目前桥梁监测领域的技术和产业环境能否支持前面对桥梁监测系统未来可能发展的展望呢?从现实性看,国内技术产业能力足以能够实现桥梁监测系统向第三代模式转型;从可能性来看,最终取决于业主对桥梁监测系统的预期、目标诉求和管理能力。
从硬件设备角度来看,桥梁监测领域已经基本实现了硬件设备的国产化替代,随着国产设备技术不断升级,监测领域国外设备越来越少见。最近几年也出现了几种全新的监测技术和相关设备,值得业内给予关注。
第一种是光纤阵列传感器,在光纤制备成型过程中刻入光栅,每根光纤可以刻入10000支光栅。这类传感器集成了分布式光纤传感器和布拉格光栅传感器的各自优点,且安装非常便利。这类传感器实现了结构大数据全域性监测,可能带来桥梁监测系统设计方面的巨大变革。
如某新型监测传感器:①在一个“节点”内集成多种传感器,包括高精度三轴加速度计、磁力计和倾角仪;②节点之间串联,大大方便安装和拆卸;③根据桥梁长度和跨度选择不同节点数,应用灵活;④可以监测桥梁振动特性、动挠度和静挠度;⑤动挠度精度可达3-5mm,采样速率100hz以上;⑥静挠度精度可达0.1mm;⑦可以识别桥梁前7-9阶振动特性,包括频率、振型和阻尼比。
国产某加速度计,也是节点中内置了几个MEMS芯片,同时内置陀螺仪,从而能够实现多自由度参量输出。监测技术不同,必然会引起桥梁监测系统设计理念和设计技术的较大变化。希望有此类监测类项目的尝试和探索,为行业提供宝贵的先发性经验。
从软件角度来看。中台技术被引进了桥梁监测软件开发中来,有些软件提供商把监测系统平台按硬件中台、数据中台和业务中台进行了模块化开发。
基于中台技术的监测软件在大规模监测系统建设中优势十分明显,有利于监测硬件的运维和状态监控,有利于数据的专业化预处理、清洗、压缩和管理,有利于监测数据分析的专业化分工,同时非常利于跟《公路长大桥梁结构健康监测系统建设实施方案》中省级数据平台进行协同架构设计。
可以说基于中台技术的监测软件与第三代模式的桥梁监测系统切合度非常高,是第三代监测系统的具体实现和软件技术支撑。
随着桥梁监测系统建设规模的扩大,必然带来行业分工的深化。目前已经出现了定位于业主咨询的咨询团队,并且已经在有些地区开始尝试。
这可以大大弥补业主在桥梁监测类项目管理上经验的不足。有些创业型中小规模的公司,由于市场开发能力上所处的劣势,开始改变市场定位,以开发的新技术和软件支撑行业内检测公司,共同实施桥梁监测类项目。
由于海尔、华为、中国移动和电信等大型公司的进入,这些公司利用自身雄厚的资金实力,开始尝试第三种建设模式,也就是承包方出资建设系统,长期运维,跟业主收取服务费的项目模式。
4 对同济大学陈艾荣教授观点的呼应
2022年10月9日,同济大学陈艾荣教授在桥梁视界公众号上发表了一篇文章《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》,引起了行业的热烈讨论。我们基于前面的观察和思考,对陈艾荣教授的文章提出了六点呼应,以验证彼此的观点。由于篇幅所限,我们在这里不再引用陈教授原文章的文字。
(1)我们也认为在开展大规模桥梁结构健康监测系统建设之初应该对以往经验教训进行总结,以在下一步系统建设中改进提升。
2020年应急管理部在国内做过23座跨江跨河大桥的调研,对桥梁监测系统的调研结论值得相关部门参考而不该刻意回避。2021年初笔者曾经发表文章《桥梁监测系统不是混乱吗?那就来一场运动吧!》,对目前桥梁监测系统建设表达过技术层面的担忧。
(2)就桥梁监测系统相关规范的使用上,我们通过百余座桥梁监测系统方案的研读,确实发现设计者照(规范)本宣科者多,很少如陈教授提议“一桥一策”,真正摸透桥梁结构特性及所处特殊环境及使用条件而设计。
我们也曾经做过总结,认为第二代桥梁监测系统设计理念性差,看不出设计者的设计意图。这一点值得规范编制单位引起重视。
(3)我们发现系统设计最大的问题是没有设计理念指导,同时未能从数据分析角度反推传感器选择及布点。结果是传感器种类很多(从规范中参考而来),但是每类参量监测都很难获得高质量数据,所以我们提倡预算有限的前提下,先把有限参量监测做扎实胜过布设很多种类华而不实的传感器。
(4)桥梁结构健康监测系统是获取桥梁养护数据的方式之一,图3。从“实时性”和“检测精度”两个维度来看,桥梁结构健康监测系统实时性好,发现病害的精度低;人工检测实时性差,发现病害的精度高;快速检测技术从实时性和检测精度介于两者之间。
图4 桥梁养护数据的不同获取方式
最近几年,行业研究绝大多数定位在B点,各种先进的检测设备层出不穷,如图像识别类检测设备(裂缝和位移),微波雷达,敲击扫描式桥梁检测车,以及无人机检测等。
客观来讲,桥梁养护所需要的数据99%以上来自于定期人工检测,所以人工检测手段以及基于人工检测数据的数字化决策应该是值得关注的重点。
我们也提倡业主应该降低对桥梁监测系统实际功效的期待,截止2021年底全国公路桥梁96.11万座,其中不到0.11万座安装了监测系统,即便是安装监测系统的桥梁人工检测仍然不可或缺。
值得注意的是,国内仍然缺乏从养护决策角度反过来指导桥梁监测系统建设和人工检测数据的获取,从而无法对于监测系统投入水平以及各种检测手段之间的相互替代给予理论性指导。
(5)我们在《第三代桥梁结构健康监测系统:模式、架构和生态》中建议大规模桥梁监测系统采取开源模式,建议为业主下属企业或者项目所在当地企业进行技术赋能,使其牵头和参与项目建设,承担桥梁监测系统长期缺乏有效运维致使系统瘫痪的行业痛点。
我们提倡行业分工的深化,推荐选用基于中台(硬件中台、数据中台和业务中台)技术的监测软件。
我们认为,桥梁监测数据分析能力往往集中于高校科研院所,系统建设需要设计把这些机构分析能力纳入系统长期运维的利益机制。我们建议把设备供应商专项技术服务能力挖掘出来,使其从设备供应商向专项监测技术服务商转型。
(6)最后我们提醒,桥梁监测系统不是找个软件接上传感器那么简单,而是一个系统化的工程。我们发现决定系统最终建设质量和运维质量的很大程度上取决于业主的管理水平,然而遗憾的是业主在桥梁监测类项目管理上经验相对较为欠缺。
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