中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預警與評價、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復合型高新技術集團企業(yè)。
作為城市重要的交通設施，橋梁是城市交通的紐帶和命脈。因此，對于一些每天都會頻繁使用的大橋來說，橋梁本身的安全狀況必須得到實時監(jiān)控。今天，就目前橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)狀對以下三個問題展開討論。
提問
為什么要做健康監(jiān)測？
什么是橋梁健康監(jiān)測？
當前發(fā)展狀態(tài)及主要問題是什么？
為什么要做橋梁健康監(jiān)測
根據(jù)我國橋梁建設的成就以及目前的形式，報告從我國橋梁發(fā)展的成就、橋梁安全的嚴峻形勢、在役橋梁老齡化的加速到來以及人工檢查存在的缺點等方面介紹了“為什么要做橋梁健康監(jiān)測”
（一）橋梁發(fā)展成就巨大我國橋梁近20年的橋梁建設成就斐然，建設了以港珠澳大橋、蘇通長江公路大橋、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)造世界紀錄的大橋。
圖01創(chuàng)造世界奇跡的橋梁
我國已經(jīng)邁入了橋梁建設的強國，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2.57萬座；（3）截止到2018年底，我國公路橋梁超過852000座，鐵路橋梁超過200000座。
（二）橋梁安全形勢依然嚴峻1.橋梁垮塌事故時有發(fā)生全國已有統(tǒng)計數(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184座有公開資料標明確定事故成因的橋梁垮塌事故，其主要事故成因見圖2。
圖02橋梁垮塌事故成因統(tǒng)計
2.橋梁失效年限統(tǒng)計對我國100座運營期間橋梁垮塌的橋梁進行統(tǒng)計，平均服役年限超過50年的為15%，100座橋梁平均服役年限為29.36年。西南交大學者對世界范圍內(nèi)181起橋梁事故（其中美國55起、歐洲44起、中國70起）進行了分析：從開通到出現(xiàn)事故的平均時間為29年；中國發(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我國在役橋梁老齡化主要體現(xiàn)在以下幾個方面：a.我國經(jīng)濟高速發(fā)展期建成的橋梁其特點：總量大、周期短、隱患多；b.橋梁使用超過25年后，進入病害加速發(fā)展期；c.對比中美30年橋齡的橋梁占比可以發(fā)現(xiàn)，美國從18%增長到60%，用了約60年的時間，而中國只要不到30年（見圖3）。
圖03中美橋梁30年橋齡發(fā)展對比
4、傳統(tǒng)檢測方法的缺點傳統(tǒng)檢查方法存在諸多缺點和不足主要體現(xiàn)在以下幾個方面：a.需要大量人力、物力和財力并有諸多檢查盲點；b.主觀性強，難于量化；c.缺少整體性；d.影響正常交通運行；e.周期長，實時性差。
基于傳統(tǒng)檢測方法的缺點和不足，對于大型橋梁在運營期通過橋梁結(jié)構的健康監(jiān)測系統(tǒng)能有效對關鍵參數(shù)進行監(jiān)測，對于橋梁的結(jié)構的安全運營提供科學的依據(jù)。對于橋梁檢測和橋梁結(jié)構的健康監(jiān)測都是確保橋梁安全運營的重要手段，未來在大數(shù)據(jù)的基礎上可以進行有機的融合，為最終實現(xiàn)智慧橋梁管理養(yǎng)護提供有力的支撐。
什么是橋梁健康監(jiān)測？
（一）定義結(jié)構健康監(jiān)測（structuralhealthmonitoring，SHM）指利用現(xiàn)場的傳感設備獲取相關數(shù)據(jù)，通過對包括結(jié)構響應在內(nèi)的結(jié)構系統(tǒng)特性分析，達到監(jiān)測、檢測結(jié)構損傷或退化的目的。
（二）其功能定位a.對橋梁總體和擔心出現(xiàn)的損傷部位，其類似于“神經(jīng)系統(tǒng)”；橋梁結(jié)構的健康監(jiān)測系統(tǒng)功能類似于人的神經(jīng)系統(tǒng)：傳感器相當于“神經(jīng)系統(tǒng)”的末梢，用于感知結(jié)構的響應；傳輸網(wǎng)絡相當于“神經(jīng)網(wǎng)絡”的神經(jīng)中樞，其功能是在傳感器和控制系統(tǒng)之間進行信息傳輸和控制；結(jié)構的狀態(tài)評估類似于“神經(jīng)網(wǎng)路”的大腦，其功能是對紫銅的采集數(shù)據(jù)進行處理和分析，并對結(jié)構的狀態(tài)進行評估。b.對已發(fā)現(xiàn)的損傷部位，其類似于“心電圖背包”。健康監(jiān)測對于已經(jīng)發(fā)現(xiàn)損傷的部位通過實時的監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，能對損傷的發(fā)展變化以及損傷對結(jié)構的影響進行評估，其功能類似于對病人進行“心電圖”監(jiān)測。
（三）監(jiān)測系統(tǒng)的作用
a.對突發(fā)性損傷，起作用是能提高發(fā)現(xiàn)速度；b.對累積性損傷，使趨勢推演成為可能；c.對隱蔽部位，能夠?qū)崿F(xiàn)觀察；d.對橋梁的設計進行驗證，并能對今后的設計起指導作用。
（四）系統(tǒng)的組成橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的組成包括感知層、傳輸層、數(shù)據(jù)層和應用層四個層級，其分別對應傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲與處理子系統(tǒng)、損傷識別與狀態(tài)評估子系統(tǒng)四個子系統(tǒng)。系統(tǒng)組成框架見圖4，典型橋梁健康監(jiān)測組成圖見圖5。
圖04橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的組成圖 
圖05香港某橋健康監(jiān)測系統(tǒng)
圖06監(jiān)測指標和監(jiān)測設備
當前發(fā)展狀態(tài)及主要問題是什么？
當前的發(fā)展狀態(tài)（一）技術成熟度曲線橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展大致要經(jīng)歷了五個階段，詳見技術成熟度曲線（圖7）
圖07橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)成熟度曲線圖
a.技術萌芽期20世紀90年代，橋梁結(jié)構健康監(jiān)測開始在中國得到應用。例如：青馬大橋、江陰長江公路大橋和虎門大橋等。
b.期望膨脹期2005年前后，大家對健康監(jiān)測技術所能發(fā)揮作用的期望非常高，所建的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的規(guī)模也普遍較大，通常單個系統(tǒng)規(guī)模都超過了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)測技術還并不成熟，尚不能發(fā)揮預期的全部作用。所以，在2010年前后，橋梁結(jié)構健康監(jiān)測技術就落到了泡沫化的谷底。
d.穩(wěn)步爬升的光明期近年來，隨著傳感、采集、通訊、存儲，特別是計算機分析與人工智能的快速發(fā)展，健康監(jiān)測技術在中國又重新得到認可，并取得了較快發(fā)展。這是目前我國橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展正經(jīng)歷的階段，隨著技術的發(fā)展橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)除了在大型橋梁上的成熟應用，其在中小橋梁的應用也在逐步開展。
e.實質(zhì)生產(chǎn)的高峰期這是橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)未來要經(jīng)歷的階段，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、5G技術的發(fā)展，未來橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展將出現(xiàn)高峰期，將進一步推動智慧橋梁管理的實現(xiàn)。
（二）政策層面2013年交通運輸部發(fā)布了《關于進一步加強公路橋梁養(yǎng)護管理的若干意見》提出：特大、特殊結(jié)構和特別重要橋梁的養(yǎng)管單位，要利用現(xiàn)代信息技術，建立符合自身特點的養(yǎng)護管理系統(tǒng)和健康監(jiān)測系統(tǒng)。2016年發(fā)布的《十三五公路養(yǎng)護管理發(fā)展綱要》中指出，高速公路運行實時監(jiān)測覆蓋率東、中部達到100%，西部地區(qū)重點路段達到100%。加強長大橋隧健康監(jiān)測和動態(tài)運行監(jiān)管，完善橋梁隧道運行監(jiān)管制度。
2018年發(fā)布的《公路長大橋隧養(yǎng)護管理和安全運行若干規(guī)定》提出：長大橋隧經(jīng)營管理單位應逐步建立長大橋隧結(jié)構監(jiān)測體系，設置專人或委托專業(yè)機構對橋隧的結(jié)構狀態(tài)和各類外部荷載作用下的響應情況進行監(jiān)測，及時掌握長大橋隧的結(jié)構運行狀況。
（三）標準層面目前我國已發(fā)布和在編寫的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)相關的國家、學會以及地方標準有10多項，將進一步推動和規(guī)范橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展。
圖08健康檢測系統(tǒng)相關的標準、規(guī)范
（四）應用層面a.健康檢測系統(tǒng)的應用實施橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的橋梁據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國已實施橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的橋梁超過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。該橋伸縮縫設計壽命為40年，而其使用4年后就出現(xiàn)損壞。對于伸縮縫采用梁端布設標尺采用定期人工檢查的方式，無法發(fā)現(xiàn)其損壞的原因。通過梁端安裝位移計對伸縮縫的運動形態(tài)進行動態(tài)監(jiān)測，并對其進行分析，發(fā)現(xiàn)其損傷的原因。江陰大橋、潤揚大橋和蘇通大橋伸縮縫位移動態(tài)監(jiān)測分析，見圖10。
圖10三座大橋伸縮縫監(jiān)測數(shù)據(jù)分析圖
對比分析結(jié)果顯示：對比廠家給出的伸縮縫滑塊允許磨耗距離，對比江陰大橋?qū)崪y數(shù)據(jù)，就會將滑塊磨壞；對江陰大橋?qū)崪y位移值做二次微分可以發(fā)現(xiàn)，車輛也帶來了較大梁體加速度，這意味著較大的縱向沖擊力。因此懸索橋和斜拉橋縱向運動形態(tài)有很大不同，較大的縱向累積行程和較大的縱向運動加速度是造成江陰大橋伸縮縫損壞的主要原因。處理措施：對江陰大橋伸縮縫處理措施：縱向阻尼器+高耐磨滑塊；對潤揚大橋伸縮縫處理：限位裝置+高耐磨滑塊。伸縮縫累計損傷趨勢推演作用：構造設計優(yōu)化、實測行程特征、及時更換滑塊和伸縮縫壽命預測。
異常事件/突發(fā)性損傷報警撞船事件及時發(fā)現(xiàn)和報警，見圖11。
圖11撞船事件的發(fā)現(xiàn)和報警
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，見圖12。代替部分人工檢測——例：橋面溫度監(jiān)測直接指導養(yǎng)護（高溫時灑水降溫，低溫雨雪時預撒融雪劑）。驗證指導設計——例：風場分析及風譜模型建立，見圖13。
圖12故障發(fā)現(xiàn)示例
圖13臺風譜模型
c.應用范圍健康監(jiān)測技術近年來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)在中小跨徑橋梁實施橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，并逐步實現(xiàn)橋梁健康監(jiān)測集群化。
d.應用功能健康監(jiān)測技術近年來正與BIM、電子化人工巡檢系統(tǒng)和養(yǎng)護管理系統(tǒng)逐步融合。
健康監(jiān)測系統(tǒng)主要問題
根據(jù)橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)狀，其技術、瓶頸以及未來突破方向總結(jié)見圖14。
圖14橋梁健康監(jiān)測技術瓶頸、突破
問題1：問什么很多健康監(jiān)測系統(tǒng)用不長久就壞？當前橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)實施過程中存在的主要認識誤區(qū)，導致系統(tǒng)出現(xiàn)經(jīng)常壞、不管用的情況。監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)常壞的主要運營是系統(tǒng)在實施時重總體輕細節(jié)、重設計輕施工、重傳感輕后端、重實施輕維護。出現(xiàn)系統(tǒng)不管用的主要原因是重硬件輕軟件、重數(shù)據(jù)輕分析。
問題2：特大橋系統(tǒng)能否簡單照搬到常規(guī)橋？1.頂層設計特大橋系統(tǒng)和常規(guī)橋梁系統(tǒng)特點不同，因此常規(guī)橋梁應考慮降費、增效，在頂層設計時考慮建立輕型橋梁監(jiān)測系統(tǒng)。1）特大跨橋梁的健康監(jiān)測系統(tǒng)的特點特大跨橋梁的健康監(jiān)測系統(tǒng)的特點：單橋系統(tǒng)規(guī)模大、基礎條件好（供電、通訊…）、變形量值大、后期維護集中，難度較小。2）常規(guī)橋梁的健康監(jiān)測系統(tǒng)的特點常規(guī)橋梁的健康監(jiān)測系統(tǒng)的特點：單橋系統(tǒng)規(guī)模小、基礎條件差、變形量值大、后期維護分散，難度較大。3）硬件硬件在頂層設計時應根據(jù)特點考慮其構建系統(tǒng)的原則、思路以及系統(tǒng)組成，見圖15。
圖15常規(guī)橋梁系統(tǒng)硬件設計
4）軟件軟件：適于常規(guī)橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)特點的預警方法。如考慮預制空心板橋鉸縫工作性能評價指標等。
2.功能設計
大型結(jié)構橋梁監(jiān)測系統(tǒng)與常規(guī)橋梁監(jiān)測系統(tǒng)在功能設計時的區(qū)別見圖16。
圖16兩種系統(tǒng)功能設計對比
3.傳感手段傳感手段應考慮低成本、高精度、一專多能以及新型監(jiān)測傳感器技術手段。
4.數(shù)據(jù)采集對于數(shù)據(jù)采集傳統(tǒng)方式為傳感器+工控機，其存在主要問題是系統(tǒng)復雜、成本太高和工控機使用效率低等。對于常規(guī)橋梁數(shù)據(jù)采集研發(fā)方向是采用嵌入式系統(tǒng)，如振弦式應力傳感器數(shù)據(jù)采集儀多路擴展器、多路熱敏電阻信號調(diào)理器、新型數(shù)字溫度傳感器測溫系統(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，其存在問題多點分散，難以適用常規(guī)橋梁。對于常規(guī)橋梁數(shù)據(jù)傳輸解決思路：橋位有線+短途無線+公網(wǎng)或?qū)＞W(wǎng)傳輸?shù)姆绞?，見圖17。
圖17常規(guī)橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡
6.標準系統(tǒng)與簡化系統(tǒng)測量參數(shù)對比標準系統(tǒng)與簡化系統(tǒng)測量參數(shù)不同，其對比見圖18。
圖18兩種系統(tǒng)測量參數(shù)對比
問題3：如何讓健康監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)揮作用？1.保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行；2.高度重視異常信號的甄別與剔除；異常信號的甄別與剔除的方法有：深度神經(jīng)網(wǎng)絡的異常數(shù)據(jù)自動探測、基于機器學習的監(jiān)測數(shù)據(jù)預測與異常識別。3.有一套功能強大的可視化分析軟件，見圖19；
圖19典型系統(tǒng)可視化軟件
4.建立合理可行的報警指標與閾值并與養(yǎng)護動作掛鉤，見圖20；
圖20報警指標與閾值與養(yǎng)護管理關系
5.通過統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)異常，結(jié)合有限元仿真尋找異常產(chǎn)生原因；6.檢測與監(jiān)測相配合。監(jiān)測與檢測相結(jié)合今后分步驟研究的方向見圖21。
圖21監(jiān)測與檢測研究方向
監(jiān)測與檢測一體化系統(tǒng)架構包括：數(shù)據(jù)存儲的一體化、軟件功能的一體化、界面設計的一體化以及數(shù)據(jù)交換的一體化。
