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(guān)英文文獻統(tǒng)計[4]

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(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（Structural Health Monitoring，SHM）系統(tǒng)中的應(yīng)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(gòu)設(shè)計方面

結(jié)構(gòu)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(yīng)用可為SHM的長期部署提供可靠保證，Jeong S等[7]設(shè)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(wù)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(jié)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(gòu)

（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(jié)構(gòu)安全的重要內(nèi)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(shè)備維護及數(shù)據(jù)處理困難，Shitong Hou等[8]基于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）概念設(shè)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(wù)器發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)，并在網(wǎng)頁端遠程分析及可視化監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖 4 基于云服務(wù)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(qū)動的決策系統(tǒng)是SHM系統(tǒng)成功的關(guān)鍵，Alampalli S等[9]提出了一個基于多種相關(guān)監(jiān)測和分析數(shù)據(jù)并及時做出風(fēng)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(jié)構(gòu)計算模型的分析數(shù)據(jù)，該框架實現(xiàn)快速決策的關(guān)鍵在于四項技術(shù)的應(yīng)用：云計算、關(guān)系型數(shù)據(jù)庫處理、NoSQL數(shù)據(jù)庫支持及內(nèi)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(guān)鍵部件及橋跨的可靠度指標，并基于風(fēng)險分析做出決策。

 圖 5 對鐵路網(wǎng)進行健康評估及風(fēng)險緩釋（risk mitigation）的系統(tǒng)架構(gòu)[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(dǎo)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(gòu)件單元的可靠養(yǎng)護，及時預(yù)警，防止橋梁結(jié)構(gòu)垮塌。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存貯與分析采用了云計算技術(shù)。

 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(yīng)用為背景，從安全角度分析了云計算系統(tǒng)面臨的風(fēng)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(gòu)提供服務(wù)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測云的概念，描述了云平臺的系統(tǒng)架構(gòu)，回顧了相關(guān)技術(shù)的研究現(xiàn)狀并展望了應(yīng)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(yīng)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(fēng)、地震、超載、車船撞擊等突發(fā)事件及偶然荷載響應(yīng)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(chǎn)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(zhuǎn)換、溫度補償、時頻域轉(zhuǎn)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(chǔ)技術(shù)之一的大數(shù)據(jù)（Big Data）架構(gòu)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(shè)方式在機房建設(shè)、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(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)和服務(wù)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(guān)鍵技術(shù)問題，采用分布式實時大數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)架構(gòu)、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(gòu)[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(qū)動的滑動窗口數(shù)據(jù)流處理模型，對傳感器網(wǎng)絡(luò)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(qū)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(yīng)變相關(guān)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(yīng)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(gòu)[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(xué)習(xí)（deep learning）技術(shù)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(shù)可分為兩類，即計算技術(shù)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(yīng)分步驟綜合運用各類別下的具體技術(shù)手段；深度學(xué)習(xí)算法可用于處理諸如視覺觀察的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和時間序列數(shù)據(jù)，并據(jù)此對結(jié)構(gòu)損傷進行識別。

（A）大數(shù)據(jù)技術(shù)

（B）SHM中的大數(shù)據(jù)計算技術(shù)

（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(shù)及發(fā)展趨勢，闡述了基于云計算的數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)架構(gòu)，探討了關(guān)鍵設(shè)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(yīng)用前景進行了展望。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)方面

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）是云計算的基礎(chǔ)技術(shù)之一，是一種借助智能終端，依照約定將物體與互聯(lián)網(wǎng)相連，實現(xiàn)對物體的智能識別、感應(yīng)、監(jiān)控和管理的網(wǎng)絡(luò)。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(wǎng)絡(luò)。

Shitong Hou等[8]基于IoT概念設(shè)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(wǎng)關(guān)上的傳感器和遵循物聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)技術(shù)設(shè)計了一種橋梁健康遠程在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過采集預(yù)埋的振弦式傳感器信息，實時反應(yīng)橋梁結(jié)構(gòu)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(wǎng)NB-IoT模塊BC26將數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器。此系統(tǒng)采用了目前主流的技術(shù)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(wǎng)技術(shù)與橋梁構(gòu)造相結(jié)合設(shè)計一個橋梁智能健康監(jiān)測系統(tǒng)，從虛擬節(jié)點的構(gòu)建、傳感器的選擇和優(yōu)化布設(shè)、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(yīng)用中涉及的關(guān)鍵問題并提出了相應(yīng)的解決方案。

基于云計算的橋梁BIM及協(xié)同設(shè)計

簡而言之，BIM是帶有設(shè)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(jié)構(gòu)，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(gòu)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(jié)合（Cloud-BIM）是BIM應(yīng)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(dāng)前多數(shù)Cloud-BIM研究集中在建筑規(guī)劃、設(shè)計和施工階段，作者建議應(yīng)對建筑全壽命周期的運營、維護、設(shè)備管理及能源效率、拆除，包括結(jié)構(gòu)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(wù)（云存儲，云計算）、軟件開發(fā)商云服務(wù)平臺和通用云服務(wù)平臺，并對各平臺的特點及適用情況進行了比較?？勺鳛锽IM選擇云平臺框架的參考。

對于云計算在促進BIM應(yīng)用、在結(jié)構(gòu)全壽命周期內(nèi)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(yīng)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(shè)計參考。

圖 14 基于云計算的BIM平臺軟件架構(gòu)[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(jié)構(gòu)，并以施工模擬為例，介紹了系統(tǒng)的典型應(yīng)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(shù)使得協(xié)同設(shè)計成為可能，而基于云計算的BIM能給予協(xié)同設(shè)計更大的支持[27]。陳杰等[28][29]構(gòu)建了一個基于云計算的BIM協(xié)同設(shè)計平臺，設(shè)計了其包括BIM建模、任務(wù)劃分與設(shè)計協(xié)同、設(shè)計者權(quán)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(shè)計平臺的實施過程。陳杰在文獻[29]中還構(gòu)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(shè)計平臺[28][29]

總結(jié)與展望

近年來云計算發(fā)展極為迅速，應(yīng)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(yīng)用范圍仍相對較小，應(yīng)用深度也不大。筆者認為，以下方面的研究及應(yīng)用近期值得關(guān)注：

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

（2）橋梁結(jié)構(gòu)全壽命周期的Cloud-BIM模型及應(yīng)用；

（3）橋梁的設(shè)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(wù)”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。