摘要：公路橋梁在長期運營過程中，結(jié)構(gòu)和構(gòu)件受自然條件、外部荷載及結(jié)構(gòu)突發(fā)事件等因素影響會出現(xiàn)不同程度的病害問題，本文從橋梁狀態(tài)檢測、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理及可視化監(jiān)視等方面對公路橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了簡要介紹，并針對當(dāng)前橋梁管養(yǎng)中出現(xiàn)的問題，采取合理的方法將橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)與管養(yǎng)工作有機(jī)融合，實現(xiàn)了橋梁健康監(jiān)測技術(shù)在橋梁管養(yǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用，并促成了監(jiān)測養(yǎng)護(hù)一體化的目標(biāo)，從而達(dá)到了提高監(jiān)測系統(tǒng)效率和降低橋梁養(yǎng)護(hù)成本的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；養(yǎng)護(hù)技術(shù)；結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測；數(shù)據(jù)處理；可視化監(jiān)控

中圖分類號：U446"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文章編號：1673?6478（2023）S1?0143?04

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，以及交通運輸需求的不斷持續(xù)增加，公路橋梁通行壓力不斷上升，這對交通運輸設(shè)施建設(shè)帶來了嚴(yán)峻的考驗，使橋梁結(jié)構(gòu)的正常運營面臨著威脅。因此，當(dāng)前的研究重點多集中在橋梁運營期間的管養(yǎng)問題上，以應(yīng)對這一考驗。受自然條件（溫度、濕度、風(fēng)速等）、自然災(zāi)害（地震等）、外部荷載（車輛荷載等）及結(jié)構(gòu)突發(fā)事件（如船只與橋墩碰撞等）等因素影響，公路橋梁在長期使用過程中，結(jié)構(gòu)和構(gòu)件等出現(xiàn)不同程度的病害問題，采用現(xiàn)代化科技手段進(jìn)行橋梁健康實時監(jiān)測具有極大的必要性。

隨著傳感器、光纖通信、數(shù)據(jù)融合、大數(shù)據(jù)及AI等先進(jìn)技術(shù)的快速發(fā)展，為橋梁管理中心人員實時掌握橋梁狀態(tài)提供了便利條件。橋梁健康監(jiān)測是使用科學(xué)的監(jiān)測方法與評估手段，對公路橋梁的主體結(jié)構(gòu)狀況進(jìn)行監(jiān)測，并且在特殊的氣候環(huán)境、交通環(huán)境及橋梁出現(xiàn)異常的時候，及時地發(fā)出預(yù)警信號[1]。同時可以總結(jié)分析健康監(jiān)測過程中所得到的數(shù)據(jù)信息，從而為橋梁后期的養(yǎng)護(hù)管理工作提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支撐和技術(shù)支持。

1 橋梁健康監(jiān)測的重要意義

隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，承載交通運輸?shù)墓窐蛄航?jīng)過長時間的運營，以及使用年限的增加，其構(gòu)件的工作性能會逐漸下降，導(dǎo)致各種結(jié)構(gòu)損傷的發(fā)生。因此，橋梁的檢查和維修工作變得越來越重要。傳統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)檢查評估方法主要依賴于人工目測或使用便攜式儀器測量來獲取信息。然而，對于實際應(yīng)用中結(jié)構(gòu)復(fù)雜的橋梁來說，人工檢查存在許多局限性。傳統(tǒng)的檢查、管養(yǎng)和維修將會產(chǎn)生高昂的費用，并且可能會影響橋梁的正常運營。

在當(dāng)前科技發(fā)展水平下，結(jié)合先進(jìn)技術(shù)和傳統(tǒng)方法，可以更有效地管理和維護(hù)公路橋梁，確保其安全運營和延長使用壽命。通過建立健康監(jiān)測系統(tǒng)平臺，可以對橋梁的狀態(tài)和性能進(jìn)行全面監(jiān)測和評估，從而全面了解安全性和耐久性等大橋結(jié)構(gòu)指標(biāo)以及橋梁當(dāng)前運營狀態(tài)。這樣可以確定橋梁結(jié)構(gòu)的功能是否滿足需求，從而在保證科學(xué)依據(jù)情況下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修[2]。

許多學(xué)者專注于橋梁健康監(jiān)測的理論研究，通過開發(fā)有效的數(shù)據(jù)處理和評估方法，從而實現(xiàn)橋梁工作狀態(tài)的實時感知。這些研究旨在為橋梁管養(yǎng)工作的開展和決策提供可靠依據(jù)。通過對橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的深入研究，我們期望能夠建立科學(xué)的評估體系，以確保橋梁的穩(wěn)健運行和延長其使用壽命。項楚渝[3]指出，傳統(tǒng)的橋梁檢測在目前橋梁管養(yǎng)中已形成一套規(guī)范化的流程與標(biāo)準(zhǔn)，針對橋梁健康監(jiān)測與荷載試驗之間缺乏互補、協(xié)同的問題，提出了相關(guān)解決方法。其中包括利用監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行荷載試驗及承載力評定的方法，以及融合運營期橋梁健康監(jiān)測與養(yǎng)護(hù)檢測的結(jié)構(gòu)狀態(tài)整體評價技術(shù)。聶功武[4]討論了養(yǎng)護(hù)巡檢與健康監(jiān)測系統(tǒng)信息融合的作用及具體應(yīng)用，并指出了存在的問題。為了解決這些問題，提出了推動巡檢養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)化，要求客觀、全面評價工程質(zhì)量狀況，從而建立完善的檢測結(jié)果量化對策。因此，展開對橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究，同時對實時數(shù)據(jù)準(zhǔn)確獲取，進(jìn)行分析處理并應(yīng)用于橋梁的管理和養(yǎng)護(hù)，成為了當(dāng)下研究的主要趨勢。這樣的努力將有助于加強(qiáng)橋梁安全保障，延長橋梁的使用壽命，并為管理和養(yǎng)護(hù)決策提供更科學(xué)的依據(jù)。

高速公路橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)主要實現(xiàn)橋梁狀態(tài)的實時檢測，并將檢測數(shù)據(jù)及時可靠地傳送至數(shù)據(jù)處理中心，經(jīng)數(shù)據(jù)處理中心處理完成后，對橋梁狀態(tài)做出性能評估及風(fēng)險預(yù)警，經(jīng)可視化手段呈現(xiàn)給橋梁養(yǎng)護(hù)管理人員，達(dá)到實時監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的目的。按照其實現(xiàn)的主要功能進(jìn)行劃分[5]，包括橋梁狀態(tài)檢測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及可視化技術(shù)。一般而言，橋梁狀態(tài)檢測的子系統(tǒng)主要實現(xiàn)橋梁環(huán)境、車輛荷載參數(shù)及視頻信息、結(jié)構(gòu)響應(yīng)的實時采集，并進(jìn)行檢測數(shù)據(jù)的初步整理；數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)主要實現(xiàn)橋梁狀態(tài)檢測子系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理中心之間數(shù)據(jù)實時、可靠地傳輸；數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)主要實現(xiàn)將傳送來的檢測數(shù)據(jù)完成信息存儲、管理及形成報表等內(nèi)容，采用數(shù)據(jù)融合、大數(shù)據(jù)及人工智能等先進(jìn)技術(shù)對橋梁狀態(tài)進(jìn)行分析、評估及風(fēng)險預(yù)警；可視化監(jiān)視子系統(tǒng)主要實現(xiàn)為橋梁養(yǎng)護(hù)管理人員提供一種實時查詢橋梁狀態(tài)的可視化手段。

2 監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)是一種用于實時監(jiān)測和評估橋梁結(jié)構(gòu)安全狀況的技術(shù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠克服傳統(tǒng)橋梁檢測的缺點，并與橋梁檢測相結(jié)合，對橋梁結(jié)構(gòu)的安全隱患進(jìn)行預(yù)測。它的主要目的是確保橋梁的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)完整性，以及早期發(fā)現(xiàn)可能存在的結(jié)構(gòu)問題，以便采取及時的維護(hù)和修復(fù)措施，避免潛在的事故發(fā)生。

2.1 橋梁檢測系統(tǒng)

（１）系統(tǒng)概況

橋梁健康監(jiān)測子系統(tǒng)根據(jù)橋梁類型、自身結(jié)構(gòu)及所處環(huán)境等因素，實時確定檢測內(nèi)容、傳感器類型及布設(shè)點位等。檢測內(nèi)容可分為荷載與環(huán)境監(jiān)測、結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)監(jiān)測與結(jié)構(gòu)局部響應(yīng)監(jiān)測三大類。根據(jù)橋梁類型、結(jié)構(gòu)、設(shè)計參數(shù)及所處環(huán)境，確定各傳感器量程、采樣頻率、靈敏度等相關(guān)內(nèi)容。

（２）系統(tǒng)構(gòu)建原則

為了確保橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的功能完善性、長期性、經(jīng)濟(jì)性，系統(tǒng)的構(gòu)建應(yīng)遵循以下原則[6]。

首先，系統(tǒng)應(yīng)該具備高度的可靠性和精度，能夠準(zhǔn)確地監(jiān)測和評估橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀況。這需要選擇高質(zhì)量的傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備，并保證數(shù)據(jù)傳輸和存儲的穩(wěn)定性。第二，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)需要具備實時監(jiān)測能力，及時反映橋梁結(jié)構(gòu)的變化和異常情況。只有在實時性的基礎(chǔ)上，才能采取及時的維護(hù)和修復(fù)措施，避免潛在的安全隱患。第三，系統(tǒng)應(yīng)該綜合考慮橋梁結(jié)構(gòu)的各個方面，包括應(yīng)力、撓度、位移、傾角、溫度等多種參數(shù)。這樣可以全面了解橋梁的工作狀態(tài)，幫助工程師全面分析橋梁健康狀況。第四，橋梁監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)具備可擴(kuò)展性，能夠適應(yīng)未來橋梁養(yǎng)護(hù)管理需求的變化。隨著科技的不斷進(jìn)步，系統(tǒng)需要能夠接納新的傳感器和監(jiān)測技術(shù)，保持先進(jìn)性和更新性。第五，系統(tǒng)的建設(shè)和運維成本需要與其功能和價值相匹配。在系統(tǒng)構(gòu)建過程中，應(yīng)合理評估投入產(chǎn)出比，確保系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。最后，橋梁監(jiān)測系統(tǒng)涉及橋梁的安全問題，因此必須保障系統(tǒng)本身的安全性，防止未經(jīng)授權(quán)訪問和數(shù)據(jù)泄露。綜合遵循以上原則，構(gòu)建一個高效、可靠、經(jīng)濟(jì)并具備高水平的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，將支持橋梁養(yǎng)護(hù)管理并確保橋梁運營的安全性和穩(wěn)定性。

（３）監(jiān)測點布設(shè)原則

橋梁所處的環(huán)境條件、養(yǎng)護(hù)管理方案和橋梁的設(shè)計與研究，這三個方面的因素決定了橋梁監(jiān)測點的位置，同時還需考慮橋梁類型以及傳感器本身的特點等因素。根據(jù)具體情況，監(jiān)測項目的布點原則如下[6]。

首先，確定結(jié)構(gòu)的主要位移和變形控制點，以便及時掌握結(jié)構(gòu)變形的情況。第二，關(guān)注應(yīng)力分布的變化，特別是關(guān)鍵位置或構(gòu)件的應(yīng)力情況。第三，關(guān)注應(yīng)力集中的部位，并確保測量的準(zhǔn)確性。第四，監(jiān)測橋梁在風(fēng)荷載作用下的響應(yīng)，以保證其在風(fēng)環(huán)境下的安全性。第五，監(jiān)測橋梁的溫度變化，以了解溫度對結(jié)構(gòu)的影響。第六，關(guān)注橋梁的振動情況，特別是振動幅值最大的位置。最后，在關(guān)鍵位置布設(shè)冗余傳感器，以確保數(shù)據(jù)的可靠性和完整性。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)按照傳輸層級可以劃分為：傳感器至數(shù)據(jù)采集設(shè)備之間傳輸，數(shù)據(jù)采集設(shè)備至橋梁管理中心之間傳輸。按照傳輸形式可分為有線傳輸和無線傳輸兩種，無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)見圖1所示。

多數(shù)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測傳感器檢測數(shù)據(jù)較少，占用帶寬較小，對傳輸帶寬的要求相對較低。但部分橋梁根據(jù)監(jiān)測需求會設(shè)置攝像機(jī)等設(shè)備，采集橋梁的視頻或圖片信息，其傳輸帶寬相對較大。傳感器至數(shù)據(jù)采集設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸方式應(yīng)根據(jù)橋梁特征、傳感器分布情況及施工難易程度等方面考慮進(jìn)行合理選取。有線傳輸方式多采用RS232、RS485、RJ45等協(xié)議傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。其中，RS232為一對一的串口通信方式，傳輸速度較低，波特率為20kbps，傳輸距離較近，最大傳輸距離為50m左右；RS485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率約為10Mbps，最大傳輸距離可達(dá)3"000m，其總線上可連接多達(dá)128個節(jié)點。因此，從傳輸帶寬、傳輸距離等方面，橋梁傳感器至數(shù)據(jù)采集設(shè)備之間的有線傳輸方式多采用RS485的協(xié)議方式。一般采用RJ45的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議傳輸視頻、圖像或其他網(wǎng)絡(luò)接口的檢測數(shù)據(jù)。無線傳輸方式一般多采用Zigbee等方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。其中，Zigbee無線通信技術(shù)是一種近距離、低成本、低功耗的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，傳輸速率范圍在20～250kbps，傳輸距離在10m～3km范圍，在橋梁范圍內(nèi)能夠較好地適用于檢測數(shù)據(jù)的無線傳送。

數(shù)據(jù)采集設(shè)備至橋梁管理中心之間傳輸子系統(tǒng)有線傳送方式多采用光纖通信技術(shù)，無線傳送方式多采用4G等無線傳輸技術(shù)[7]。光纖傳輸技術(shù)需在橋梁現(xiàn)場與數(shù)據(jù)管理分別設(shè)置光纖收發(fā)器或工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)等傳輸設(shè)備，利用其之間敷設(shè)的光纜實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸。無線傳輸技術(shù)需在橋梁現(xiàn)場設(shè)置4G等無線傳輸設(shè)備，利用運營商傳輸網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)橋梁現(xiàn)場與橋梁管理中心的數(shù)據(jù)傳輸。需綜合考慮橋梁形式、橋梁與管理單位之間的距離及橋梁周圍的環(huán)境條件等合理選擇數(shù)據(jù)傳輸?shù)男问健?/p>

2.3 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)主要實現(xiàn)將傳送來的多種傳感器檢測數(shù)據(jù)按照相關(guān)計算方法及要求進(jìn)行整理、高效存儲、生成報告和數(shù)據(jù)歸檔等功能，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)安全預(yù)警及評估。

由于橋梁健康監(jiān)測傳感器處于環(huán)境條件較為惡劣的場景，在日常的數(shù)據(jù)采集過程中，傳感器均會受到溫度、濕度、荷載等因素的影響，導(dǎo)致檢測數(shù)據(jù)含有大量干擾信息。因此，數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)首先需對采集信息進(jìn)行濾波、去噪、異常點去除等操作，以獲取更高信度的橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)。

現(xiàn)在橋梁健康監(jiān)測的傳感器數(shù)量及種類繁多，每天均會產(chǎn)生大量的檢測數(shù)據(jù)，給海量數(shù)據(jù)存儲及分析帶來巨大挑戰(zhàn)[8，9]。隨著數(shù)據(jù)融合、大數(shù)據(jù)及人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，目前越來越多的數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)采用基于Hadoop等技術(shù)的大數(shù)據(jù)框架建立數(shù)據(jù)處理平臺。其實施方法是在多臺服務(wù)器安裝JAVA虛擬機(jī)用以配置Hadoop運行環(huán)境，建設(shè)成Hadoop集群，通過核心部件HDFS（分布式文件系統(tǒng)）實現(xiàn)對海量數(shù)據(jù)存儲及讀取，通過Mapreduce實現(xiàn)任務(wù)的分配，從而實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的計算及存儲功能?；贖adoop大數(shù)據(jù)框架的數(shù)據(jù)處理平臺具有離線、大規(guī)模數(shù)據(jù)分析的特點，適用于橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)分析。大數(shù)據(jù)平臺可自行搭建，亦可租用第三方提供的大數(shù)據(jù)平臺。

此外，橋梁健康狀態(tài)檢測系統(tǒng)平臺還應(yīng)具有實時預(yù)警功能，實現(xiàn)在線實時自動化預(yù)警。預(yù)警級別分為黃色和紅色兩級。系統(tǒng)平臺應(yīng)根據(jù)橋梁車輛荷載、最大平均風(fēng)速、溫度、地震強(qiáng)度、當(dāng)索結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移或變形、橋墩沖刷深度及腐蝕等檢測數(shù)據(jù)，實時判定橋梁的狀態(tài)，并對達(dá)到相應(yīng)預(yù)警級別的信息進(jìn)行提?示。

2.4 可視化監(jiān)視系統(tǒng)

橋梁狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)需監(jiān)測的數(shù)據(jù)包括車輛荷載、風(fēng)速風(fēng)向及風(fēng)壓、地震、船舶撞擊、溫度、濕度、降雨量、結(jié)構(gòu)整體振動、位移和變形、應(yīng)變、索力、腐蝕及基礎(chǔ)沖刷等相關(guān)內(nèi)容，需將相關(guān)信息實時提供給橋梁監(jiān)控管理人員[10]?？梢暬O(jiān)視子系統(tǒng)從服務(wù)需求角度可分為橋梁管理中心和移動終端。橋梁管理中心可視化監(jiān)控子系統(tǒng)包括監(jiān)視器墻、網(wǎng)絡(luò)高清解碼器、管理工作站等內(nèi)容，根據(jù)所轄橋梁規(guī)模配置相應(yīng)的可視化設(shè)施：

（１）橋梁數(shù)量相對較少，長度相對較短，可配置少量監(jiān)視器或直接采用工作站配置顯示器進(jìn)行顯示橋梁信息。

（２）橋梁數(shù)量相對較多，長度相對較長，可配置監(jiān)視器墻、網(wǎng)絡(luò)高清解碼器及管理工作站，由工作站控制監(jiān)視器顯示橋梁狀態(tài)信息。監(jiān)視器可采用LED液晶拼接屏或小間距LED拼接屏等設(shè)備。

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，管理人員隨時查看橋梁狀態(tài)即時信息的需求日益增加，在配置網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的基礎(chǔ)上，提供移動終端隨時隨地的可視化顯示服務(wù)，可極大提高橋梁管理效率。

3 結(jié)論

本文主要從橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的意義和系統(tǒng)構(gòu)成兩方面對橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了介紹。通過實時監(jiān)測和評估橋梁結(jié)構(gòu)的狀況，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)潛在問題，并及時采取維護(hù)和修復(fù)措施，有助于延長橋梁的使用壽命和降低養(yǎng)護(hù)成本。這種綜合應(yīng)用科技手段的方法，將使橋梁養(yǎng)護(hù)管理更加高效、精確，最終保障橋梁的安全性和可靠性。同時，也需要不斷完善技術(shù)手段和管理方法，以確保監(jiān)測系統(tǒng)在實際應(yīng)用中發(fā)揮最大效用。

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