监测的结果，用不同的颜色显示其病变转态，在监测设备中还可以选择查看对于桥梁的监测使用的不同的手段所监测的信息。实时动态响应是根据桥梁的震动模型分析桥梁的意外情况，如撞击等。预警管理模块主要由预警记录、预警上报、审核记录以及预警审核等4部分组成。预警记录是对系统的一些预警消息的统计记录，包含未审核、审核中、已审核及未上报的预警信息。系统评估模块根据系统采集的数据进行分类，分为静态数据、动态数据、车流量分析以及意外分析，并对应地画出时程图，可以直观地表现各类数值的变化情况，便于分析。桥梁健康系统的查询统计主要是对系统各个业务数据进行统计管理，支持以列表、饼图、趋势图或柱状图的方式展现桥梁基本信息、预警记录、预案、法律法规、历史案例和知识库6项内容。当发布了预警信息后，并附注了解决办法，桥梁检修部门可根据附注制定桥梁的检修方案，在巡检系统中可以查询、修改、删除巡检消息和维修记录，也可以手动添加巡检计划并进行注释说明。

系统采集的数据分为静态数据、动态数据、车流量分析及意外分析，并有与之对应的时程图。在系统中笔者点击进入分析评估模块将会出现两个关于加速度与应变的时域图，可以根据图形中数据变化异常的点来判断桥梁结构和力学的变化以及大致桥梁的运行情况。也可以将加速度的时域图做快速傅里叶变换转化为频域图，这是桥梁损伤识别的重要内容，一旦分析识别出桥梁结构有损伤，可立即预警。

3 结束语

本文研究设计了结合物联网和GIS技术通过布设传感器构建城市桥梁健康监测系统的方法，解决了对于地区内桥梁监测的独立性、监测不全面、管理松散等缺点，实现对城市区域内所有桥梁的实时监测、安全评估与预警，建立了较为完备的健康监测系统。本文的主要从以下几个方面进行了论述：①对基于物联网城市桥梁健康系统感知层从监测内容到检测设备再到实际布点进行了分析，最后结合具体项目制定了监测方案；②对系统应用层的功能模块进行了设计，结合具体项目实现了主要模块的功能，并进行了功能的展示；③对基于物联网与GIS原理的城市桥梁健康系统进行了从硬件到软件框架设计，并对系统进行分层开发，制定了基于物联网与GIS技术的城市桥梁健康系统的总体设计方案。

基于物联网和GIS技术的桥梁健康监测系统还存在进一步完善的空间，未来还可以结合更新的技术展开丰富的研究和测试。