文/圖 安徽省交通控股集團(tuán)有限公司 張立奎

作為長江流域安徽段上首座跨江公路大橋及國家高速公路網(wǎng)G3京臺高速的重要組成部分，于1995年12月26日建成通車的銅陵大橋全長2592米，主跨為432米，橋型為雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，日均車流量達(dá)4萬輛次。

太平湖大橋位于黃山區(qū)太平湖柳家梁峽谷風(fēng)景區(qū)，跨越太平湖，日均車流量為1萬輛次。橋梁全長504米，主跨為336米，橋型為中承式鋼管混凝土提籃拱橋，主橋行車道系由預(yù)制鋼筋混凝土π型橋面板、“工”字形鋼橫梁和大“H”形鋼縱梁等組成，于2007年8月建成通車。

太平湖大橋 安徽省交通控股集團(tuán)有限公司 圖

原系統(tǒng)運行情況

2011年底，銅陵大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)建成，主要包含自動化監(jiān)測、綜合管理、系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)庫管理和用戶界面5個子系統(tǒng)，布設(shè)環(huán)境、作用、結(jié)構(gòu)響應(yīng)及變化監(jiān)測點共計182個；采用的傳感器包括動態(tài)稱重系統(tǒng)、超聲風(fēng)速儀、GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）、壓力變送器、光纖光柵應(yīng)變計、加速度計等，信號傳輸網(wǎng)絡(luò)采用光纖冗余環(huán)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；系統(tǒng)軟件采用B/S架構(gòu)開發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)橋梁基礎(chǔ)信息管理、各類監(jiān)測數(shù)據(jù)展示、歷史數(shù)據(jù)查看、統(tǒng)計報表分析和查看、系統(tǒng)訪問控制等功能。

銅陵大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)

太平湖大橋原有結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)于2017年建設(shè)完成并投入使用，系統(tǒng)由傳感器、數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)處理與分析、結(jié)構(gòu)健康預(yù)警與評估子系統(tǒng)組成，監(jiān)測內(nèi)容包括主拱變形、結(jié)構(gòu)振動、吊桿力、主拱應(yīng)變等，共布設(shè)監(jiān)測點137個（含48個棱鏡）；結(jié)構(gòu)振動和吊桿力監(jiān)測采用加速度計，主拱應(yīng)變監(jiān)測采用振弦式應(yīng)變計和電阻應(yīng)變計，主拱線形主要通過全站儀進(jìn)行定期人工觀測；系統(tǒng)軟件采用C/S（客戶機/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)開發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的在線展示和查詢功能。

兩座大橋的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)建成后，經(jīng)管養(yǎng)單位委托專業(yè)機構(gòu)定期維護(hù)，總體運行正常，不僅分析評估每月數(shù)據(jù)，為養(yǎng)護(hù)工程師提供大橋運行關(guān)鍵結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)報告，還在特殊工況下發(fā)揮了重要作用。例如：在2016年銅陵大橋換索工程中，實時監(jiān)測并記錄了不同工況下的橋梁線形變化。

系統(tǒng)改造原因

部分設(shè)備老化

截至2021年試點改造前，兩座大橋的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)已分別運行了10年和4年，部分監(jiān)測設(shè)備受野外環(huán)境及元器件老化影響，存在故障率增高、工作性能變差等現(xiàn)象，需及時更換。如銅陵大橋存在部分光纖傳感器損壞及光纖光柵解調(diào)儀故障率高、壓力變送器管路老化破損、交換機到達(dá)壽命年限等問題；太平湖大橋則存在部分索力計和加速度計故障問題，以上種種，均已無法滿足現(xiàn)代管養(yǎng)需求，亟待改造升級。

新的標(biāo)準(zhǔn)要求

2021年7月，交通運輸部發(fā)布《公路長大橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)試點建設(shè)技術(shù)指南》（以下簡稱《指南》），對長大橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測內(nèi)容、監(jiān)測方法、數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用等方面進(jìn)行了指導(dǎo)和規(guī)范。在監(jiān)測內(nèi)容方面，銅陵大橋缺少索塔錨固區(qū)溫濕度、塔頂風(fēng)速風(fēng)向、梁端轉(zhuǎn)角、塔頂振動等監(jiān)測項；太平湖大橋缺少車輛荷載、風(fēng)速風(fēng)向、溫濕度、縱向位移、主梁應(yīng)變及變形等監(jiān)測項。在監(jiān)測方法方面，《指南》要求對關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實時動態(tài)監(jiān)測，而太平湖大橋主拱變形則采用人工定期測量；在軟件架構(gòu)方面，《指南》要求采用B/S架構(gòu)，而太平湖大橋為C/S架構(gòu)。

新的功能要求

按《指南》系統(tǒng)應(yīng)用功能的要求，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)需具備實時和自動預(yù)警功能，并分為藍(lán)色、黃色、紅色3個等級；軟件功能要求具備數(shù)據(jù)實時展示和預(yù)警（界面顏色變化、短信等）、在線數(shù)據(jù)分析（相關(guān)性分析、對比分析、趨勢分析）、移動端訪問等功能；狀態(tài)評估功能要求對橋梁的健康度進(jìn)行評估；聯(lián)網(wǎng)運行要求各單橋系統(tǒng)與省、部級平臺聯(lián)網(wǎng)運行，實現(xiàn)集群化管理。

重點病害監(jiān)測要求

銅陵大橋和太平湖大橋已分別通車運行了27年和13年，橋梁結(jié)構(gòu)均出現(xiàn)了不同程度的疲勞損傷，存在安全隱患。如銅陵大橋已出現(xiàn)主梁腹板及索塔錨固區(qū)裂縫；太平湖大橋則出現(xiàn)了吊桿銹蝕斷絲等。

改造方案

改造依據(jù)及原則

試點改造嚴(yán)格按照《指南》相關(guān)技術(shù)要求，遵循“先進(jìn)、適用、穩(wěn)定、安全、經(jīng)濟(jì)、實用”及“一橋一策”的原則，并結(jié)合在役橋梁管養(yǎng)實際需求進(jìn)行設(shè)計與實施。

與新建監(jiān)測系統(tǒng)不同，既有系統(tǒng)改造一方面需要充分調(diào)查原系統(tǒng)運行情況，掌握系統(tǒng)存在的缺陷和不足，進(jìn)行針對性改造；另一方面需要充分利用原系統(tǒng)設(shè)備以節(jié)約資金，避免資源浪費，同時要保障新舊系統(tǒng)的軟硬件兼容性；此外，還應(yīng)考慮對原系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行保留和繼承，保障數(shù)據(jù)的時間延續(xù)性。

改造內(nèi)容

銅陵大橋改造工作包括：充分結(jié)合大橋運營環(huán)境及結(jié)構(gòu)受力特點、結(jié)構(gòu)不利性改變、薄弱部位，在原系統(tǒng)基礎(chǔ)上對監(jiān)測內(nèi)容進(jìn)行補充完善，增設(shè)索塔錨固區(qū)溫濕度、塔頂風(fēng)速風(fēng)向、梁端轉(zhuǎn)角、塔頂振動等監(jiān)測內(nèi)容，加密主梁振動、斜拉索振動測點，新增測點87個；結(jié)合大橋結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況變化、歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)、定檢報告等內(nèi)容，對報警值的設(shè)置和報警等級進(jìn)行調(diào)整；對運行時間較長、存在運行不穩(wěn)定或故障率較高的部分設(shè)備進(jìn)行更換，包括動態(tài)稱重系統(tǒng)、光纖傳感器及解調(diào)儀、壓力變送器及管路等；對軟件系統(tǒng)進(jìn)行全面升級，采用數(shù)據(jù)可視化及BIM技術(shù)開發(fā)了數(shù)據(jù)大屏及用戶界面系統(tǒng)；根據(jù)《指南》統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、接口規(guī)范要求，為未來大橋監(jiān)測數(shù)據(jù)及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)接入部省健康監(jiān)測平臺開發(fā)了數(shù)據(jù)接口。

銅陵大橋

此次升級改造在原有采集方案的基礎(chǔ)上，采用基于工業(yè)以太網(wǎng)同步技術(shù)的信號采集器，新增傳感器的數(shù)據(jù)采集方式與原系統(tǒng)保持一致性，并對數(shù)據(jù)采集傳輸與處理軟件進(jìn)行升級擴(kuò)展，使動態(tài)信號采集同步誤差小于0.1毫秒，靜態(tài)信號采集同步誤差小于1毫秒。

太平湖大橋改造工作包括：對監(jiān)測內(nèi)容進(jìn)行全面增設(shè)、補充，使監(jiān)測項由原來的5項增加為12項，包括環(huán)境溫濕度、車輛荷載、風(fēng)荷載、結(jié)構(gòu)溫度、地震、位移、應(yīng)變、索力、振動、變形、吊索斷絲、邊坡穩(wěn)定性等，總計252個監(jiān)測點，同時對部分加速度計進(jìn)行了更換；根據(jù)大橋靜動力計算分析結(jié)果，對原系統(tǒng)監(jiān)測點位進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整；基于B/S架構(gòu)重新開發(fā)用戶界面軟件，建立大橋BIM模型；實現(xiàn)與安徽省公路長大橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測平臺的數(shù)據(jù)接入和聯(lián)網(wǎng)運行。

太平湖大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)

此次改造結(jié)合大橋結(jié)構(gòu)特點和管養(yǎng)需求，積極采用新技術(shù)和新產(chǎn)品。針對本橋橋面振動大、變形小的特點，采用機器視覺技術(shù)實現(xiàn)橋面位移動態(tài)監(jiān)測，使測量精度達(dá)到0.2毫米；針對吊桿銹蝕斷絲風(fēng)險，首次采用聲發(fā)射技術(shù)對吊桿斷絲進(jìn)行實時監(jiān)測，采集頻率達(dá)到2兆赫；采用支持北斗的國產(chǎn)化GNSS設(shè)備及5G通信技術(shù)對拱頂及拱座位移進(jìn)行監(jiān)測，平面測量精度達(dá)到2.5毫米；采用云計算技術(shù)，減少了單橋機房建設(shè)與運營管理成本；采用移動互聯(lián)網(wǎng)、二維碼等技術(shù)實現(xiàn)了監(jiān)測設(shè)備自身的信息化管理。

改造成效

通過此次改造，兩座大橋的健康監(jiān)測系統(tǒng)功能及性能得到全面提升，主要集中在四個方面。

感知內(nèi)容更加全面

系統(tǒng)改造后的監(jiān)測內(nèi)容均涵蓋了“環(huán)境、作用、結(jié)構(gòu)響應(yīng)、結(jié)構(gòu)變化”四大監(jiān)測類別，能夠全面及時感知大橋運行過程中的各類風(fēng)險源及大橋重點部位、重點構(gòu)件的運行情況。

系統(tǒng)使用更加便捷

用戶軟件均采用B/S架構(gòu)開發(fā)，可以通過瀏覽器、移動端App隨時隨地查看大橋運行狀態(tài)，并通過短信、微信等方式實時發(fā)送大橋安全報警信息，更符合大橋應(yīng)急管理要求。改造后，報警響應(yīng)時間小于1秒，軟件操作響應(yīng)時間小于3秒，數(shù)據(jù)查詢響應(yīng)時間小于5秒。

分析能力明顯提高

升級后系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)統(tǒng)計查詢、原始數(shù)據(jù)追溯、對比分析、相關(guān)性分析、概率分布分析、頻譜分析、疲勞分析、自動統(tǒng)計報表、健康度評估、設(shè)備自診斷等功能，提高了分析評估和診斷的能力。

為聯(lián)網(wǎng)運行奠定基礎(chǔ)

系統(tǒng)改造均根據(jù)《指南》統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、接口規(guī)范設(shè)計實施，為實現(xiàn)大橋監(jiān)測數(shù)據(jù)及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)接入省、部健康監(jiān)測平臺奠定了基礎(chǔ)。

思考與展望

思考

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)過國內(nèi)十余年的實踐探索，已在數(shù)百座大型橋梁上得到應(yīng)用，實現(xiàn)了從科研到工程化的轉(zhuǎn)變，但實際應(yīng)用過程中仍存在一些不足。

系統(tǒng)硬件壽命與長期監(jiān)測目標(biāo)不匹配。傳感器的壽命普遍低于10年，部分設(shè)備為3年至5年。此外，由于多數(shù)公路橋梁運行環(huán)境較為惡劣，高溫、高濕、高鹽霧環(huán)境易導(dǎo)致采集通信等設(shè)備發(fā)生故障。因此，應(yīng)開發(fā)長壽命、高性能的智能采集設(shè)備以滿足橋梁長期監(jiān)測的目標(biāo)。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)缺少統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。由于長大橋梁的橋型各異、需求不同，且各橋梁監(jiān)測系統(tǒng)都是由項目方自行開發(fā)，系統(tǒng)間差別很大，給聯(lián)網(wǎng)運行造成了一定困難。若數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)一樣，再開發(fā)單橋?qū)嵱眯攒浖纯奢p松建立數(shù)據(jù)平臺。

軟件數(shù)據(jù)分析及處理能力有待提高。由于監(jiān)測系統(tǒng)24小時不間斷、高頻率采集數(shù)據(jù)，造成數(shù)據(jù)實時分析的難度較大，同時隨著時間推移會產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)寫入和讀取速度越來越慢，從而影響系統(tǒng)使用。因此，需要研發(fā)更適用于海量數(shù)據(jù)處理和存儲的軟件系統(tǒng)。

2021年3月19日至20日，交通運輸部在安徽銅陵組織召開了全國公路長大橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)試點建設(shè)工作現(xiàn)場調(diào)研會。

監(jiān)測數(shù)據(jù)智能化評估與管養(yǎng)結(jié)合不充分。一方面，目前系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析評估主要由人工完成，還未實現(xiàn)在第一時間對突發(fā)事件進(jìn)行分析評估。另一方面，目前系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析主要還是基于數(shù)據(jù)本身，未與橋梁物理模型進(jìn)行智能融合。此外，監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析結(jié)果與橋梁管養(yǎng)結(jié)合尚不充分，用于橋梁評估的科學(xué)模型，以及直接指導(dǎo)養(yǎng)護(hù)的策略體系還沒有完全建立。

展望

加快省級平臺建設(shè)。安徽省此次共有18座長大橋梁列入《方案》建設(shè)清單，包括懸索橋1座、斜拉橋9座、梁橋6座、拱橋2座。在總結(jié)兩座試點橋梁系統(tǒng)改造經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，將繼續(xù)開展其余橋梁既有監(jiān)測系統(tǒng)的改造升級及部分橋梁系統(tǒng)新建工作。下一步，安徽省將加快省級公路長大橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測平臺建設(shè)，預(yù)計在2022年底前將已有橋梁監(jiān)測系統(tǒng)接入省、部級平臺，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)運行。

深入開展應(yīng)用研究。加強新一代信息技術(shù)與長大橋梁健康監(jiān)測的融合應(yīng)用，實現(xiàn)數(shù)字賦能大橋管養(yǎng)是下一步需要深入開展的應(yīng)用研究內(nèi)容，包括開發(fā)應(yīng)用時序數(shù)據(jù)庫技術(shù)，提高長大橋梁監(jiān)測海量數(shù)據(jù)的高速寫入、實時查詢分析及特殊事件應(yīng)急響應(yīng)和歷史事件回溯能力，建立數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)平臺；研究應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，結(jié)合結(jié)構(gòu)物理模型、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立現(xiàn)實結(jié)構(gòu)在虛擬空間的映射，實現(xiàn)對橋梁運行狀態(tài)的智能仿真和在線評估；加速知識圖譜建設(shè)，形成“病害-檢測-維修知識庫”，開發(fā)基于知識圖譜及多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合的智能診斷技術(shù)，輔助橋梁養(yǎng)護(hù)科學(xué)決策。