孙海亮
大连市市政设计研究院有限责任公司，辽宁 大连 116000
摘 要：结合桥梁健康监测系统的行业发展现状，针对城市桥梁运营期结构常见病害及安全事故发生的主要原因，选取影响城市桥梁结构安全的主要监测项目，分析其控制指标，寻找影响相关要素及指标的主要风险源，通过人工智能等手段对其实施监测，以保障人民的生命财产安全。由此，探索适合城市常规桥梁集群的健康监测系统，推进城市治理现代化， 具有十分重要的意义。
关键词：桥梁；健康监测系统；在线监测；设计
引言
随着我国国民经济的快速发展，市政基础设施的受载状况日益加重，作为道路交通中重要组成部分的城市桥梁，因各种作用导致的病害也日益突出，甚至是偶发垮塌现象。目前，各地市针对城市桥梁管理、养护等方面已有了较为规范的管理办法，但是传统的管养措施普遍具有滞后性，且不能还原事件发生的衍变过程，亦不能满足新时代下社会发展的需要，同时桥梁安全性评价作为解决旧桥安全性能问题的前置条件，桥梁健康监测系统为其提供了可靠支撑，基于大数据的海量的存储及分析功能，给从业者深入研究提供了宝贵的数据基础。
1研究桥梁健康监测系统的意义
要保证运营期桥梁的安全与健康，首先要准确把握桥梁当前的技术状态及发展趋势。从欧美发达国家经验与教训来看，经济高速发展期间建成的桥梁，往往存在技术力量稀释、抢赶工期等问题，所以普遍存在严重隐患；与此同时，通常桥梁在建成20到30年后，也将进入病害多发期。在役长大桥梁安全与健康国家重点实验室收集了国内447座桥梁垮塌的案例，从其中184座有公开资料标明事故成因的案例来看，49%是由于运营期人为因素及管养不足所造成的。传统的城市桥梁管理养护方法，可类比于人类对身体健康进行体检，而现代化的城市桥梁健康监测系统，则类似于可穿戴的智能手环，时时刻刻地掌握着身体健康数据，并及时预警，因此，研究桥梁健康监测系统具有十分重要的意义。
2桥梁健康监测系统的设计
2.1监测传感器的设计
传感器必须具备成熟性，应能满足监测需要，尽量选用技术先进、性能稳定的传感器，应遵循以下原则：（1）可靠性原则，保证系统在桥梁服役环境下安全可靠运行；（2）耐久性原则，选用耐久性好和抗干扰强的传感器和传输线；（3）可换性原则，传感器易于维护和更换；（4）实用性原则，根据桥梁受力和变形特点，选用精度满足监测要求的传感器。根据桥梁监测的迫切程度、技术要求以及成本投入等情况，城市桥梁集群可选用主要监测内容如下:（1）主梁变形监测：采用挠度仪、位移传感器，对主梁关键截面（跨中等部位）和病害严重点的变形进行监测。（2）裂缝宽度监测：采用测缝计，针对容易出现的纵向、横向、竖向、斜向等裂缝进行监测，监测裂缝的宽度变化。（3）桥墩沉降监测：利用静力水准仪对部分桥墩的沉降进行监测。传感器系统要保证采集的数据准确可靠，这是有效监测的关键所在。传感器系统与数据采集系统兼容是一个重要技术节点。为保证两者兼容，需经过室内标定试验和室外测试，使得传感器系统和数据采集系统完美结合。
2.2数据采集及传输子系统设计
数据采集及传输子系统包含四种功能：（1）信号采集：基础信息数字化采集、传输、管理等功能；（2）信号预处理：待采集的物理量性质差异很大，需要对一些信号实时检测处理，以决定当前的测试工况；（3）数据处理：由于每类物理量采集的数据所使用的设备往往并不一致，因此监测系统必须根据需要将各种原始信号进行分解、变换形成统一的数据结构形式；（4）数据通讯：传输给上一层系统并且接收上一层系统的指令，实现传输及信息交换。
2.3云平台的搭建
“云”概念是基于“云计算”技术，实现各种终端设备之间的互联互通。用户享受的所有资源、所有应用程序全部都由一个存储和运算能力超强的云端后台来提供。桥梁监测云平台就是将各种检测终端设备与具备强大计算能力的云端后台处理器连接，同时为桥梁的管理单位、养护单位和监管单位提供服务。云平台构架分为数据采集层、算法层和应用层。数据采集层为实现各方监测设备数据（环境数据，如风速、温度等；结构数据，如裂缝宽度、跨中挠度等）的汇总，将实时数据快速存储，并上传至云端服务器。数据算法层为实现数据的清洗、转化、分类和存储操作，提升数据合理性，并对采集的实时监测数据进行分析、挖掘、比对，做出对监测数据的实时评价。数据应用层为实现综合评估与决策支持，通过模式识别、系统识别以及神经网络等方法，对桥梁的整体情况进行评定，并根据评定结果及时做出预警和处理建议。
2.4监测系统的实现
系统利用互联网作为信息传输平台，将桥梁结构现场测站和数据中心链接为分布式整体。现场测站、外业巡检养护终端通过互联网将采集数据实时传输至数据中心，进行集中存储管理，远程用户可通过Internet连接到现场测站，对前端采集进行控制、配置。用户通过远程访问客户端可获取监测及管理信息。
3提高桥梁健康监测系统设计的实践策略
3.1加强实用性
目前的技术已可实现对监测部位的直接评估，比如在梁底布设裂缝计，则必然可对梁底裂缝情况进行评估，对其是否超限做出报警；对监测部位的间接评估（即利用周边传感器对这个部位的状态做出评估）乃至面向多参量的整桥评估，很多方法已被理论上证明成立，甚至被实验室数据所验证，但在噪声或其他干扰较大时便不能进行正常识别。近年来，我国在人工智能、仿真应用等领域取得重大进展，这为间接评估提供了强大工具并取得了一系列重要突破，该领域技术的深入进展值得行业期待。
3.2加强BIM技术的应用
BIM技术借助于计算机、大数据等技术，构建三维立体模型，具有直观和清晰的显著特点，它既是模型构造方式的革新，又是一种管理理念的升级。BIM技术在桥梁健康监控的智慧化管理中具备广阔的应用前景，本项目选取典型桥梁，通过BIM软件的二次开发，实现云平台中数据的实时调用并导入到chart控件中，使得数据结果可以在三维模型里形象展示和精确定位，大幅度减少了判断误差和遗漏，提升了管养工作的效率。
3.3提高海量数据处理能力
电子存储技术的发展，使得海量数据的存储不再成为制约健康监测技术发展的瓶颈；计算机技术的发展，为实时数据处理提供了高速的计算平台；非关系型数据库、云技术等的发展，使得健康监测数据快速检索查询技术日趋成熟。然而，这些前沿领域带来的海量数据，远超出了人们的接受能力，桥梁工程方向传统的数据处理过程和理解方式，已经无法适应实时监测系统的数据获取能力。因此，今后面临的主要核心问题，将是如何在强干扰环境下分离信号以及进行知识挖掘，并结合数据可视化技术展示给桥梁从业者可理解的形式。值得欣喜的是，近年来，计算机性能的提升及深度学习等技术的发展，大幅提升了健康监测海量数据处理能力。
结束语
综上所述，为了保证桥梁的健康安全应该采用远程实时健康监测系统。该系统相比传统的监测技术优势明显，数据采集反应灵敏，数据传输平稳，数据分析和预警功能正常，较好地完成桥梁健康监测工作，并在今后的运营中继续发挥作用，为人民提供高品质公共服务的同时，推进城市治理能力和治理体系现代化。
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