文/圖　遼寧省交通規(guī)劃設計院有限責任公司公路養(yǎng)護技術(shù)研發(fā)中心 張冠華

根據(jù)各類橋梁的實際情況，開發(fā)和應用集群化橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)，積極推進“互聯(lián)網(wǎng)+”、大數(shù)據(jù)等信息化手段在行業(yè)內(nèi)的應用，并將之與傳統(tǒng)模型相結(jié)合，更大程度地發(fā)揮橋梁監(jiān)測和養(yǎng)護數(shù)據(jù)的價值，保障橋梁的安全運營。

隨著我國公路橋梁事業(yè)的發(fā)展，橋梁數(shù)量越來越多，截止到2017年末，全國公路橋梁共計83.25萬座，比2016年增加了2.72萬座。在全部橋梁中，特大橋梁4646座、大橋91777座，絕大部分為中小跨徑橋梁。而對于數(shù)量眾多的橋梁，其安全監(jiān)測，目前仍主要應用人工檢測的方法，包括定期檢查和評估等。但實踐證明僅僅依靠人工檢測，將出現(xiàn)諸如檢測周期長導致橋梁信息獲取的滯后，檢測情況難以量化，造成相關(guān)人員不能準確了解橋梁的運行狀況等問題。隨著這些問題的出現(xiàn)，橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測技術(shù)越來越受到橋梁管理者的重視。

通過在橋梁上安裝安全監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)測橋梁的實際運行情況，量化監(jiān)測數(shù)值，便于定期維護。當橋梁出現(xiàn)狀況時可以及時發(fā)布預警，做好應對措施。因此，通過人工檢測與安全監(jiān)測相結(jié)合的方式對橋梁進行長期監(jiān)測，便能夠及時發(fā)現(xiàn)并解決橋梁的安全隱患。

中小跨徑橋梁監(jiān)測不足

根據(jù)相關(guān)資料，目前我國安裝設計較完備、傳感器齊全的安全監(jiān)測系統(tǒng)的橋梁不到300座。而導致橋梁安全監(jiān)測技術(shù)未能廣泛應用的原因主要有兩方面。其一是安全監(jiān)測系統(tǒng)費用昂貴。由組圖可知，無論是普通公路橋梁還是高速公路橋梁，中小跨徑橋梁都占據(jù)主要地位，而占主要地位的中小跨徑橋梁卻無法承受高昂的監(jiān)測費用。但大橋由于重要性等級較高，建設和養(yǎng)護的經(jīng)費充足，因此，安全監(jiān)測系統(tǒng)只在占很小比例的大跨徑橋梁中應用較多。基于此，應該更加重視中小跨徑橋梁集群化監(jiān)測技術(shù)的應用，因為中小跨徑橋梁同樣需要安全監(jiān)測。其二是技術(shù)的成熟度不夠，安全監(jiān)測系統(tǒng)涉及到傳感器的應用、信息傳輸與采集、數(shù)據(jù)存儲與分析等信息技術(shù)，雖然云平臺和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)也逐漸興起，并積極地嘗試應用，但某些技術(shù)還不是很成熟，限制了其推廣應用。

組圖：遼寧省公路橋梁分布情況

集群化橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)工作示意圖

集群化監(jiān)測系統(tǒng)

面對中小跨徑橋梁監(jiān)測成本高的問題，將眾多分散的橋梁進行集成化管理，實現(xiàn)遠程監(jiān)控，擴大監(jiān)測范圍，涵蓋更多的橋梁，節(jié)約人力和開發(fā)的成本，保證橋梁的安全運營，這就是集群化橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可根據(jù)每座橋梁的實際情況制定監(jiān)測方案，選定針對性的監(jiān)測參數(shù)，使用相應的傳感器采集數(shù)據(jù)，并存儲和傳輸數(shù)據(jù)，通過太陽能供電和無線網(wǎng)絡傳輸技術(shù)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇y(tǒng)一的平臺，實現(xiàn)信息的共享，并可對采集的數(shù)據(jù)進行相應的分析和處理。

系統(tǒng)的總體設計

集群化橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)研究主要包括四部分：橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)總體設計、關(guān)鍵監(jiān)測參數(shù)的確定、傳感器的選型和試驗及多傳感器集成設備的研制。橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)總體設計包括四個子系統(tǒng)即傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)和監(jiān)測與評估子系統(tǒng)。傳感器子系統(tǒng)主要為傳感器元器件及其附屬保護設施，接受監(jiān)控中心發(fā)出的指令，采集各種響應參數(shù)。傳感器“感知”這些參數(shù)幅值，并通過內(nèi)置感應電路將這些參數(shù)值轉(zhuǎn)換為電壓、電流信號及數(shù)字信號，并傳輸給現(xiàn)場工作站的采集計算機，完成信號數(shù)據(jù)的采集。

數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)由分布在全橋的多個采集工作站、通信光纜和控制軟件等組成，主要是通過光纜將采集數(shù)據(jù)輸送到監(jiān)控中心的服務器，具備信號數(shù)據(jù)的預處理、臨時歸檔、顯示和及時存儲等功能。數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)為監(jiān)控中心系統(tǒng)的“數(shù)據(jù)信息心臟”。主要是管理和儲存整個系統(tǒng)的靜態(tài)資料信息和動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)。監(jiān)測與評估子系統(tǒng)主要是利用各種監(jiān)測數(shù)據(jù)、分析算法和評估理論完成橋梁監(jiān)測信息的發(fā)布、結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估等工作。通過對現(xiàn)有橋梁病害的調(diào)研，以及對病害類型的統(tǒng)計分析，了解安全重要控制部件和位置，分析影響橋梁安全的各種關(guān)鍵因素，確定安全監(jiān)測的關(guān)鍵參數(shù)，根據(jù)相關(guān)規(guī)程設置監(jiān)測參數(shù)布點。

傳感器的選型及試驗

為了確定何種類型的傳感器更適合進行位移的長期靜態(tài)監(jiān)測，分別使用加速度傳感器、傾角儀及靜力水準儀三種傳感器進行位移的測試試驗。試驗結(jié)果表明，加速度傳感器測試位移，誤差較大，影響因素多，不適于位移的長期位移監(jiān)測；傾角儀換算位移，精度較好，但受溫度影響大，成本較高，適用于動態(tài)監(jiān)測；水準儀測試精度最高，更適用于長期靜態(tài)監(jiān)測。多傳感器集成設備的研制包括硬件設備的集成、相關(guān)軟件的編制及加速度采集卡的研制等。這些設備能夠支持系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)調(diào)度、數(shù)據(jù)采集與傳輸及數(shù)據(jù)斷點續(xù)傳。減小了體積且安裝方便，也解決了兼容性問題，同時降低了成本。

實際工程的應用

在實際應用中，以預應力混凝土連續(xù)箱梁為例，其病害主要表現(xiàn)為下?lián)线^大、腹板易產(chǎn)生裂縫，所以確定關(guān)鍵監(jiān)測參數(shù)為跨中豎向變形及腹板裂縫寬度。除此之外，將混凝土應變、振動特性和縱向位移、體外索應變及梁內(nèi)溫度作為輔助監(jiān)測參數(shù)。安裝靜力水準儀、裂縫計、拾振器、混凝土應變計、鋼索計等傳感器，以及系統(tǒng)控制箱、太陽能控制器等相關(guān)集成設備，進行現(xiàn)場調(diào)試，開發(fā)可視化界面，實現(xiàn)對橋梁相關(guān)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。

大數(shù)據(jù)的分析與應用

隨著云平臺、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的出現(xiàn)，以及現(xiàn)有數(shù)據(jù)質(zhì)和量的復雜性變化，在分析橋梁安全監(jiān)測數(shù)據(jù)時，需要新的信息技術(shù)。通過統(tǒng)計學、機器學習及大數(shù)據(jù)分析等手段，分析相應的數(shù)據(jù)。

集成橋梁的監(jiān)測與養(yǎng)護數(shù)據(jù)

大數(shù)據(jù)的分析過程主要包括數(shù)據(jù)預處理、特征提取以及數(shù)據(jù)挖掘過程。在數(shù)據(jù)預處理過程中主要包括數(shù)據(jù)的清洗和集成。數(shù)據(jù)清洗是為了消除錯誤、冗余和數(shù)據(jù)噪音，將不同的、不兼容的規(guī)則所得的各種數(shù)據(jù)集一致化。數(shù)據(jù)集成是為了合并多個數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)，將其存放到一個一致的數(shù)據(jù)存儲中。目前，在橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析過程中，主要就是將橋梁的健康監(jiān)測數(shù)據(jù)和橋梁養(yǎng)護數(shù)據(jù)進行集成。在特征提取階段，需要將機器學習算法不能識別的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可識別的數(shù)值特征。比如通過統(tǒng)計分析提取的統(tǒng)計特征，模態(tài)識別提取的模態(tài)特征等。

在數(shù)據(jù)挖掘過程中，主要包括分類、聚類、關(guān)聯(lián)度分析，異常檢測等算法。每一種算法又包含不同的方法，比如分類方法中包括貝葉斯、神經(jīng)網(wǎng)絡、支持向量機、決策樹、組合分類、基于規(guī)則分類等方法；聚類算法中有層次方法、高級聚類、基于密度方法、基于網(wǎng)格方法等，為了取得更好的效果，根據(jù)實際問題選擇相應的方法。

集群化橋梁安全監(jiān)控中心（研究中心）

數(shù)據(jù)融合技術(shù)尚未成熟

目前，大數(shù)據(jù)分析方法在橋梁安全監(jiān)測中的應用情況主要有四個方面：包括對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分類、聚類分析、小波變換和神經(jīng)網(wǎng)絡等方法的數(shù)據(jù)預測，關(guān)聯(lián)度分析和異常數(shù)據(jù)識別，以及數(shù)據(jù)的融合。通過對不同測點的數(shù)據(jù)進行分類、聚類分析可得到不同工況下的結(jié)果，從而評估橋梁結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)；應用小波變換等方法能夠得出結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢，從而預測橋梁未來一段時間的運行狀態(tài)；關(guān)聯(lián)度分析則能夠探究不同類型監(jiān)測參數(shù)之間的相互作用規(guī)律，通過對異常數(shù)據(jù)的識別，了解橋梁的運行狀態(tài)，從而做出預警；數(shù)據(jù)融合，即融合橋梁設計、施工、運營中的病害、事故、書籍、論文等信息，但受制于技術(shù)的發(fā)展，該方向更偏向于理論研究，尚未成熟。

大數(shù)據(jù)分析與橋梁監(jiān)測

將集群化公路橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)分析，主要包括四個部分，即數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)展示。數(shù)據(jù)處理過程主要是將傳感器數(shù)據(jù)導入到分布式數(shù)據(jù)庫中，進行異常值過濾和離群點檢測，采用線性二次平滑補全數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)歸一。

數(shù)據(jù)存儲過程是將來自各個傳感器和數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲，采用分布式數(shù)據(jù)庫對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行存儲和訪問。在數(shù)據(jù)分析階段，采用相關(guān)大數(shù)據(jù)組件進行關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘、異常數(shù)據(jù)分類和時間序列數(shù)據(jù)預測。在關(guān)聯(lián)度分析過程中，首先開展數(shù)據(jù)的預處理工作，構(gòu)建頻繁項集，在可能的延遲時間內(nèi)，找出潛在的關(guān)聯(lián)關(guān)系，也可以根據(jù)實際情況及養(yǎng)護經(jīng)驗進行參數(shù)的選擇和數(shù)值的離散化，再通過FP-GROWTH算法挖掘頻繁項集，從而找出不同類型傳感器或者同一類型傳感器的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

對于未來的橋梁養(yǎng)護和管理，除了關(guān)注橋梁安全監(jiān)測內(nèi)容和技術(shù)的發(fā)展以外，同時要加大力度進行數(shù)據(jù)的分析和評價，還可以嘗試將氣象數(shù)據(jù)、交通數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)引入，做更多的分析和處理。在此基礎上，開闊思路，橫向分析，探索同類型橋梁的共性，應用新方法和新技術(shù)，為橋梁的養(yǎng)護和管理提供新思路。