侯躍敏，周廣利

（山東省交通科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250102）

在當(dāng)代社會(huì)，橋梁作為重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施，承載著人們出行和貨物運(yùn)輸?shù)闹匾蝿?wù)。然而，由于長(zhǎng)期受到自然環(huán)境、負(fù)荷和老化等因素的影響，橋梁存在著潛在的結(jié)構(gòu)病害風(fēng)險(xiǎn)。這些病害如果得不到及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的事故和損失。為了保障橋梁的安全運(yùn)行和延長(zhǎng)其使用壽命，橋梁病害識(shí)別技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。其中，基于光纖傳感的橋梁病害識(shí)別技術(shù)以其高精度、實(shí)時(shí)性和可靠性受到越來越多的關(guān)注和應(yīng)用。

1 橋梁病害概述

橋梁病害是指橋梁結(jié)構(gòu)在使用過程中由于自然環(huán)境、負(fù)荷、老化等因素導(dǎo)致的損傷、變形或失效現(xiàn)象。這些病害會(huì)對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)完整性、承載能力和使用安全性產(chǎn)生不良影響。橋梁病害可以分為多種類型，常見的包括：一是裂縫和破損。由于材料老化、負(fù)荷過重或設(shè)計(jì)不合理等原因，橋梁結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)裂縫和破損現(xiàn)象。這些裂縫和破損會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性下降，進(jìn)而影響橋梁的安全性能。二是銹蝕和腐蝕。橋梁常常暴露在濕潤(rùn)的環(huán)境中，使得金屬結(jié)構(gòu)容易受到氧化和腐蝕的影響。銹蝕和腐蝕會(huì)導(dǎo)致金屬結(jié)構(gòu)的減薄、強(qiáng)度降低和斷裂等問題，對(duì)橋梁的使用壽命和安全性造成威脅。三是疲勞和應(yīng)力集中。橋梁在長(zhǎng)期使用過程中，受到交通荷載的反復(fù)作用，容易發(fā)生疲勞破壞。此外，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工缺陷也導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得局部區(qū)域的應(yīng)力超過材料的承載能力。四是混凝土龜裂和碳化。橋梁中使用的混凝土材料會(huì)出現(xiàn)龜裂和碳化現(xiàn)象。龜裂會(huì)導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度和耐久性下降，而碳化則會(huì)降低混凝土中鋼筋的保護(hù)層效果，進(jìn)而使鋼筋受到腐蝕。五是橋墩沉降和基礎(chǔ)沉降。由于地基的沉降或不均勻沉降，橋墩和橋梁基礎(chǔ)出現(xiàn)不穩(wěn)定情況。這種沉降會(huì)導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的變形和不平衡，進(jìn)而影響橋梁的使用安全性和穩(wěn)定性。

2 傳統(tǒng)橋梁病害識(shí)別技術(shù)的局限性

傳統(tǒng)的橋梁病害識(shí)別技術(shù)在效率、準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性方面存在一定的局限性。第一，傳統(tǒng)的橋梁病害識(shí)別通常需要依靠人工進(jìn)行巡檢和觀察，這種方法效率低下且存在主觀性，可能會(huì)漏檢或誤判病害。同時(shí)，大型橋梁的巡檢難度較高，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力資源。第二，傳統(tǒng)的病害監(jiān)測(cè)方法通常是定期或不定期地進(jìn)行，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的連續(xù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。這種間斷性的監(jiān)測(cè)容易錯(cuò)過病害的早期階段，導(dǎo)致病害的進(jìn)一步擴(kuò)展和惡化。第三，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法通常只能對(duì)橋梁的局部區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而無(wú)法全面了解整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀況。這可能導(dǎo)致一些隱藏的病害得不到及時(shí)發(fā)現(xiàn)，造成安全隱患。第四，傳統(tǒng)的橋梁病害識(shí)別方法在數(shù)據(jù)分析和處理方面存在一定的困難。由于橋梁結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜的非線性特性，病害信號(hào)往往受到環(huán)境噪聲和其他干擾的影響，需要經(jīng)過復(fù)雜的信號(hào)處理和分析才能提取出有效的病害特征。第五，傳統(tǒng)的病害監(jiān)測(cè)方法往往缺乏實(shí)時(shí)預(yù)警機(jī)制，無(wú)法及時(shí)發(fā)出警報(bào)信號(hào)，使相關(guān)人員難以采取緊急措施，增加病害演化過程中的風(fēng)險(xiǎn)，并可能導(dǎo)致橋梁的損壞和事故發(fā)生。

3 基于光纖傳感的橋梁病害識(shí)別技術(shù)要點(diǎn)

3.1 光纖布置方案設(shè)計(jì)

光纖傳感器的正確布置和安裝對(duì)于有效監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)的變化至關(guān)重要。在設(shè)計(jì)光纖布置方案時(shí)，需要考慮以下幾個(gè)關(guān)鍵因素：首先，確定光纖傳感器的布置區(qū)域是布置方案設(shè)計(jì)的首要任務(wù)，優(yōu)先考慮在梁體、橋墩、支座等這些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)區(qū)域布置光纖傳感器。其次，在確定光纖傳感器的布置區(qū)域后，需要確定布置的密度和間距，確定傳感器布置方式。光纖傳感器可以采用多種布置方式，如粘貼、嵌入、綁扎等。布置方式的選擇應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行。對(duì)于光纖布拉格光柵傳感器，可以將其粘貼在結(jié)構(gòu)表面或嵌入到混凝土中。這種方式能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)表面應(yīng)變的監(jiān)測(cè)。對(duì)于光纖彎曲傳感器，可以使用綁扎或固定裝置將其固定在結(jié)構(gòu)上。這種方式適用于對(duì)結(jié)構(gòu)撓度和變形的監(jiān)測(cè)。最后，確定光纖傳感器的布置路徑是光纖布置方案設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。布置路徑應(yīng)盡可能貼合橋梁結(jié)構(gòu)的幾何形狀和構(gòu)造特點(diǎn)，以最大限度地覆蓋關(guān)鍵區(qū)域并減少布置路徑的長(zhǎng)度。布置路徑應(yīng)避免與其他結(jié)構(gòu)元件和設(shè)施的沖突。在橋梁結(jié)構(gòu)中可能存在許多干擾因素，如支撐結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土構(gòu)件、電纜管道等。在布置路徑時(shí)要留出足夠的空間，避免傳感器與這些元件之間的干擾或損壞。必要時(shí)可以采取特殊的保護(hù)措施，例如設(shè)置護(hù)套、保護(hù)層或進(jìn)行隔離。

3.2 光纖傳感信號(hào)采集與處理

光纖傳感器通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)的變化和異常情況，生成大量的傳感信號(hào)數(shù)據(jù)。正確的信號(hào)采集和處理方法可以提取出有用的信息，并進(jìn)行病害診斷和監(jiān)測(cè)。以下是光纖傳感信號(hào)采集與處理的關(guān)鍵要點(diǎn)：第一，建立合適的信號(hào)采集系統(tǒng)是光纖傳感技術(shù)的關(guān)鍵一步。該系統(tǒng)包括傳感器接口模塊、數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)處理單元。傳感器接口模塊負(fù)責(zé)與光纖傳感器的連接，并將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)化為可處理的電信號(hào)。數(shù)據(jù)采集單元負(fù)責(zé)采集和存儲(chǔ)傳感器產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理單元?jiǎng)t負(fù)責(zé)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、放大、去噪等處理，以準(zhǔn)備后續(xù)的信號(hào)分析和病害診斷。第二，從采集到的光纖傳感信號(hào)中提取出與橋梁病害相關(guān)的特征參數(shù)。這些特征參數(shù)可能包括應(yīng)變、振動(dòng)頻率、溫度變化等。提取特征參數(shù)的方法通常包括時(shí)域分析、頻域分析和小波變換等。通過分析和比對(duì)這些特征參數(shù)，可以檢測(cè)和識(shí)別橋梁結(jié)構(gòu)中的異常情況和潛在病害。第三，光纖傳感信號(hào)中常常包含一些噪聲和干擾，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波和去噪處理，以提高信號(hào)的質(zhì)量和準(zhǔn)確性。常用的信號(hào)處理方法包括低通濾波、高通濾波、中值濾波、小波降噪等。濾波可以去除高頻噪聲和低頻干擾，提取出有用的信號(hào)成分。第四，采集到的信號(hào)經(jīng)過預(yù)處理后，可以應(yīng)用數(shù)據(jù)分析和診斷算法進(jìn)行進(jìn)一步處理。這些算法可以利用機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識(shí)別、人工智能等技術(shù)，根據(jù)已知的病害模式進(jìn)行訓(xùn)練，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類型橋梁病害的準(zhǔn)確識(shí)別和分類。例如，可以使用支持向量機(jī)（SVM）、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）等算法進(jìn)行病害的自動(dòng)診斷。第五，將經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示，以便工程師和維護(hù)人員更直觀地了解橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀況。數(shù)據(jù)可視化可以采用圖表、曲線和熱力圖等形式，直觀地顯示各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化趨勢(shì)和異常情況。此外還可以通過報(bào)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的異常監(jiān)測(cè)和預(yù)警功能。當(dāng)檢測(cè)到橋梁結(jié)構(gòu)的異常情況或病害超過預(yù)設(shè)閾值時(shí)，系統(tǒng)可以通過聲音、光線或網(wǎng)絡(luò)等方式發(fā)出預(yù)警或報(bào)警信號(hào)，提醒相關(guān)人員及時(shí)采取措施修復(fù)或加固受損部位，以避免進(jìn)一步的破壞。第六，采集到的光纖傳感信號(hào)數(shù)據(jù)需要進(jìn)行有效的存儲(chǔ)和管理。這些數(shù)據(jù)通常包括原始數(shù)據(jù)、特征參數(shù)、診斷結(jié)果等。為方便后續(xù)的分析和查詢，需要建立合理的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)庫(kù)，還要制定數(shù)據(jù)備份和保護(hù)策略，確保數(shù)據(jù)的安全性和可靠性。

3.3 病害特征提取與分析算法

通過對(duì)采集到的光纖傳感信號(hào)進(jìn)行特征提取和分析，可以識(shí)別橋梁結(jié)構(gòu)中的異常情況和病害。以下是病害特征提取與分析算法的關(guān)鍵要點(diǎn)：一是特征提取方法。病害特征的提取是橋梁病害識(shí)別的基礎(chǔ)。常用的特征提取方法包括時(shí)域分析、頻域分析和小波變換等。時(shí)域分析通過計(jì)算信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性，如均值、方差、峰值等，來反映信號(hào)的時(shí)序特征。頻域分析則將信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域，通過計(jì)算信號(hào)的頻譜特征，如功率譜密度、頻率成分等，來揭示信號(hào)的頻率特征。小波變換則能夠同時(shí)提取信號(hào)的時(shí)域和頻域特征，具有較好的時(shí)頻局部性。二是特征選擇和降維。由于光纖傳感信號(hào)可能包含大量的特征參數(shù)，為了提高識(shí)別的準(zhǔn)確性和效率，需要進(jìn)行特征選擇和降維。特征選擇是指從原始特征中選擇出最具有區(qū)分能力的特征子集。常用的特征選擇方法有相關(guān)系數(shù)、信息增益、卡方檢驗(yàn)等。特征降維則是通過線性或非線性變換將高維特征空間轉(zhuǎn)換為低維空間，減少特征的冗余性和計(jì)算復(fù)雜度。常用的特征降維方法有主成分分析（PCA）、線性判別分析（LDA）、t-SNE 等。三是病害識(shí)別算法?；谔卣魈崛〉慕Y(jié)果，可以應(yīng)用不同的機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識(shí)別或深度學(xué)習(xí)算法進(jìn)行病害識(shí)別。常用的算法包括支持向量機(jī)（SVM）、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）、決策樹（DT）、隨機(jī)森林（RF）等。這些算法能夠通過學(xué)習(xí)和訓(xùn)練已知病害樣本的特征模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)未知樣本的分類和識(shí)別。近年來，深度學(xué)習(xí)算法如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）、長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)（LSTM）等也在橋梁病害識(shí)別中得到應(yīng)用，具有較強(qiáng)的特征提取和識(shí)別能力。四是多模態(tài)融合。為進(jìn)一步提高病害識(shí)別的準(zhǔn)確性，可以考慮將多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。除了光纖傳感器，還可以結(jié)合其他類型的傳感器，如加速度計(jì)、位移傳感器等，以獲取更全面的結(jié)構(gòu)信息。多模態(tài)融合可以通過融合不同傳感器的特征參數(shù)、融合不同傳感器的決策結(jié)果等方式來實(shí)現(xiàn)。通過綜合利用多個(gè)傳感器的信息，可以提高病害識(shí)別的可靠性和魯棒性。五是病害監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)。光纖傳感技術(shù)還可以用于橋梁病害的監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)。通過長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)的傳感信號(hào)變化，建立病害的演化模型和預(yù)測(cè)算法。這可以幫助工程師更好地了解橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)和壽命，及時(shí)采取維修和加固措施，提前預(yù)防事故的發(fā)生。六是模型更新和優(yōu)化。病害識(shí)別的性能和準(zhǔn)確性與所使用的模型和算法密切相關(guān)。隨著監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的積累和新的病害樣本的獲取，對(duì)病害識(shí)別模型進(jìn)行更新和優(yōu)化。這包括重新訓(xùn)練模型、引入新的特征參數(shù)、優(yōu)化算法參數(shù)等。通過不斷改進(jìn)和優(yōu)化模型，可以提高病害識(shí)別的精度和穩(wěn)定性。

3.4 橋梁病害識(shí)別與評(píng)估模型構(gòu)建

通過建立合適的模型，可以對(duì)橋梁的病害進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別和評(píng)估。以下是橋梁病害識(shí)別與評(píng)估模型構(gòu)建的關(guān)鍵要點(diǎn)：一是收集和整理與橋梁病害相關(guān)的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包括光纖傳感器采集到的原始信號(hào)數(shù)據(jù)、病害樣本的特征參數(shù)數(shù)據(jù)以及病害評(píng)估的標(biāo)簽數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)的質(zhì)量和充分性對(duì)于構(gòu)建準(zhǔn)確的模型至關(guān)重要。二是在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段進(jìn)行特征工程，即對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)換，提取與病害相關(guān)的特征。特征工程的目的是降低維度、消除噪聲、增強(qiáng)可區(qū)分性，并準(zhǔn)備用于模型訓(xùn)練和評(píng)估的特征矩陣。常見的特征工程方法包括統(tǒng)計(jì)特征提取、頻域特征提取、小波變換等。三是根據(jù)病害識(shí)別和評(píng)估的需求，選擇合適的模型進(jìn)行構(gòu)建。常用的模型包括機(jī)器學(xué)習(xí)算法如支持向量機(jī)、隨機(jī)森林、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，以及深度學(xué)習(xí)算法如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。根據(jù)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)和問題的需求，選擇適合的模型進(jìn)行構(gòu)建。四是利用已準(zhǔn)備好的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的訓(xùn)練和優(yōu)化。訓(xùn)練過程中，將數(shù)據(jù)分為訓(xùn)練集和驗(yàn)證集，并利用訓(xùn)練集對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和優(yōu)化，以最大程度地減小誤差。同時(shí)，利用驗(yàn)證集對(duì)模型的性能進(jìn)行評(píng)估和調(diào)整，確保模型具有良好的泛化能力。五是完成模型的訓(xùn)練后，使用獨(dú)立的測(cè)試集對(duì)模型進(jìn)行評(píng)估和驗(yàn)證。通過與真實(shí)數(shù)據(jù)的比較，評(píng)估模型的準(zhǔn)確性、召回率、精確率等指標(biāo)。如果模型的性能不達(dá)標(biāo)，應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步的參數(shù)調(diào)整和優(yōu)化，直至獲得滿意的結(jié)果。六是經(jīng)過評(píng)估和驗(yàn)證的模型可以進(jìn)行部署和應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中，需要將模型集成到橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的病害識(shí)別和評(píng)估。模型部署可以采用不同的方式，如將模型嵌入到移動(dòng)設(shè)備或嵌入式系統(tǒng)中，或?qū)⒛Ｐ筒渴鸬皆贫诉M(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)用。部署時(shí)需要考慮模型的性能要求、實(shí)時(shí)性要求和資源消耗等因素。七是模型更新和維護(hù)。橋梁病害是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程，因此模型需要定期更新和維護(hù)。隨著新的數(shù)據(jù)的積累和病害樣本的增加，可以使用新的數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行重新訓(xùn)練，以提高模型的準(zhǔn)確性和泛化能力。八是效果評(píng)估與改進(jìn)。模型的效果評(píng)估是一個(gè)持續(xù)的過程，應(yīng)該定期對(duì)模型的性能進(jìn)行評(píng)估，通過與實(shí)際橋梁病害的比對(duì)，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性和可靠性。根據(jù)評(píng)估結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)模型的局限性和不足之處并進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，以提高識(shí)別和評(píng)估的精度和可靠性。

4 結(jié)論

基于光纖傳感的橋梁病害識(shí)別技術(shù)是一種高效、精確和可靠的方法，能有效地監(jiān)測(cè)和評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀況。相比傳統(tǒng)的病害識(shí)別技術(shù)，通過正確的光纖布置方案設(shè)計(jì)，光纖傳感信號(hào)的準(zhǔn)確采集和處理，病害特征提取與分析算法的應(yīng)用，以及橋梁病害識(shí)別與評(píng)估模型的構(gòu)建，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁病害的準(zhǔn)確識(shí)別、監(jiān)測(cè)和評(píng)估。