文 徐一超 張宇峰

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)通過布設(shè)于橋上的傳感設(shè)備，感知橋梁環(huán)境荷載、自身特性與結(jié)構(gòu)響應(yīng)信息，輔助橋梁管理和養(yǎng)護(hù)人員做出科學(xué)決策。對橋梁總體和擔(dān)心出現(xiàn)損傷的部位，它可以起到類似人體神經(jīng)系統(tǒng)的作用；對于已發(fā)現(xiàn)損傷部位，它的跟蹤觀測又可以起到類似于心電圖背包的作用。

本文重點分析目前橋梁健康監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)和存在的主要技術(shù)瓶頸，以及近年來在分布式傳感、異常數(shù)據(jù)處理等方面取得的一些突破。

開展橋梁健康監(jiān)測的目的是，監(jiān)測橋梁正常運營情況下的結(jié)構(gòu)性能退化特性，支持養(yǎng)護(hù)管理決策；完成極端荷載作用下的快速安全評估；驗證設(shè)計。

近年來，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)發(fā)展迅速，已成為傳統(tǒng)人工檢測方式的必要補充。從理論研究來看，涌現(xiàn)了大量的研究論文，舉辦了許多以結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測為主題的系列國際會議，如國際結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研討會、國際智能結(jié)構(gòu)和健康監(jiān)測會議等。另外，國際模態(tài)會議、SPIE年會等也都設(shè)置了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和損傷識別的專題。一系列橋梁健康監(jiān)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的編制與發(fā)布，則標(biāo)志著該技術(shù)正逐步趨于成熟。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的概念于20世紀(jì)30年代開始被提出，目前已被普遍認(rèn)為是提高工程結(jié)構(gòu)健康與安全及實現(xiàn)結(jié)構(gòu)長壽命和可持續(xù)管理的最有效途徑之一。從20世紀(jì)80年代起，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)開始逐步從航空、航天和機械領(lǐng)域向土木工程，尤其是橋梁領(lǐng)域拓展。歐美發(fā)達(dá)國家在20世紀(jì)80年代中后期，就已在多座橋梁上布設(shè)監(jiān)測傳感器，我國自20世紀(jì)90年代中期開始橋梁健康監(jiān)測方向的研究，目前已在包括江陰長江公路大橋、馬鞍山長江公路大橋、港珠澳大橋等眾多大跨徑橋梁上建立了不同規(guī)模的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前中國300米以上跨徑的斜拉橋、懸索橋中，至少有140座已安裝了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。此外，還有超過300座常規(guī)橋梁安裝了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。

相比于傳統(tǒng)的人工檢測方法，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)提高了對突發(fā)性損傷的發(fā)現(xiàn)速度；使累積性損傷的發(fā)展趨勢推演成為可能；可以實現(xiàn)對隱蔽部位的觀察；可在大的損傷和異常事件發(fā)生時及時報警；同時，監(jiān)測系統(tǒng)相當(dāng)于一個現(xiàn)場實驗室，有助于驗證設(shè)計，并指導(dǎo)今后類似橋梁的設(shè)計。

從發(fā)展趨勢來看，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)已逐步成為大橋建設(shè)工程的一部分；從應(yīng)用范圍來看，該系統(tǒng)正逐步從特大跨徑橋梁向常規(guī)橋梁拓展；從應(yīng)用功能來看，該系統(tǒng)正逐步與電子化人工巡檢系統(tǒng)和養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)相融合。可以預(yù)見，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)將在橋梁管理中發(fā)揮越來越大的作用，一個橋梁數(shù)字化時代正在來臨。

目前，健康監(jiān)測存在的技術(shù)瓶頸及今后的技術(shù)突破方向應(yīng)主要著眼于以下四個領(lǐng)域。

傳感領(lǐng)域：低成本、高耐久

傳感技術(shù)是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的前提條件，其性能直接決定了監(jiān)測效果的優(yōu)劣。近年來，傳感器的精度、穩(wěn)定性和耐久性已得到很大提高，但距離工程界期望仍有一定差距，今后的核心問題在于如何解決傳感器及采集系統(tǒng)低成本或高耐久的問題，以及如何實現(xiàn)可能損傷位置低成本覆蓋的問題。

近年來，分布式傳感技術(shù)、區(qū)域傳感技術(shù)及其相應(yīng)的分析理論體系得到了快速發(fā)展，為發(fā)現(xiàn)損傷和大幅降低系統(tǒng)造價提供了新的有益手段，是近期及今后的研究熱點之一。如東南大學(xué)吳智深教授團(tuán)隊的研究成果，構(gòu)建了以長標(biāo)距FBG為核心的區(qū)域傳感技術(shù)體系，利用單一的長標(biāo)距FBG傳感器，就可以實現(xiàn)裂縫探測、應(yīng)變測量、位移反演和結(jié)構(gòu)動力特性的計算分析，實現(xiàn)了一專多能。目前，蘇交科集團(tuán)已將此項技術(shù)廣泛應(yīng)用于蘇通長江公路大橋?qū)Ｓ煤降罉虻却罅繕蛄汗こ讨?。再如，蘇交科集團(tuán)與解放理工大學(xué)合作開發(fā)的柔性導(dǎo)電涂料技術(shù)，目前可以實現(xiàn)對0.05毫米以上裂紋進(jìn)行開裂報警，并被成功應(yīng)用于云南昆明東繞城公路大跨連續(xù)剛構(gòu)橋等橋梁工程。

數(shù)據(jù)采集與傳輸領(lǐng)域：穩(wěn)定性、同步性

數(shù)據(jù)采集精度近年來得到了快速提高，傳感與采集表現(xiàn)出日益集成化的趨勢，通訊技術(shù)的快速發(fā)展，也使得健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時傳輸能力大幅提高。就目前需求而言，技術(shù)瓶頸已基本被突破，這使得數(shù)據(jù)中心的建立成為可能。

從發(fā)展趨勢來看，由于近年來健康監(jiān)測技術(shù)在我國的應(yīng)用不斷從特大跨徑索承橋梁向常規(guī)橋梁延伸，而相比于以往面向特大跨徑橋梁而建立的規(guī)模較大的健康監(jiān)測系統(tǒng)，這些面向常規(guī)橋梁的健康監(jiān)測系統(tǒng)往往規(guī)模更小、分散性更強、供電和有線通訊條件不完備、管理單位對系統(tǒng)造價更敏感、對后期免維護(hù)或少維護(hù)的要求更高，這就造成這些系統(tǒng)需要采用更加分散性的采集系統(tǒng)，如將A/D轉(zhuǎn)換和通訊模塊與傳感器相結(jié)合，對無線通訊技術(shù)的需求更強烈，以及需要盡量減少能耗以便采用電池供電或用風(fēng)光互補的方式進(jìn)行供電。因此，在不大幅增加成本的前提下，提高無線傳輸?shù)姆€(wěn)定性、同步性，可能是今后幾年行業(yè)需重點面對的問題。

數(shù)據(jù)存儲與處理領(lǐng)域：海量數(shù)據(jù)處理

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)當(dāng)前主要技術(shù)瓶頸和技術(shù)突破方向

電子存儲技術(shù)的發(fā)展，使得海量數(shù)據(jù)的存儲不再成為制約健康監(jiān)測技術(shù)發(fā)展的瓶頸；計算機技術(shù)的發(fā)展，為實時數(shù)據(jù)處理提供了高速的計算平臺；非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、云技術(shù)等的發(fā)展，使得健康監(jiān)測數(shù)據(jù)快速檢索查詢技術(shù)日趨成熟。然而，這些先進(jìn)技術(shù)帶來的海量數(shù)據(jù)，大大超出了人們的接受能力，結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理過程和理解方式，已經(jīng)無法適應(yīng)在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取能力。因此，今后面臨的主要核心問題，將是如何在高噪聲環(huán)境下分離信號以及進(jìn)行知識挖掘，并結(jié)合數(shù)據(jù)可視化技術(shù)展示為橋梁工程師可理解的形式。

值得欣喜的是，近年來，計算機性能的提升及深度學(xué)習(xí)等技術(shù)的發(fā)展，大幅提升了健康監(jiān)測海量數(shù)據(jù)處理能力。目前，筆者團(tuán)隊已可采用機器學(xué)習(xí)算法，實現(xiàn)利用同源強相關(guān)的其他傳感器，來構(gòu)建被撤除或損壞的傳感器的信號；通過與哈爾濱工業(yè)大學(xué)合作，采用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開展異常數(shù)據(jù)自動探測，對異常數(shù)據(jù)識別的準(zhǔn)確率已超過90%，且隨著數(shù)據(jù)的持續(xù)積累，其準(zhǔn)確率還有望進(jìn)一步提高。

狀態(tài)評估領(lǐng)域：加強實用性

目前的技術(shù)已可實現(xiàn)對直接監(jiān)測構(gòu)件的評估，比如在索上布設(shè)振動加速度傳感器，則必然可對索力情況進(jìn)行評估，對其是否超限做出報警；在間接構(gòu)件評估（即利用周邊傳感器對這個構(gòu)件或部位的狀態(tài)做出評估）乃至面向多參數(shù)的全橋評估方面，很多方法已被理論上證明成立，甚至被實驗室數(shù)據(jù)所驗證，但大量傳統(tǒng)方法抗噪聲干擾能力差，在噪聲較大時便不能進(jìn)行正常識別。由于橋梁現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜、影響因素多源、強耦合，如何加強橋梁狀態(tài)評估技術(shù)的實用性成為首要問題?？煽紤]的思路是用統(tǒng)計性方法發(fā)現(xiàn)異常，再結(jié)合數(shù)值仿真分析來探求異常發(fā)生的原因。近年來，快速發(fā)展的人工智能與計算機仿真技術(shù)，已為此提供了強大工具并取得了一系列重要突破，該領(lǐng)域技術(shù)的深入進(jìn)展值得行業(yè)期待。