中交路橋科技是從事工程檢測(cè)監(jiān)測(cè)、城市安全監(jiān)測(cè)預(yù)警與評(píng)價(jià)、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。
作為城市重要的交通設(shè)施，橋梁是城市交通的紐帶和命脈。因此，對(duì)于一些每天都會(huì)頻繁使用的大橋來(lái)說(shuō)，橋梁本身的安全狀況必須得到實(shí)時(shí)監(jiān)控。今天，就目前橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)狀對(duì)以下三個(gè)問(wèn)題展開(kāi)討論。
提問(wèn)
為什么要做健康監(jiān)測(cè)？
什么是橋梁健康監(jiān)測(cè)？
當(dāng)前發(fā)展?fàn)顟B(tài)及主要問(wèn)題是什么？
為什么要做橋梁健康監(jiān)測(cè)
根據(jù)我國(guó)橋梁建設(shè)的成就以及目前的形式，報(bào)告從我國(guó)橋梁發(fā)展的成就、橋梁安全的嚴(yán)峻形勢(shì)、在役橋梁老齡化的加速到來(lái)以及人工檢查存在的缺點(diǎn)等方面介紹了“為什么要做橋梁健康監(jiān)測(cè)”
（一）橋梁發(fā)展成就巨大我國(guó)橋梁近20年的橋梁建設(shè)成就斐然，建設(shè)了以港珠澳大橋、蘇通長(zhǎng)江公路大橋、西堠門大橋、杭州灣大橋、北盤江大橋以及盧浦大橋等一大批創(chuàng)造世界紀(jì)錄的大橋。
圖01創(chuàng)造世界奇跡的橋梁
我國(guó)已經(jīng)邁入了橋梁建設(shè)的強(qiáng)國(guó)，橋梁規(guī)模已經(jīng)位居世界第一主要體現(xiàn)在：（1）從1990年~2018年，中國(guó)新增橋梁總數(shù)占全世界47%；（2）從2009年~2018年，年均新增公路橋梁2.57萬(wàn)座；（3）截止到2018年底，我國(guó)公路橋梁超過(guò)852000座，鐵路橋梁超過(guò)200000座。
（二）橋梁安全形勢(shì)依然嚴(yán)峻1.橋梁垮塌事故時(shí)有發(fā)生全國(guó)已有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)橋梁垮塌案例的橋梁447座，橋梁垮塌事故的原因各異。中國(guó)184座有公開(kāi)資料標(biāo)明確定事故成因的橋梁垮塌事故，其主要事故成因見(jiàn)圖2。
圖02橋梁垮塌事故成因統(tǒng)計(jì)
2.橋梁失效年限統(tǒng)計(jì)對(duì)我國(guó)100座運(yùn)營(yíng)期間橋梁垮塌的橋梁進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，平均服役年限超過(guò)50年的為15%，100座橋梁平均服役年限為29.36年。西南交大學(xué)者對(duì)世界范圍內(nèi)181起橋梁事故（其中美國(guó)55起、歐洲44起、中國(guó)70起）進(jìn)行了分析：從開(kāi)通到出現(xiàn)事故的平均時(shí)間為29年；中國(guó)發(fā)生事故橋梁平均橋齡僅為25年。
3、在役橋梁老齡化加速到來(lái)我國(guó)在役橋梁老齡化主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：a.我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展期建成的橋梁其特點(diǎn)：總量大、周期短、隱患多；b.橋梁使用超過(guò)25年后，進(jìn)入病害加速發(fā)展期；c.對(duì)比中美30年橋齡的橋梁占比可以發(fā)現(xiàn)，美國(guó)從18%增長(zhǎng)到60%，用了約60年的時(shí)間，而中國(guó)只要不到30年（見(jiàn)圖3）。
圖03中美橋梁30年橋齡發(fā)展對(duì)比
4、傳統(tǒng)檢測(cè)方法的缺點(diǎn)傳統(tǒng)檢查方法存在諸多缺點(diǎn)和不足主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：a.需要大量人力、物力和財(cái)力并有諸多檢查盲點(diǎn)；b.主觀性強(qiáng)，難于量化；c.缺少整體性；d.影響正常交通運(yùn)行；e.周期長(zhǎng)，實(shí)時(shí)性差。
基于傳統(tǒng)檢測(cè)方法的缺點(diǎn)和不足，對(duì)于大型橋梁在運(yùn)營(yíng)期通過(guò)橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能有效對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)于橋梁的結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)提供科學(xué)的依據(jù)。對(duì)于橋梁檢測(cè)和橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)都是確保橋梁安全運(yùn)營(yíng)的重要手段，未來(lái)在大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上可以進(jìn)行有機(jī)的融合，為最終實(shí)現(xiàn)智慧橋梁管理養(yǎng)護(hù)提供有力的支撐。
什么是橋梁健康監(jiān)測(cè)？
（一）定義結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)（structuralhealthmonitoring，SHM）指利用現(xiàn)場(chǎng)的傳感設(shè)備獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)包括結(jié)構(gòu)響應(yīng)在內(nèi)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性分析，達(dá)到監(jiān)測(cè)、檢測(cè)結(jié)構(gòu)損傷或退化的目的。
（二）其功能定位a.對(duì)橋梁總體和擔(dān)心出現(xiàn)的損傷部位，其類似于“神經(jīng)系統(tǒng)”；橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能類似于人的神經(jīng)系統(tǒng)：傳感器相當(dāng)于“神經(jīng)系統(tǒng)”的末梢，用于感知結(jié)構(gòu)的響應(yīng)；傳輸網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”的神經(jīng)中樞，其功能是在傳感器和控制系統(tǒng)之間進(jìn)行信息傳輸和控制；結(jié)構(gòu)的狀態(tài)評(píng)估類似于“神經(jīng)網(wǎng)路”的大腦，其功能是對(duì)紫銅的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，并對(duì)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。b.對(duì)已發(fā)現(xiàn)的損傷部位，其類似于“心電圖背包”。健康監(jiān)測(cè)對(duì)于已經(jīng)發(fā)現(xiàn)損傷的部位通過(guò)實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，能對(duì)損傷的發(fā)展變化以及損傷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行評(píng)估，其功能類似于對(duì)病人進(jìn)行“心電圖”監(jiān)測(cè)。
（三）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的作用
a.對(duì)突發(fā)性損傷，起作用是能提高發(fā)現(xiàn)速度；b.對(duì)累積性損傷，使趨勢(shì)推演成為可能；c.對(duì)隱蔽部位，能夠?qū)崿F(xiàn)觀察；d.對(duì)橋梁的設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，并能對(duì)今后的設(shè)計(jì)起指導(dǎo)作用。
（四）系統(tǒng)的組成橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成包括感知層、傳輸層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層四個(gè)層級(jí)，其分別對(duì)應(yīng)傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理子系統(tǒng)、損傷識(shí)別與狀態(tài)評(píng)估子系統(tǒng)四個(gè)子系統(tǒng)。系統(tǒng)組成框架見(jiàn)圖4，典型橋梁健康監(jiān)測(cè)組成圖見(jiàn)圖5。
圖04橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成圖 
圖05香港某橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
圖06監(jiān)測(cè)指標(biāo)和監(jiān)測(cè)設(shè)備
當(dāng)前發(fā)展?fàn)顟B(tài)及主要問(wèn)題是什么？
當(dāng)前的發(fā)展?fàn)顟B(tài)（一）技術(shù)成熟度曲線橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展大致要經(jīng)歷了五個(gè)階段，詳見(jiàn)技術(shù)成熟度曲線（圖7）
圖07橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成熟度曲線圖
a.技術(shù)萌芽期20世紀(jì)90年代，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)開(kāi)始在中國(guó)得到應(yīng)用。例如：青馬大橋、江陰長(zhǎng)江公路大橋和虎門大橋等。
b.期望膨脹期2005年前后，大家對(duì)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)所能發(fā)揮作用的期望非常高，所建的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的規(guī)模也普遍較大，通常單個(gè)系統(tǒng)規(guī)模都超過(guò)了3,000,000美金。
c.泡沫化的低谷期但是，大家很快地發(fā)現(xiàn)，橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)還并不成熟，尚不能發(fā)揮預(yù)期的全部作用。所以，在2010年前后，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)就落到了泡沫化的谷底。
d.穩(wěn)步爬升的光明期近年來(lái)，隨著傳感、采集、通訊、存儲(chǔ)，特別是計(jì)算機(jī)分析與人工智能的快速發(fā)展，健康監(jiān)測(cè)技術(shù)在中國(guó)又重新得到認(rèn)可，并取得了較快發(fā)展。這是目前我國(guó)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展正經(jīng)歷的階段，隨著技術(shù)的發(fā)展橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)除了在大型橋梁上的成熟應(yīng)用，其在中小橋梁的應(yīng)用也在逐步開(kāi)展。
e.實(shí)質(zhì)生產(chǎn)的高峰期這是橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)未來(lái)要經(jīng)歷的階段，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、5G技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展將出現(xiàn)高峰期，將進(jìn)一步推動(dòng)智慧橋梁管理的實(shí)現(xiàn)。
（二）政策層面2013年交通運(yùn)輸部發(fā)布了《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)公路橋梁養(yǎng)護(hù)管理的若干意見(jiàn)》提出：特大、特殊結(jié)構(gòu)和特別重要橋梁的養(yǎng)管單位，要利用現(xiàn)代信息技術(shù)，建立符合自身特點(diǎn)的養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)和健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。2016年發(fā)布的《十三五公路養(yǎng)護(hù)管理發(fā)展綱要》中指出，高速公路運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)覆蓋率東、中部達(dá)到100%，西部地區(qū)重點(diǎn)路段達(dá)到100%。加強(qiáng)長(zhǎng)大橋隧健康監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)運(yùn)行監(jiān)管，完善橋梁隧道運(yùn)行監(jiān)管制度。
2018年發(fā)布的《公路長(zhǎng)大橋隧養(yǎng)護(hù)管理和安全運(yùn)行若干規(guī)定》提出：長(zhǎng)大橋隧經(jīng)營(yíng)管理單位應(yīng)逐步建立長(zhǎng)大橋隧結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)體系，設(shè)置專人或委托專業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)橋隧的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和各類外部荷載作用下的響應(yīng)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握長(zhǎng)大橋隧的結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀況。
（三）標(biāo)準(zhǔn)層面目前我國(guó)已發(fā)布和在編寫(xiě)的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相關(guān)的國(guó)家、學(xué)會(huì)以及地方標(biāo)準(zhǔn)有10多項(xiàng)，將進(jìn)一步推動(dòng)和規(guī)范橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展。
圖08健康檢測(cè)系統(tǒng)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范
（四）應(yīng)用層面a.健康檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)施橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的橋梁據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)已實(shí)施橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的橋梁超過(guò)466座，其中橋梁主跨在300m以上的橋梁147座。
b.所發(fā)揮的作用—累積性損傷趨勢(shì)推演伸縮縫損傷發(fā)現(xiàn)與成因分析江陰大橋于1999年通車，2003年發(fā)現(xiàn)橋梁伸縮縫出現(xiàn)損壞。該橋伸縮縫設(shè)計(jì)壽命為40年，而其使用4年后就出現(xiàn)損壞。對(duì)于伸縮縫采用梁端布設(shè)標(biāo)尺采用定期人工檢查的方式，無(wú)法發(fā)現(xiàn)其損壞的原因。通過(guò)梁端安裝位移計(jì)對(duì)伸縮縫的運(yùn)動(dòng)形態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并對(duì)其進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其損傷的原因。江陰大橋、潤(rùn)揚(yáng)大橋和蘇通大橋伸縮縫位移動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)分析，見(jiàn)圖10。
圖10三座大橋伸縮縫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析圖
對(duì)比分析結(jié)果顯示：對(duì)比廠家給出的伸縮縫滑塊允許磨耗距離，對(duì)比江陰大橋?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)，就會(huì)將滑塊磨壞；對(duì)江陰大橋?qū)崪y(cè)位移值做二次微分可以發(fā)現(xiàn)，車輛也帶來(lái)了較大梁體加速度，這意味著較大的縱向沖擊力。因此懸索橋和斜拉橋縱向運(yùn)動(dòng)形態(tài)有很大不同，較大的縱向累積行程和較大的縱向運(yùn)動(dòng)加速度是造成江陰大橋伸縮縫損壞的主要原因。處理措施：對(duì)江陰大橋伸縮縫處理措施：縱向阻尼器+高耐磨滑塊；對(duì)潤(rùn)揚(yáng)大橋伸縮縫處理：限位裝置+高耐磨滑塊。伸縮縫累計(jì)損傷趨勢(shì)推演作用：構(gòu)造設(shè)計(jì)優(yōu)化、實(shí)測(cè)行程特征、及時(shí)更換滑塊和伸縮縫壽命預(yù)測(cè)。
異常事件/突發(fā)性損傷報(bào)警撞船事件及時(shí)發(fā)現(xiàn)和報(bào)警，見(jiàn)圖11。
圖11撞船事件的發(fā)現(xiàn)和報(bào)警
故障發(fā)現(xiàn)，如發(fā)現(xiàn)崇啟大橋TMD阻尼器抑振效果異常，見(jiàn)圖12。代替部分人工檢測(cè)——例：橋面溫度監(jiān)測(cè)直接指導(dǎo)養(yǎng)護(hù)（高溫時(shí)灑水降溫，低溫雨雪時(shí)預(yù)撒融雪劑）。驗(yàn)證指導(dǎo)設(shè)計(jì)——例：風(fēng)場(chǎng)分析及風(fēng)譜模型建立，見(jiàn)圖13。
圖12故障發(fā)現(xiàn)示例
圖13臺(tái)風(fēng)譜模型
c.應(yīng)用范圍健康監(jiān)測(cè)技術(shù)近年來(lái)正逐步從特大跨徑橋梁向常規(guī)橋梁拓展。目前江蘇、武漢以及云南昆明等地區(qū)已經(jīng)在中小跨徑橋梁實(shí)施橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并逐步實(shí)現(xiàn)橋梁健康監(jiān)測(cè)集群化。
d.應(yīng)用功能健康監(jiān)測(cè)技術(shù)近年來(lái)正與BIM、電子化人工巡檢系統(tǒng)和養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)逐步融合。
健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要問(wèn)題
根據(jù)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)狀，其技術(shù)、瓶頸以及未來(lái)突破方向總結(jié)見(jiàn)圖14。
圖14橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)瓶頸、突破
問(wèn)題1：?jiǎn)柺裁春芏嘟】当O(jiān)測(cè)系統(tǒng)用不長(zhǎng)久就壞？當(dāng)前橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)施過(guò)程中存在的主要認(rèn)識(shí)誤區(qū)，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)經(jīng)常壞、不管用的情況。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)經(jīng)常壞的主要運(yùn)營(yíng)是系統(tǒng)在實(shí)施時(shí)重總體輕細(xì)節(jié)、重設(shè)計(jì)輕施工、重傳感輕后端、重實(shí)施輕維護(hù)。出現(xiàn)系統(tǒng)不管用的主要原因是重硬件輕軟件、重?cái)?shù)據(jù)輕分析。
問(wèn)題2：特大橋系統(tǒng)能否簡(jiǎn)單照搬到常規(guī)橋？1.頂層設(shè)計(jì)特大橋系統(tǒng)和常規(guī)橋梁系統(tǒng)特點(diǎn)不同，因此常規(guī)橋梁應(yīng)考慮降費(fèi)、增效，在頂層設(shè)計(jì)時(shí)考慮建立輕型橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。1）特大跨橋梁的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)特大跨橋梁的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)：?jiǎn)螛蛳到y(tǒng)規(guī)模大、基礎(chǔ)條件好（供電、通訊…）、變形量值大、后期維護(hù)集中，難度較小。2）常規(guī)橋梁的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)常規(guī)橋梁的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)：?jiǎn)螛蛳到y(tǒng)規(guī)模小、基礎(chǔ)條件差、變形量值大、后期維護(hù)分散，難度較大。3）硬件硬件在頂層設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)特點(diǎn)考慮其構(gòu)建系統(tǒng)的原則、思路以及系統(tǒng)組成，見(jiàn)圖15。
圖15常規(guī)橋梁系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
4）軟件軟件：適于常規(guī)橋梁安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)特點(diǎn)的預(yù)警方法。如考慮預(yù)制空心板橋鉸縫工作性能評(píng)價(jià)指標(biāo)等。
2.功能設(shè)計(jì)
大型結(jié)構(gòu)橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與常規(guī)橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在功能設(shè)計(jì)時(shí)的區(qū)別見(jiàn)圖16。
圖16兩種系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)對(duì)比
3.傳感手段傳感手段應(yīng)考慮低成本、高精度、一專多能以及新型監(jiān)測(cè)傳感器技術(shù)手段。
4.數(shù)據(jù)采集對(duì)于數(shù)據(jù)采集傳統(tǒng)方式為傳感器+工控機(jī)，其存在主要問(wèn)題是系統(tǒng)復(fù)雜、成本太高和工控機(jī)使用效率低等。對(duì)于常規(guī)橋梁數(shù)據(jù)采集研發(fā)方向是采用嵌入式系統(tǒng)，如振弦式應(yīng)力傳感器數(shù)據(jù)采集儀多路擴(kuò)展器、多路熱敏電阻信號(hào)調(diào)理器、新型數(shù)字溫度傳感器測(cè)溫系統(tǒng)等。
5.數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸傳統(tǒng)的方式是有線傳輸，其存在問(wèn)題多點(diǎn)分散，難以適用常規(guī)橋梁。對(duì)于常規(guī)橋梁數(shù)據(jù)傳輸解決思路：橋位有線+短途無(wú)線+公網(wǎng)或?qū)＞W(wǎng)傳輸?shù)姆绞?，?jiàn)圖17。
圖17常規(guī)橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)
6.標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)與簡(jiǎn)化系統(tǒng)測(cè)量參數(shù)對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)與簡(jiǎn)化系統(tǒng)測(cè)量參數(shù)不同，其對(duì)比見(jiàn)圖18。
圖18兩種系統(tǒng)測(cè)量參數(shù)對(duì)比
問(wèn)題3：如何讓健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)揮作用？1.保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行；2.高度重視異常信號(hào)的甄別與剔除；異常信號(hào)的甄別與剔除的方法有：深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的異常數(shù)據(jù)自動(dòng)探測(cè)、基于機(jī)器學(xué)習(xí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)與異常識(shí)別。3.有一套功能強(qiáng)大的可視化分析軟件，見(jiàn)圖19；
圖19典型系統(tǒng)可視化軟件
4.建立合理可行的報(bào)警指標(biāo)與閾值并與養(yǎng)護(hù)動(dòng)作掛鉤，見(jiàn)圖20；
圖20報(bào)警指標(biāo)與閾值與養(yǎng)護(hù)管理關(guān)系
5.通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)異常，結(jié)合有限元仿真尋找異常產(chǎn)生原因；6.檢測(cè)與監(jiān)測(cè)相配合。監(jiān)測(cè)與檢測(cè)相結(jié)合今后分步驟研究的方向見(jiàn)圖21。
圖21監(jiān)測(cè)與檢測(cè)研究方向
監(jiān)測(cè)與檢測(cè)一體化系統(tǒng)架構(gòu)包括：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的一體化、軟件功能的一體化、界面設(shè)計(jì)的一體化以及數(shù)據(jù)交換的一體化。
