橋梁結構健康監測系統的現狀和發展趨勢

一、背景

隨著改革開放以來經濟的快速發展，國內的交通網絡在不斷的豐富、完善，橋梁建設迎來了建設的黃金時代。橋梁不僅在公路交通運輸中發揮著至關重要的作用，而且在高鐵架設過程中具有不可替代的地位。伴隨著橋梁的建造技術的迅猛發展，近幾年來國內涌現出了許多大型，特大型的橋梁，如湖南矮寨大橋，杭州灣跨海大橋等，這些非凡的成就既展現了中國橋梁技術的騰飛，也大大提升了中國橋梁工程建設的國際地位。因為國內橋梁現代化建設起步時間較晚，因而大部分橋梁結構強度仍處在合理的范圍內，尚未出現結構疲勞，然而隨著時間的遷移，橋梁結構的健康問題將會凸顯出來。如何做到結構隱患早發現，早排除，這不僅關系到人民群眾的生命財產安全，而且還能為業主挽回巨大的財產損失。因此，健全并完善橋梁結構健康監測系統是亟待當代橋梁人解決的課題。

二、橋梁結構健康監測系統概述

多年來，橋梁結構的安全狀況一直是公眾特別關注的問題。目前國內外的大型橋梁普遍面臨結構安全隱患。在西方發達國家經濟騰飛的時期里，就已經建設了眾多大型，特大型的大橋，但隨著時間的推移，許多橋梁的使用年限已超過50年以上，1/3以上的橋梁使用效率很低或者干脆放棄，每年都要投入幾十億美元經行維護。然而，國內的橋梁健康監測體系發展速度遠遠滯后于橋梁的建設速度，近幾年發生了多起重大的安全事故，2007年8月，湖南湘西土家族苗族自治州境內的堤溪沱江大橋突然垮塌，導致64人死亡；2010年7月，洛陽欒川湯營大橋整體垮塌，導致52人死亡， 18人失蹤；隨著鐵路、高鐵的快速建設，鐵路橋也面臨新的考驗，2010年8月，寶成鐵路德陽至廣漢間石亭江大橋被洪水沖垮。以上事故除了施工方面的問題外，而且還有經常年超負荷的營運作用，導致了橋梁結構產生了疲勞損傷，加之缺乏及時的健康監測，使得結構疲勞累積，最后導致了橋梁垮塌的慘劇，如果能及時發現結構隱患，并盡早排除，就能極大地減少或杜絕事故的發生，因此橋梁結構健康檢查系統應運而生。

為了能滿足系統正常、高效工作，目前結構健康監測系統（Structure Health Monitoring System ， SHMS）由五大子系統組成：

（一）數據采集系統

目前，數據采集系統主要是由多種傳感技術組成，傳感技術種類主要包括了光纖傳感器、實時動態定位、聲發射、壓電材料等。多種傳感技術各有優缺點。

光纖傳感器，目前具有傳導速度快、耐腐蝕、抗干擾能力強、靈敏度高等優點，但是光纖傳感器的耐久性與在復雜環境下的運行精度有待提高。

實時定位技術，主要是通過GPS，GIS等技術實現在3D坐標上定位橋梁結構的位置與變形，可以實時掌握橋梁在風荷載，動荷載的作用下的應變。目前，中國北斗衛星導航系統的第一個民用示范工程--重點運輸過程監控管理服務示范系統于2013年1月1日正式啟用，因此，實時定位技術在SHMS的未來發展中將會發揮更重要的作用。

聲發射，主要是通過發射超聲波來監測橋梁結構的細小裂縫，該技術相對來說較為成熟，類似的系統已經在道路監測中廣泛地運用，但是在橋梁的實時監測中尚有不足，一是聲源的選取，在面對橋梁復雜的結構，聲源的選取至關重要，選擇什么地方來放置，以獲取最好的效果，這個問題在面對橋梁結構與所處環境有噪聲的時候，變得尤為棘手。二是采集的數據，傳感器所采集的數據主要為細小裂縫的聲波反饋數據，因此，存在微小的裂縫不易被發現，且對于尚未產生裂縫處的應力集中現象不能很好的反饋給業主，容易導致橋梁結構的損壞。因此，聲發射技術還需要繼續深入研究。

壓電材料，具有成本低、生產簡單、響應快、機械強度高、耐久性能好、動態輸出能力強、可靠性高等優異性能，因而在SHMS中具有很大的潛力。壓電材料在SHMS中的應用主要有主動、被動兩種方式。但是目前主動監測技術在土木工程結構長期健康監測中的應用非常有限，絕大部分的成果還處于理論、試驗階段。

（二）數據傳輸系統

目前，隨著無線傳感網絡技術（WSN）的發展，由傳感器采集的大量數據能夠及時的傳輸到中央處理器。無線傳感器網絡是一種分布式傳感網絡，它的末梢是可以感知和監測外部世界的傳感器，WSN中的傳感器通過無線方式通信，網絡設置靈活，設備位置可以隨時更改，因而可以隨不同的橋梁結構，而更改傳感器的位置，以獲取準確的數據，并且無線傳感器網絡具有類型繁多的傳感器，不僅能收集噪聲、風荷載、動荷載、車輛的移動速度等數據，還能采集周圍環境的多種數據。WSN具有規模大、自組織、動態性等特點。因此，WSN可以通過分布在不同位置的傳感器采集更大性價比的數據，傳感器的數目巨大和種類多樣化促使監測精確度大幅度提高，降低了對單個節點傳感器的精度要求，大量冗余節點的存在，使得系統具有良好的容錯性。基于自組織、動態性的特點，使得當有部分傳感器節點由于環境因素或能量耗盡造成的失效時，其余的節點能通過無線連接，自動接替失效傳感器的工作，這樣網絡的精度得到了保證。隨著技術的發展使得部分節點傳感器擁有微處理器，能夠將采集的數據先行處理，消除偶然或系統誤差和去除因傳感器失效造成的錯誤數據，進而提取有效信息，減少傳輸數據量，減小能耗。

（三）數據處理系統

目前，數據處理可分為硬計算和軟計算兩類。顧名思義，硬計算指的是通過傳統的算法，算出嚴謹、確切和精準的值，實際上由于橋梁結構處在一個隨時改變的動態荷載環境中，導致結構的應變處在一個不確定，不精確的范圍內，使得硬計算在實際工程中并不適用。而軟計算指的是系統運用模糊運算，統計運算等智能計算方法。在實際運用中，軟計算會對數據進行比較對比，對傳感器失效造成的數據丟失，錯誤，進行必要的修正和驗證，會對系統的正常，高效工作起到優化作用。

（四）數據評估系統

對于橋梁結構的使用壽命可分為三類：技術性使用壽命、功能性使用壽命、經濟性使用壽命，而目前的使用壽命都是從技術壽命考慮的。系統性的評估在于確定系統的評定基準，建立一整套指標體系，統一量綱，確定每個影響因素所占的權重，目前可使用的方法有層次分析法、模糊綜合評定法等，現在面臨的問題一是系統評估的主觀性太強，主要使用專家打分法；二是面對傳感器傳輸的海量數據，如何進行取舍，目前沒有統一的衡量規范。系統在面對不同環境因素，橋梁結構，荷載類型時，需要建立不同的數學模型。為了能使SHMS適應更多復雜的外部環境，如何建立一個健壯的數學模型，仍需要進一步研究。

三、橋梁結構健康監測系統的未來

（一）傳感器的性能與分布

目前，現有的傳感器普遍面臨的問題是精度低，耐久性弱，解決該問題就僅通過增加傳感器的數目來增加系統冗余，來提高系統的容錯性。但新問題也隨之出現了，一是如果在橋梁所有自由度上安裝傳感器，那將會大大增加系統成本，并且會增加后期維護費用，二是傳感器的增加意味著增加了數據量，使得系統需要進行更多的數據處理，而如何建立適用性更強的損傷識別指標，就決定SHMS能否高效的運行。在未來，如何增加傳感器的靈敏度和精度；如何通過傳感器的優化分布來提高獲取最大數據量，這兩方面將是研究的重點。

（二）數據處理系統的優化和智能

數據處理系統是整個系統的心臟，因此處理系統的好壞直接決定了整個系統的性能。目前，處理系統主要在兩個方面尋求突破，一是對處理系統的數學模型的優化，使其能面對更復雜的，更龐大的數據鏈，能適應更復雜的環境；二是處理系統的智能化，隨著智能時代的到來，如何將處理系統與云計算、大數據庫相結合，運用已有的案例解決自身的問題，這將是未來研究的重點。

（三）結構健康監測系統的功能整合和定位

目前，在中國許多沿江城市里，都能看見結構健康監測系統運用在橋梁集群中，如何將這些系統進行有效整合，實現資源共享，規范統一，這就需要從國家層面進行調控。將眾多獨立系統的信息進行共享，就必然會面臨系統數據鏈的共享，這就不得不觸及商業機密與國家安全，因此，在未來系統聯網的過程中如何做到信息的安全管理，這將關乎到系統的能否高效利用的問題。結構健康監測系統理論尚不完善，在實際運用中仍會遇到許多困難，因此SHMS目前的功能定位仍然是人工的輔助系統，尚不能替代工程師的職責。因此，在未來的運用中應該不斷總結使用經驗，來完善結構健康監測系統理論，使SHMS能在未來橋梁監測工作中發揮更大作用。

四、結語

隨著中國城鎮化進程的推進，無論是公路橋還是鐵路橋的建設都將加快步伐，在這個大環境下，橋梁結構健康監測系統的產生順應了時代發展的潮流，接下來如何完善系統將會是未來橋梁人研究的重要課題。

參考文獻：

[1]孫利民.橋梁健康監測[J].中國公路學報.2014

[2]孫曉燕.橋梁結構健康監測技術研究進展[J].中外公路.2006

作者簡介：

鄧周全（1994-），男，漢族，四川南充市人，鄭州大學水利與環境學院，道路橋梁與渡河工程。