崔營(yíng)營(yíng),王淼,徐文城

（中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京100088）

1 引言

與傳統(tǒng)的公路橋梁相比，市政橋梁有著橋梁形式眾多、結(jié)構(gòu)新穎獨(dú)特、地域分布密集、交通流量大等特點(diǎn)。本文通過(guò)深入分析市政橋梁管養(yǎng)現(xiàn)狀，結(jié)合橋梁監(jiān)管部門(mén)業(yè)務(wù)需求，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了市政橋梁智能移動(dòng)巡檢App 軟件，并提出了基于地理圍欄的橋梁巡查定位技術(shù)，設(shè)計(jì)采用R 樹(shù)索引優(yōu)化方法進(jìn)行考勤模塊的開(kāi)發(fā)，大大提高了移動(dòng)巡檢App 軟件的使用便利性，滿(mǎn)足了市政橋梁管養(yǎng)精細(xì)化、實(shí)時(shí)性的要求。

2 市政橋梁管養(yǎng)現(xiàn)狀

在橋梁運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，由于長(zhǎng)期遭受環(huán)境、荷載及材料老化等多重因素作用，結(jié)構(gòu)安全使用性能不斷退化，安全承載水平不斷降低，極端災(zāi)害下的耦合作用可能導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)整體或局部安全失效破壞。

目前，國(guó)內(nèi)市政橋梁管養(yǎng)普遍存在著以下突出問(wèn)題：

1）橋梁管理跨部門(mén)多，城市橋梁管理完全不同于公路行業(yè)，橋梁的投資建設(shè)部門(mén)、建成后的管理部門(mén)、橋上通行車(chē)輛的管理均屬城市不同的管理機(jī)構(gòu)，相互之間信息互通、數(shù)據(jù)共享難度大。

2）橋梁養(yǎng)護(hù)人員短缺，懂“橋”的專(zhuān)業(yè)管理人員更是極度稀缺，我國(guó)中等城市市政橋梁數(shù)量大約為幾百座，大城市市政橋梁數(shù)量可達(dá)上千座，市政橋梁管養(yǎng)部門(mén)工作壓力巨大。

3）橋梁養(yǎng)護(hù)自動(dòng)化水平有待提高。目前，我國(guó)多數(shù)橋梁日常養(yǎng)護(hù)工作還停留在人工目視巡查，紙質(zhì)記錄等傳統(tǒng)的方式，養(yǎng)護(hù)手段單一低效、養(yǎng)護(hù)效果無(wú)法有效監(jiān)管。

4）重大事故頻發(fā)，應(yīng)急監(jiān)管能力低。由于市政橋梁每日承擔(dān)巨大的交通壓力，近年來(lái)發(fā)生船撞卡橋、重車(chē)過(guò)橋乃至橋梁垮塌等重大事故時(shí)有發(fā)生，作為橋梁管養(yǎng)部門(mén)因缺乏必要的監(jiān)測(cè)手段和數(shù)據(jù)支撐，往往對(duì)事件的處置不夠及時(shí)有效，影響了交通安全[1]。

3 總體架構(gòu)及功能設(shè)計(jì)

為解決以上突出矛盾，本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)基于安卓系統(tǒng)的市政橋梁智能移動(dòng)巡檢App 軟件，實(shí)現(xiàn)了市政橋梁電子化、精細(xì)化管養(yǎng)的目標(biāo)。

3.1 總體架構(gòu)

智能巡檢App 包含運(yùn)行在手機(jī)或平板端的App 程序和運(yùn)行在監(jiān)控中心的Web 端平臺(tái)2 部分，手機(jī)端App 主要實(shí)現(xiàn)便攜式巡查定位、養(yǎng)護(hù)維修、病害錄入等功能，Web 端平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)巡查任務(wù)制定及下發(fā)、巡查信息存儲(chǔ)管理等功能。手機(jī)端和Web 平臺(tái)端通過(guò)4G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信與傳輸。其總體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 智能巡檢App 總體架構(gòu)

3.2 功能設(shè)計(jì)

手機(jī)端智能移動(dòng)巡檢App 主要實(shí)現(xiàn)以下功能。

3.2.1 GIS 橋梁定位

本模塊采用GIS 矢量地圖圖層，設(shè)計(jì)將跨江特大橋、區(qū)域中小橋和高架橋進(jìn)行分類(lèi)分圖層顯示，同時(shí)支持模糊定位，便于快速查找目標(biāo)橋梁。

3.2.2 巡查病害錄入

對(duì)于跨江特大橋，按照橋梁結(jié)構(gòu)規(guī)范進(jìn)行精細(xì)化構(gòu)件拆分，形成橋梁構(gòu)件結(jié)構(gòu)目錄樹(shù)。用戶(hù)巡查過(guò)程中定位構(gòu)件可輸入病害類(lèi)型、病害描述、標(biāo)度及附件照片等信息。

對(duì)于中小橋梁，系統(tǒng)內(nèi)置日常檢查項(xiàng)表單，用戶(hù)可通過(guò)語(yǔ)音、手寫(xiě)或輸入法等多種方式進(jìn)行日常檢查數(shù)據(jù)的錄入并保存。

對(duì)于高架橋梁，主要實(shí)現(xiàn)橋梁巡查軌跡的記錄、回放及上傳功能，并可查看巡查軌跡范圍內(nèi)的檢查記錄信息。

3.2.3 維修養(yǎng)護(hù)管理

本模塊可對(duì)橋梁巡查時(shí)發(fā)現(xiàn)的病害進(jìn)行維修養(yǎng)護(hù)，通過(guò)Web 端制定維修養(yǎng)護(hù)任務(wù)，并指派給相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)人員，養(yǎng)護(hù)人員接到維養(yǎng)任務(wù)后上橋完成維修養(yǎng)護(hù)后記錄維修工作量并拍照保存維修前后現(xiàn)場(chǎng)照片，同時(shí)可將維修記錄一鍵發(fā)送Web 端平臺(tái)。

3.2.4 智能考勤管理

為規(guī)范巡查人員日常養(yǎng)護(hù)工作，防止作弊情況的發(fā)生，設(shè)計(jì)基于地理圍欄技術(shù)的考勤打卡模塊。系統(tǒng)為每座橋梁設(shè)置多邊形坐標(biāo)作為地理圍欄，當(dāng)巡查人員啟動(dòng)巡檢任務(wù)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)判斷用戶(hù)是否在地理圍欄范圍內(nèi)，如果不在范圍內(nèi)則無(wú)法錄入病害信息，以此規(guī)范養(yǎng)護(hù)人員巡查行為，保證巡查數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

4 關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 地理圍欄技術(shù)簡(jiǎn)介

地理圍欄（Geo-fencing）是一種新型的LBS 應(yīng)用技術(shù)，其原理是用多個(gè)地理坐標(biāo)圍出一個(gè)虛擬地理多邊形（見(jiàn)圖2），當(dāng)系統(tǒng)判斷用戶(hù)進(jìn)入、離開(kāi)某個(gè)特定地理區(qū)域，或在該區(qū)域內(nèi)活動(dòng)時(shí)，觸發(fā)相應(yīng)的服務(wù)，如消息推送、互聯(lián)網(wǎng)廣告等[2]。

本文設(shè)計(jì)采用地理圍欄技術(shù)實(shí)現(xiàn)巡檢人員的考勤管理功能，系統(tǒng)預(yù)先為每座市政橋梁內(nèi)置地理坐標(biāo)邊界，當(dāng)巡檢人員達(dá)到橋梁地理圍欄范圍內(nèi)，才可進(jìn)行考勤打卡、病害記錄等相關(guān)操作。

圖2 地理圍欄示意圖

4.2 R樹(shù)索引優(yōu)化算法

判斷當(dāng)前點(diǎn)是否落入某多邊形范圍內(nèi)是地理圍欄的關(guān)鍵，一般通過(guò)射線(xiàn)法進(jìn)行判斷，其判斷方法為：從當(dāng)前點(diǎn)出發(fā)沿X軸方向畫(huà)一條射線(xiàn)，依次判斷該射線(xiàn)與多邊形各邊的交點(diǎn)，如果交點(diǎn)個(gè)數(shù)為奇數(shù)，則當(dāng)前點(diǎn)在多邊形內(nèi)部（如圖3 中有3 個(gè)交點(diǎn)），如果交點(diǎn)數(shù)為偶數(shù)，則在外部，射線(xiàn)法能夠適用于凸多邊形和非凸多邊形，復(fù)雜度為O（n）（n為多邊形邊數(shù)）。

當(dāng)?shù)乩韲鷻跀?shù)量較少時(shí)，可逐個(gè)遍歷各多邊形，再用射線(xiàn)法進(jìn)行判斷[3]。在實(shí)際應(yīng)用中，由于市政橋梁多達(dá)幾百座，且分布較為密集，也就相當(dāng)于有幾百個(gè)多邊形需要同時(shí)執(zhí)行射線(xiàn)法計(jì)算，造成計(jì)算時(shí)間的延遲，針對(duì)以上問(wèn)題，在智能巡查定位模塊開(kāi)發(fā)過(guò)程中提出了R 樹(shù)索引加速判斷法，解決了地理圍欄判斷的時(shí)間延遲問(wèn)題。

圖3 射線(xiàn)法判斷點(diǎn)在多邊形內(nèi)部示意

R 樹(shù)索引主要原理為：（1）通過(guò)粗篩法快速找到符合條件的少量多邊形；（2）對(duì)粗篩后的多邊形使用射線(xiàn)法判斷，使射線(xiàn)法的執(zhí)行次數(shù)大大降低，進(jìn)而提高搜索效率。

本文通過(guò)對(duì)多邊形區(qū)域建立R 樹(shù)索引，通過(guò)R 樹(shù)遍歷快速判斷當(dāng)前點(diǎn)是否在多邊形內(nèi)，實(shí)現(xiàn)考勤定位。

1）對(duì)地理圍欄區(qū)域A 建立最小外包矩形，如圖4 所示。

圖4 多邊形最小外包矩形

2）外包矩形建立R 樹(shù)索引，示意圖如圖5 所示。

圖5 R樹(shù)索引示意

3）執(zhí)行R 樹(shù)查詢(xún)操作。（1）采用R 樹(shù)索引方法判斷當(dāng)前用戶(hù)（紅點(diǎn)處）是否在外包矩形內(nèi)，如圖6 所示，紅色點(diǎn)代表用戶(hù)所在位置［注：采用R 樹(shù)查詢(xún)復(fù)雜度為Oz（Log（N）），N為多邊形個(gè)數(shù)］；（2）若當(dāng)前點(diǎn)不在任何外包矩形內(nèi)，則返回當(dāng)前點(diǎn)狀態(tài)為多邊形外；（3）若當(dāng)前點(diǎn)在外包矩形內(nèi)，則采用射線(xiàn)法進(jìn)一步判斷該點(diǎn)是否在此外包矩形的某個(gè)多邊形內(nèi)部，如此遞歸判斷，最終判斷出當(dāng)前點(diǎn)是否落入地理圍欄所在多邊形內(nèi)。

圖6 R樹(shù)索引查詢(xún)操作流程

4.3 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)編寫(xiě)代碼實(shí)際開(kāi)發(fā)驗(yàn)證，在可視范圍內(nèi)有600 個(gè)地理圍欄多邊形的情況下，采用依次遍歷每個(gè)多邊形的方法，其查詢(xún)響應(yīng)時(shí)間約為5s，而通過(guò)在內(nèi)存中建立R 樹(shù)索引，地理圍欄平均響應(yīng)時(shí)間降低到450ms。采用該技術(shù)對(duì)手機(jī)巡檢App考勤打卡功能進(jìn)行性能優(yōu)化（見(jiàn)圖7），提升了系統(tǒng)使用體驗(yàn)。

圖7 智能巡檢App 考勤打卡界面

5 結(jié)語(yǔ)

本文分析了我國(guó)市政橋梁管養(yǎng)存在的問(wèn)題，據(jù)此提出了市政橋梁移動(dòng)巡檢App 總體架構(gòu)及功能設(shè)計(jì)方案。針對(duì)市政橋梁分布密集的特點(diǎn)，提出了基于R 樹(shù)索引的優(yōu)化算法，并采用該技術(shù)開(kāi)發(fā)了手機(jī)巡檢App 考勤管理模塊，提升了系統(tǒng)使用體驗(yàn)，滿(mǎn)足對(duì)于橋梁巡查人員考勤監(jiān)管的需求。