重庆交通大学 重庆 400074
摘要：桥梁健康监测系统实现了对桥梁结构损伤的长期跟踪监测，极大地丰富了桥梁监测的内容，提高了安全评估的精确性，已经在世界范围内得到广泛应用研究。针对桥梁健康监测系统的构成和各子系统功能特点，阐述了现阶段桥梁健康监测系统存在的不足之处，并对其存在的不足提出桥梁健康检测系统的未来发展方向，为相关工程研究提供参考。
关键词：桥梁；健康监测系统；存在的不足；发展研究
一、引言
随着交通量和重车数量的日益增加、桥梁结构服役时间的不断增长以及环境等自然因素的长期作用，桥梁结构的正常使用功能和极限承载能力一定会受到不同程度的影响。现阶段，监测系统在数据处理、结构损伤自我识别以及适用性等方面尚存在不足，因此，未来健康监测系统的发展应注重这些方面的研究
二、桥梁健康监测系统的构成
桥梁健康监测系统主要包括四部分，即传感器子系统、数据采集与传输子系统、数据处理与控制子系统和安全诊断评估子系统。
（一）传感器子系统
传感器子系统作为桥梁结构安全状态监控的核心组成部分，是用来监测桥梁在结构自重、车辆荷载、温度荷载、风荷载等作用下的力学状态和结构响应，从中获取桥梁的健康信息。传感器功能类型和安装位置的选择需要依据桥址环境条件和桥梁结构的受力特点，同时综合考虑经济、安全等因素进行确定。
（二）数据采集与传输子系统
数据采集与传输子系统的主要功能是将各类传感器采集的电、磁、光等信号和环境数据经由调制装置变成数字信号，再经无线、有线或互联网传输至桥梁健康监测系统的数据库中心进行存储，为后续的数据处理分析和安全诊断评估提供数据支持[1]。该子系统的关键是保证采集数据的可靠性和传输过程的稳定性，这就需要先进的网络结构提供保障。系统应具备有在无人值守的情况下进行连续采样和在报警状态下进行人工干预采样和特殊采样的双重功能
（三）数据分析与控制子系统
数据处理与控制子系统通过对数据采集与传输子系统获取的大量实时监测数据进行数据检验以及数据质量和可靠度测试等，再通过处理、可视化、评估、编译等多种方式，实现监测数据的知识性转化，并对数据库中心的大量监测数据进行抽取、转换、分析和模型化处理等，从中提取有利于后续结构安全诊断评估程序的关键性数据[2]。监测数据的处理步骤有些可以在数据采集的过程中完成，有些则需要经过计算机系统处理。
（四）结构安全诊断评估子系统
结构安全诊断评估子系统是根据不同的结构部位损伤预警标准对处理后的监测数据进行统计分析和趋势判断，通过层次分析法、神经网络、模糊综合评估法等方法，将分析出的桥梁健康信息以直观形式向桥梁管养部门提供，从而实现对桥梁结构的异常状态和结构损伤的预警功能。
以上四个子系统组成了整个桥梁健康监测系统，实时监测桥梁结构的静力特性和动力特性变化。通过传输网络将各类传感器采集到的多种信号输送到桥梁健康监测数据库中心，再由计算机对监测数据进行处理与分析，进而获得结构的健康信息，对结构安全状态的重要变化及桥梁出现不安全征兆时进行预警，提供报警信号，提醒管养人员关注结构运营安全状况，及时进行维修养护，保障桥梁结构健康正常运行。
三、桥梁健康监测系统存在的不足
（一）传感器的可靠性
随着传感器服役时间的增加，环境因素和测量噪声等因素都会导致传感器性能下降，甚至出现故障，造成监测数据可靠度降低或关键数据缺失。保证数据采集装置的稳定性是评估桥梁结构健康状态的前提条件。所以，如何排除性能退化和失效的传感器，并补齐关键失效传感器的数据是未来健康监测亟待解决的问题。
（二）监测系统与管理系统的单一性
目前国内外已安装健康监测系统的大型桥梁结构中多存在监测指标类别单一，而个别监测指标的传感器数据过多，监测数据巨大但不完善，达不到预期效果[3]。另外，健康监测系统只是注重监测数据的采集、传输和存储工作，同时监测系统和管理系统之间连接紧密度不高，造成海量的监测数据的搁置与浪费，增加了后期数据管理的难度，不符合利用监测数据分析评估桥梁结构健康状态的目标。因此，传感器的优化布置和监测与管理系统的合理设计是今后研究的重点。
（三）数据处理和安全评估方法的不完善性
现有桥梁健康监测系统所获取的海量监测数据只进行一些简单处理分析，并未其进行充分利用和有效挖掘，缺乏对影响结构性能的敏感参数的深入研究。研究人员应重视对监测数据地科学性与系统性分析。如何从海量的监测数据中提取出有效的监测数据进行桥梁安全诊断评估是研究工作者面临的技术难题。
四、桥梁健康监测系统的发展研究
（一）新式传感器的研发
桥梁结构的设计使用年限通常为100年，传统类型的传感器使用寿命大约10～30年，每次更换经济代价大。这就对传感器子系统中的传感器的使用寿命、传感精度和抗环境干扰能力提出了更高要求。同时根据不同桥型的特殊部位设计出易于满足监测目标的新型传感器。因此，新型适用于桥梁健康监测的传感器依旧是现阶段研究的重点。
（二）传感器的优化布置
在结构上安装大量的传感器显然是不符合工程实际的。在满足经济条件和监测数据完备性的双重条件下，实现对结构上传感器的监测项目、安装数量和布置位置的最优化。传感器的优化布置方法有能量法、有效独立法、序列法、遗传算法和神经网络法等。传感器的优化布置方案应该满足以下目标：1.安装传感器的测点能够全面、精确地反映结构的参数信息；2.测点信息能够灵敏地反映出结构模态参数的变化；3.实测模态与有限元分析结果相匹配；4.模态结果应该具有良好的鲁棒性和可视性。
（三）结构损伤的自我识别功能
传统的结构损伤识别技术需要通过繁琐的计算实现，无法及时察觉结构状态变化。通过在桥梁健康监测系统的监测功能中增加结构损伤的自我识别功能，不仅可以减少人工监测的劳动强度，还可以提高监测结果的精确度，及时了解桥梁结构健康状态。如果桥梁在运营过程中出现结构损伤，可及时发出预警信息，关闭桥梁入口，预防安全事故的发生。但是，具有很高速度的损伤预警分析算法是实现结构损伤自我识别功能的前提，并且该算法应具有很好的损伤敏感性。现阶段该功能发展还不成熟，还有许多问题需要进一步解决。
（四）中小型桥梁健康监测系统的研究
中小型桥梁作为我国交通枢纽的重要组成部分，受到环境和荷载等因素长期作用而产生的结构损伤并不比大型桥梁结构小，但是一直以来没有一套完善的、具有普遍适用性的健康监测系统。目前，桥梁健康监测系统基本上是用于大型桥梁结构的健康监测，多是一对一建立的系统。如果将大型桥梁结构的健康监测系统应用于中小型桥梁上，会造成资源浪费。因此，开发一套价格低廉、有效、实用的健康监测系统应用于中小型桥梁上是桥梁健康监测系统未来的研究方向。
五、结语
桥梁健康监测系统作为实时获取桥梁实际工作性能的有效方法，为桥梁事业的发展做出了巨大的贡献。现阶段，健康监测系统的研究基于理论研究，工程应用以大型桥梁为主，还存在一些不足之处。在各类桥梁结构上安装实用性强的实时健康监测系统将是未来桥梁健康监测的重点发展方向。
参考文献：
[1]李爱群，缪长青，夏烨.桥梁结构健康监测[M].北京：人民交通出版社，2009.
[2]孙利民，尚志强，夏烨.大数据背景下的桥梁结构健康监测研究现状与展望[J].中国公路学报，2019，32（11）：1-20.
[3]陈文杰.桥梁健康监测系统在桥梁管养中的应用研究[D].战略支援部队信息工程大学，2020.
作者简介：顾云杰（1994-），男，汉族，河南商丘人，重庆交通大学硕士研究生，研究方向：桥梁与隧道工程