东南大学 土木工程学院 南京 211189
摘要：根据近年来桥梁健康监测技术的发展，对结构健康监测中出现的一些新的技术手段进行了介绍，主要包括无线传感器网络技术、区域分布光纤传感技术、BIM可视化技术和图像技术与无人机数据采集，并结合桥梁结构特性归纳了目前这一土木与信息交叉领域发展时存在的一些问题，在此基础上，对桥梁结构健康监测的发展前景进行了展望，随着传感器、无人机、GPS等检测技术的不断发展以及BIM、图像处理等后期分析手段的应用，加上劳动力成本的上涨和信息化与土建行业的结合，未来结构健康监测系统采集的数据将会更加精确和及时。
关键词：土木工程桥梁结构 健康监测 智能化
0. 引言
随着桥梁数量的不断增加，桥梁的健康监测的重要性也逐渐显现出来，及时的发现桥梁在使用中出现的问题对于避免安全事故和改进建造技术都具有十分重要的意义。
桥梁结构健康监测技术是指借助传感器等测量仪器及多种信息处理技术对桥梁在施工或使用过程中产生的结构损伤进行识别和判定的技术，通过信息系统对结构损伤的周期性监测和指标提取，可以对桥梁在使用过程中产生的过度变形和破坏进行及时预警，为结构安全性的判定提供可靠依据。
在桥梁结构健康监测相关文献的基础上，本文对该技术的发展进行了总结，同时分析了目前存在的问题，并对未来的发展趋势进行了预测，以便于结构与信息交叉学科的进一步发展。
1. 桥梁结构健康监测的发展现状
在结构健康监测系统出现之前，对于桥梁结构的安全监测主要是通过定期进行人工检查的方式来实现，但是由于桥梁结构尤其是大型桥梁或者处于复杂环境条件下的桥梁来说，这种方式具有很大的弊端，主要体现在主观性强，判定结果的真实性不能得到保证，且桥梁结构的构件数目多，种类复杂，检查的覆盖面狭窄，同时人力成本和经济损耗都很大[1]。与信息化结合的结构健康监测系统在桥梁方面的应用起始于20世纪80年代，之后不断改进发展，目前已有与多种辅助手段结合的桥梁结构健康监测方式。
1.1无线传感器网络技术
随着互联网技术的不断发展与革新，无线传感技术也更多地应用到土建行业。不同于传统监测手段中前段传感器需要有线连接，基于无线传感器网络技术的桥梁结构健康监测可以通过无线传感器部署，在桥梁中心位置完成数据汇聚[2]，通过网络跳转实现对桥梁内部情况的远程监测。
基于无线传感器网络的桥梁结构健康监测技术在发展过程中也遇到过许多技术问题，例如数据采集不同步、桥梁位置没有移动网络，无法实现信息的网络传输等，但随着时代的发展，这些问题可以借助时钟同步技术和网络跳级技术解决[3]。
1.2区域分布光纤传感技术
在工程应用中不难发现，在桥梁结构中防止的传感器常常会受到外界环境的影响导致测量结果不准确或者直接失效，与此同时，对于桥梁结构来说，传感器体积微小，即使布置的数量很多，也很难实现对损伤部位的全面覆盖，这就导致了结构健康监测的效果不佳。
针对上述情况，吴智深教授团队联合苏交科集团股份有限公司提出了准静态荷载试验与分布式光纤光栅传感技术结合的监测手段[4]，传统光纤技术的精度比较低，且很容易受到损伤处空间变形的影响造成精度降低，适应性不高。而区域分布光纤传感技术由于传感器相对于传统形式覆盖面积加大，并且通过技术手段提高了光纤测量精度。同时为了减少外界环境对区域分布光纤传感器的影响，吴智深团队采用了玄武岩纤维复合材料作为封装手段，实现了传感器耐久性的提高。
1.3BIM可视化技术
BIM技术是一种应用于工程设计、建造、管理的数据化工具，主要是将建筑的各时期信息通过数字化的手段建立模型进行共享，可以应用于建筑项目的全生命周期，对于土建行业来说具有很重要的意义，能够实现工期缩短和成本节约。
BIM技术在桥梁结构健康监测中的应用主要是体现于对采集到的数据进行处理方面，传统的技术手段中数据之间的关联性差，且不能够直观的反映具体情况，相关信息需要进行分析和提取。如果将通过传感器采集的到的数据通过BIM技术进行处理，则可以建立桥梁的三维可视化模型，能够使数据直观地体现在模型中。以斜拉桥为例，通过BIM 技术可以直观地展示桥塔的倾斜角度，通过与允许最大倾斜角度的比较来判定桥梁的安全储备限度，在最大程度上减小安全隐患[5]。
由于BIM模型能够记录建设全生命周期中的各项数据并且可以共享，其在一座桥梁结构健康监测中所记录的风荷载、雪荷载、温度应力等对于在相似环境下桥梁结构的改进和提高检测针对性方面也具有一定的参考性。
1.4图像技术与无人机数据采集技术
图像技术与无人机系统在桥梁结构健康监测中还是一种试探性的技术手段。近年来无人机技术飞速发展，常应用于灾害救援、街景拍摄、监控巡查、环保监测、电力巡检、交通监视、农业植保等领域，这一技术具有方便灵活、起降迅速、成像清晰等优点。使用无人机系统可以轻易拍摄到桥梁中难以进行观测的位置如桥梁底部、位于隐蔽位置的细部构件的高清图片，为远程监测提供图像资料。
无人机系统与红外热成像技术的结合能够对桥梁结构中内部产生的损伤进行探测，弥补了肉眼观测的局限性，同时能与传感器采集的数据进行相互对照，确保监测结果的可靠性。
无人机系统利用高清成像技术对于桥梁裂缝的监测早在2009年就已经进行了初步应用[6]，在发展过程中又进行了降噪技术、纹理及颜色分析等多方面的改进，并开发出了更为精确和先进的机器人图像采集和识别技术。可以说，通过这种方式对桥梁结构外部裂缝的观测是十分有效的。
2. 桥梁健康监测技术存在的问题
虽然桥梁结构健康监测技术在近年来快速发展，但仍然存在着许多需要解决的问题，目前主要存在的发展限制有：
（1）传感器有效使用率低，施工安放位置不够准确。
在实际施工过程中，传感器的安装往往由施工工人完成，有时无法达到较高的位置精度要求，且后续施工常会对已经安装的传感器造成破坏，施工完成之后，能够正常工作的传感器数量占比不高，造成结构中一些损伤出现后无法及时观测到，只有当损伤达到较大程度时才会引起传感器数据的异常，这种情况的出现会影响桥梁结构健康状况的正确判定，增大安全事故出现的风险。
（2）传感器测量指标单一，测量结构损伤时不够全面灵敏。
目前传感器能够测量的指标种类并不多，不同测量指标对被监视结构损伤的敏感程度有所不同，如何根据可能出现的不同结构损伤选择最为敏感的测量指标是需要通过大量的实验进行确定的，根据实验结果进行比较并考虑构件耐久性、经济成本才能确定最优解。
（3）无法确定传感器的工作环境，数据易受影响。
传感器一般是在施工过程中安装，一旦安装完毕，就很难确定传感器尤其是位于结构内部的传感器周围的具体环境，如温度、湿度、生物环境、化学反应等都有可能对传感器的准确性造成影响，甚至测出错误的数据。对于安装在桥梁外部的传感器来说，季节和天气的变化都会影响到其工作状态。这些情况对于结构健康监测来说显然是不利的。
（4）大型桥梁结构体量大，结构健康监测较难且经济成本高。
随着桥梁数量的不断增加，大跨度桥梁越来越常见。2018年10月23日正式开通的港珠澳大桥桥隧全长55公里，是世界最长的跨海大桥，除此之外，青岛海湾大桥全长36.48公里，杭州湾跨海大桥全长35.67公里，东海大桥全长32.5公里……众多大跨径桥梁结构如何在使用过程中进行准确的健康状况监测并不是一个简单的问题，且单单在施工过程中将传感器安装到关键位置并不能保证长期监测的准确性。而且考虑到大跨径桥梁的体量，需要安装的传感器数量很多，经济成本很高。
以跨海大桥为例，安装在结构中的传感器相比与内陆桥梁上的传感器，所面对的环境更加恶劣，而且很难对出现问题的传感器进行检修，且检修成本也远高于内陆桥梁。经过较长一段时间之后，结构健康监测中获得的数据准确性降低，影响对桥梁安全性能的估测。
（5）新技术发展不成熟，应用不普遍。
虽然随着信息技术的发展，越来越多的辅助手段应用到了桥梁结构健康监测中去，但是依旧存在着不同的掣肘之处。以无人机系统及高清图像采集技术为例，无人机自身的一些不稳定因素如噪声、抖动等对后期裂缝判定会造成干扰，而拍摄位置的变换也会导致采集的数据产生误差，这就意味着如果没有足够数量的图像作为支撑，就很难得到准确的判定结果。同时，仅通过高清成像技术对复杂构件的监测十分困难，也不够方便。
而对于BIM技术来说，目前只有长春市长泰大桥等少数桥梁应用了这一数据处理手段，且其是否适合斜拉桥之外的桥梁结构类型还没有进行验证过，而且如何对安全预警等级进行划分还没有准确的标准，不同的桥梁应用的标准是否相同也不能确定。对于区域分布光纤传感技术来说，其推广应用也并不普遍。
3. 未来发展趋势
随着传感器、无人机、GPS等检测技术的不断发展以及BIM、图像处理等后期分析手段的应用，桥梁结构健康监测的稳定性和准确性在一定程度上有所保证。由于劳动力成本的上涨和信息化与土建行业的结合，未来结构健康监测系统采集的数据将会更加精确和及时。相关理论的不断发展和完善，后期数据分析将会更为全面和贴近实际情况。
在不久的未来，人工智能也会为结构健康监测提供技术支持，使土建行业的现代化和信息化的水平进一步提高。
4. 结语
桥梁结构健康监测作为基础建筑结构健康监测中重要的组成部分，对于保证公众安全、预防事故发生、减少经济损失具有十分重要的意义。由于桥梁所处环境复杂多变，结构健康监测面临的技术问题也多种多样，需要更多工程技术的开发和科研投入。随着我国基础设施建设的不断完善，未来土建行业很重要的一部分就是对已经建成的结构进行长期监测以保证其正常的工作状况，这就意味着结构健康监测这一土木学科与信息学科交叉领域还存在着十分广阔的发展空间。
参考文献
[1]姜顺泉.桥梁健康监测系统发展趋势探析[J].城市住宅,2020,27(12):193-194.
[2]陈果,杨益.基于无线传感器网络的桥梁结构健康监测设计研究[J].工程技术研究,2020,5(03):226-227.
[3]周桂兰,徐恺奇.大跨径桥梁结构健康监测技术现状与发展[J].公路交通科技(应用技术版),2019,15(04):168-169.
[4]周超.基于区域分布光纤传感的桥梁健康监测技术综述[J].现代交通技术,2019,16(06):1-8.
[5]李明柱,李扬,邹亮.基于BIM的斜拉桥结构健康监测可视化应用研究[J].建筑安全,2020,35(12):72-75.
[6]舒抒怀,程依婷,胡建鑫.基于图像技术的无人机系统在桥梁检测的应用[J].山西建筑,2019,45(18):197-198.
作者简介：刘畅，2003年出生，河南周口人，本科在读，研究方向为土木工程结构、地下工程健康监测及检测，Email: liuchang_seu@126.com