海洋橋梁工程全壽命管理維護戰略探討

劉沐宇，梁磊，吳浩，徐剛，李倩

（武漢理工大學道路橋梁與結構工程湖北省重點實驗室，武漢 430070）

一、前言

隨著東海大橋、杭州灣大橋、青島海灣大橋和港珠澳大橋等跨海大橋的建成運營，我國海洋橋梁建設不斷從常規橋型向離岸深海長聯大型發展。但由于海洋橋梁工程所處海域水深、流急、流向紊亂、潮汐影響頻繁，施工水文、地質等條件復雜，強風、地震、波浪力等環境荷載作用遠高于內陸橋梁，導致其在全壽命期內風險極高；同時海洋橋梁工程跨度大且遠離陸地，測量距離長，現有地面測量基準難以直接利用，高精度測量定位易受惡劣環境制約；此外，在高溫、高濕、鹽害、凍融及海霧等極端自然環境與交通荷載的共同作用下，橋梁結構性能退化更早、更快、更嚴重。海洋橋梁工程在勘察、設計、施工與運營全壽命管理維護中都面臨著嚴峻的挑戰。

海洋橋梁工程生命周期內的管理與維護面臨的主要難題有：

（1）亟需解決實時在線和長期可靠的海洋橋梁健康監測技術難題。近年來，越來越多的橋梁結構安裝了長期健康監測系統，對橋梁結構的損傷狀態進行損傷識別，對可能出現的損傷和災害進行預測、評估，但對橋梁結構的應力狀態進行長期可靠的檢測仍然難以實現[1]。

（2）亟需解決實時、快速和精確的海洋橋梁工程測量技術難題。工程測量中許多常規技術和方法不能滿足海洋橋梁工程實時、快速和精確的需求，亟需一種連續、動態、同步、實時、自動化的監測手段。

（3）亟需解決海洋橋梁工程自動化巡檢技術難題。橋梁工程巡檢主要針對內陸橋梁工程，巡檢以人工為主，輔以機械化設備實施，工作效率較低，且受到各種條件的制約，檢查范圍有限[2]。

（4）亟需解決海洋橋梁工程全壽命管理維護平臺難題。目前，國內外橋梁管理系統為獨立開發的單系統，且彼此不兼容，橋梁信息管理系統之間無法共享數據，難以做出科學合理的管理維護決策。國內外的風險影響研究主要針對內陸大型橋梁，現行風險評估體系對海洋橋梁開展評估需進一步完善[3]。

針對上述難題，利用時代前沿技術，重點發展光纖傳感、衛星導航定位、自動化巡檢等新技術與裝備，提出多參量、高可靠、大容量、長距離的光纖傳感健康監測、“天-空-地-海”一體化測量、自動化巡檢和智能化管理維護平臺等技術及其發展要點，研究其重點難點問題和發展方向，探討海洋橋梁工程全壽命管理維護技術的發展戰略目標和建議。以實現海洋橋梁工程管理維護的自動化、信息化和智能化，確保海洋橋梁結構運營安全，延長海洋橋梁結構服役壽命。

二、海洋橋梁工程全壽命管理維護研究戰略發展要點

（一）基于光纖傳感的海洋橋梁工程健康監測技術

1. 重點難點問題

橋梁工程健康監測技術從最原始目測發展到電測（電阻應變計、鋼弦式應變傳感技術和電磁類測試），對橋梁結構的應力狀態進行長期可靠的檢測仍然難以實現，光纖傳感技術的發展實現了監測的實時在線并提高了長期可靠性[4]。綜合國內外橋梁工程健康監測技術的研究現狀，海洋橋梁工程健康監測技術目前主要存在如下問題：①海洋橋梁工程全壽命健康監測系統的長壽、可靠性；②技術條件的局限性導致必要測量參數不全面；③監測大數據的有效利用和預警。

2. 技術發展方向

（1）滿足海洋環境的長壽命光纖傳感技術

海洋惡劣環境對傳感器提出了高強度、耐腐蝕和適應大溫差傳感特性等耐久性要求，結構復雜、建設周期長的海洋橋梁，其在線監測設備更換難度大，要求傳感器具有更長的壽命周期[5]。因此，海洋橋梁工程長壽命特種光纖的研究要點有：①特種光纖結構與組分設計；②特種光纖預制棒生產工藝；③特種光纖的拉絲工藝；④特種光纖的涂層制備及涂覆工藝；⑤特種光纖的光纖光柵制備技術；⑥特種光纖光柵在線制備裝備集成。

（2）多參量、高可靠、大容量、長距離光纖傳感元件研發

光纖傳感容量大，適合海洋橋梁監測參量和監測點多的特點。多參量監測需要傳感器種類繁多，安裝空間狹小需要傳感器體積小，從而對狹小空間里光柵的布設、黏貼與保護以及復雜結構里多光柵的走線與安裝提出了技術要求。針對海洋橋梁及其建造裝備對溫度、應變與振動等物理參量的超高精度測試需求，研究復雜物理場與光纖導波場高效耦合相關問題、傳感器增敏機理、多物理量交叉敏感機理。采用對特定參量敏感的材料以及借助3D打印技術，設計微型光纖傳感器封裝結構，優化傳感器的響應度，實現溫度、應變與振動等物理量的高精度測量。

（3）海洋環境全方位、多尺度監測技術

由于海洋橋梁在建設技術上的超前性和結構體系上的復雜性，其對健康監測的全面性也提出了更高的要求，包括海洋地理環境、海風、海浪、溫度、波浪力和運營期結構信息變化等。為能更加準確判斷海洋橋梁結構的健康狀況，搜集的信息須全面且準確，包括結構的荷載靜力響應、動力特性以及結構在運營期出現各種結構變化信息等[1]。同時，橋梁不同部位的監測尺度也不盡相同，有的要求局部密集化網格化監測，如纜索等部位應力；有的要求全局化整體監測，如主梁線形與主塔偏移[6]。因此，針對海洋橋梁結構不同的監測需求，需要開展全方位、多尺度的監測。

（4）海洋橋梁工程健康監測系統

由于材料老化、環境腐蝕、自然災害等原因，海洋橋梁結構在服役過程中會受到不同程度的損傷，對橋梁結構的安全性和使用壽命造成威脅。因此有必要在現有技術水平的基礎上，將健康在線監測技術與自動化巡檢技術等相結合，構建一個綜合系統工程，集結構計算分析、計算機技術、通信技術、網絡技術、傳感技術以及信息分析處理評判等高新技術于一體，使得海洋橋梁工程全壽命管理維護能夠真正滿足安全運營和維護管理的需要[2]。

（二）海洋橋梁工程“天-空-地-海”一體化測量技術

1. 重點難點問題

海洋橋梁工程通常具有規模大型化、結構新穎化、地理位置特殊化等特點，工程測量中許多常規測量技術與方法已經不能滿足海洋橋梁工程實時、快速和精確的需求，衛星導航定位技術以其獨特的優勢成為一種必然趨勢，但其在勘測設計、施工和運營管理階段仍然有很多工程測量問題需要解決[7]。

2. 技術發展方向

（1）海洋橋梁工程勘測設計階段的測繪技術以我國自主研發的北斗衛星導航系統為主體，全球定位系統（GPS）和俄羅斯全球導航衛星系統（GLONASS）等衛星定位系統為輔助的多模全球導航衛星系統（GNSS）技術，在橋梁勘測設計階段建立控制網方面具有高度自動化、全天候、高精度、實時性、布點靈活和操作方便等優點，能夠克服單衛星系統容易受到局部信號遮擋所造成的定位衛星不足、影響定位性能的缺陷。GNSS技術輔助達到厘米級甚至更高精度的水下地形測量，需要在海洋橋梁工程GNSS垂直基準建立及轉換技術方面開展研究[8]。同時，開展無人機技術，突破海洋地形對傳統測圖方法的限制，將極大提高工作效率和自動化程度。

（2）海洋橋梁工程施工階段的測繪技術

基于GNSS的海洋橋梁施工定位技術具有全天候、高精度、兼容廣、易管理等優勢，能提供直觀、準確、連續的船位、航向和施工區概況，還為船舶施工提供連續的三班作業和全天候施工作業。同時，三維激光掃描技術在橋梁施工中可實現自動化核查構件尺寸的正確性、預先模擬拼裝過程、檢查施工質量和評價施工精度；無人機巡查技術可實時掌握施工狀態，與通信、地理信息系統（GIS）技術相結合可實現對施工進行實時監控和實時調度。

（3）海洋橋梁工程運營管理階段的測繪技術

將多模GNSS技術同網絡通信技術、計算機技術、傳感器融合技術以及當前最前沿的物聯網、大數據、云計算等其他信息技術結合，實現海洋橋梁三維變形監測的實時在線監測，可顯著提高海洋橋梁運營管理水平和安全預警能力。在GNSS測量不到的關鍵部位，將GNSS與測量機器人綜合應用則可實現全面的橋梁監測。此外，三維激光掃描技術又是作為GNSS自動化變形監測的有力補充，其可利用掃描得到的點云數據，獲取成片的監測點信息，獲取密度更大的變形監測數據，這是其他監測手段所無法比擬的。大力發展機載、移動式三維激光掃描應用，并與GNSS監測技術、測量機器人監測技術進行綜合運用，有利于形成點面結合的海洋橋梁三維變形監測技術體系。

（三）海洋橋梁工程自動化巡檢技術

1. 重點難點問題

通過海洋橋梁技術狀況檢查，可得到橋梁結構的損傷類型、程度和位置等，并可評估海洋橋梁的技術狀況，為制定養護策略提供可靠的技術參數，而技術狀況檢查目前主要存在以下兩個問題：①缺乏針對海洋橋梁工程的巡檢技術體系；②海洋橋梁工程巡檢裝備自動化程度低。

2. 技術發展方向

（1）建立海洋橋梁工程自動化巡檢技術體系

針對海洋橋梁工程高溫、高濕、鹽害、凍融、以及海霧等極端環境和交通荷載作用，基于現有的內陸橋梁巡檢技術方案與規范、標準、指南等，確定海洋橋梁工程的經常檢查、定期檢查和特殊檢查的內容、頻率及指標等，開展適用于海洋橋梁工程的巡檢技術體系研究，確保巡檢技術方案的合理性、及時性和專業性。

（2）海洋橋梁工程自動化巡檢設備

研發海洋橋梁工程纜索智能檢測機器人、梁底自動檢測機器人、無人機等自動化巡檢裝備以及智能移動終端移動，提高海洋橋梁工程巡檢的安全性、全面性、可靠性和及時性[9]。

（四）海洋橋梁工程全壽命管理維護平臺

1. 重點難點問題

海洋橋梁工程項目的生命周期是指從項目勘測階段目標的產生到項目實施階段工程的竣工驗收再到項目運營階段整個過程。目前，我國的建設工程項目管理模式遵循傳統的分階段管理模式，各階段相對獨立的管理理論不能滿足海洋橋梁重大工程項目實施的需要[10]。

（1）海洋橋梁工程管理維護平臺開放性不足，不夠規范化，網絡化與移動化程度不充分，缺乏橋梁狀態預測評估。

（2）海洋橋梁工程風險現有研究多偏向于理論與主觀因素，現有風險防范措施難以及時有效地確定具有針對性的避險策略。

（3）由于海洋橋梁工程的特殊性、所處環境的惡劣和復雜多變性，現有的養護技術方案難以完全適用于海洋橋梁工程。

2. 技術發展方向

（1）構建海洋橋梁工程全壽命管理維護平臺

海洋橋梁管理維護平臺是融合橋梁基礎數據、設計資料、施工信息、監測數據，基于云技術的大型信息系統，用于狀態評估、結構退化預測、維護對策和計劃等，將海量多維信息深度挖掘分析后儲存于大型數據庫中，確定橋梁的當前狀態及維修對策，并對結構的未來狀況發展進行預測分析。

（2）海洋橋梁工程全壽命風險識別與評估體系

海洋橋梁工程風險源具有客觀性、普遍性和必然性。現有橋梁工程風險識別和評估系統難以滿足海洋橋梁工程動態風險評估需求，以構架系統完整的海洋橋梁風險評估體系為目標，提出適用于海洋橋梁工程的全壽命風險識別評估體系，基于海量監測數據以及云技術的深度挖掘分析，確定及時有效的避險策略[11]。

（3）海洋橋梁工程養護與維修技術體系

預防性養護是一種事前、主動的養護方式，能夠有效推遲中修和大修的期限、延長海洋橋梁工程的服役壽命。目前，海洋橋梁工程的養護與維修技術還沒有形成完善的技術體系，發展適應于海洋橋梁的養護與維修技術，提高養護維修人員的專業水平，基于人工智能與大數據技術的海洋橋梁工程養護與維修決策將為橋梁管理維護決策提供專業的數據支撐。

（4）海洋橋梁工程管理維護云技術

作為分布式計算的一種特殊形式，云技術引入了效用模型來遠程供給可測量和可擴展的資源，能夠完美應對海洋橋梁工程大數據的挑戰[12]。因此，大力發展云技術是確保海洋橋梁工程實現海量數據快速處理與深度挖掘的有力保障，能夠加速推動海洋橋梁管理維護實現信息化與智能化。

三、海洋橋梁工程全壽命管理維護研究戰略目標

本課題重點圍繞海洋橋梁工程全壽命管理維護的關鍵技術難題，通過廣泛資料查閱與現場調研，經過不斷地研討分析與多次專家咨詢論證，提出海洋橋梁工程全壽命管理維護技術發展的戰略重點。

（1）基于光纖傳感技術、衛星導航定位技術、自動化巡檢技術以及智能移動終端等，大力發展海洋橋梁工程健康監測預警系統及裝備。

（2）著力研發適用于海洋環境的長壽命特種光纖傳感技術與多參量、高可靠、大容量、長距離的光纖傳感元件，以及全方位、多尺度監測技術。

（3）建立以北斗衛星導航定位為主、其他衛星導航定位為輔的多模衛星融合定位機制，靈活運用測量機器人、三維激光掃描、無人機航攝測繪等多種現代化測量手段，形成面向海洋橋梁工程多手段集成、數據融合處理的施工測量體系，研發“天-空-地-海”海洋橋梁工程一體化空間信息集成技術。

（4）建立海洋橋梁工程全壽命管理和維護智能決策體系，構建以大數據為支撐的信息化、智能化管理維護平臺，推動我國海洋橋梁工程全壽命管理維護自動化、信息化與智能化，實現海洋橋梁智能管養。

四、海洋橋梁工程全壽命管理維護研究戰略發展建議

大力開發適用于海洋橋梁工程管理維護的新技術、新設備、新材料、新工藝等，引領高校、科研院所以及企業等相關機構加強全壽命管理維護技術研究與推廣應用，在相關重要科技領域實現技術突破，促進海洋橋梁工程管理維護跨越式發展，包含：①著力發展光纖傳感技術在海洋橋梁工程健康監測中的應用，研發適用于海洋環境的特種光纖，建立全方位、多尺度的海洋橋梁工程健康檢測技術；②重點發展以北斗導航定位為主、其他衛星導航定位為輔的多模衛星融合定位技術，構建“天-空-地-海”海洋橋梁工程一體化空間信息集成技術；③建立以“海洋橋梁工程大數據中心”為支撐的“物聯網”海洋橋梁平臺，推動海洋橋梁工程全壽命管理維護自動化、信息化與智能化，實現“智慧海洋橋梁”。

五、結語

針對海洋橋梁工程所處環境的嚴酷性與復雜多變性，在海洋橋梁工程勘察、設計、施工與運營整個生命周期中，基于全壽命期海洋橋梁結構安全與長壽耐久需求，以光纖傳感技術、衛星導航定位技術為主，結合自動化巡檢與智能移動終端等技術，實現海洋橋梁工程的健康監測與全天候、高精度空間定位，通過構建信息化與智能化海洋橋梁工程管理維護平臺，開展海洋橋梁工程健康監測、養護維修、風險管理等研究，并與信息技術深度融合，實現海洋橋梁智能管養，達到海洋橋梁工程自動化、信息化與智能化管理維護的目的，確保海洋橋梁工程全壽命期安全可靠與長壽耐久。