文/本刊記者 汪玚

橋梁結構監(jiān)測技術在橋梁及隧道的突發(fā)事件應急管理、結構損傷成因分析、指導養(yǎng)護等多個方面發(fā)揮著重要作用。針對山區(qū)橋隧結構安全保障，現(xiàn)有的監(jiān)測解決方案可以解決什么問題？實現(xiàn)橋梁結構健康監(jiān)測又面臨著怎樣的挑戰(zhàn)？

北京源清慧虹信息科技有限公司（以下簡稱“源清慧虹”）首席技術官吳猛、應用創(chuàng)新總監(jiān)韓亮在2021中國山區(qū)橋梁與隧道結構安全技術交流會上，分別以“基于無線傳感技術的橋梁安全運營綜合管養(yǎng)平臺”“橋梁結構健康監(jiān)測中的算法工程實踐”，介紹了源清慧虹在橋隧監(jiān)測方面的實踐經驗。

橋梁數(shù)字化、自動化、智能化已成必要趨勢

從建成、學會到奮發(fā)追趕、超越引領，中國廣泛應用新技術、新材料、新工藝、新設備，拉開了我國現(xiàn)代梁橋、拱橋、斜拉橋和懸索橋的建設序幕，奠定了中國現(xiàn)代橋梁向“大跨、輕型、高強”發(fā)展的方向?？梢哉f，我國橋梁從數(shù)量、規(guī)模到質量，均已走在世界前列。

然而，我國雖是橋梁大國，卻是管養(yǎng)弱國。

原交通部總工程師鳳懋潤曾在2015年接受采訪時表示，當時我國約有50萬座橋存在養(yǎng)護難題。

步入新時代，橋梁養(yǎng)護面臨新的挑戰(zhàn)。

交通運輸部副部長戴東昌在2021年1月7日的電視電話會議中指出，我國公路橋梁取得了舉世矚目的成就，有力保障了人民群眾出行安全和經濟社會高效運轉。但與此同時，我國危病橋梁多、老舊橋梁多、低荷載橋梁多等問題與部分橋梁即將達到設計使用年限、橋梁養(yǎng)護高峰期即將集中到來、部分橋梁“未老先衰”等中長期風險交織疊加，存在復雜周期性問題，迫切需要系統(tǒng)性解決。

近年來交通運輸部發(fā)布的橋梁智能監(jiān)測相關政策文件

2020年12月28日，交通運輸部印發(fā)了《關于進一步提升公路橋梁安全耐久水平的意見》，明確到2025年，基本完成2020年底存量四、五類橋梁改造，對部分老舊橋梁實施改造，國省干線公路新發(fā)現(xiàn)四、五類橋梁處治率100%，實現(xiàn)全國高速公路一、二類橋梁比例達95%以上，普通國省干線公路一、二類橋梁比例達90%以上，跨江跨?？鐛{谷等特殊橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)全面建立。到2035年，公路橋梁建設養(yǎng)護管理水平進入世界前列，基本實現(xiàn)并不斷完善管理體系和管理能力現(xiàn)代化。

從交通運輸主管部門出臺的一系列政策文件中也可以看出，橋梁數(shù)字化、自動化、智能化已成為必要趨勢。

北京源清慧虹信息科技有限公司首席技術官吳猛（源清慧虹供圖）

橋梁監(jiān)測：病害早發(fā)現(xiàn)、早治療、低成本、低風險、低碳環(huán)保

在吳猛看來，橋梁結構安全管理養(yǎng)護的要點應在于把控“時刻”與“時期”，掌握“局部”與“整體”。即由預防性主動養(yǎng)護、結構監(jiān)測與人工檢測結合、信息化綜合養(yǎng)護管理平臺共同組成橋梁結構安全與耐久性綜合評估，用以輔助決策。

基于物聯(lián)網感、傳、知、用技術，適用于橋梁施工期及運營期結構監(jiān)測。源清慧虹提出的集硬件、軟件、數(shù)據(jù)、算法為一體的橋梁結構監(jiān)測系統(tǒng)整體解決方案，可在施工期監(jiān)測確保橋梁建成后的內力狀態(tài)和外形曲線滿足規(guī)范和設計理論要求；橋梁運營期，結構監(jiān)測通過各監(jiān)測指標參數(shù)數(shù)值、變化趨勢的合理計算和分析對橋梁工作狀態(tài)進行評估和預報，以確保橋梁管理者隨時隨地了解橋梁的安全運行狀況，輔助進行科學決策。

通過傳感器獲取橋梁結構設計、環(huán)境荷載、結構響應、人工檢測等數(shù)據(jù)，通過算法完成數(shù)據(jù)清洗、統(tǒng)計分析、力學分析等，對橋梁結構狀態(tài)進行分析評估，對結構可能存在或潛在的異常進行報警，從而形成可執(zhí)行的管養(yǎng)建議，為管養(yǎng)決策提供可靠依據(jù)。

吳猛認為，智能無線傳感網部署靈活、實時性好，在安全應急和賦能行業(yè)等方面優(yōu)勢顯著，是基礎設施結構新一代監(jiān)測技術。

橋梁結構健康監(jiān)測已經成為目前在橋梁運營階段采用的維養(yǎng)新技術。“我國已有近千座各類橋梁安裝了結構健康監(jiān)測系統(tǒng)。人工智能的技術進步為橋梁結構健康監(jiān)測提供了諸多應用場景。”同濟大學橋梁工程系主任孫利民在2021年6月的第一屆橋梁結構健康與安全論壇中表示。

據(jù)了解，源清慧虹橋梁結構監(jiān)測系統(tǒng)整體架構分為實地部署的傳感網和在線監(jiān)測云平臺兩部分?！耙罁?jù)標準規(guī)范體系，賦能安全運營。開放標準開發(fā)接口，賦能平臺擴展集成?！眳敲徒榻B說，該橋梁結構監(jiān)測系統(tǒng)以“三化六能”助力智慧管養(yǎng)。

“三化”，即通過基礎設施檔案系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)字化、通過檢測/監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)自動化、通過數(shù)據(jù)驅動管養(yǎng)實現(xiàn)智能化；六能，即信息資產管理、實時報警/應急響應、智能報告報表、專業(yè)結構評估算法、動態(tài)運營管理（自動化定巡檢）、BIM & GIS可視化。

而這樣的橋梁結構監(jiān)測系統(tǒng)還具備更多優(yōu)勢。

安裝了源清慧虹健康監(jiān)測系統(tǒng)的瀘州沱江三橋（攝影：王宇）

“我們通過無線傳感網技術具有超低功耗、時間同步、觸發(fā)聯(lián)動、OTA空中升級等領先技術；通過前端分析、云端分析和離線分析等技術實現(xiàn)結構分析；通過兩端協(xié)同智能技術實現(xiàn)前端智能、端云協(xié)同、數(shù)據(jù)/算法中臺、硬件中臺。”吳猛說，“我們還研發(fā)了權威機構認證的30余種無線傳感器和30余套安全評估軟件，可通過索力計、振動計、溫濕度計、傾角計、網關、陣線應變計等硬件產品完成數(shù)據(jù)獲??；通過數(shù)據(jù)清洗技術處理缺失、噪聲、跳點、突變漂移、連續(xù)漂移等；充分利用監(jiān)測系統(tǒng)的海量數(shù)據(jù)，研發(fā)了專門適用于監(jiān)測場景的自動模態(tài)參數(shù)識別算法，實現(xiàn)模態(tài)參數(shù)變化趨勢的長期跟蹤；報警預警；同時，建立管養(yǎng)專家知識庫，基于報警結果，明確關聯(lián)管養(yǎng)動作，為養(yǎng)護決策提供數(shù)據(jù)支持?！?/p>

算法：橋梁監(jiān)測的“金鑰匙”

數(shù)據(jù)、算力、算法被譽為人工智能的三大基石。其中算法的迭代更新引領了人工智能技術演進，也將是未來人工智能突破發(fā)展的關鍵所在。

有人說，在人工智能領域，如果沒有算法，智能就只是“傳說”，沒有靈魂。

算法代表著用系統(tǒng)的方法描述解決問題的策略機制。也就是說，如果算法有缺陷，或不適合，執(zhí)行算法就將不會解決問題。如果缺少核心算法，碰到關鍵性問題時，就會遭遇“卡脖子”。

橋梁結構監(jiān)測系統(tǒng)的順利運行，硬件、軟件、算法三者缺一不可。

韓亮通過橋梁結構監(jiān)測系統(tǒng)中算法研發(fā)、算法落地和算法應用三個層面，回答了算法從哪里來、到哪里去和怎樣被使用的問題。

算法研發(fā)：從哪里來？

韓亮指出，算法來自于實際工程?！拔覀冊诠こ讨邪l(fā)現(xiàn)問題，對問題進行準確、有效的定義，其次是對數(shù)據(jù)和橋梁結構關系的理解，最后才是算法本身的研發(fā)和創(chuàng)新?！?/p>

韓亮坦言，這三個步驟也正是橋梁結構監(jiān)測系統(tǒng)的算法研發(fā)主要面臨的三大挑戰(zhàn)。

要想對問題進行準確、有效的定義，需要避免過于籠統(tǒng)的定義，如籠統(tǒng)定義為“評價橋梁結構的安全狀態(tài)”等，還需要避免過于拔高，比如理論上仍然極為困難的“結構損傷精確識別”等。

在對數(shù)據(jù)和橋梁結構關系進行理解時，需要基于力學分析，把握理論模型和實際環(huán)境之間的異同，需要基于數(shù)據(jù)（統(tǒng)計）驅動的方法分析，也需要一定的結構分析理論支撐。

而針對監(jiān)測場景的算法研發(fā)創(chuàng)新時，監(jiān)測場景中的算法需要充分考慮結構荷載/響應數(shù)據(jù)的特征，和適應長周期數(shù)據(jù)及流式數(shù)據(jù)的處理，最終導向高效率、自動化、智能化。

韓亮以“GNSS+加速度測量動態(tài)撓度”為例，給記者具體講述了橋梁結構監(jiān)測算法研究過程中的這三個步驟。

“其問題定義為：目前，測量大跨徑橋梁動態(tài)撓度多采用GNSS，但GNSS在動態(tài)模式下的豎向測量精度僅為厘米級。因此，需要設計一種能夠提高精度的方法；其數(shù)據(jù)/結構特征為：GNSS數(shù)據(jù)精度較低，高頻噪聲非平穩(wěn)。加速度數(shù)據(jù)動態(tài)性好，低頻噪聲影響大；算法創(chuàng)新為：自適應數(shù)據(jù)融合算法?！?/p>

而這一過程，并非簡簡單單的數(shù)據(jù)提取、模型建立和深度學習后的人工智能。

“結構監(jiān)測算法研發(fā)實踐需要打破土木工程、信息科學、計算機科學、通信科學、數(shù)理科學、其他科學等多重學科壁壘，深度融合。”韓亮告訴記者，“我們會經過需求討論、提取數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)整合、缺失值處理、特征工程、模型評估等，這是一個曲折復雜的過程。”

算法落地：到哪里去？

在韓亮看來，算法要落地，其最終目的是為工程服務。

近年來結構健康監(jiān)測數(shù)據(jù)分析研究取得了很多進展，結構工程師們開發(fā)出了各種先進實用的數(shù)據(jù)分析算法。但普遍來說，大多數(shù)結構工程師主要擅長數(shù)據(jù)分析和仿真計算等，對軟件工程了解并不多。而過去的結構健康監(jiān)測軟件平臺基本是高度定制化開發(fā)的，涉及復雜的軟件工程，因此實際中工程師們難以將成果轉化為高質量的工具或集成到系統(tǒng)平臺中推廣使用。相比于該領域的前沿理論研究，算法落地的嚴重滯后性已經成為了制約結構監(jiān)測發(fā)展的瓶頸之一。

北京源清慧虹信息科技有限公司應用創(chuàng)新總監(jiān)韓亮（攝影：陳楠枰）

而在結構監(jiān)測算法落地的實踐中，基于中臺化、低代碼化設計的算法平臺可謂重中之重。

“算法平臺主要用于將算法與軟件工程進行解耦，并打造專門為結構監(jiān)測設計的算法庫。結構工程師完成核心算法開發(fā)后，可通過簡單的可視化配置實現(xiàn)自動部署發(fā)布，直接集成至結構健康監(jiān)測軟件平臺中，形成可供調用的算法服務?！表n亮介紹說，“線上開發(fā)環(huán)境也很重要，可一鍵對接結構監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，極大提升工程人員的探索分析數(shù)據(jù)的效率。另外，對于數(shù)據(jù)分析相關任務可給統(tǒng)一的解決方案，實現(xiàn)了算法模塊的高度可擴展性與可復用性，并且極大提升了易用性?！?/p>

算法應用：怎樣被使用？

韓亮指出，在橋梁結構監(jiān)測系統(tǒng)中，算法的價值輸出主要還是體現(xiàn)在評估報警方面。

然而，目前結構監(jiān)測算法應用面臨著算法研發(fā)水平不足、對使用者不夠友好、算法分析向價值轉化不清晰等三重挑戰(zhàn)。

“算法研發(fā)方面，自動化、智能化的水平仍然不足，算法的效果、效率、魯棒性仍有待進一步提高，在線分析技術仍需進行更多的研究；在產品易用性方面，大量使用者了解行業(yè)和業(yè)務，但并不了解算法背后的實現(xiàn)細節(jié)，目前普遍缺少針對結構監(jiān)測的專業(yè)易用的算法‘產品’，數(shù)據(jù)分析過程對用戶而言費時費力，結果晦澀難懂，缺少實際有效的指導意義；算法分析向價值轉化則是最核心的問題，不少結構監(jiān)測平臺都有數(shù)據(jù)分析模塊，但分析結果大多停留在界面上，更像是一個‘體驗工具’，并不能高效打通算法與報警預警、報告報表以及管養(yǎng)決策之間的關系……”在韓亮看來，結構監(jiān)測算法應用應著力打通算法與平臺報警功能、算法與管養(yǎng)決策、算法與評估報告報表之間的關系，提升算法庫的專業(yè)性，降低用戶的使用門檻?！白鲂袠I(yè)人員真正看得懂、用得上的系統(tǒng)，這是我們的一個愿景?！?/p>