关于大跨径桥梁健康监测系统建设、应用和行业发展的思考 - 52监测网

我国桥梁健康监测系统应用起步于上世纪90年代，历经20余年技术和理论发展，目前正进入一个全新的时期。从上世纪90年代末的探索阶段到2005年后开始的大规模建设阶段，不同时期健康监测系统行业所关注的重点和发展特征均不同。从目前实践经验和效果来看，当前桥梁健康监测系统的建设与应用，离人们预期仍有较大差距，其原因主要在于以下几个方面。

从早期“无章可循”的探索发展到当下“有据可依”的规范化发展，桥梁健康监测系统在行业内已逐步建立起了较为系统性的规范体系，不同桥型的监测内容和监测项相应的规定和要求得以明确，这为桥梁结构健康监测系统的快速推广和大规模建设奠定了基础。然而，在符合规范的前提要求下，往往导致了系统的建设缺乏专有性，难以实现真正意义上的“一桥一策”。从现有实践来看，多数系统建设并未充分考虑桥梁的综合特点，未就桥梁结构特性、环境作用、荷载特征、行为规律、管养体制和养维方式等，建立有针对性地监测内容、监测指标和监测方案，因此，无法满足桥梁运维的实际评估应用。所以，如何在考虑规范的基础上，同时实现针对不同桥梁的健康监测适应性优化，仍有待深入分析和明确。

健康监测系统的主要任务是：通过传感手段获知桥梁寿命周期内结构的输入、本体及各种响应数据，在必要的数据积累上，通过数据清洗和结合时空多尺度的结构性能评价方法，实现结构寿命周期内大量的慢变量、适度的中变量及少量的快变量的因果映射和规律捕捉，进而实现有针对性地管养决策。因此，传感系统的寿命及布点方式、监测数据的挖掘方法与效率，以及数据规律与结构性态评价的关系模型等，均是健康监测目标能否达到的关键因素。

从现实情况来看，当前监测方法与结构行为特征匹配度不高，测点数量不合理等问题在已建成的健康监测系统中较为普遍的存在，导致了工程实践中数据冗余过大、有效数据占比低的情况，严重影响了不同时序特征变量的有效获取。同时，受传感器自身精度、分辨率、寿命等因素影响，传感系统的可靠性难以与结构行为特点和寿命周期的时间尺度相适应；数据融合处理分析能力和时效性存在局限；结构或构件的性能评价从理论方法向实际应用转换的适用性不强等问题。因此，降低了健康监测的有效性，特别是损伤识别、寿命预测和失效预警等核心目标，依旧是难以落地的“高、大、上”愿景。

健康监测系统功能发挥的核心是结构或构件的性能评价模块。行业内现有人工巡检、设备检测、短时监测等，都是不同程度和维度上评价结构或构件性能的有效方法。然而，现实中片面夸大健康监测系统的作用，让其越俎代庖地部分替代或全部取代其他方法的思想有之，新一轮健康监测系统实施大有一劳永逸、包打天下之势。可是，值得注意的是，随着人工智能技术的不断发展和成熟，“高、精、尖”的检测技术装备化和智能化发展势头表现强劲，人工巡检和设备检测正变得更加便捷、可靠，从空间粒度和时间维度上，新兴检测方法已日益表现出健康监测系统无法比拟的优势。因此，健康监测系统与上述方法的关系有待厘清。

健康监测数据信号的解析与结构对象的行为特征之间的融合理解是结构或构件性能评估的关键。然而，由于行业人才培养的专业背景割裂，缺乏有着计算机算法和土木工程专业交叉融合知识储备的复合型技术人才，直接导致了健康监测数据深度解析的人才资源储备与技术发展滞后。当前主流的算法手段对结构特点和行为规律演化的表征和揭示能力不足，因此，健康监测系统的实践应用大多停留在数据积累、规律统计和预警触发的浅表层面，难以实现真正服务于管养决策的预期目标。

桥梁健康监测系统20余年的发展表明，大桥健康监测系统3～5年的寿命周期已然是常态。由于关键传感器的前端设备或硬件系统校准不规范或故障排除不及时，而无法有效获取数据；软件系统更新维护不及时出现系统不兼容，频繁报错，甚至是部分核心功能瘫痪；健康监测系统移交后维护工作缺乏有效的体制机制保障，如业主单位无专业人员进行系统运维跟踪和应用对接；托管单位服务能力有限无法及时有效维护，抑或是维修更新资金不到位；原系统软件架构单位在行业频繁洗牌中被边缘化或淘汰，使得软件更新所需底层技术迭代能力缺乏，抑或是面临软件系统推倒从来的窘境。综上，桥梁健康监测系统就是一个复杂的系统工程，现实技术发展和行业需求更迭使得健康监测系统更新周期加快，现有体制机制和行业参与各方现状使得健康监测系统可持续更新的生态亟待改善。

鼓励建立以桥梁结构工程师为核心，数据分析师、机电工程师和造价工程师等融合的健康监测系统设计与实施团队，在健康监测系统方案提资和具体实施环节进行严格的人员资质和进场管理，并在各个审查环节引入多学科背景知识的专家团队和工程共同体各方，把准健康监测系统需求定位，客观合理地落实“一桥一策”，回答好“为什么监测”的问题。

立足桥梁结构或构件寿命周期性能评估能力实际、技术成熟度，以及工程监测的现实需求，从性能评估出发，反向确定所需的源数据、数据粒度、数据时效、数据冗余以及数据标准化获取方法、存储、处理和应用等，以便明确健康监测系统中不同源数据的监测类型、监测方法及监测方案，并构建软硬结合的数据通路，进而全面支撑预定功能目标，源头上明确好“监测什么”的问题。

客观认识先进传感、信息技术和人工智能等领域技术发展现状和趋势，认真对待上述技术进步激发的传统人工巡查、专项检测和维修养护活动的技术迭代升级，以桥梁养维护为落脚点，追溯养维护决策的评估需求、评估方法、数据需求。在桥梁性能评估中，赋予人工巡查和专项检测与健康监测同等重要的平等地位，在健康监测系统顶层设计中，廓清行业边际，不越俎代庖，创造促进各种技术手段协同发展的良好生态，推动多源数据融合的结构性能评估方法创新，持续解决好“如何监测”的问题。

桥梁健康监测系统软硬件结合的特点和各部分寿命周期特征，决定了其运营维护需要不断地人员、技术、经费和管理投入。为实现健康监测系统可靠、可用和好用，硬件上的检查、校准和更新，软件上的接口拓展、底层升级、算法更迭和功能更新，都是一个可持续建设的过程。

短期来看，为解决健康监测系统寿命周期在技术、经济和管理上的各种问题，需要在建设初期就达成一定程度的多方共识，重点确保系统的建养能有合理的可持续经费投入，避免初期限价过低导致设备质量差和软件架构水平低，以及使用过程中持续更新投入大或经费不足的问题。

中期来看，加强行业顶层设计和政策引导，促进健康监测相关专业技术人才培养和就业岗位吸引力，加大技术特色鲜明的桥梁健康监测专业队伍建设，加速行业、人才和市场的协同作用驱动，探索桥梁健康监测行业创新发展新模式。

长期来看，健康监测系统管理应用上，应推出开放协同体制机制，形成集原设计单位、相关科研单位、检测单位、托管单位、业主单位和行业管理单位为一体的工程共同体，并在必要的信息安全考量之下，在其内部开放结构健康监测系统数据，打破数据应用的壁垒，促进多方数据共享和创新应用探索，形成科学的监督、协同和促进，最终服务于桥梁运维科学化、信息化，实现高质量和高效益。