郑康培
重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074
摘要：文章探讨了目前桥梁健康监测技术的基本状况，介绍了桥梁健康监测系统的构成及其工作流程，对桥梁健康监测方法的研究现状进行了列举，总结出桥梁健康监测技术当前存在的问题，并针对各个问题提出了可能的未来发展方向。
关键词：桥梁健康监测；监测系统；现状与发展
引 言
桥梁是交通基础设施的主干枢纽和节点工程，在国民经济建设与社会发展中具有极为重要的作用和战略意义。在使用阶段，由于受到各种外界因素和材质劣化的影响，桥梁结构必将出现各种不同程度病害。若不能及时处理，必将导致结构承载能力下降，缩短使用寿命，引发事故。
以往的桥梁健康监测方法是人工监测，往往需要耗费大量人力物力，且检测周期较长，影响正常的交通运行，结果受检测人员的主观因素影响较大。
桥梁健康监测系统随着信息和传感技术的发展而产生，它实现了实时测取桥梁的服役状态，为准确评估桥梁性能提供数据与技术基础，它可以实时地监控在役桥梁，提前预知病害程度，尽早采取应对措施，从而确保在役桥梁健康安全运营。
1 桥梁健康监测的意义
桥梁健康监测是通过设置在桥梁中的采集系统实时采集桥梁各项状态参数，采集到的数据经过处理后送到控制中心，经过分析处理得到桥梁的健康状况评估，从而得知其承载能力、损伤状况、剩余寿命。为桥梁保养、交通量控制、维修与管理决策提供依据和指导。
与传统检测技术的区别是，桥梁健康监测技术要求在测试上具有快速大容量的信息采集与通讯能力，且倾向于对结构状态参数的实时监控和对健康状况的智能化评估，能够实现连续监测与记录结构状态参数长期变化趋势，并且能够针对突然出现的结构异常进行预警，其根本目的是改善桥梁运营状态、确保桥梁服务水平。
2 桥梁健康监测系统
通常来讲，桥梁健康监测系统由数据采集系统、通信系统、数据存储与分析系统、综合管理系统4部分组成
(1)数据采集系统:通过安装在桥梁各个重要部位的不同类型的传感设备如位移计、应变片、加速度计、水平仪、温度计、风速风向仪，以及与之配套的应变箱，滤波器，信息放大处理器等设备，获得反映整个桥梁健康状态的监测数据，实现实时数据采集、预处理等功能。
(2)通信系统：通信系统的主要作用是将数据采集系统所采集到的数据通过网络传输至远程监控中心。由于无线网络具备低成本方便快捷的优点，其在桥梁健康监测领域已日益受到广大研究者的关注。
(3)数据存储与分析系统:数据存储系统是对通信系统传输的实时监测数据进行存储。对于不同传感器所采集的数据需对其进行有针对性地分类存储，要求数据结构十分严格，其次还要需要极为昂贵的存储设备来保证极高的稳定性以避免因硬件损坏而引起的数据丢失。
(4)综合管理系统：综合管理管理系统连接数据存储与分析系统，提供数据及分析结果的查询与展示功能，使得对桥梁进行远程监视控制更形象化，更有利于桥梁的健康状况及时反映给系统使用者。
3 监测方法研究现状
3.1 基于结构参数的损伤识别方法
通过桥梁的直接检测数据如挠度、应力、应变、温度、裂缝宽度等参数，基于传统学科理论，对桥梁结构的健康状态和可靠性作出定性的分析。
3.2 基于结构振动的损伤识别方法
基于结构振动的损伤识别方法是通过采集与结构动力特性相关的模态参数来判断结构的健康状况，是对桥梁结构无损的损伤识别方法。
由于模态参数是结构物理特性的函数，物理特性的改变会引起系统动力响应的改变，因此可以通过测定动力特性相关的模态参数来获取结构的物理特征。
通过这种识别方法往往得到的是结构整体性能，对于桥梁结构的承载力判断有着很好的效果。而且，对于大跨度的桥梁结构，由于风荷载、地面微动等环境激励，将引起的结构的自由振动，利用这一特点对桥梁结构进行检测可以实现实时监测。
基于结构振动的损伤识别方法目前主要有两种。
①动力无模型损伤识别方法，通过分析比较直接从振动响应的时程或相应的频谱分析或其他变换(如小波变换)得到的特征量来识别损伤。时域方法常用的有利用ARMA模型、扩展的卡尔曼滤波算法等。频域方法常有傅立叶谱变换、多谱分析、倒谱分析等。
②动力有模型损伤识别方法，对于土木结构，一般采用建立有限元模型进行识别，首先，动测后进行模态参数识别、其次，可采用构造损伤指标识别损伤，也可由模态参数确定刚度、质量、阻尼的变化从而识别损伤，但后者是参数估计的逆问题，需要定义误差函数最小进行求解。
3.3 人工神经网络的损伤识别方法
20世纪80年代以来，随着Python语言和机器学习方法在人工智能领域的兴起，使得ML算法在很多领域解决了大量的实际问题，神经网络是一种模拟人体神经机理来研究客观事物的方法，其并行信息处理能力非常高，使得其非常适合于求解大型反问题，如结构的损伤诊断。
4 现有问题及发展方向
4.1 不利环境影响
当桥梁结构投入使用后，桥梁健康监测系统就要经受各种不利环境因素考验，工作环境对结构模态参数的敏感性会造成不利的影响，为了提高系统长期监测的稳定性，必然会增大成本投入，桥梁健康监测系统很难排除环境因素的干扰。
4.2 数据多样性
桥梁监测数据复杂多样，采集得到的检测数据如挠度、应力、应变、温度等很难组织数据结构进行存储，难以有效解析。且数据在预处理和传输过程中还会产生大量噪声。如何对这些数据进行去噪、分离以及准确分析是当前桥梁健康监测的急需解决的难题。利用一些类似PCA分析的手段对数据进行降噪处理，是桥梁结构健康监测的研究方向之一。
4.3 传感器布置
传感器的优化布设也是桥梁结构健康监测的一个重要问题，例如当采用基于结构振动的损伤识别方法时，传感器只能采集到在其所在处有幅值的阶数振型的响应，如果布置得不合理，将采集不到所需的数据，若布置过多，又会用到大量的传感器，增加成本的同时产生的数据量也会变大，给分析带来计算性能上的困难。
4.4 评价指标
现阶段桥梁结构健康状态的评价缺乏通用有效的的损伤量化指标。单个局部构件的损伤对整个桥梁的工作状态的影响情况难以得到反映。
因此，提出一种通用的损伤量化指标把结构的健康状况进行简单的分级量化也是桥梁结构健康监测未来发展趋势的一项重要工作。
5 结束语
我国桥梁建设正处于日新月异飞速发展中，无论是已经投入使用的桥梁还是新建的桥梁，保证其健康状态已经成为一个深刻而极为重要的问题。本文对桥梁健康监测技术的研究现状进行了总结, 对现阶段存在问题和技术难点进行了罗列和阐述，也对未来可能的发展方向作出了分析，今后可从提及到的多个方面进行研究, 为我国桥梁健康监测技术的发展作出力所能及的贡献。
参考文献(References)：
[1] 韩基刚.大跨桥梁结构健康监测的研究进展[J]. 民营科技, 2016, 4: 187-188.
[2] 罗纪彬.大型桥梁健康监测技术的研究与应用[J]. 山西建筑, 2009, 35 (11): 292-293.
[3] 孙中阳.基于管养目的的公路桥梁健康监测技术探析[J]. 中国新技术产品, 2019, 1: 126-127.
[4] 张启伟,周艳.桥梁健康监测技术的适用性[J]. 中国公路学报, 2006, 19(6): 54-58.
[5] 李鹏程.桥梁健康监测技术及其发展[J]. 城市道桥与防洪, 2017, 4: 127-129.