康友良
贵州宏信创达工程检测咨询有限公司
摘要：桥梁结构健康监测系统包含信息获取与安全评价两个环节，信息获取环节以多种类型的传感器及相关仪器组成的硬件系统为主。桥梁结构健康监测系统中数据有效性问题大多是由信息获取环节的硬件设备造成的。监测设备出现故障，无法为后续的安全评价提供正确的原始信息，从而对评价结果产生严重影响，导致桥梁结构事故预兆的漏报或误报。因此，传感器采集的原始信息有效性问题是桥梁结构健康监测系统面临的重大科学技术问题。本文主要分析基于深度学习的桥梁健康监测数据有效性分析
关键词：桥梁工程;桥梁结构健康监测;数据有效性;灰色关联度分析
引言
建立四通八达的现代化交通网，大力发展交通运输事业，对发展国民经济，促进文化交流和巩固国防等方面都具有非常重要的作用。桥梁是交通的重要组成部分，桥梁安全问题是在役桥梁的核心问题。通过桥梁结构健康监测系统可以实时了解桥梁结构状态，对桥梁进行有效维护，延长桥梁的使用寿命。
1、桥梁健康监测系统概述
桥梁内部材料老化、外部环境腐蚀等复杂的运行环境，会导致桥梁综合性能随着时间的增加而下降，安全隐患会逐渐增加，桥梁的使用寿命也会受到影响。桥梁健康监测系统能够有效地反映桥梁结构的使用状况。它以各种高精度传感器为基本硬件，围绕桥梁全寿命周期的所有结构展开全面监测，是一种桥梁使用状况反馈的在线实时监测系统。通过桥梁健康监测系统的应用，可以在桥梁出现异常情况时及时发出预警信号，并向相关技术人员呈现具体信息，以便在最短的时间内做出反应，生成决策方案，避免出现大规模的质量问题或安全问题。
2、传统技术及健康监测发展现状
2.1传统技术的弊端
传统的桥梁结构运行状态评估技术主要基于人工检查，包括定期检查、定期检查和专项检查，但其适用性相对较差，存在诸多不足。根据工程检查，传统技术的弊端主要体现在以下五个方面。1)人力物力投入大，覆盖面窄，很多桥梁存在盲点，尤其是现代结构复杂的大跨度桥梁，很多构件和隐蔽工程部位很难直接人工检查。2)主观性强，难以量化参加测试人员的个人专业素质和专业素质的差异，导致结果容易偏离实际情况，主观因素对结果的真实性具有高度破坏性。经过长期的发展，虽然桥梁基础设计和施工技术取得了显著的进步，但在结构损伤的检测和评估方面存在明显的不足。3)传统的检测方法，如机械、光学、电磁波等，主要是由于缺乏整体的人工检测，只能反映局部构件的使用情况，很难系统地描述全桥各种结构的特点。4)影响正常交通运行的大型桥梁大规模修建，检查工作通常通过观察平台或车辆来实现，期间必须采取交通管制措施，不利于车辆的正常运行。5)周期长、时效性差的检验周期通常达到几年，难以及时发现质量或安全问题，在发生突发事故时难以向决策者提供最新信息。
2.2方法、工具和设备
测试和监测所用方法和设备的合理性和有效性是保证桥梁健康评估结果准确性的关键保证。目前，桥梁检测车和无人机是常用的检测设备，但桥梁检测车工作时，不仅影响道路交通，而且安全隐患高；然而，无人机在操作方便性、续航能力、噪声测试等方面还存在一些问题。这些问题都没有完美解决。此外，桥墩、基础等构件经常需要水下检查，但目前水下检查主要依靠潜水员的水下布置和观察。一方面，潜水员的探测效果受光线、水质等因素影响较大；另一方面，潜水员往往不是桥梁工程师，很难对水下观测结果做出直接判断。他们需要再次转换工业术语，然后判断结构的损坏程度。二次转换过程必然会导致一些信息的丢失，不够准确，从而降低检测效率。
在无损检测方面，目前可用的方法并不完善，难点项目很多。比如桥梁电缆的大量断丝仍然采用开窗法检测，否则无法观察到内部情况，进而造成电缆护套的损坏。同时，混凝土实际预应力检测和孔隙灌浆密度检测一直难以取得突破性进展。现场试验是评价桥梁承载力的重要手段，但传统的荷载试验方法费时费力，对交通影响大，成本高。测试检测过程中的数据输入虽然实现了信息化，但操作不便，实际效率很低。此外，虽然目前健康监测系统在通信和数据存储方面的发展可以满足需求，5G的应用将加快未来性能的提高，但在数据采集和采集方面存在一系列问题，如传感器的使用寿命远远短于桥梁的设计使用寿命，点传感器信号与结构损伤之间的逻辑和连接薄弱，监测系统的实施和安装缺乏行业标准。
3、无效数据段特征分析与数据集构建
3.1无效数据段特征分析
数据段失效可能是连续的数据点失效，也可能是单个数据点异常。无效数据一般存在两种情况:超过阈值且无法恢复的数据;因传感器故障而产生震荡的数据。无效数据段常见的特征如下:①漂移失效:在斜拉桥监测中，正常情况下，测点数据在一段时间内的幅值变化具有一定规律，如果某段时间内，数据幅值呈现连续小幅恒定增加或小幅恒定减小的漂移变化，则此段数据为漂移失效;②数据频率异常:正常情况下桥梁结构健康监测数据按照一定的频率波动，无效数据可能出现波动异常;③恒值失效:传感器因故停止工作或输出不变，可能导致某一时间段内数据为恒定值;④数据段跳变:相比原有数据，某段数据的波动特征变化不明显，但幅值出现较为明显的增加或减少。
3.2结构监测传感
在过去的十年里，传感技术取得了巨大的进步，各种创新的传感系统，如光纤传感器和无线传感器，已经投入商业使用。传感系统是实现桥梁结构健康监测的关键。桥梁健康监测采用具有空间分布、无线供电和无线网络的嵌入式传感设备，支持获取与荷载、环境因素和结构特性相关的实时信息。光纤传感器已成功应用于大型桥梁结构的长期健康监测，而无线传感器在桥梁监测中的应用仍处于技术示范阶段。一些传统的传感器在大跨度桥梁的长期监测中存在明显的局限性，如难以测量大跨度桥梁的挠度。传统的位移传感器只能用于相对位移测量，而激光传感器和全站仪已被证明不适用于大跨度桥梁的长期监测。目前解决这一问题的办法是使用全球定位系统(GPS)，但GPS在桥梁监测中的应用有两个局限性:(1)GPS的测量精度不足以完全满足桥梁健康监测的要求；(2)GPS无法监测桥面以下桥墩的位移(船舶碰撞、沉降等引起的)。).
3.3数据采集系统
在大跨度桥梁结构健康监测系统中，结构数据采集单元(DAU)是必不可少的。DAU分布在桥梁的多个位置，收集来自相邻传感器的信号，数字化模拟信号，并将数据传输到监控系统。它们还具有短期数据存储和初步信号处理的功能。对于传感器密集分布的大型桥梁，DAUs的优化配置对于保证采集数据的质量和保真度具有重要意义。所需的dau数量取决于高采样率和低采样率下的传感器通道数量。DAU的位置主要取决于模拟传感器的位置，尤其是那些输出低灵敏度电压信号的传感器。必须考虑工作环境以及传感器和DAU之间的最大允许距离，以消除传输损耗和噪声，并保护DAU免受干扰。
结束语
随着中国桥梁的不断建设发展，巨大的存量和增量为桥梁健康和安全带来了巨大挑战，同时也为桥梁检测与监测技术的实践和创新带来了巨大机遇。文章详细阐述了现阶段桥梁检测与监测技术的发展瓶颈，同时指出了可能的突破方法和手段。
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