楊 揚(yáng) 徐一超 張宇峰

(1.在役長(zhǎng)大橋梁安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 211112； 2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司 南京 211112)

當(dāng)前，我國(guó)橋梁總數(shù)已超過(guò)百萬(wàn)座，其中，公路橋梁總數(shù)已達(dá)87.83萬(wàn)座，其中特大橋5 716座、大橋108 344座。隨著我國(guó)橋梁數(shù)量的逐漸增多和橋齡的逐漸增加，橋梁的健康與安全問(wèn)題也日益引起關(guān)注[1-2]。

檢監(jiān)測(cè)技術(shù)是保障橋梁安全運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵，依靠現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)獲取橋梁結(jié)構(gòu)的損傷狀況與動(dòng)力特征，從而分析橋梁的實(shí)際承載狀況[3-4]。橋梁檢測(cè)采取科學(xué)的方法和技術(shù)對(duì)橋梁運(yùn)營(yíng)狀態(tài)進(jìn)行局部測(cè)試及整體評(píng)估，監(jiān)測(cè)通過(guò)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)狀況的監(jiān)控與評(píng)估為橋梁的維護(hù)維修和管理決策提供依據(jù)與指導(dǎo)[5]。隨著工程應(yīng)用的不斷增多，現(xiàn)階段橋梁檢監(jiān)測(cè)技術(shù)的問(wèn)題也日益突出，可概括為以下4個(gè)方面。

1) 理念問(wèn)題。設(shè)計(jì)階段缺乏對(duì)橋梁管養(yǎng)中檢測(cè)與監(jiān)測(cè)需求的考慮。

2) 標(biāo)準(zhǔn)體系問(wèn)題。標(biāo)準(zhǔn)的建立未能與工程發(fā)展的實(shí)際需求同步。

3) 方法、工具與裝備問(wèn)題?，F(xiàn)有技術(shù)與設(shè)備未能適應(yīng)復(fù)雜多變的檢(監(jiān))測(cè)環(huán)境。

4) 數(shù)據(jù)分析問(wèn)題。海量多源的數(shù)據(jù)堆積，未能得到充分有效利用。

本文擬通過(guò)歸納總結(jié)現(xiàn)階段橋梁檢監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，針對(duì)目前研究存在的不足，指出橋梁健康檢測(cè)與監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和研究方向，以推動(dòng)橋梁檢監(jiān)測(cè)技術(shù)向“低成本、高精度、短時(shí)延”發(fā)展。

1 橋梁檢測(cè)與監(jiān)測(cè)技術(shù)的存在問(wèn)題

1.1 理念、觀念問(wèn)題

精細(xì)化、全壽命的設(shè)計(jì)理念是歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家在橋梁設(shè)計(jì)中的主導(dǎo)思想，其強(qiáng)調(diào)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段便應(yīng)充分考慮橋梁養(yǎng)護(hù)、檢修等情況，為相關(guān)工作預(yù)留空間或設(shè)置構(gòu)造措施。而目前國(guó)內(nèi)的橋梁設(shè)計(jì)中總體仍缺乏對(duì)橋梁養(yǎng)護(hù)階段的考慮，導(dǎo)致在橋梁檢測(cè)與養(yǎng)護(hù)難以做到“可達(dá)、可檢、可修”，更勿論“易達(dá)、易檢、易修”，這反映了當(dāng)前橋梁設(shè)計(jì)中全局性理念的缺失。例如，在國(guó)內(nèi)，除了跨江、跨海的大型、特大型橋梁設(shè)計(jì)有專門的檢修通道外，其他類型橋梁一般沒(méi)有相應(yīng)的設(shè)施，缺乏對(duì)橋梁易檢測(cè)性的考慮[6]。檢修通道的缺乏，給橋梁的有效檢測(cè)帶來(lái)了一定的難度。而若采用橋梁檢測(cè)車進(jìn)行檢查，一方面占用車道，影響交通；另一方面也增加了檢測(cè)工作的經(jīng)濟(jì)投入，與橋梁檢測(cè)“低成本”的發(fā)展目標(biāo)相矛盾。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)體系問(wèn)題

中國(guó)的高速發(fā)展為工程建設(shè)帶來(lái)了全新的發(fā)展機(jī)遇，但與此同時(shí)，快速的發(fā)展也使工程實(shí)踐遠(yuǎn)超前于現(xiàn)有的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。目前，工程領(lǐng)域的很多標(biāo)準(zhǔn)難以與工程實(shí)踐的快速發(fā)展同步?，F(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)總體上體系完整性不夠、描述清晰度不足、可操作性不強(qiáng)。在橋梁檢測(cè)與監(jiān)測(cè)方面，標(biāo)準(zhǔn)體系的不完善主要表現(xiàn)在以下7個(gè)方面：①缺少針對(duì)鋼-混組合結(jié)構(gòu)等新型結(jié)構(gòu)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)；②缺少災(zāi)后快速檢測(cè)與評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)；③缺少有效預(yù)應(yīng)力等傳統(tǒng)難檢項(xiàng)目的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)；④缺少無(wú)人機(jī)等新型檢測(cè)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)；⑤缺少健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)施工、質(zhì)量評(píng)定、維護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；⑥缺少監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)交換與數(shù)據(jù)處理標(biāo)準(zhǔn)；⑦缺少監(jiān)測(cè)系統(tǒng)報(bào)警閾值設(shè)定及狀態(tài)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 方法、工具、裝備問(wèn)題

檢測(cè)與監(jiān)測(cè)中所采用方法、設(shè)備的合理性和有效性是確保橋梁健康評(píng)估結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵保障。目前，橋檢車與無(wú)人機(jī)是抵近觀察檢測(cè)中常用的方法。但橋檢車工作時(shí)不僅影響道路交通，而且存在較高的安全隱患。而無(wú)人機(jī)在操控的便利性、續(xù)航能力、測(cè)試噪聲等方面也存在較大的問(wèn)題，始終未能得到完善的解決[7]。另外，橋墩、基礎(chǔ)等構(gòu)件常常需要進(jìn)行水下檢測(cè)。而目前水下檢測(cè)主要依靠潛水員水下摸排及觀察。一方面，潛水員檢測(cè)效果受光照、水質(zhì)等因素影響較大；另一方面，潛水員往往不是橋梁工程師，難以對(duì)水下觀測(cè)結(jié)果做出直接判斷，需要再次進(jìn)行行業(yè)術(shù)語(yǔ)轉(zhuǎn)換，然后判斷結(jié)構(gòu)的損傷程度。二次轉(zhuǎn)換過(guò)程必然會(huì)導(dǎo)致部分信息丟失，不夠準(zhǔn)確，從而降低了檢測(cè)的效率。

在無(wú)損檢測(cè)方面，目前所能采用的手段亦尚不完善，存在大量難檢項(xiàng)目。例如對(duì)橋梁纜索的腐蝕斷絲檢測(cè)，目前仍大量采用開窗法進(jìn)行，否則無(wú)法觀察到纜索內(nèi)部的情況，而這又對(duì)纜索護(hù)套造成了損傷。同時(shí)，混凝土中的實(shí)際預(yù)應(yīng)力檢測(cè)、孔道壓漿密實(shí)度檢測(cè)等也一直很難取得突破性進(jìn)展。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)是用來(lái)評(píng)價(jià)橋梁承載力的重要手段，但傳統(tǒng)荷載試驗(yàn)方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，對(duì)交通影響大，成本代價(jià)高。試驗(yàn)檢測(cè)過(guò)程數(shù)據(jù)錄入，雖然實(shí)現(xiàn)了信息化，但操作不便、實(shí)際效率很低。另外，現(xiàn)行健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)雖在通信和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層面的發(fā)展已能滿足需求，未來(lái)5G的應(yīng)用也會(huì)加速提升性能，但在數(shù)據(jù)采集與獲取方面，存在著傳感器使用壽命遠(yuǎn)小于橋梁設(shè)計(jì)使用年限，點(diǎn)式傳感器的信號(hào)與結(jié)構(gòu)損傷之間的邏輯性和聯(lián)系性較弱，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)施安裝缺少行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等系列問(wèn)題。

1.4 數(shù)據(jù)分析問(wèn)題

健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)捕捉諸如應(yīng)變、變形等海量信息數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)獲取到數(shù)據(jù)處理，再到分析評(píng)估，通過(guò)一整套分析過(guò)程，將信號(hào)提取為信息，最后轉(zhuǎn)化為知識(shí)，從而表征橋梁服役的性能狀況。

近年來(lái)，隨著傳感、通信與存儲(chǔ)技術(shù)的飛速發(fā)展，橋梁檢測(cè)與監(jiān)測(cè)中數(shù)據(jù)獲取能力得到了極大提升，但這又造成了數(shù)據(jù)分析方面的能力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)獲取能力。在數(shù)據(jù)處理方面，耦合數(shù)據(jù)分離困難等技術(shù)問(wèn)題一直未得到很好解決，自動(dòng)化處理程度有待進(jìn)一步提高；在分析評(píng)估方面，通過(guò)構(gòu)件級(jí)的直接或間接評(píng)估到全橋評(píng)估發(fā)展緩慢，評(píng)估指標(biāo)體系與預(yù)警有待進(jìn)一步優(yōu)化，評(píng)估報(bào)告對(duì)業(yè)主養(yǎng)護(hù)管理的建設(shè)性意見(jiàn)支持不夠。在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，對(duì)于包括來(lái)源于設(shè)計(jì)、施工、檢測(cè)、監(jiān)測(cè)等多源數(shù)據(jù)的綜合分析問(wèn)題能力提升將是一個(gè)需要重點(diǎn)突破的環(huán)節(jié)。

2 在智慧化、數(shù)字化方向發(fā)展突破的建議

2.1 技術(shù)趨勢(shì)準(zhǔn)確把握

如何保障橋梁的安全性、耐久性和使用功能已成為目前橋梁工程界的巨大挑戰(zhàn)。橋梁工程技術(shù)發(fā)展也面臨以建設(shè)為主向建養(yǎng)并重轉(zhuǎn)型，隨著對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)要求、服役要求、以及長(zhǎng)期性能要求的提高，橋梁檢測(cè)與監(jiān)測(cè)及其相關(guān)的病害診斷與分析技術(shù)的研究將呈現(xiàn)出新的趨勢(shì)，主要表現(xiàn)為“深入化”“集成化”“標(biāo)準(zhǔn)化”與“智能化”四大特征。

1) 深入化。結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理研究將逐步從微觀向宏觀、從短期向長(zhǎng)期、從單因素向多因素耦合拓展。

2) 集成化。無(wú)損檢測(cè)裝備與養(yǎng)護(hù)維修裝備的小型化、專業(yè)化、集成化程度將日益提高；健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中傳感、采集與傳輸設(shè)備的高度集成將是大勢(shì)所趨；依托BIM平臺(tái)，設(shè)計(jì)、施工、檢測(cè)、監(jiān)測(cè)、養(yǎng)護(hù)、維修的信息將高度集成融合。

3) 標(biāo)準(zhǔn)化。不僅是傳統(tǒng)意義上的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)、養(yǎng)護(hù)管養(yǎng)動(dòng)作和質(zhì)量評(píng)定方法的標(biāo)準(zhǔn)化，也包括為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通的信息標(biāo)準(zhǔn)化工作的快速推進(jìn)。

4) 智能化。隨著機(jī)理研究日益深入、數(shù)據(jù)積累日益增多，信息融合日益加強(qiáng)，大數(shù)據(jù)分析、云計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)的進(jìn)步，橋梁管養(yǎng)智能化研究將日益受到關(guān)注，結(jié)構(gòu)病害的早期識(shí)別、趨勢(shì)推演、檢測(cè)評(píng)分自動(dòng)進(jìn)行、安全風(fēng)險(xiǎn)自動(dòng)排序、養(yǎng)護(hù)資金智能優(yōu)化配置、橋梁壽命預(yù)測(cè)將成為可能。

2.2 理念與觀念創(chuàng)新突破

結(jié)合城市發(fā)展與新型橋梁建設(shè)需求構(gòu)建城市橋梁資產(chǎn)管理系統(tǒng)，積極推進(jìn)面向管養(yǎng)的精細(xì)化設(shè)計(jì)、資產(chǎn)管理與分類分級(jí)。建立橋梁資產(chǎn)管理系統(tǒng)見(jiàn)圖1，該系統(tǒng)可為管理部門提供橋梁設(shè)計(jì)、施工、管理全過(guò)程信息，實(shí)現(xiàn)橋梁全生命周期健康狀態(tài)演化分析[8]。

圖1 橋梁資產(chǎn)管理系統(tǒng)

2.3 標(biāo)準(zhǔn)體系的完善

為加強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)和監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的建設(shè)和管理，使安全檢測(cè)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)施和驗(yàn)收工作制度化、規(guī)范化，越來(lái)越多的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)被制定和執(zhí)行[9]。由于橋梁檢測(cè)和監(jiān)測(cè)工作的涉及面廣、專業(yè)技術(shù)要求高，因此高水平的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)正在追趕工程實(shí)踐的發(fā)展腳步[10]。

為此，在橋梁檢測(cè)方面，行業(yè)內(nèi)部存在一些計(jì)劃修訂的標(biāo)準(zhǔn)，并且會(huì)對(duì)行業(yè)規(guī)范發(fā)展產(chǎn)生極大的推動(dòng)作用，包括《公路橋梁預(yù)制節(jié)段拼裝混凝土橋墩技術(shù)規(guī)程》《鋼混組合結(jié)構(gòu)梁橋養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)程》《鋼結(jié)構(gòu)橋梁質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定規(guī)程》《橋梁快速荷載試驗(yàn)與評(píng)估技術(shù)規(guī)程》《橋梁振動(dòng)測(cè)試與性能評(píng)估技術(shù)規(guī)程》《公路工程預(yù)應(yīng)力施工質(zhì)量與驗(yàn)收規(guī)程》等。在橋梁監(jiān)測(cè)方面，包括《橋梁健康監(jiān)測(cè)報(bào)警閾值設(shè)定規(guī)程》《橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》《橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理指南》《橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)施工質(zhì)量評(píng)定指南》《橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)維護(hù)技術(shù)指南》等。

2.4 實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)技術(shù)突破

在橋梁檢測(cè)中，目前大量采用近距離人工觀測(cè)或接觸式儀器檢測(cè)，風(fēng)險(xiǎn)高且需投入大量的人員與資金。另一方面，對(duì)于部分關(guān)鍵部位由于位置隱蔽往往難以得到有效地檢查，從而導(dǎo)致橋梁檢測(cè)合格但實(shí)際承載能力嚴(yán)重受損的情況出現(xiàn)。因此，應(yīng)大力發(fā)展非接觸性的表觀病害檢測(cè)，提升隱蔽部位、難檢部位的檢測(cè)能力和檢測(cè)效率，提升現(xiàn)場(chǎng)記錄的自動(dòng)化和信息化的水平。例如研發(fā)基于深度學(xué)習(xí)的病害識(shí)別技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)自動(dòng)提取病害的特征，實(shí)現(xiàn)病害高精度識(shí)別[11-12]；研發(fā)基于磁致伸縮導(dǎo)波的無(wú)損性拉吊索斷絲檢測(cè)技術(shù)，對(duì)于斷絲截面損失情況進(jìn)行精準(zhǔn)化評(píng)估[13]；研發(fā)準(zhǔn)靜態(tài)快速荷載試驗(yàn)技術(shù)，縮短荷載試驗(yàn)時(shí)間并降低試驗(yàn)成本，同時(shí)精準(zhǔn)評(píng)價(jià)橋梁的承載力狀況[14]；研發(fā)同步壓縮變換瞬時(shí)頻率算法，有效提取重車通過(guò)時(shí)索承橋的索力極值，為超載報(bào)警和突發(fā)事件的安全評(píng)估做出及時(shí)預(yù)判；研發(fā)更高精度、高頻率的位移測(cè)量技術(shù)，如長(zhǎng)標(biāo)距的光纖傳感、微波干涉雷達(dá)等技術(shù)[15-16]，見(jiàn)圖2。只有不斷突破技術(shù)瓶頸，才能不斷提高橋梁檢測(cè)的效率，準(zhǔn)確地評(píng)估橋梁狀態(tài)。

圖2 橋梁檢測(cè)與監(jiān)測(cè)技術(shù)突破

在橋梁狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方面，目前普遍存在傳感器壽命低、點(diǎn)式布置傳感器難以反映全橋的損傷狀況，以及缺乏現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施、評(píng)定與維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)等問(wèn)題。同時(shí)，對(duì)于海量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，自動(dòng)化處理程度仍有待提高，且耦合數(shù)據(jù)分離始終存在困難。另一方面，在分析評(píng)估中，目前總體停滯于構(gòu)件級(jí)評(píng)估，而全橋評(píng)估發(fā)展緩慢，對(duì)于結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的預(yù)警與評(píng)估指標(biāo)也有待進(jìn)一步優(yōu)化?；谏鲜鲆蛩?，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)耐久性高、生產(chǎn)成本低且易更換的傳感器的研發(fā)與應(yīng)用。同時(shí)，推廣分布式傳感器的應(yīng)用，加強(qiáng)傳感器對(duì)結(jié)構(gòu)全局狀態(tài)的捕捉，并建立健全傳感器采集標(biāo)準(zhǔn)，推進(jìn)傳感設(shè)備布設(shè)與運(yùn)營(yíng)維護(hù)的規(guī)范化。此外，在數(shù)據(jù)處理與狀態(tài)評(píng)估方面，充分利用云計(jì)算、人工智能技術(shù)推進(jìn)數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化與智能化；并研發(fā)時(shí)空數(shù)據(jù)融合計(jì)算，推進(jìn)檢測(cè)監(jiān)測(cè)一體化大數(shù)據(jù)分析，建立橋梁健康狀態(tài)時(shí)空演化模型[17]。新型數(shù)字溫度傳感器測(cè)溫系統(tǒng)，運(yùn)用無(wú)源擺幅速率控制和瞬時(shí)強(qiáng)上拉技術(shù)，提升監(jiān)測(cè)效率的同時(shí)成本較低，具有作為長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)手段的可能[18]?；陂L(zhǎng)標(biāo)距光纖光柵技術(shù)，通過(guò)推算結(jié)構(gòu)撓度轉(zhuǎn)角、動(dòng)力特征、交通荷載等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)變處理、變形解析、模態(tài)解析、全橋荷載識(shí)別、損傷識(shí)別及異常分析[19]。基于分布式傳感導(dǎo)電涂料對(duì)裂縫具有電阻強(qiáng)敏感性，對(duì)橋梁混凝土裂縫的寬度計(jì)算、發(fā)展閾值報(bào)警，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裂縫進(jìn)展的方法[20]。對(duì)于監(jiān)測(cè)過(guò)程中采集的海量數(shù)據(jù)，采用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的異常數(shù)據(jù)自動(dòng)探測(cè)，在數(shù)據(jù)缺失時(shí)補(bǔ)充數(shù)據(jù)，利用實(shí)測(cè)和預(yù)測(cè)的差異進(jìn)行探測(cè)異常[21]。綜合發(fā)展傳感設(shè)備與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)管理制度，并面向自動(dòng)化、智能化發(fā)展橋梁數(shù)據(jù)分析技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展問(wèn)題的突破。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著中國(guó)橋梁建設(shè)的不斷發(fā)展，巨大的存量和增量不僅為橋梁健康和安全帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)，也為橋梁檢監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)踐和創(chuàng)新的帶來(lái)了巨大機(jī)遇。文中闡述了現(xiàn)階段橋梁檢測(cè)與監(jiān)測(cè)技術(shù)的存在問(wèn)題，同時(shí)指出了可能的突破方法和手段。

隨著人工智能、5G通信、大數(shù)據(jù)及云計(jì)算的進(jìn)步和普及，未來(lái)橋梁的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)發(fā)展趨勢(shì)，可以歸納為以下方面：①?gòu)钠茐男詸z測(cè)向無(wú)損檢測(cè)轉(zhuǎn)變；②從人工檢測(cè)向機(jī)械智能化檢測(cè)轉(zhuǎn)變；③數(shù)據(jù)采集方式從人工記錄向系統(tǒng)自動(dòng)采集轉(zhuǎn)變；④從周期性檢測(cè)、檢查向?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)變；⑤檢測(cè)手段從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)操向智能感知轉(zhuǎn)變；⑥檢測(cè)裝置從臨時(shí)性設(shè)備向長(zhǎng)期性預(yù)埋傳感器轉(zhuǎn)變；⑦檢測(cè)評(píng)估從少量抽樣數(shù)據(jù)研判向大數(shù)據(jù)分析轉(zhuǎn)變。