桥梁健康监测的三大瓶颈如何突破？

作为城市重要的交通设施，桥梁是城市交通的纽带和命脉。因此，对于一些每天都会频繁使用的大桥来说，桥梁本身的安全状况必须得到实时监控。今天，就目前桥梁健康监测系统的现状对以下三个问题展开讨论。提问

作为城市重要的交通设施，桥梁是城市交通的纽带和命脉。因此，对于一些每天都会频繁使用的大桥来说，桥梁本身的安全状况必须得到实时监控。今天，就目前桥梁健康监测系统的现状对以下三个问题展开讨论。

提问

为什么要做健康监测？

什么是桥梁健康监测？

当前发展状态及主要问题是什么？

为什么要做桥梁健康监测

根据我国桥梁建设的成就以及目前的形式，下面从我国桥梁发展的成就、桥梁安全的严峻形势、在役桥梁老龄化的加速到来以及人工检查存在的缺点等方面来说明“为什么要做桥梁健康监测？”

（一）桥梁发展成就巨大

我国近20年的桥梁建设成就斐然，建设了以港珠澳大桥、苏通长江公路大桥、西堠门大桥、杭州湾大桥、北盘江大桥以及卢浦大桥等一大批创造世界纪录的大桥。

图1 创造世界奇迹的桥梁图源：永正检测、中交路桥

我国已经迈入了桥梁建设的强国，桥梁规模已经位居世界第一。

（二）桥梁安全形势依然严峻

桥梁垮塌事故时有发生

全国已有统计数据桥梁垮塌案例的桥梁447座，桥梁垮塌事故的原因各异。中国184座有公开资料标明确定事故成因的桥梁垮塌事故，其主要事故成因见图2。

图2 桥梁垮塌事故成因统计图源：永正检测、中交路桥

桥梁失效年限统计

对我国100座运营期间垮塌的桥梁进行统计，平均服役年限超过50年的为15%，100座桥梁平均服役年限为29.36年。

西南交大的学者对世界范围内181起桥梁事故（其中美国55起、欧洲44起、中国70起）进行了分析：从开通到出现事故的平均时间为29年；中国发生事故桥梁平均桥龄仅为25年。

在役桥梁老龄化加速到来

我国在役桥梁老龄化主要体现在以下几个方面：

a. 我国经济高速发展期建成桥梁的特点包括：总量大、周期短、隐患多；

b. 桥梁使用超过25年后，进入病害加速发展期；

c. 对比中美30年桥龄的桥梁占比可以发现，美国从18%增长到60%，用了约60年的时间，而中国只要不到30年（见图3）。

图3 中美桥梁30年桥龄发展对比图源：永正检测、中交路桥

图源：永正检测、中交路桥

传统检测方法的缺点

传统检查方法存在诸多缺点和不足主要体现在以下几个方面：

a. 需要大量人力、物力和财力并有诸多检查盲点；

b. 主观性强，难于量化；

c. 缺少整体性；

d. 影响正常交通运行；

e. 周期长，实时性差。

基于传统检测方法的缺点和不足，对于大型桥梁在运营期通过桥梁结构的健康监测系统能有效对关键参数进行监测，对于桥梁结构的安全运营提供科学的依据。对于桥梁检测和桥梁结构的健康监测都是确保桥梁安全运营的重要手段，未来在大数据的基础上可以进行有机的融合，为最终实现智慧桥梁管理养护提供有力的支撑。

什么是桥梁健康监测？

（一）定义

结构健康监测（SHM）指利用现场的传感设备获取相关数据，通过对包括结构响应在内的结构系统特性分析，达到监测、检测结构损伤或退化的目的。

（二）功能定位

a. 对桥梁总体和担心出现的损伤部位，其类似于“神经系统”。

桥梁结构的健康监测系统功能类似于人的“神经系统”：传感器相当于“神经系统”的末梢，用于感知结构的响应；传输网络相当于“神经网络”的神经中枢，其功能是在传感器和控制系统之间进行信息传输和控制；结构的状态评估类似于“神经网路”的大脑，其功能是对自动采集的数据进行处理和分析，并对结构的状态进行评估。

b. 对已发现的损伤部位，其类似于“心电图背包”。

健康监测对于已经发现损伤的部位通过实时监测数据的分析，能对损伤的发展变化以及损伤对结构的影响进行评估，其功能类似于对病人进行“心电图”监测。

（三）监测系统的作用

a. 对突发性损伤，能提高发现速度；

b. 对累积性损伤，使趋势推演成为可能；

c. 对隐蔽部位，能实现观察；

d. 对桥梁的设计进行验证，并能对今后的设计起指导作用。

（四）系统的组成

桥梁健康监测系统的组成包括感知层、传输层、数据层和应用层4个层级，其分别对应传感器子系统、数据采集与传输子系统、数据存储与处理子系统、损伤识别与状态评估子系统4个子系统。

图4 桥梁健康监测系统的组成图图源：永正检测、中交路桥

图5 香港某桥健康监测系统图源：永正检测、中交路桥

图6 监测指标和监测设备图源：永正检测、中交路桥

当前发展状态及主要问题是什么？

（一）当前的发展状态

技术成熟度曲线

桥梁健康监测系统的发展大致要经历了5个阶段，详见技术成熟度曲线见图7：

图7 桥梁健康监测系统成熟度曲线图图源：永正检测、中交路桥

a. 技术萌芽期

20世纪90年代，桥梁结构健康监测开始在中国得到应用。例如青马大桥、江阴长江公路大桥和虎门大桥等。

b. 期望膨胀期

2005年前后，大家对健康监测技术所能发挥作用的期望非常高，所建的桥梁健康监测系统的规模也普遍较大，通常单个系统规模都超过了3,000,000美金。

c. 泡沫化的低谷期

但是大家很快发现，桥梁健康监测技术还并不成熟，尚不能发挥预期的全部作用。所以，在2010年前后，桥梁结构健康监测技术就落到了泡沫化的谷底。

d. 稳步爬升的光明期

近年来，随着传感、采集、通讯、存储，特别是计算机分析与人工智能的快速发展，健康监测技术在中国又重新得到认可，并取得了较快发展。

这是目前我国桥梁健康监测系统发展正经历的阶段，随着技术的发展，桥梁健康监测系统除了在大型桥梁上成熟应用，其在中小桥梁的应用也在逐步开展。

e. 实质生产的高峰期

这是桥梁健康监测系统未来要经历的阶段，随着人工智能、大数据、5G技术的发展，未来桥梁健康监测系统的发展将出现高峰期，将进一步推动智慧桥梁管理的实现。

政策层面

2013年，交通运输部发布了《关于进一步加强公路桥梁养护管理的若干意见》提出，特大、特殊结构和特别重要桥梁的养管单位，要利用现代信息技术，建立符合自身特点的养护管理系统和健康监测系统。

2016年发布的《十三五公路养护管理发展纲要》中指出，高速公路运行实时监测覆盖率东、中部达到100%，西部地区重点路段达到100%。加强长大桥隧健康监测和动态运行监管，完善桥梁隧道运行监管制度。

2018年发布的《公路长大桥隧养护管理和安全运行若干规定》提出，长大桥隧经营管理单位应逐步建立长大桥隧结构监测体系，设置专人或委托专业机构对桥隧的结构状态和各类外部荷载作用下的响应情况进行监测，及时掌握长大桥隧的结构运行状况。

标准层面

目前我国已发布和在编写的桥梁健康监测系统相关的国家、学会以及地方标准有10多项，将进一步推动和规范桥梁健康监测系统的发展。

图8 健康检测系统相关的标准、规范图源：永正检测、中交路桥

应用层面

a. 健康检测系统的应用

据不完全统计，目前我国已实施桥梁健康监测系统的桥梁超过466座，其中桥梁主跨在300 m以上的桥梁147座。

b. 所发挥的作用：累积性损伤趋势推演

伸缩缝损伤发现与成因分析 ：车辆也带来了较大梁体加速度，这意味着较大的纵向冲击力。因此悬索桥和斜拉桥纵向运动形态有很大不同，较大的纵向累积行程和较大的纵向运动加速度是造成大桥伸缩缝损坏的主要原因。

伸缩缝累计损伤趋势推演作用 ：构造设计优化、实测行程特征、及时更换滑块和伸缩缝寿命预测。

c. 应用范围

健康监测技术近年来正逐步从特大跨径桥梁向常规桥梁拓展。目前江苏、武汉以及云南昆明等地区已经在中小跨径桥梁实施桥梁健康监测系统，并逐步实现桥梁健康监测集群化。

d. 应用功能

健康监测技术近年来正与BIM、电子化人工巡检系统和养护管理系统逐步融合。

（二）健康监测系统存在的主要问题

根据桥梁健康监测系统的现状，其技术、瓶颈以及未来突破方向总结见图9。

图9 桥梁健康监测技术瓶颈、突破图源：永正检测、中交路桥

问题1：为什么很多健康监测系统用不长久就坏？

当前桥梁健康监测系统实施过程中存在的主要认识误区，导致系统出现经常坏、不管用的情况。

监测系统经常坏的主要原因是系统在实施时 重总体轻细节、重设计轻施工、重传感轻后端、重实施轻维护。

出现系统不管用的主要原因是 重硬件轻软件、重数据轻分析。

问题2：特大桥系统能否简单照搬到常规桥？

顶层设计

特大桥系统和常规桥梁系统特点不同，因此常规桥梁应考虑降费、增效，在顶层设计时考虑建立轻型桥梁监测系统。

1）特大跨桥梁健康监测系统的特点： 单桥系统规模大、基础条件好（供电、通讯等）、变形量值大、后期维护集中，难度较小。

2）常规桥梁健康监测系统的特点： 单桥系统规模小、基础条件差、变形量值大、后期维护分散，难度较大。

3）硬件： 硬件在顶层设计时应根据特点考虑其构建系统的原则、思路以及系统组成，见图10。

图10 常规桥梁系统硬件设计图源：永正检测、中交路桥

4）软件： 适于常规桥梁安全监测系统特点的预警方法。如考虑预制空心板桥铰缝工作性能评价指标等。

功能设计

大型结构桥梁监测系统与常规桥梁监测系统在功能设计时的区别见图11。

图11 两种系统功能设计对比图源：永正检测、中交路桥

传感手段

传感手段应考虑低成本、高精度、一专多能以及新型监测传感器技术手段。

数据采集

对于数据采集传统方式为传感器+工控机，其存在主要问题是系统复杂、成本太高和工控机使用效率低等。对于常规桥梁数据采集研发方向是采用嵌入式系统，如振弦式应力传感器数据采集仪多路扩展器、多路热敏电阻信号调理器、新型数字温度传感器测温系统等。

数据传输

数据传输传统的方式是有线传输，其存在问题是多点分散，难以适用常规桥梁。对于常规桥梁数据传输解决思路：桥位有线+短途无线+公网或专网传输的方式，见图12。

图12 常规桥梁监测数据传输网络图源：永正检测、中交路桥

标准系统与简化系统测量参数对比

标准系统与简化系统测量参数不同，其对比见图13。

图13 两种系统测量参数对比图源：永正检测、中交路桥

问题3：如何让健康监测系统发挥作用？

1. 保证系统的稳定运行；

2. 高度重视异常信号的甄别与剔除；

异常信号的甄别与剔除的方法有：深度神经网络的异常数据自动探测、基于机器学习的监测数据预测与异常识别。

3. 有一套功能强大的可视化分析软件，见图14；

图14 典型系统可视化软件图源：永正检测、中交路桥

4. 建立合理可行的报警指标与阈值并与养护动作挂钩，见图15；

图15 报警指标与阈值与养护管理关系图源：永正检测、中交路桥

5. 通过统计分析发现异常，结合有限元仿真寻找异常产生原因；

6. 检测与监测相配合。今后分步骤研究的方向见图16。

图16 监测与检测研究方向图源：永正检测、中交路桥

监测与检测一体化系统架构包括：数据存储的一体化、软件功能的一体化、界面设计的一体化以及数据交换的一体化。

图源：永正检测、中交路桥