5G技術在橋梁施工、監測及維保中的應用探討

周 敏 張超男 于匯杰 張 睿

（內江師范學院建筑工程學院，四川 內江 641100）

0 引言

隨著5G技術研發成功并逐漸成熟，給生產建設、經濟發展、技術革新以及娛樂生活注入了新的發展動力。自2019年5G商用開始，全國各地都積極推進5G信息基礎設施建設進度，截至2019年年底，全國已建成5G基站超過13萬個[1]?；?G基礎設施的逐步完善，5G技術也在各行各業得到廣泛的應用，比如5G+醫療、5G+北斗、5G+AI、5G+8k等，也為在橋梁施工、檢測和維護中的應用提供了可能。

橋梁作為交通系統的重要組成部分，我國于20世紀90年代末開始進入橋梁建設高峰期，截至2015年底，國省干線約16%的橋梁服役時間超過25年，約31%的橋梁服役時間超過15年[2]。需要注意的是，在役橋梁會因性能劣化、超載等因素引起橋梁損壞，容易造成人民群眾生命安全和財產損失。因而面對如此眾多的橋梁，將5G技術引入到橋梁工程建設和后期監測中變得尤為重要。本文在介紹橋梁工程建設施工及后期監測維保中所存在的問題和5G技術性能特點的基礎上，重點探討了5G技術在橋梁施工、后期監測及維保過程中的應用。

1 橋梁工程在建設及后期監測維保中存在的問題

1.1 影響因素分析

橋梁工程在建設期間及后期監測維保中會受到許多外界因素的影響，這些因素根據成因大致可以分為兩類：人為因素和自然因素。這些影響因素會存在損壞橋梁內部結及其安全的風險，受損的橋梁需要及時進行修復，受損嚴重的橋梁只有報廢重建，都需耗費大量的人力物力，因而有必要做好橋梁的監測及后期維保。

（1）人為因素

影響橋梁安全的人為因素很多，主要集中在后期使用過程中，比如，長期車輛超載會使橋梁結構產生較大變形，并且這種變形是不可逆的，超載同時會使橋梁結構承載能力下降；當船舶或車輛發生意外撞擊橋梁時，會破壞橋梁的穩定性，特別是船舶撞擊橋墩，會導致橋梁發生較大偏移并且巨大的沖擊力還會破壞混凝土的內部結構；爆炸產生的壓力會直接破壞橋面與梁的內部結構，如材料破壞、結構內部變形，隨之產生的沖擊波也會使橋梁發生明顯的搖晃偏移。

（2）自然因素

自然因素如地震、潮浪、大風等一旦發生，不僅在橋梁建設期間，還在后期使用維保過程中，都會給橋梁工程的安全性帶來極大的危害，特別是震級較高的地震會直接造成橋梁結構發生不可逆的損傷及巨大破壞。

1.2 存在的問題

（1）施工方面

近年來，隨著裝配式建筑技術在大型橋梁施工過程中的應用，大大加快了橋梁建設的速度，但裝配式橋梁在拼接施工過程中存在對接精度不夠、對接過程耗時耗力等難題。無論是預制墩柱與基礎的拼接，還是上部結構與墩柱的拼接都存在施工緩慢、對接困難的問題。裝配式橋梁施工拼接過程中，塔吊工人不能近距離看到拼接作業的準確狀況，就只有依靠現場拼接作業的工人與塔吊工人的密切配合來完成。若兩者配合不默契，拼接過程就需要反復嘗試，這樣就會耗費大量的時間和人力，客觀上就會延長施工周期，最終會影響橋梁的建設進度，加大橋梁的建設成本。

（2）監測方面

傳統的橋梁監測主要依賴于現場檢測來完成，檢測方法主要有外觀檢測法和局部檢測法等。這些檢測方法往往需要檢測人員攜帶各類儀器設備親臨現場開展檢測，檢測過程不僅費時，而且費力，更重要的是不能連續獲取到橋梁監測的數據。因而，橋梁如果一旦遭遇突發意外事件的損害時，不能第一時間獲取到信息及有效的數據，就無法及時有效地評估橋梁的健康狀態，給后期維保帶來極大的不便。

（3）維保方面

橋梁監測系統一般采用光纖網絡傳輸數據，一般接入距離比較遠，常常需要使用專用通訊線路，光纖網絡的建設及租用成本都很高，導致后期的維保運營成本同樣很高[3]。

2 5G技術的性能特點及應用場景

作為移動通信網絡中發展的第五代網絡，與4G進行對比分析，5G在關鍵性能指標方面的優勢非常明顯。5G與4G關鍵性能指標的對比如表1所示。

表1 5G與4G關鍵性能指標的對比

從上表對比分析可看出，5G網絡不僅傳輸速度快，而且還存在低時延、能與大規模設備連接等優勢及特點。在此基礎上可以建立工業互聯網、智能互聯網，不僅實現信息的傳輸，還可以重新構建安全體系。因此，5G技術主要應用于增強型移動寬帶（eMBB）、大規模機器類型通信（mMTC）、超可靠和低延遲通信（uRLLC）等3種場景[4]，具體應用如圖1所示。

圖1 5G的三大應用場景

3 5G在橋梁施工及監測、維保中的應用

隨著移動通信技術的快速發展，可基于5G網絡技術的性能特點及其優勢，將其應用于橋梁工程的建設施工、后期監測及維保中，提高橋梁工程建設的水平和后期維保管理水平。

3.1 在橋梁施工中的應用

利用5G+技術，在橋梁施工現場搭建5G網絡，將施工機械設備及各種監測儀器接入5G網絡，從而實現橋梁施工過程中的各種數據的實時傳輸和接收，極大地方便了施工技術人員對施工過程的管理和監督。利用5G網絡，可以對現場建筑材料的使用進行實時監管和科學調配，以最優的庫存數量保障施工的順利進行，既可以杜絕因物資缺乏導致的停工，還能防止現場過多的積壓物資造成資金的占用；利用5G 網絡將現場施工數據及時接入BIM系統，基于BIM系統的可視化和協調化的性能特點，實現施工現場的可視化管理，并有利于現場不同作業部門之間展開高效地協同，以保障施工質量并提高施工作業的效率；5G技術的高傳輸速度及低延時特點，還能極大地提高施工安全管理，第一時間獲取到現場施工數據，安全管理系統就可以第一時間進行預警，便于現場管理人員以最快的速度作為判斷和決策，還可以通過接入的數據分析出潛在的安全隱患。

裝配式橋梁無論是預制墩柱與基礎的拼接，還是上部結構與墩柱的拼接都存在施工緩慢、對接困難等問題，利用5G技術就可以很好地解決拼接施工過程中存在的對接精度不夠、對接過程耗時耗力等難題。利用“5G+無人機”技術，借助特制的可伸縮式無人機對拼接過程進行全方位、無死角微拍，然后通過5G網絡高速率、低時延的特性將橋梁拼接現場畫面實時傳送給塔吊工人，塔吊工人就可以第一時間了解構件拼接的準確狀態，便于調整角度與距離，從而快速完成對接拼裝工作。此外，還可以在梁上安裝紅外線定位系統，對拼接處進行兩端定位，將對接拼裝定位數據實時傳輸到塔吊工人面前的屏幕上，塔吊工人就可以直接通過數據來調整角度或距離，無需交流就可以直接拼裝完成。依靠定位數據進行拼裝，不僅定位準確、拼裝精度高，還節省了大量的拼裝時間，大大縮短了施工周期。

3.2 在橋梁監測中的應用

利用5G技術，可以實現橋梁的遠程監測和監測數據的實時傳輸。通過BIM 三維數字建模和接入的監測數據，實現遠程可視化監測以及橋梁狀態智能化分析，可對橋梁安全存在的隱患進行自動預警或報警，有助于連續獲取橋梁狀態數據，更加精準地判斷橋梁結構的健康狀態，及時發現和預防安全隱患，不僅避免了傳統檢測的費時費力，還避免了人力現場檢測作業的安全風險。港珠澳大橋開展的5G智慧橋梁監控項目，就是5G+橋梁監測上的一種具體應用。它主要通過5G網絡及北斗衛星實時監測橋梁安全，提高大橋應急管控能力。

3.3 在橋梁維保中的應用

利用5G 技術，可以實現橋梁維保的精細化和智能化。通過5G網絡將橋梁監測的數據實時傳輸到管理端，管理端對監測數據進行大數據挖掘和智能化分析后，自動給出預測性維保方案，基于維保方案就可以及時制定維保計劃并組織實施，極大地提高橋梁維保的及時性和有效性，并有效降低了維保的成本。此外，通過監測數據還能準確對橋梁的損傷部位和損害程度進行定位，便于快速、有的放矢、精準地對橋梁進行維修。

4 結束語

橋梁工程在建設期間及后期監測維保中會受到許多外界因素的影響，這些影響因素會存在損壞橋梁內部結及其安全的風險，受損的橋梁進行修復或報廢重建，都需耗費大量的人力物力?；?G網絡技術的高速率、低延時等性能特點及其優勢，將其應用于橋梁工程的建設施工、后期監測及維護中，實現橋梁施工過程中的各種數據的實時傳輸和接收，極大地方便了施工技術人員對施工過程的管理和監督；解決裝配式橋梁在拼接施工過程中存在的對接精度不夠、對接過程耗時耗力等難題；實現遠程可視化監測以及橋梁狀態智能化分析，可對橋梁安全存在的隱患進行自動預警或報警，有助于更加精準地判斷橋梁結構的健康狀態，及時發現和預防安全隱患并實現橋梁維保的精細化和智能化，從而有效提高橋梁工程建設的水平和后期維護管理水平。