策劃|本刊記者 楊燕

文|四川省公路規(guī)劃勘察設計研究院有限公司 鄺靖 張二華 吳滌

我國西南山區(qū)地形地貌復雜多變、地質構造復雜、地殼活動活躍、地形起伏巨大，加之水系庫區(qū)密布和惡劣氣候條件影響，給山區(qū)公路橋梁建養(yǎng)和路網(wǎng)安全暢通運營帶來嚴峻挑戰(zhàn)?；诖耍跇蛄猴L險監(jiān)測方面，除了關注橋梁結構自身健康狀態(tài)所引起的運營安全風險之外，云南、貴州、四川等省份還需疊加關注橋梁所處的環(huán)境和災害風險。

目前，我國已構建橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的橋梁類型主要為特大跨徑橋梁。其中，長三角、粵港澳大灣區(qū)、沿長江經(jīng)濟帶等經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)的大跨度橋梁和特殊橋梁普遍安裝了監(jiān)測系統(tǒng)；西南地區(qū)多數(shù)大跨徑橋梁也均構建了監(jiān)測系統(tǒng)，但反觀當前的山區(qū)橋梁監(jiān)測與預警評估系統(tǒng)仍存在著構建不充分、標準不統(tǒng)一、應用不深入、維護不到位、監(jiān)管未成網(wǎng)、數(shù)據(jù)未共享等主要問題。

為此，本文分析了現(xiàn)階段山區(qū)公路橋梁結構監(jiān)測與預警評估技術的發(fā)展瓶頸、解決方案、實施效果等，以期為行業(yè)提供參考。

現(xiàn)階段的發(fā)展瓶頸是什么

目前，監(jiān)測我國山區(qū)公路橋梁結構狀態(tài)的智能感知技術進步顯著，數(shù)據(jù)規(guī)模、質量大幅提升，但尚處于發(fā)展期的山區(qū)公路橋梁結構監(jiān)測與預警評估技術，仍存在成本之“重”、預警之“誤”、評估之“惑”等發(fā)展瓶頸。

近年來，工程結構領域開始采用現(xiàn)代化傳感、數(shù)采和通信等物聯(lián)網(wǎng)技術手段，將橋隧結構響應參數(shù)和周邊環(huán)境變化參數(shù)等指標轉換為可量測、可判讀的信息化數(shù)據(jù)，再利用人工智能、大數(shù)據(jù)分析等信息處理技術，將相關數(shù)據(jù)轉化為及時準確的預警信號和科學可靠的評估結論。基于此，新興的橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)，能實時采集基礎設施運營環(huán)境條件和響應等數(shù)據(jù)變化，再根據(jù)數(shù)據(jù)分析結果實現(xiàn)及時的安全預警和科學的安全評估,為其安全運營和養(yǎng)護維修決策提供技術支撐。

推廣公路橋梁結構健康和安全風險監(jiān)測系統(tǒng)、完善路網(wǎng)運行安全監(jiān)測預警體系是推進公路養(yǎng)護轉型、加快構建現(xiàn)代公路養(yǎng)護管理體系的重要舉措，同時也是強化公路安全運營動態(tài)監(jiān)管、健全風險防范化解機制、防范突發(fā)安全事故的迫切需要。

成本之“重”

公路基礎設施自動化和智能化監(jiān)測預警已逐漸成為解決山區(qū)公路橋隧結構安全風險防控的有效技術途徑。其中，四川建議將監(jiān)測系統(tǒng)分成三類，即綜合集成監(jiān)測系統(tǒng)、特定目標監(jiān)測系統(tǒng)和應急監(jiān)測系統(tǒng)。這標志著我國山區(qū)公路橋梁結構狀態(tài)的智能感知技術顯著進步，但尚處于發(fā)展期的山區(qū)公路橋梁結構監(jiān)測與預警評估技術，仍存在著構建不充分、標準不統(tǒng)一、應用不深入、維護不到位、監(jiān)管未成網(wǎng)、數(shù)據(jù)未共享等主要問題。

成本之“重”

目前，針對不同山區(qū)公路橋梁的工程特點、自然環(huán)境和運行條件，在選取相對應的監(jiān)測方法、技術及指標時，公路交通行業(yè)內尚未建立統(tǒng)一的標準體系，導致安全監(jiān)測系統(tǒng)建設質量參差不齊，系統(tǒng)建設運維成本不合理，監(jiān)測系統(tǒng)在結構健康監(jiān)測與多災害耦合監(jiān)測之間顧此失彼，從而制約了其在行業(yè)內的推廣普及。

預警之“誤”

一方面，因行業(yè)內不同領域間的數(shù)據(jù)孤島、數(shù)據(jù)壁壘未打破，深層次、專業(yè)性的數(shù)據(jù)挖掘分析不能普及服務于不同領域、不同群體、不同場景之中，導致橋梁監(jiān)測的預警可靠性難以保證。另一方面，目前的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)多基于單個監(jiān)測點設置閾值，其單點數(shù)據(jù)異常即表明橋梁結構狀態(tài)異常。在野外復雜運營環(huán)境下，噪聲干擾、環(huán)境干擾，以及電磁干擾等因素，均可導致傳感器采集數(shù)據(jù)出現(xiàn)奇異點，造成監(jiān)測預警虛報、誤報率較高，預警可靠性較低。

預警之“誤”

評估之“惑”

安全風險管理行業(yè)的新需求

目前山區(qū)公路橋隧結構運營安全風險管理的理念和體系正逐漸由低級走向高級、由簡單走向復雜。在現(xiàn)代山區(qū)公路橋隧結構安全管理中，引入風險管理的理論和方法，并按照“事前全面預防、事中有效控制、事后有效處置”的順序，建立全過程安全管理措施體系，是山區(qū)公路橋梁、隧道、邊坡工程開展集群化和信息化管理的新需求。

一方面，橋梁監(jiān)測與預警系統(tǒng)構建不充分，僅少數(shù)重點山區(qū)公路橋梁建設了監(jiān)測系統(tǒng)，且未充分發(fā)揮其系統(tǒng)作用；另一方面，在公路交通行業(yè)，雖然通過橋梁檢測技術評定橋梁技術狀態(tài)，再根據(jù)橋梁技術狀態(tài)等級評定結果，制定對應養(yǎng)護維修處置策略的檢測方式已較為成熟，但由于橋梁監(jiān)測預警技術尚處于發(fā)展期，監(jiān)測預警與應急響應、安全評估與養(yǎng)護維修策略尚未形成統(tǒng)一閉環(huán)，導致安全監(jiān)測應用不深，尚未完全發(fā)揮其實效。

表1 橋梁結構技術狀態(tài)評定頻率

完善監(jiān)測預警體系已成為四川重點工作

作為全國自然災害發(fā)生最頻繁，受災最嚴重的省份之一，“十四五”期間，四川就將“提升交通防災減災體系韌性”作為交通強國建設試點任務之一，其中“完善監(jiān)測預警體系，創(chuàng)新應急處置機制”是重要的工作內容。具體要求涵蓋：普及對自然災害風險點和隱患點的排查、辨識和評估；實時監(jiān)測危險路段的地質及氣象災害風險，以及橋隧等特殊構造物的健康狀況；強化監(jiān)測數(shù)據(jù)的科學分析，并有效利用于災害風險提前報警和結構健康狀況精準預警；加強監(jiān)測預警與路網(wǎng)運營養(yǎng)護相關業(yè)務應用系統(tǒng)的對接聯(lián)動，推動建立公路交通設施和路域災害的監(jiān)測預警體系；完善風險普查辨識、災害監(jiān)測預警、應急處置保障、運營養(yǎng)護管理的新型閉環(huán)治理機制和配套制度。最終達到有效防范化解路網(wǎng)區(qū)域性重大風險，提升路網(wǎng)防災減災體系韌性的總體目標。

雅康高速瀘定大渡河大橋

解決發(fā)展瓶頸的新技術有哪些

針對山區(qū)公路橋梁結構監(jiān)測與預警評估技術面臨的發(fā)展瓶頸，筆者團隊梳理了解決山區(qū)公路工程安全監(jiān)測新挑戰(zhàn)的一整套技術解決方案，即山區(qū)公路網(wǎng)工程結構安全監(jiān)測指標體系設計和優(yōu)化方法、面向云服務的山區(qū)公路工程結構集群化安全監(jiān)測預警平臺、地理信息模型和結構信息模型輔助的數(shù)據(jù)分析和預警評估方法、安全預警與應急響應聯(lián)動機制+安全評估與養(yǎng)管決策支持機制，并基于此，研發(fā)了“基于GIS+BIM+AIOT數(shù)據(jù)平臺的工程結構安全智能監(jiān)測云”。

安全監(jiān)測指標體系設計與優(yōu)化

山區(qū)公路網(wǎng)工程結構安全監(jiān)測指標體系設計和優(yōu)化方法，是在工程結構安全風險辨識分析結果的基礎上，根據(jù)山區(qū)橋梁結構風險等級、風險程度與監(jiān)測需求，將監(jiān)測系統(tǒng)分為不同類別后，再設計安全監(jiān)測體系。

通過安全監(jiān)測指標體系設計與優(yōu)化降低建設運維成本

山區(qū)公路橋梁監(jiān)測預警技術方案

A類綜合集成監(jiān)測系統(tǒng)：以橋梁結構整體安全為目的，同時監(jiān)測多個目標或多種項目的綜合集成的長期監(jiān)測系統(tǒng)。

B類特定目標監(jiān)測系統(tǒng)：針對某一項或幾項特定的結構安全風險，而專門實施的長期監(jiān)測系統(tǒng)。

C類應急監(jiān)測系統(tǒng)：針對應急監(jiān)測任務或特殊監(jiān)測目標，而臨時實施的短期監(jiān)測系統(tǒng)。

通過采用山區(qū)公路工程安全監(jiān)測指標體系設計優(yōu)化方法，可在工程結構安全風險辨識分析結果的基礎上，優(yōu)先選取和監(jiān)測風險損失大、發(fā)生概率高或對頂上事件重要性系數(shù)高的風險事件；可在保障公路運營安全的基礎上，盡量減少監(jiān)測指標和監(jiān)測點，不僅降低了系統(tǒng)建設運維成本，而且縮短了建設工期。據(jù)統(tǒng)計，采用此方法，系統(tǒng)建設費降低約20%，相應的系統(tǒng)建設工期同比減少約15%。

表2 橋梁安全風險等級及其對應的監(jiān)測需求和策略

集群化安全監(jiān)測云平臺

山區(qū)橋梁是保障公路網(wǎng)暢通的咽喉要道，尤其當受力復雜、規(guī)模龐大的工程結構發(fā)生垮塌，會給道路搶通造成極大困難，甚至使整條線路中斷。因此，在面對山區(qū)公路工程結構安全監(jiān)測的新挑戰(zhàn)時，應基于面向多用戶云服務需求，建立安全可靠、性能先進、兼容異構設備和協(xié)議、升級擴展方便的數(shù)據(jù)平臺系統(tǒng)軟件架構與硬件搭建方案；基于MQTT協(xié)議，開發(fā)適用于公路設施安全監(jiān)測的物聯(lián)網(wǎng)通信應用模塊，支持傳感器與服務器之間的高并發(fā)雙向通信和遠程控制；基于HTTPS協(xié)議開發(fā)用戶和第三方系統(tǒng)訪問通信模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在異構系統(tǒng)之間的路由轉發(fā)，支持不同權限用戶的遠程訪問；針對橋、隧、地災、路面等不同專業(yè)開發(fā)具體的業(yè)務規(guī)則引擎，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的分類存儲、計算、預警和展示等功能；制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信訪問規(guī)則和統(tǒng)一的程序功能接口，以便跨專業(yè)的各監(jiān)測項目及第三方外部監(jiān)測系統(tǒng)能夠快速接入和集成到數(shù)據(jù)平臺。

采用集群化安全監(jiān)測云平臺，可實現(xiàn)山區(qū)公路區(qū)域路網(wǎng)內跨項目、跨專業(yè)的工程結構集群化安全監(jiān)測，以及信息化管理功能。

數(shù)據(jù)分析和監(jiān)測預警專業(yè)規(guī)則鏈

面向云服務需求的山區(qū)高速公路工程結構安全監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)平臺技術框圖

數(shù)據(jù)分析和監(jiān)測預警專業(yè)規(guī)則鏈

基于單傳感器閾值的預警方法，安全監(jiān)測系統(tǒng)誤報率較高，降低了安全監(jiān)測系統(tǒng)的可信度。針對這些問題，應以交通系統(tǒng)可靠性、最優(yōu)決策及風險管理理論為基礎，運用信息論、大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和關聯(lián)分析等先進技術和數(shù)據(jù)挖掘方法，建立以結構狀態(tài)特征值為核心的山區(qū)公路工程結構安全預警機制。

其中，以“BIM+GIS”技術為例，通過該技術，可實現(xiàn)山區(qū)公路區(qū)域路網(wǎng)內集群化工程結構、在線監(jiān)測設備、地理空間信息與結構空間信息的融合；結構和設備狀態(tài)的快速查詢、定位和綜合展示，突破了傳統(tǒng)里程定位模式的效率瓶頸；利用在線數(shù)據(jù)清洗、分析算法，有機融合在線監(jiān)測數(shù)據(jù)、地理空間信息和結構空間信息，構建了關聯(lián)分析和設備故障研判底層數(shù)學模型。

監(jiān)測預警與應急響應聯(lián)動機制疊加安全評估與養(yǎng)管決策支持機制

結合行業(yè)主管部門應急管理策略，基于橋梁結構安全狀態(tài)分級預警架構，建立以結構狀態(tài)特征值為核心的山區(qū)公路工程結構安全預警機制和應急響應機制；同時建立人工檢查與自動化監(jiān)測互補的安全評估方法和運營養(yǎng)護策略。

安全預警與應急響應聯(lián)動機制標準流程圖

橋梁結構安全狀態(tài)（健康度）評估頻率（推薦）

通過實施以狀態(tài)特征值為核心的山區(qū)公路工程結構安全預警機制和應急響應機制、人工檢查與自動化監(jiān)測互補的安全評估方法和運營養(yǎng)護策略，為山區(qū)公路工程結構的實時聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測、快速預警和養(yǎng)管決策提供支持。

山區(qū)公路結構安全風險監(jiān)測預警體系和平臺建設的五個問題

目前，我國山區(qū)公路橋梁結構監(jiān)測預警與評估技術雖然取得了一定成果，但是對比交通運輸部《公路長大橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)建設實施方案》要求，山區(qū)公路結構安全風險監(jiān)測預警體系和平臺建設還存在諸多問題。

問題一：針對山區(qū)公路的工程特點、自然環(huán)境和運行條件，如何科學合理地選取監(jiān)測指標，強化對地災、洪水等自然災害引發(fā)的結構安全風險監(jiān)測。

問題二：針對異構系統(tǒng)兼容性差、數(shù)據(jù)和信息交互不暢的問題，如何統(tǒng)一監(jiān)測業(yè)務系統(tǒng)與行業(yè)監(jiān)管平臺之間的數(shù)據(jù)交互接口和編碼規(guī)約。

問題三：針對行業(yè)內“重監(jiān)測數(shù)據(jù)、輕分析評估”的現(xiàn)狀，如何從應急響應和養(yǎng)管決策的需求出發(fā)補充完善相關技術要求，強調安全預警和評估的重要性，并加強系統(tǒng)長期持續(xù)運行的績效評估。

問題四：針對行業(yè)內“重系統(tǒng)建設、輕系統(tǒng)運維”的現(xiàn)狀，如何結合基層養(yǎng)管單位的養(yǎng)護人員配置和技術經(jīng)驗等實際情況，鼓勵采用社會化服務采購方式承擔系統(tǒng)運維、安全預警和評估等專業(yè)工作，并完善配套技術要求和管理規(guī)定。

問題五：為貫徹交通運輸部要求安全風險監(jiān)測和人工巡視檢查并行互補，共同為路網(wǎng)安全運營和養(yǎng)護維修提供決策支持的指導方針，如何補充完善現(xiàn)行公路養(yǎng)護管理制度的相關技術要求和管理規(guī)定。

表3 安全評估與養(yǎng)管決策支持機制

新技術的實施應用效果怎么樣

截至目前，“基于GIS+BIM+AIOT數(shù)據(jù)平臺的工程結構安全智能監(jiān)測云”已陸續(xù)應用于四川雅西、雅康、西攀、仁沐新等10余條高速公路的40多座橋梁、隧道、高危邊坡的安全風險監(jiān)測項目。通過工程實踐檢驗，其安全預警準確率超過80%，在應急搶險、維修加固和恢復重建工程中效果顯著。本文以雅西高速姚河壩大橋、成綿復線石亭江大橋、仁沐新高速陳橋壩大橋為例，分析了這3座橋梁的主要問題、監(jiān)測內容，以及結構安全風險監(jiān)測預警的效果。

雅西高速姚河壩大橋 為左幅橋盡早開放單幅雙向通行創(chuàng)造條件

2021年9月20日，四川雅西高速姚河壩大橋突發(fā)高位塌方，造成道路中斷。在四川省交通運輸廳的統(tǒng)籌安排下，橋梁、地質、巖土、檢測、監(jiān)測等專業(yè)的12名技術人員趕到現(xiàn)場配合開展災損調查、檢測監(jiān)測等工作。

在此次搶險工作中開展智能監(jiān)測的目的有兩個，一是保障現(xiàn)場邊坡危巖體清除等施工作業(yè)過程中施工人員和裝備安全，如遇二次災害發(fā)生，提前預警；二是保障左幅橋開放單幅雙向通行后，左幅橋梁結構的運營安全。

圍繞這兩個目的，技術人員首先采用邊坡雷達和三維激光掃描等新技術，連續(xù)實時監(jiān)測危巖體的變形位移情況，同時采用拉線式位移計實時監(jiān)測坡頂鐵塔周邊地表的變形情況。此外，還智能監(jiān)測了面臨姚河壩大橋崩塌體正面沖擊風險的左幅橋，主要監(jiān)測橋墩的傾斜度、梁體的位移情況，以及裂縫寬度的發(fā)展變化等。相關的監(jiān)測指標一旦超過預警值，技術人員的工程結構安全智能監(jiān)測云平臺就會自動通過短信、微信向現(xiàn)場人員發(fā)布預警消息，施工作業(yè)人員可提前撤離，現(xiàn)場交通可臨時管制，以最大限度減少損失。

通過智能監(jiān)測，為左幅橋盡早開放單幅雙向通行創(chuàng)造了條件，為現(xiàn)場搶險的施工作業(yè)人員提供了安全保障。

雅西高速姚河壩大橋監(jiān)測點

成綿復線石亭江大橋

成綿復線石亭江大橋 保障加固處置期間的施工及運營安全

成綿復線石亭江大橋為跨越石亭江、地方公路而設，全橋采用29×30米預應力混凝土簡支T梁，長878.1米，其中河堤內共12跨，橋梁下部采用鋼筋混凝土雙柱式橋墩，鉆孔摩擦樁基礎，按左、右幅橋分幅設計。

石亭江位于龍門山山區(qū)進入平原的沖積扇。經(jīng)過漫長的地質年代，河流動力與河床形成了脆弱的沖淤平衡狀態(tài)，因橋址區(qū)域歷次集中強降雨，造成成綿復線高速公路石亭江大橋部分樁基在沖刷作用下受損，石亭江大橋河床累計下切沖刷深度較大，給橋梁自身及運營均帶來了極大的安全隱患，如不及時處置，沖深加劇的趨勢難以避免。2021年，在不中斷交通的情況下，運營單位處置了石亭江大橋橋墩沖刷、樁基外露等病害。為保障加固處置期間該橋的施工安全及運營安全，共計布設橋墩墩頂傾斜度監(jiān)測點32個，橋墩相對沉降監(jiān)測點10個，鋼柱應變監(jiān)測點80個，承臺傾斜度監(jiān)測點8個；此外，為便于監(jiān)測數(shù)據(jù)處理分析時消除橋位處溫度變化對監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響，布設環(huán)境溫度監(jiān)測點1個。

通過收集及分析監(jiān)測點、傳感器的數(shù)據(jù)信息，可為全天候結構安全監(jiān)測預警、定期結構安全評估、應急安全評估、應急交通管制建議、應急搶險及臨時加固保通等工作提供基礎技術數(shù)據(jù)支持。

仁沐新高速陳橋壩大橋 通車后的全天候結構安全監(jiān)測預警

陳橋壩大橋位于仁沐新高速公路k148+173處，橋梁全長207米，橋跨布置為4×25米+4×25米，橋面全寬25.5米，左右幅橋梁為分離的獨立橋梁。上部結構采用25米預應力混凝土預制簡支T梁，左右幅橋梁橫向各布設6片T梁，梁高1.75米。下部結構采用雙圓柱式墩臺樁基礎。

受地下采空區(qū)影響，陳橋壩大橋施工過程中發(fā)現(xiàn)有基礎沉降和局部滑移現(xiàn)象，后對該橋0#臺及1#至4#墩實施了增設鋼管排架輔助墩等維修加固處治措施。為確保通車后橋梁結構運營安全，仁沐公司在該橋的地基整體變位（GNSS）處布設了監(jiān)測點3個，基準點1個；墩臺相對沉降（靜力水準儀）處布設監(jiān)測點16個，基準點4個；墩臺傾斜度（雙軸傾角計）處的每個墩臺布設1個監(jiān)測點，全橋共計18個；在墩（臺）與梁間相對位移（位移計）處順橋向布設4個監(jiān)測點，橫橋向布設4個監(jiān)測點。全橋共計布設了50余個（套）傳感器。

仁沐新高速陳橋壩大橋

在此基礎上，“基于GIS+BIM+AIOT數(shù)據(jù)平臺的工程結構安全智能監(jiān)測云”可以實現(xiàn)全天候結構安全監(jiān)測預警，通過所收集的數(shù)據(jù)，技術人員還可以開展定期結構安全評估、災后應急安全評估、預警后應急安全評估，并為災后應急交通管制、災后應急搶險及臨時加固保通處置提供建議。

目前，我國山區(qū)橋梁監(jiān)測與預警評估系統(tǒng)仍存在構建不充分、標準不統(tǒng)一等問題。夏成功 攝