桥梁健康监测系统发展的三个阶段

从1990年代末期桥梁健康监测系统在国内最早应用以来，工程实践已历经了20余年。在这 20年当中，无论是结构监测传感器，计算机软件，通信手段，数据存储和管理能力，系统设计理念，指导性标准规范，高校理论研究以及相关上下游产业都得到了长足的发展。
将桥梁监测系统在国内的发展划分为三个阶段，这种划分除了时间因素的考虑之外，更多依据的是监测系统设计理念和系统总体架构的不同。
这种简单的三阶段划分未必合理，只能算是观察桥梁监测工程实践发展的一种视角吧。

第一阶段：探索尝试（SHMS1.0时代）

就个人所能够获得的信息，国内最早实践桥梁监测系统的桥梁是广东虎门大桥、江苏江阴大桥和深港西部通道上的一座独塔斜拉桥。


当时虎门大桥仅仅安装了GPS位移监测系统，用于交通运营管理，虽然还不能说是“结构健康监测”，但是确实是国内较为早期的桥梁监测实践。虎门大桥是主跨888米的柔性悬索体系，跨度当时国内第一。


1997年通车后，在大风天气下桥梁振动幅度很大。从运营安全角度需要确定应该在什么条件下中断交通，这个给大桥管理者带来了很大的困扰。于是想出了个笨办法，让管理处司机开车从虎门桥上跑来跑去，自己司机跑不了了，马上断交通。


有家公司在深圳做国外GPS设备代理，向虎门大桥管理单位推荐说GPS能实时监测大桥位移，这就可以使得在大风天气下中断交通的决策有定量化依据。整个系统集成是清华大学过静珺教授团队做的，所以过教授说她是将GPS用到大桥监测上的第一人而从没讲过桥梁监测系统第一人，这个定个位是客观的。



GPS监测系统建成后，过教授的学生徐良博士用实测数据做过虎门桥模态分析（徐良等，广州虎门悬索桥的模态分析，《土木工程学报》，2002年2月），也算是为其赋予了些许的“结构监测”的内涵。


关于江阴大桥监测系统，清华大学秦权教授2000年2月发表于《中国公路学报》上的“桥梁结构的健康监测”是国内较早的桥梁监测领域的综述性文章，引用率很高。


文中列举了16座安装了监测系统的桥梁，其中国内1座，江阴大桥。江阴大桥是国内首座千米级悬索桥，方案设计应该是外国公司承担的，猜测桥梁监测系统的理念也可能是国外咨询公司给带来的，至少悬索桥主缆除湿系统往往会进行在线监测。百度百科“江阴大桥”词条提到“通过大桥结构监测系统等的研究，提高了大桥的管理水平”，也可以佐证江阴大桥与建设同时安装了监测系统。但是江阴大桥监测系统是哪家公司或高校给设计安装的呢？笔者模模糊糊记得是英国flint公司。



目前推算来看，国内大桥管理者接管桥梁监测系统后很难将其运营起来，所以这个系统当时发挥了什么样的作用，获取的数据质量如何，我们没有获得过相关信息。深港西部通道独塔斜拉桥监测系笔者能够获得信息更为有限，我印象中是中交公路规划设计研究院做的监测系统，应该是国内早期最为完备的桥梁监测系统。深港西部通道香港侧也有一座独塔斜拉桥，安装了监测系统，是香港路政署做的。


除了虎门大桥路GPS位移监测系统之外，早期清华大学在桥梁监测领域做过工程测试类实践工作，青马大桥动力特性“原始指纹”测试，香港路政署给的经费支持。在1998年实测了1377米主跨青马悬索桥多阶模态，算是比较早期的尝试了。


靠环境激励的脉动测试，技术难度很高。据说是工程力学系模态分析领域专家李德葆教授给出的测试方案；土木系现场数据测试，刘西拉教授，秦权教授和邱法维老师等当时都是背着线缆爬上爬下亲自操作的；最终数据处理是由北京理工大学李惠斌教授完成的。


当时李老师清华力学系博士毕业后到土木系做博士后研究专门分析这些数据，研究结果写成论文《青马桥的时域模态识别》发表在了2001年10月份的《土木工程学报》上。



从那以后，桥梁监测系统领域这种精细工作国内好像所见不多。还有一种未能确认的说法，青马桥监测系统GPS系统集成技术方案也是郭静珺教授给无偿做的。


最早成规模的桥监测系统是香港青马控制区三座桥梁，包括青马桥，汀九桥和汲水门桥，建成年代在1998年前后。国内早期做桥梁监测系统的多多少少都受香港这几座桥梁监测系统的影响。昂船洲桥（2009年通车）监测系统比较晚，但是该系统集成了上面几座桥梁长期监测的实践经验，系统投入的经费数量也是空前绝后，据说高达1.2亿港币。


2000年后国内早一批桥梁监测系统包括南京长江三桥、润扬大桥、舟山连岛西堠门大桥和金塘大桥、苏通大桥、黄埔大桥、杭州湾跨海大桥、青岛海湾大桥、坝陵河大桥、深圳西部通道桥、阳逻桥、天新洲桥等。



行业内也出现了几家比较知名的做监测系统的单位，如中交公规院、苏交科、交通运输部公路科学研究院、武汉理工、中铁武汉桥科研院和上海巨一公司等等。


除了监测系统工程实践之外，还有大量的理论研究，这方面请参考美国洛斯阿拉莫斯实验室两边综述性报告和国内任伟新和张启伟教授（当时在福州大学）共同合作的一篇综述性文章，其中有大量的理论研究进展的介绍。



这个阶段桥梁监测系统特点是：①追求通过监测系统实现结构损伤识别，并以损伤识别的理念指导系统设计；②重视系统硬件集成和时间同步性设计；③各类监测项目的采集与控制软件彼此独立，采集软件比较分散；④重视监测信号的动态采集。


当然经验教训更是不少，如：（1）监测系统建成后后续系统运维跟不上或者没有运维，造成花巨额经费建成的系统使用没几年很快瘫痪。（2）业主对此类项目不熟悉，项目前期策划和管理经验不足，最终有可能选择了价高质低的中标单位。（3）无论是业主单位还是投标单位对合同结构和项目建设模式重视程度不足，出现了责权利模糊，数据归属权和使用权未加规定等问题。（4）未能从桥梁养护管理大的框架下对监测系统有客观的认知。总体上来看，系统数据未能充分用于桥梁养护管理决策。


2020年应急管理部编写的《全国大跨径桥梁长期服役安全状况调研报告》认为 “虽然各桥都建立了监测系统，但也存在一些传感器耐用性差、系统故障率较高、数据分析与管养工作脱节、预警不及时等问题，对桥梁服役安全的作用有限”。

第二阶段：全面发展（SHMS2.0时代）

这个阶段桥梁监测类项目如雨后春笋般多了起来。这个领域的市场热度可以通过中交公规院、交通运输部公路科学研究院、武汉理工、中铁武汉桥科研院和上海巨一公司等实施单位丰富的工程业绩上能看得出来。


最近几年，智慧高速和智慧城市类项目出现很多，于是智慧桥梁作为智慧类项目其中一个子项被提了出来，当然智慧桥梁实质上还是桥梁监测系统。这个阶段桥梁监测系统由跨江跨河跨海跨谷特大型桥梁向普通桥梁上扩展，颇有“旧时王谢堂前燕，飞入寻常百姓家”的意味。


如中部某省会城市，政府花费几个亿的经费，城市桥梁监测系统全部覆盖，这是桥梁监测领域的“大手笔”。这个阶段桥梁监测系统走下神坛，随着技术的扩散，出现了各种类型的实施主体单位，有工程单位、设计院、高校还有传感器厂家，当然也有后来成立的专门做监测系统的创业型公司。



这个阶段技术特点包括：①软件集成度高，实现了软件平台化，监测平台可以接入多座桥梁，各种类型的传感器；②不再过度追求结构损伤识别理论的指导，从而体现为系统设计方法论层面的弱化；③往往针对某些参数最大值进行监测，后续数据挖掘工作少；④大量使用静态传感器，数据可用性有待探讨；⑤长期运维机制仍然未能很好建立，瘫痪不能用的系统时有发生；⑥仍然没有打通数据到决策的最后一公里问题。


为了规范这个领域的有序发展，相关部门也出台了各种标准规范，行业由无序向有章有法有根有据的正确方向转型。



最近几年颁布的桥梁监测领域标准规范有（不完全）：CECS 333∶2012 结构健康监测系统设计标准；GB 50982-2014 建筑与桥梁结构监测技术规范；JT/T 1037-2016公路桥梁结构健康监测系统技术规程；T/CECS 529-2018 大跨度桥梁结构健康监测系统预警阈值标准；T/CECS 652-2019结构健康监测系统运行维护与管理标准。当然，还有很多本桥梁监测领域标准规范正在制定中。

第三阶段：大规模建设阶段（SHMS3.0）

从时间上，我们把2021年3月1日交通运输部正式发布《公路长大桥梁结构健康监测系统建设实施方案》之后划分为桥梁监测发展的第三个阶段。这个阶段特点是由政府看得见的这双手主动推动起来了桥梁监测系统建设的高峰期，其中原因很大可能与虎门大桥异常振动事件有关。《公路长大桥梁结构健康监测系统建设实施方案》附后名单中列出了须安装监测系统的公路长大桥梁401座，各地报到交通运输部审批的桥梁数量远不止这些。


通过这轮桥梁监测系统大规模建设，2020年交通运输部颁布的《关于进一步提升公路桥梁安全耐久水平的意见》中提出的第一阶段目标“到2025年跨江跨海跨峡谷等特殊桥梁结构健康监测系统全面建立”将会得到彻底实现。


与此同时，城市桥梁也开始着手建设大规模的监测系统。2021年国务院安全委颁发了关于发布《城市安全风险综合监测预警平台建设指南（试行）》的通知，这个应该是城市桥梁监测系统大范围上马的推动性政策文件。有的一二线城市桥梁监测全部覆盖，动辄投入几个亿甚至大几个亿；有的三四线城市也要拿出两千万甚至几千万做桥梁监测。如此大规模的城市桥梁健康监测系统建设我们之前是闻所未闻的。


前两个阶段，做桥梁监测系统的绝大多数是行业内公司。在第三阶段，大量的行业外公司进入了桥梁监测系统领域，如海尔集团、辰安科技、华为、中国移动、中国电信、中国系统等等。


同时，行业内也涌现出来了多家创业型公司，这些起步较晚的公司虽然市场开发上面临诸多不利条件，但是他们追求较为务实的市场定位，与各地与业主关系较好的检测公司结合起来，共同承担监测类项目，做的也大多数有声有色。



随着项目规模的越来越大，项目交付方式也有较大调整，由以往独家承担向多家联合共同实施的方式转变。更为值得欣慰的是，系统建设过程中业主下属企业大多数积极参与了进来，这可能为解决系统建成后缺乏长期运维这个行业痛点问题提供了一种可能性。


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