随着我国经济水平、科技实力和综合国力的不断提升，公路桥梁建设取得了非凡的成就。其中针对桥梁检查、监测、评定与养护的技术也在日益完善，已建立形成了一套规范化的技术体系，在保障常规结构桥梁安全运行方面起到了显著的作用。但由于长大桥梁与外部环境交互响应颇为剧烈，且不同响应间存在耦合及链式作用，现有体系中孤立存在的检查及监测信息，难以有效地用于性能感知、状态评价和养护决策，因此对多源信息的融合应用存在迫切需求。
作为信息科学的一个领域，信息融合技术源于军事应用，历经几十年的更新迭代，目前已形成了相对完善的功能模型、架构体系和评估算法（如图1所示）。
图1 军事领域的JDL 5级融合模型
随着传感器、计算机和信息处理技术的快速推广，多源信息融合技术逐渐发展至环境监测、智能交通、气象预报等民用领域。与上述领域相比，信息融合在桥梁管养方面的应用较少，对多维多源数据、时空关联数据的综合应用尚处于探索阶段。
本文以长大桥梁管养的性能感知与评价为研究对象，探究长大桥梁管养的技术特征以及现有规范体系的适用性，就多源信息融合的综合评估应用提出探索性的实现路径，进而展望未来大跨径桥梁运维的发展趋势。
一、技术特征与体系的适应性分析
作为跨越江河、海洋、深谷等特殊地貌环境的主要结构形式，长大桥梁与常规结构形式桥梁相比，具有宏观受力特性复杂、构件服役性能要求高、桥梁功用性能要求齐全、使用环境复杂多变的特征，管理养护的技术难度更大，而社会及行业的关注度更高。随着服役时间的延长，桥梁结构必然会按照客观规律，进入性能持续退化的阶段，如何解决这一复杂的周期性问题，保持桥梁管养工作的高质量发展，为当前面临的新课题。
图2 长大桥梁管养挑战
图3 主要规范体系建设时间轴
从顶层设计出发,当前已形成相对完善的标准规范体系，现有的技术体系是基于周期性检查或专项检测获取桥梁现状数据，通过理论评估方法，利用所获数据，对结构安全、耐久状态加以评价，进而依据评价结论进行养护决策。而此方法的基础，是检测或其他手段采集到的现状数据，数据的准确度及数量的丰富性直接影响评价的准确性。
图4 现有技术体系
从近年来多次发生的结构异常振动、钢结构疲劳、缆索系统腐蚀、支座过量磨耗等问题可以看出，长大桥梁所需的专项评估项目繁多，不同构件对结构整体的安全性、适用性、耐久性等影响各异，而且它们的可恢复性也存在较大差异，常规的结构“体检”已难以满足长大桥梁结构的实际需求。另一方面，通过孤立、静态的检查结果，难以体现长大桥梁结构响应关联的特性，从指导安全预警和养护决策的角度出发，适用于常规桥梁的单一指标形式的评定结论，无法完全指导长大桥梁管养工作的开展。
目前亟需构建一套适应于特殊复杂桥梁结构运营养护管理的评价体系，形成“疑难杂症”的专家“会诊制度”，实现包括体系、构件、作用和功用性指标的全方位评估。
二、综合评估体系的构建与应用
基于评估体系构建需求的分析，针对长大桥梁在运营阶段所面临的诸多困境，以多座特大型缆索体系桥梁检测评估项目为依托，开展了长大桥梁综合评估体系和技术的研究，初步形成一套适用于运营期性能感知与综合评价的方案和关键技术。在此过程中，多源信息融合的技术及思路起到了关键性作用。
综合评估体系诊断流程包括“明确结构预期-筛选核心风险-获取多源数据-分析数据特征-架构评估体系”5个步骤，构建了体系评估、构件评估、作用评估、功用评估的“四位一体”评估架构。
明确结构预期
结构的基准状态可以看作是结构的初始基因，利用建设期的设计、施工及监控资料，明确结构的初始几何空间变位状态、结构初始内力状态、结构基准参数等，作为运营期对比分析的判定基准之一。其中施工过程中发生的质量缺陷，以及初设设计的考虑不足，往往会成为运营期结构的易损点和风险点。
图5 结构初始缺陷
在运营期，对于结构力学响应的认识，主要基于基准有限元模型。因此，首先应着力建立各类基准有限元模型，并在桥梁全寿命不同时期做好基准有限元模型的交接与对比修正工作。特别要重视施工全过程模拟的有限元模型和建设期专项研究（钢结构疲劳、抗风抗震等）的有限元模型的保存与传递。此外，需要依据设计标准、建设期与运营期的专题研究成果，建立作用荷载模型，对于运营期评估结构上的作用变换具有重要意义。
上述基准信息的获得主要基于建设阶段的纵向信息收集，核心功能是为运营阶段建立基准。
筛选核心风险
为保证特定性能评估的有效性和实际价值，需要通过筛选确定运营期桥梁结构的核心风险问题，进而开展后续针对性的数据采集与分析评估工作。
针对核心风险问题筛查,首先通过对国内典型的大跨径桥梁资料收集与调研,对运营期不同桥型结构常见损伤发生率、关键性易损性构件使用寿命进行工程类比分析。
图6 缆索体系桥梁常见损伤发生率统计（72座）
图7 桥梁易损性构件使用寿命
在此基础上，结合不同桥梁结构受力的特点、历史运营养护资料等筛选出需要关注的核心问题。在引起桥梁风险事件的各种因素中，结构的固有特点是基础，它决定了桥梁的薄弱部位。突发事件和损伤演变是诱因，它们经常共同出现。在此辨识过程中结构的初始施工缺陷、设计考虑不足等将会成为重要的考量因素。
获取多源数据
本阶段根据核心风险问题量化评判的需要，综合利用常规检测、健康监测、特殊专项检查等多源数据，实现有效数据的互补和关联。上述信息的获取更多的是基于运营期数据的横向信息收集，相关信息主要产生于运维阶段。主要包括以下几方面。
人工巡检信息，包括检查、检测、试验等，由巡检人员主导实施。数据类型多，准确性高，但标准化程度低，且存在巡检时间不连续、覆盖参数不全面的问题。
健康监测信息，主要提供实时、连续监测信息，数据量大，数据种类丰富，但监测测点可能会存在盲区，易遗漏重要项目。
专用附属系统信息，如钢箱梁除湿系统、桥塔除湿系统、主缆除湿系统等，对于专项养护格外重要。
养护资料，桥梁运营阶段的小修保养、维修加固、构件更换等各种性能保持和提升的行为产生的信息。
在既有的人工巡检和健康监测系统的基础上，建议采取短时间、高密度的专项监测技术，来弥补两种常规数据获取方式的不足，其核心优势体现在以下4个方面。
1.可围绕桥梁运营期损伤针对性的布设 可围绕混凝土结构性裂缝、钢箱梁疲劳损伤、梁端偏位、空心板桥梁单板受力等布设针对性的监测测点，实现对特定性信息的高密度捕捉，监测方案也更加高效经济。一些特定的易损构件，亦可通过监测其关键的性能参数，给予准确的性能评估。
2.密集式的传感器布设可以达到更优的评估效果 人工巡检方式获取的数据仅是特定时间状况下的结果，而健康监测系统所获数据具有空间稀疏性与时间冗余性的矛盾，专项监测系统介于两种方式之间，能很好地弥补两种常规检（监）测方式的不足。采用特定功能传感器密集式部署收集的短时空间密集型数据，有时更能反映出实际工程问题。
3.可以针对性的设计不同监测项来发现特定规律 根据桥梁已经暴露出来的问题或关注的风险点，进行作用与响应关系分析后，可以通过布设不同的短期监测项，快速验证各参数之间的相关性。例如裂缝与温度、挠度与汽车荷载等之间的关联性。
4.特殊工程事件，例如车船撞击后或火灾后桥梁结构安全性的应急监控，有针对性的短期监测系统更能发挥效果。
此外，在监测检测技术方面，针对隐蔽工程和检修盲区位置的检测设备、非接触性检测设备和结构快速无损检测设备，也可以丰富性能评估的数据来源。
分析数据特征
结合相应的评估算法和分析技术手段，对获取的数据进行深入挖掘，可以将大量的数据转化为更为有效的信息，从而提取数据深层次的价值，用于揭示桥梁性能状况的发展规律。
常规的数据处理方式比较单一，主要采取人工处理的方式，以统计报表、纸质报告等形式进行呈现。随着信息技术的发展，特别是计算机的普及应用，机器发挥优势并代替人工进行数据的处理，包括对数据的分类汇总、统计分析、特征值提取、可视化展示等，
从工程控制论的角度而言，桥梁结构时刻存在着与外界环境的交互影响，不同作用之间存在相互耦合及链式作用，需要建立结构的实测响应与主要、次要因素进行关联性模型。
图8 裂缝宽度与温度的时变规律
在数据特征值分析的基础上，结合特定性信息类型确定预警方式和特征值的接受准则。针对特征值的评判与预警，形成了以下6种类型的接受准则：一是基于阈值的评判预警(某项指标超过事先设定的阈值)；二是基于发展趋势的评判预警(某项指标呈现出预期外的发展趋势)；三是基于时间分布特征的评判预警(某项指标在时程序列上出现异常)；四是基于空间分布特征的评判预警(某项指标在空间分布上出现异常)；五是基于相关性的评判预警(多项指标之间的相关性不符合预测)；六是基于损伤的预警(根据损伤发展规律，预示某种风险事件的产生)。
架构评估体系
将多源信息融合，应用于对结构体系宏观受力、构件服役性能、桥梁功用性和使用环境专项评估的4项核心评价当中。
图9 多源信息融合的评价体系
结构宏观受力专项评估 该项专项评估主要从桥梁结构整体的角度出发，通过识别宏观结构上的关键参数，与桥梁设计时的各项指标进行对比分析，以此评价桥梁的结构性能及运营状况。
构件服役性能专项评估 此项专项评估主要针对桥梁上的各类易损结构及构件进行。主要包括钢箱梁、支座、斜拉索、桥墩等，评估内容主要涉及对各类易损结构及构件的现状、病害类型、成因及发展趋势的分析，预测易损构件的使用寿命，并提出相应的处置措施。
桥梁功用性专项评估 桥梁的功用性专项评估主要针对桥梁运营使用功能相关的各类功能性结构或系统进行评价。重点从检修通道、除湿系统、桥面通行的3种功用性方面加以分析评估，并评估各结构及系统的工作运营情况，讨论结构及系统中存在的问题对桥梁运营使用的影响，并提出相应的解决措施。
桥梁使用环境专项评估 此专项评估主要评价桥梁的使用环境。主要从车辆荷载、风荷载、水文条件变化等方面进行分析评估，主要评估使用环境荷载的作用的特征参数，与设计标准进行对比验证，并将荷载作用下的结构响应与监测结果进行共同分析评价。同时关注桥梁的耐久性性能状况，从材料的抗侵蚀能力、构件的耐久性失效、结构的耐久性损伤等方面加以分析。
上述基于多源信息融合的性能评价体系，具有普适性和可拓展性两方面的特点。通过各类专项评估手段及措施，获取多维度信息数据，可以实现对各类构件或设施损伤的专项评估，进而详细掌握结构总体或局部的性能。相应的评估结论和建议更能协助管养单位安排相应养护工作，是确定未来养护管理工作重点的重要决策依据。
围绕长大桥梁性能感知与评价的工作，先后在杭州湾跨海大桥、苏通大桥、润扬大桥等多座重点桥梁工程中进行了尝试和探索，取得了良好的应用效果。
图10 应用工程案例
三、未来展望
随着越来越多的桥梁建成后投入使用，公路基础设施养护需求日益增大，可以预见随着人工智能、大数据、移动互联等技术的进步，以信息融合为基础的桥梁管养将成为未来发展的方向。与其他行业更为体系化的多源信息融合技术的应用相比，未来桥梁管养领域的信息融合需要强化以下几个方面的工作。
更丰富的基准模型
在基于建设阶段的纵向信息收集和基于运营期数据的横向信息收集过程中，由于管理和技术手段的限制，各参与单位关注重点不同，信息不断遗失，导致许多关键信息无法为运营期提供有效支撑。为解决此问题，应促进全寿命周期不同阶段BIM技术的接轨，实现桥梁“设计、建造、运维”一体数字化，形成更丰富的基准模型。
更高效的数据获取
未来桥梁数据的采集是基于多维度、高密度、高关联性的桥梁“望闻问切”等信息化感知技术。针对特定信息采集需要开发更加智能化的检测设备。将智能化的数据处理方法与检测设备相结合，能进一步提高数据的获取效率。
图11 自动化检测机器人的应用
更深度的信息融合
桥梁结构性能状态的诊断，需要基于多维度、大量关联性数据的分析才具备科学性。在多项监测数据结果指向性一致的情况下，才能得出正确的判断结果。未来有必要发展综合性的诊断算法，结合计算分析技术，发挥数据评估、预测的功效。
更科学的专项算法
从实用的角度出发，多源信息融合理论的探究都依据内容的性质和特点，独立获得直观数据综合加工处理规则，在此基础上得出最优融合算法。在此过程中，应充分依赖于对特定问题发生机理的研究，同时需要注意对建设期所采用的评估方法的验证。
图12 与建设期所采用的评估算法的相容性研究
更全面的决策体系
基于多源信息融合的长大桥梁性能感知与评价体系的建立，最终目标仍然用于有效提升管养决策的客观性。
目前构建的性能综合评估技术体系，形成了“五个步骤、四项评估”的技术脉络，相应的评估技术体系较为成熟完备，未来还需要在掌握桥梁技术状况、性能演变规律的基础上，补充完善利用多源信息进行养护管理和分析决策的内容，实现从数据采集—管理，再到基于养护数据的养护规划辅助决策的根本性转变。
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