桥梁结构健康监测系统是保障长大桥梁安全运行的“数据中枢”，是公路基础设施数字化的重要内容，是推动公路桥梁养护管理高质量发展的有效途径。按照工作部署，2020年底，交通运输部出台了《关于进一步提升公路桥梁安全耐久水平的意见》，为做好相关工作，2021年上半年，相继印发《公路长大桥梁结构健康监测系统建设实施方案》《公路长大桥梁结构健康监测系统试点建设技术指南》等文件，提出了2025年底前我国将实现跨江跨海跨峡谷等长大桥梁结构健康监测系统全面建立的目标，明确了“安全第一、预防为主，明确责任、分级管理，突出重点、分步实施，单桥监测、联网运行”的原则。从监测内容、测点布设、监测方法、监测系统、监测数据分析应用等方面指导和规范桥梁结构健康监测系统的建设、维护和应用。
综合考虑桥型、系统新改建等因素，交通部公路局在全国范围内挑选了下列11座大桥，开展结构健康监测系统建设试点，着力防范化解公路长大桥梁运行安全风险。
1.九江长江大桥（江西）
2.江阴长江公路大桥（江苏）
3.铜陵长江公路大桥（安徽）
4.太平湖特大桥（安徽）
5.坝陵河大桥（贵州）
6.大渡河特大桥（四川）
7.嘉绍跨海大桥（浙江）
8.辽河大桥（辽宁）
9.江顺大桥（广东）
10.宜昌长江公路大桥（湖北）
11.滹沱河特大桥（河北）
参与此次试点工程的桥梁来自十个省份，部分大桥是对运营多年的原有系统进行升级改造，其余部分大桥为首次运用结构健康监测系统。按交通运输部的部署，这批桥梁将于今年年底完成系统建设并陆续开始投入使用。为了解这项颇受关注项目的阶段性进展情况，本刊对其中部分试点桥梁的管养单位进行了采访。
筹备与布测
桥梁结构健康监测系统是应用现代传感技术、系统集成与通讯技术、数据处理分析技术，结合风险管理理论，通过监测桥梁所受荷载作用与环境变化、结构响应信息，在综合分析监测及检测数据的基础上，评估桥梁结构的工作性能和安全状态。因其能为桥梁运营管理决策和养护维修提供依据，自问世以来，备受国内管养单位的青睐。在过去的20年间，几百座大跨径桥梁陆续建成结构健康监测系统。由于受多种因素的制约，我国不少桥梁的监测系统运营状况不甚理想，有的故障频出，难以正常地履行监测的职责；还有些系统“看起来很美”，但已被闲置，沦为摆设。有鉴于此，交通运输部今年进行总体规划，统一系统建设、维护标准等，并要求试点桥梁管养单位按照“一桥一策”的原则，制订系统实施的具体方案。
管养单位在为桥梁设立结构健康监测系统之前，需要进行调研和准备。“我们邀请监测方案编制单位对九江大桥进行调研，调研内容包括该桥的建设设计方案、桥梁加固改造方案、桥梁检测报告以及现场勘查等。目的是为让对方了解该桥的结构特点，以便能够有针对性地开展监测方案设计。”负责九江长江大桥公路桥运营的江西赣鄂皖路桥投资有限公司的相关负责人如是说。
除了进行必要的分析和论证之外，有的单位未雨绸缪，在设计，施工阶段就作了相应的规划，为在运营期设立结构健康监测系统打下了基础。据四川雅康高速公路有限责任公司（以下简称雅康高速）副总经理吴斌介绍，早在大渡河特大桥施工过程中，根据大桥两岸不同的地质特点，项目团队选择了一些典型断面，在雅安岸隧道锚内预埋了围岩压力计，并于康定一侧做了深孔位移监测，对重点的地质情况进行记录。
坝陵河大桥的结构健康监测系统与桥梁几乎同步建成，此次该桥按照交通运输部的部署，需对原系统进行升级改造。贵州高速公路集团有限公司营运事业部安顺中心（以下简称贵州高速安顺中心）的一位负责人表示，他们前期开展的工作是，翻阅原监测系统的图纸，现场排查原系统现状等。
除前期加紧筹备外，一些桥梁已开始了重点布测工作。
任何一套结构健康监测系统均需根据桥型、材料、地理位置、环境气候等因素定制，同时结合桥梁实际运营需求来确定不同的监测内容、选用相匹配的传感器、确定关键监测截面等。从表1可以看出，主梁挠度、支座位移、桥面温湿度、吊索索力等为几座试点桥梁重点监测的参数指标。铜陵长江公路大桥管理处的负责人指出，该桥的结构健康监测系统结合结构和风险点布设测点，并根据大桥最新检查结果，实现对结构薄弱部位及关键部位的监测。他们还委托实施单位，进行软件系统的定制化开发，增加了一些个性化的功能，同时还优化了人机操作的友善性。雅康高速的吴斌告诉记者，大渡河特大桥结构健康监测系统的定制主要体现在三个方面：“一是系统总体架构，采用两级部署，除可在本桥桥址附近设置服务器，实现系统访问外，还打通了与省级平台的接口，监测数据还与BIM管养平台进行对接，为信息共享提供了示范。二是在功能方面，除了关注桥址环境、交通状况、结构响应外，还在锚室、塔顶等重要部位布测，充分保障桥梁运营安全。三是监测内容方面，侧重于峡谷风、强地震对大桥结构安全的影响，加密了风场环境监测和结构振动响应监测。”
图1 系统升级改造中添置的传感器
作为桥梁结构健康监测系统中的关键部件，传感器的选择较为引人注目。目前常用的传感器类型包括光纤光栅应变计、加速度计、温湿度仪、倾角仪、超声风速仪等（见表1）。此前，一些管养单位一味追求购置价格昂贵、灵敏度高的传感器，曾在业内引起争议。如今，试点桥梁的有关人员在物色传感器时，则更加理性。贵州高速安顺中心的相关负责人谈道：“选择传感器重点考虑测量范围、灵敏度、误差、采样频率等技术参数要求，且必须满足交通运输部的指南要求。”在此基础上，江苏扬子江高速通道管理有限公司江阴大桥管理处副处长孙洪滨作了补充，他认为还必须关注传感器耐久性、可靠性和经济性，以便于日常养护中的及时维修和更换。
新老系统的交融与升级
搭建桥梁结构健康监测系统是一项复杂的工程，虽然管养单位事先做足了“功课”，但在实施过程中，不可避免地面临一些挑战。九江长江大桥是公铁两用桥，在桥上施工以及系统后期运营时，还必须兼顾铁路行车的安全。“这对系统建设过程中的设备安装、布线工艺提出了更高的要求。面对这些困难，我们邀请技术单位提出多种施工组织方案，并且与铁路管养部门专家进行多次沟通，对施工方案进行评估，以确保系统运行过程中设备安装的稳定性与可靠性。”江西赣鄂皖路桥投资有限公司的相关负责人向记者坦言。
铜陵长江大桥的结构健康监测系统已运营了十年，设备的故障率增高，更换设备及使新增设备顺畅地融入原有系统为其升级改造工作的重点，也是一个难点。根据铜陵长江公路大桥管理处相关负责人的描述，他们在设计阶段，经过研究，按照分布趋势数据采集传输方案，采用成熟技术产品和最新的基于工业以太网同步技术的信号采集设备，确保更换及新增设备数据采集与传输能够顺畅地融入原有系统。在更换设备数据继承性的处理方面，对于原系统中仍发挥作用的设备，在更换过程中，首先将新设备与原设备并行运行一段时间，实现对新设备与原设备参数的集成；而对于完全丧失功能的设备，则采用数据分析判别方法，设法获取新设备的输入参数，在其运行一段时间后，结合历史数据及新设备采集设备的数据开展分析，进一步校准新增设备基准输入参数，实现对原有系统数据的继承。
江阴大桥将迎来结构健康监测系统的第四次升级改造，谈及在设计阶段遇到的一些技术难题，孙洪滨介绍，“例如计划增加的主缆线形的监测设备将影响大桥日常养护，主缆内部温湿度无法实现无损监测，吊索断丝监测暂无经济有效的措施。此外，数百个测点的优化也是一道技术难关，我们通过设计讨论和专家评审的方式，最终找到一项成本较低的方案，可实现监测最完善的指标。而如何根据大桥结构特征和病害记录，选择合理的监测参数反映结构损伤或退化过程以及结构安全的状态，同时能给出各监测指标的预警阈值体系，则是设计过程中需要深度挖掘与解决的技术难点。”在他眼中，要想让这些问题迎刃而解，绝非易事。而如何保障系统数据采集、传输和分析的长期稳定性，成为一项更为艰巨的任务。
强化监测防风险
交通运输部开展本次桥梁结构健康监测系统建设试点的初衷，无疑旨在提升大桥的安全及耐久性。该系统对桥梁延寿所起的作用，各单位在应用过程中也深有体会。铜陵长江大桥管理处的相关负责人认为，其作用体现在以下几方面：首先系统通过大数据技术对监测数据进行实时分析处理，实现系统界面动态数据展示功能，便于管养人员掌握桥梁最新运行状态；其次，系统对不利环境参数及结构异常响应发出实时报警，提醒大桥管养人员及时发现异常情况，辅助应急决策及灾后评估工作的实施；第三，系统建设秉持“全寿命周期”的理念，积累桥梁全寿命周期内的全数据要素，并在此基础上基于“预防性”养护理念开展分析评估，对结构运营环境、结构静动力响应数据进行统计分析及专项分析工作，指导预防性养护；第四，通过数据分析，帮助管养人员充分掌握关键构件安全性能与使用性能，实现对其运营状态监管。
那么，当结构健康监测系统发现大桥出现异常后，管养单位会采取什么养护措施呢？关于这个问题，孙洪滨给记者举了一个例子：“依托江阴大桥结构健康监测系统2005年升级改造后专门布置的梁端拉绳式位移计，我们对伸缩缝位移长期监测数据分析发现，伸缩缝不仅在温度作用下以天为周期进行来回运动，而且还在车辆及风荷载的影响下，每分钟产生厘米级的纵向位移，这一运动形态会造成大量的位移累积量，远超设计值，而且无法通过人工检查发现。基于上述分析，我们对大桥伸缩缝进行结构优化升级，采用更耐磨的滑块材料，同时增设梁端纵向阻尼器抑制车辆荷载冲击等，大幅延长了伸缩缝使用寿命”。
图2 对螺栓的监测
对大跨径钢结构桥梁而言，所使用的高强度螺栓容易受到温度及材料蠕变等因素的影响，其预紧力会发生一些变化，故而对它的监测始终是一道难关。据了解，浙江嘉绍大桥发展有限公司在全国率先采用高强螺栓电子监测技术，并于今年启动刚性铰螺栓电子监测系统。在嘉绍大桥关键构件刚性铰的固定端选取16个螺栓进行实时无损监测，以此分析研判刚性铰固定端约8000个螺栓的受力状况，防止其脱落或断裂等意外发生。
在本次桥梁结构健康监测系统建设试点中，因多数试点桥梁的监测系统运营多年，故对其升级改造成为主旋律。改造实施的方案通常会根据交通运输部技术指南的要求，增设新的测点、添置传感器，增加对一些新的参数指标的监测。按照雅康高速副总经理吴斌的解释，大渡河特大桥原结构健康监测系统未充分考虑桥址地震烈度高、边坡地质灾害风险突出、山区风场环境复杂等特点，故在此次升级中，重点补充对地震、风致振动、高陡边坡稳定性的监测和智能分析，以期达到防控风险的目的。孙洪滨强调，江阴长江公路大桥结构健康监测系统升级改造项目的实施，可有效解决目前监测系统中一些老、旧设备造成的监测数据异常、缺失等问题。系统升级改造后将增加269项监测指标，主要包括结构内部温湿度、钢结构温度、地震监测、支座位移、塔顶水平振动、引桥钢桁架应变等10类，提升了系统的感知维度与多源性，完善了其监测指标体系，为结构异常报警、预警和状态评估提供了更为丰富的多源数据支撑。同时，其系统平台的升级可有效提升监测数据传输效率，也将增强多源数据融合分析能力和展示功能，还可根据数据分析结果直接给出初步的管养措施。另外，记者获悉， 嘉绍大桥在原有67座航标的基础上，安装虚拟电子围栏，探索解决水上安全预警难题；他们还升级视频监控系统，充分利用桥上222路高清摄像机，每30分钟进行一次电子巡逻，实现桥面24小时实时监管。
维养有道
长大桥梁一般身处复杂的环境条件，而结构健康监测系统所采用的设备和元件，比较“娇气”，极易受到外界因素的干扰，会影响到系统所采集数据的准确性，故而对其进行日常维护与保养至关重要。“与大桥主体结构不同，监测系统的故障具有偶发性和零散性的特点。因此，对坝陵河大桥的传感器、数据采集与传输设备、供配电及电力监控设备、计算机及通信设备等的维护，主要依靠日常性的预防性检查，内容则主要涉及维修更换故障设备和线路、对监测系统各设备的清洁保养及系统运行维护，并按季度、年、特殊事件出具相应的数据报告。”贵州高速安顺中心的相关负责人与记者分享了他们系统维养的方法。
而江阴大桥管理处则选择专业维护单位，对该桥健康监测系统运行情况实施远程巡查、日常养护、应急保障和数据分析等工作。“原则上，远程巡查频率每周至少1次；日常养护包括软件和硬件两部分，主要侧重于维护数据采集软件、传输软件等，确保系统软件正常工作，还对系统的硬件进行现场检查，全年不少于12次，检查系统设备及配件的完好率、运行状况和设备性能等，并定期进行数据备份；在大风、地震、拥堵等特殊情况下，开展应急监测与系统硬软件应急检查，确保系统正常运营，对重要设备故障及时抢修；我们每个月对监测数据进行分析，并编制年度维护工作报告，并对失效的软件或硬件，提出解决方案。”孙洪滨进一步作出解释。
记者在采访中了解到，目前多数试点桥梁的管养单位，对其结构健康监测系统均实施自行维养,让养护工作人员尽快熟练使用系统,成为一门“必修课”。贵州高速安顺中心的相关负责人表示,监测系统实施单位将编制《系统硬件手册》《系统软件手册》,并在系统通过集成调试,移交给他们之前,对其软件操作和现场系统维护人员进行系统使用、维护及信息解读的集中技术培训。除通用流程外,有的管养单位还会建立讨论群，针对系统日常管养的应用过程中出现的疑问，让养护人员及时沟通，商讨解决之策。而随着监测系统的应用，也给养护企业的管理方面带来一些积极的变化。“技术的进步必将推动管养模式的创新,例如原有桥面低速巡查的内容,可结合结构健康监测系统的视频摄像机进行视频巡检,减少人工作业；而针对地震突发状况，通过结构响应监测数据，及时查看是否存在结构损伤，为地震后桥梁的安全评估和恢复交通提供依据。我们将与技术服务单位建立联合巡查机制，进一步优化大桥管理模式。”雅康高速的吴斌给出中肯的评价。
期盼系统日臻完善
按照业内一些人士的观点，作为桥梁结构健康监测系统中的核心环节，目前数据的挖掘工作总体较为薄弱，致使采集的海量数据堆积。对于这种说法，有的管养单位表示确有苦衷。“结构健康监测系统的传感器为‘点式’分布，虽然采集的数据连续，但大数据快速分析依然存在困难，很难在海量数据中迅速地寻找不同响应之间的相关性。”江阴大桥管理处孙洪滨的语气中有些无奈。而江西赣鄂皖路桥投资有限公司的相关负责人指出，当前桥梁结构健康监测系统普遍存在的问题是，在实施过程中重设计轻施工、重传感器轻后端、重实施轻维护、重数据采集轻分析。他们会根据《公路长大桥梁结构健康监测系统试点建设技术指南》中的要求把好质量关，尤其在数据挖掘工作方面，将针对九江大桥的结构特点，拟采用大数据、人工智能等方法开展数据分析。结合大渡河特大桥健康监测系统的特点，吴斌告诉记者，其系统具备监测数据在线分析功能，可提取一些关键指标，形成日报表；对于长期的变化趋势和地震、大风天气下的异常分析，主要通过数据分析报告加以补充。后期可结合边坡、除湿、巡检系统的检监测数据进行整合，将监测信息、日常管养流程和特殊事件下的应急管理进行关联，提高数据应用价值。他还建议，管养单位可有条件地开发数据接口，供研究机构和高校分析，更好地挖掘数据的价值。
根据《公路长大桥梁结构健康监测系统试点建设技术指南》，此次试点工程系统升级改造中的软件采集和数据存储的格式均按交通运输部制定的统一标准加以实施，铜陵长江公路大桥管理处的相关负责人认为，此举有利于实现桥梁监测平台之间的互联互通及区域化一体监管，避免了数据孤岛的出现。同时针对同类型桥梁采用大数据手段，开展类比、相关性分析及专项研究等项工作，从而掌握某类桥梁运行特点，为大桥设计、管养提供第一手数据支撑。此外，按交通运输部的要求，此次列入试点工程的大桥监测系统将来必须和省部级平台联网，因此他们在已有系统基础上引用RPC（远程过程调用协议）技术，开发数据接口软件，实现该软件与原系统的一体化融合。
图3 调研试点桥梁健康监测系统
对于桥梁养护而言，结构健康监测系统只是一个辅助工具，无法解决养护中的所有问题，需结合桥梁传统检查检测手段，共同发挥作用。利用无人机结合计算机视觉技术的智能检测方法可有效提高检测效率，对养护人员无法达到或不容易检测之处可进行及时的检查。结构健康监测能实时监测结构的安全状况，但仍有很大的提升空间。通过桥梁结构模型的力学分析可以将检测与监测技术加以结合，建立监测和养护一体化的系统框架，从桥梁构件的层面，将实时监测数据分析结果与结构定期检测进行对比验证，将检（监）测数据融合进行结构的安全评估分析，可有效提高桥梁养护质量。”江西赣鄂皖路桥投资有限公司的相关负责人发表他的见解。大渡河特大桥通车刚满3年，目前日常管养中出现的问题，主要为桥面栏杆、铺装层上的表面病害，尚未影响结构。对于表观的监测，吴斌提出应加强机器视觉识别技术的应用。他还呼吁管养单位开发检监测手机APP，将健康监测系统与日常巡查流程进行智能化关联。看来，结构健康监测系统只有与日常巡查、智能检测相结合，才能形成对桥梁状况的综合评估，更好地服务于养护决策。
开展桥梁结构健康监测的主要目的，在于实施掌握结构出现的病变及损伤情况，提前采取预防措施，进行预防性养护，或科学地予以处治。事实上，我国的桥梁结构健康监测技术仍处于初级阶段，尚无法准确识别损伤发生的位置。而交通运输部开展长大桥梁结构健康监测系统工程建设，侧重于在结构出现异常响应或灾害侵袭时，辅助养护人员采取对策，提升桥梁的安全性能。按照规划，此次试点工程结束后，未来几年，全国有几百座桥梁将设立结构健康监测系统。记者在调查中发现，目前国内具有较高水平的监测系统服务商屈指可数，面对未来如此庞大的市场需求，如何保障大桥监测系统的建设、运营与维护质量，是一个值得重视的问题。此外，如何使新旧系统能够顺畅对接、如何解决专业技术人员的不足，都将是管养单位所面临的难题。我们期望所有新建的结构健康监测系统能够得到“健康”呵护，在大桥运营中发挥积极的作用。
本刊记者 / 陈晖
美编 / 赵雯
责编 / 陈晖
审校 / 李天颖 裴小吟 廖玲
（文章源自桥梁杂志公众号，本文由桥梁杂志公众号上传并发布，此文系转载，仅用来学习及交流，版权归属原作者及原刊载媒体所有，侵权删）
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