一、背景

隨著改革開(kāi)放以來(lái)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)的交通網(wǎng)絡(luò)在不斷的豐富、完善，橋梁建設(shè)迎來(lái)了建設(shè)的黃金時(shí)代。橋梁不僅在公路交通運(yùn)輸中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，而且在高鐵架設(shè)過(guò)程中具有不可替代的地位。伴隨著橋梁的建造技術(shù)的迅猛發(fā)展，近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)涌現(xiàn)出了許多大型，特大型的橋梁，如湖南矮寨大橋，杭州灣跨海大橋等，這些非凡的成就既展現(xiàn)了中國(guó)橋梁技術(shù)的騰飛，也大大提升了中國(guó)橋梁工程建設(shè)的國(guó)際地位。因?yàn)閲?guó)內(nèi)橋梁現(xiàn)代化建設(shè)起步時(shí)間較晚，因而大部分橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仍處在合理的范圍內(nèi)，尚未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)疲勞，然而隨著時(shí)間的遷移，橋梁結(jié)構(gòu)的健康問(wèn)題將會(huì)凸顯出來(lái)。如何做到結(jié)構(gòu)隱患早發(fā)現(xiàn)，早排除，這不僅關(guān)系到人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，而且還能為業(yè)主挽回巨大的財(cái)產(chǎn)損失。因此，健全并完善橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是亟待當(dāng)代橋梁人解決的課題。

二、橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概述

多年來(lái)，橋梁結(jié)構(gòu)的安全狀況一直是公眾特別關(guān)注的問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)外的大型橋梁普遍面臨結(jié)構(gòu)安全隱患。在西方發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)濟(jì)騰飛的時(shí)期里，就已經(jīng)建設(shè)了眾多大型，特大型的大橋，但隨著時(shí)間的推移，許多橋梁的使用年限已超過(guò)50年以上，1/3以上的橋梁使用效率很低或者干脆放棄，每年都要投入幾十億美元經(jīng)行維護(hù)。然而，國(guó)內(nèi)的橋梁健康監(jiān)測(cè)體系發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于橋梁的建設(shè)速度，近幾年發(fā)生了多起重大的安全事故，2007年8月，湖南湘西土家族苗族自治州境內(nèi)的堤溪沱江大橋突然垮塌，導(dǎo)致64人死亡；2010年7月，洛陽(yáng)欒川湯營(yíng)大橋整體垮塌，導(dǎo)致52人死亡， 18人失蹤；隨著鐵路、高鐵的快速建設(shè)，鐵路橋也面臨新的考驗(yàn)，2010年8月，寶成鐵路德陽(yáng)至廣漢間石亭江大橋被洪水沖垮。以上事故除了施工方面的問(wèn)題外，而且還有經(jīng)常年超負(fù)荷的營(yíng)運(yùn)作用，導(dǎo)致了橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了疲勞損傷，加之缺乏及時(shí)的健康監(jiān)測(cè)，使得結(jié)構(gòu)疲勞累積，最后導(dǎo)致了橋梁垮塌的慘劇，如果能及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)隱患，并盡早排除，就能極大地減少或杜絕事故的發(fā)生，因此橋梁結(jié)構(gòu)健康檢查系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

為了能滿足系統(tǒng)正常、高效工作，目前結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（Structure Health Monitoring System ， SHMS）由五大子系統(tǒng)組成：

（一）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

目前，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是由多種傳感技術(shù)組成，傳感技術(shù)種類(lèi)主要包括了光纖傳感器、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位、聲發(fā)射、壓電材料等。多種傳感技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)。

光纖傳感器，目前具有傳導(dǎo)速度快、耐腐蝕、抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，但是光纖傳感器的耐久性與在復(fù)雜環(huán)境下的運(yùn)行精度有待提高。

實(shí)時(shí)定位技術(shù)，主要是通過(guò)GPS，GIS等技術(shù)實(shí)現(xiàn)在3D坐標(biāo)上定位橋梁結(jié)構(gòu)的位置與變形，可以實(shí)時(shí)掌握橋梁在風(fēng)荷載，動(dòng)荷載的作用下的應(yīng)變。目前，中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的第一個(gè)民用示范工程--重點(diǎn)運(yùn)輸過(guò)程監(jiān)控管理服務(wù)示范系統(tǒng)于2013年1月1日正式啟用，因此，實(shí)時(shí)定位技術(shù)在SHMS的未來(lái)發(fā)展中將會(huì)發(fā)揮更重要的作用。

聲發(fā)射，主要是通過(guò)發(fā)射超聲波來(lái)監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)的細(xì)小裂縫，該技術(shù)相對(duì)來(lái)說(shuō)較為成熟，類(lèi)似的系統(tǒng)已經(jīng)在道路監(jiān)測(cè)中廣泛地運(yùn)用，但是在橋梁的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中尚有不足，一是聲源的選取，在面對(duì)橋梁復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，聲源的選取至關(guān)重要，選擇什么地方來(lái)放置，以獲取最好的效果，這個(gè)問(wèn)題在面對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)與所處環(huán)境有噪聲的時(shí)候，變得尤為棘手。二是采集的數(shù)據(jù)，傳感器所采集的數(shù)據(jù)主要為細(xì)小裂縫的聲波反饋數(shù)據(jù)，因此，存在微小的裂縫不易被發(fā)現(xiàn)，且對(duì)于尚未產(chǎn)生裂縫處的應(yīng)力集中現(xiàn)象不能很好的反饋給業(yè)主，容易導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的損壞。因此，聲發(fā)射技術(shù)還需要繼續(xù)深入研究。

壓電材料，具有成本低、生產(chǎn)簡(jiǎn)單、響應(yīng)快、機(jī)械強(qiáng)度高、耐久性能好、動(dòng)態(tài)輸出能力強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)異性能，因而在SHMS中具有很大的潛力。壓電材料在SHMS中的應(yīng)用主要有主動(dòng)、被動(dòng)兩種方式。但是目前主動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)在土木工程結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用非常有限，絕大部分的成果還處于理論、試驗(yàn)階段。

（二）數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

目前，隨著無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（WSN）的發(fā)展，由傳感器采集的大量數(shù)據(jù)能夠及時(shí)的傳輸?shù)街醒胩幚砥鳌o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，它的末梢是可以感知和監(jiān)測(cè)外部世界的傳感器，WSN中的傳感器通過(guò)無(wú)線方式通信，網(wǎng)絡(luò)設(shè)置靈活，設(shè)備位置可以隨時(shí)更改，因而可以隨不同的橋梁結(jié)構(gòu)，而更改傳感器的位置，以獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，并且無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有類(lèi)型繁多的傳感器，不僅能收集噪聲、風(fēng)荷載、動(dòng)荷載、車(chē)輛的移動(dòng)速度等數(shù)據(jù)，還能采集周?chē)h(huán)境的多種數(shù)據(jù)。WSN具有規(guī)模大、自組織、動(dòng)態(tài)性等特點(diǎn)。因此，WSN可以通過(guò)分布在不同位置的傳感器采集更大性?xún)r(jià)比的數(shù)據(jù)，傳感器的數(shù)目巨大和種類(lèi)多樣化促使監(jiān)測(cè)精確度大幅度提高，降低了對(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)傳感器的精度要求，大量冗余節(jié)點(diǎn)的存在，使得系統(tǒng)具有良好的容錯(cuò)性?；谧越M織、動(dòng)態(tài)性的特點(diǎn)，使得當(dāng)有部分傳感器節(jié)點(diǎn)由于環(huán)境因素或能量耗盡造成的失效時(shí)，其余的節(jié)點(diǎn)能通過(guò)無(wú)線連接，自動(dòng)接替失效傳感器的工作，這樣網(wǎng)絡(luò)的精度得到了保證。隨著技術(shù)的發(fā)展使得部分節(jié)點(diǎn)傳感器擁有微處理器，能夠?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)先行處理，消除偶然或系統(tǒng)誤差和去除因傳感器失效造成的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，進(jìn)而提取有效信息，減少傳輸數(shù)據(jù)量，減小能耗。

（三）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

目前，數(shù)據(jù)處理可分為硬計(jì)算和軟計(jì)算兩類(lèi)。顧名思義，硬計(jì)算指的是通過(guò)傳統(tǒng)的算法，算出嚴(yán)謹(jǐn)、確切和精準(zhǔn)的值，實(shí)際上由于橋梁結(jié)構(gòu)處在一個(gè)隨時(shí)改變的動(dòng)態(tài)荷載環(huán)境中，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的應(yīng)變處在一個(gè)不確定，不精確的范圍內(nèi)，使得硬計(jì)算在實(shí)際工程中并不適用。而軟計(jì)算指的是系統(tǒng)運(yùn)用模糊運(yùn)算，統(tǒng)計(jì)運(yùn)算等智能計(jì)算方法。在實(shí)際運(yùn)用中，軟計(jì)算會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較對(duì)比，對(duì)傳感器失效造成的數(shù)據(jù)丟失，錯(cuò)誤，進(jìn)行必要的修正和驗(yàn)證，會(huì)對(duì)系統(tǒng)的正常，高效工作起到優(yōu)化作用。

（四）數(shù)據(jù)評(píng)估系統(tǒng)

對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命可分為三類(lèi)：技術(shù)性使用壽命、功能性使用壽命、經(jīng)濟(jì)性使用壽命，而目前的使用壽命都是從技術(shù)壽命考慮的。系統(tǒng)性的評(píng)估在于確定系統(tǒng)的評(píng)定基準(zhǔn)，建立一整套指標(biāo)體系，統(tǒng)一量綱，確定每個(gè)影響因素所占的權(quán)重，目前可使用的方法有層次分析法、模糊綜合評(píng)定法等，現(xiàn)在面臨的問(wèn)題一是系統(tǒng)評(píng)估的主觀性太強(qiáng)，主要使用專(zhuān)家打分法；二是面對(duì)傳感器傳輸?shù)暮Ａ繑?shù)據(jù)，如何進(jìn)行取舍，目前沒(méi)有統(tǒng)一的衡量規(guī)范。系統(tǒng)在面對(duì)不同環(huán)境因素，橋梁結(jié)構(gòu)，荷載類(lèi)型時(shí)，需要建立不同的數(shù)學(xué)模型。為了能使SHMS適應(yīng)更多復(fù)雜的外部環(huán)境，如何建立一個(gè)健壯的數(shù)學(xué)模型，仍需要進(jìn)一步研究。

三、橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的未來(lái)

（一）傳感器的性能與分布

目前，現(xiàn)有的傳感器普遍面臨的問(wèn)題是精度低，耐久性弱，解決該問(wèn)題就僅通過(guò)增加傳感器的數(shù)目來(lái)增加系統(tǒng)冗余，來(lái)提高系統(tǒng)的容錯(cuò)性。但新問(wèn)題也隨之出現(xiàn)了，一是如果在橋梁所有自由度上安裝傳感器，那將會(huì)大大增加系統(tǒng)成本，并且會(huì)增加后期維護(hù)費(fèi)用，二是傳感器的增加意味著增加了數(shù)據(jù)量，使得系統(tǒng)需要進(jìn)行更多的數(shù)據(jù)處理，而如何建立適用性更強(qiáng)的損傷識(shí)別指標(biāo)，就決定SHMS能否高效的運(yùn)行。在未來(lái)，如何增加傳感器的靈敏度和精度；如何通過(guò)傳感器的優(yōu)化分布來(lái)提高獲取最大數(shù)據(jù)量，這兩方面將是研究的重點(diǎn)。

（二）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的優(yōu)化和智能

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的心臟，因此處理系統(tǒng)的好壞直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能。目前，處理系統(tǒng)主要在兩個(gè)方面尋求突破，一是對(duì)處理系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的優(yōu)化，使其能面對(duì)更復(fù)雜的，更龐大的數(shù)據(jù)鏈，能適應(yīng)更復(fù)雜的環(huán)境；二是處理系統(tǒng)的智能化，隨著智能時(shí)代的到來(lái)，如何將處理系統(tǒng)與云計(jì)算、大數(shù)據(jù)庫(kù)相結(jié)合，運(yùn)用已有的案例解決自身的問(wèn)題，這將是未來(lái)研究的重點(diǎn)。

（三）結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能整合和定位

目前，在中國(guó)許多沿江城市里，都能看見(jiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)用在橋梁集群中，如何將這些系統(tǒng)進(jìn)行有效整合，實(shí)現(xiàn)資源共享，規(guī)范統(tǒng)一，這就需要從國(guó)家層面進(jìn)行調(diào)控。將眾多獨(dú)立系統(tǒng)的信息進(jìn)行共享，就必然會(huì)面臨系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈的共享，這就不得不觸及商業(yè)機(jī)密與國(guó)家安全，因此，在未來(lái)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的過(guò)程中如何做到信息的安全管理，這將關(guān)乎到系統(tǒng)的能否高效利用的問(wèn)題。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)理論尚不完善，在實(shí)際運(yùn)用中仍會(huì)遇到許多困難，因此SHMS目前的功能定位仍然是人工的輔助系統(tǒng)，尚不能替代工程師的職責(zé)。因此，在未來(lái)的運(yùn)用中應(yīng)該不斷總結(jié)使用經(jīng)驗(yàn)，來(lái)完善結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)理論，使SHMS能在未來(lái)橋梁監(jiān)測(cè)工作中發(fā)揮更大作用。

四、結(jié)語(yǔ)

隨著中國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的推進(jìn)，無(wú)論是公路橋還是鐵路橋的建設(shè)都將加快步伐，在這個(gè)大環(huán)境下，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的產(chǎn)生順應(yīng)了時(shí)代發(fā)展的潮流，接下來(lái)如何完善系統(tǒng)將會(huì)是未來(lái)橋梁人研究的重要課題。

參考文獻(xiàn)：

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[2]孫曉燕.橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展[J].中外公路.2006

作者簡(jiǎn)介：

鄧周全（1994-），男，漢族，四川南充市人，鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，道路橋梁與渡河工程。