我國橋梁安全運營監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

(1.重慶交通大學 重慶 400074；2.重慶交通大學 重慶 400074)

大約80年代中后期，歐美、日本、香港等率先提出橋梁健康監(jiān)測(即橋梁安全運營監(jiān)測系統(tǒng))的新概念，并先后在一些重要的大跨度橋梁上付諸實踐。此項研究在我國也發(fā)展較早，在90年代中期也開始由各大高校主導開展橋梁安全運營監(jiān)測系統(tǒng)的研究，并陸續(xù)的在各個大型橋梁上進行安裝試驗。經(jīng)過二十多年的發(fā)展僅僅對于重慶市內(nèi)運營和計劃安裝橋梁安全運營監(jiān)測系統(tǒng)的橋梁就有116座，本文結合這20多年來國內(nèi)的安全運營監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展狀況，簡述其在實際工程應用中存在的若干問題，并探討目前運營系統(tǒng)中亟待解決的關鍵問題。

一、國內(nèi)橋梁安全運營監(jiān)測系統(tǒng)應用現(xiàn)狀

國內(nèi)早期的關于橋梁安全運營系統(tǒng)的發(fā)展多以高校牽頭對具體橋梁開展相應的研究，并在一些重要的大型橋梁上安裝了安全運營監(jiān)測系統(tǒng)。同濟大學在楊浦大橋和徐浦大橋安裝的監(jiān)測系統(tǒng)是我國最早安裝的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)[1]；香港理工大學與東南大學合作設計和建立的蘇通長江大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)是我國目前規(guī)模最大的一個橋梁安全運營監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)包含有788個傳感器[2]。近年來由于各類傳感器和智能通訊技術的發(fā)展，傳感器采集數(shù)據(jù)的可靠性；數(shù)據(jù)分析和處理的功能逐漸完備，幾乎所有的大型橋梁都已安裝或計劃安裝橋梁安全運營監(jiān)測系統(tǒng)。

對于整個系統(tǒng)而言，不只是具備對橋梁整體監(jiān)測與評估的作用，還肩負著對橋梁長期運營情況的發(fā)展進行記錄以及對實際模型進行研究的意義。橋梁安全運營監(jiān)測系統(tǒng)主要分為三大部分組成：傳感系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)；監(jiān)控中心和報警閾值系統(tǒng)[3]。其中傳感器的布設合理性關乎數(shù)據(jù)采集的完整性，分析處理系統(tǒng)關乎著報警的合理性和對結構現(xiàn)狀把握的準確性。

當前我國橋梁安全運營監(jiān)測系統(tǒng)中主要安裝的傳感器有GPS監(jiān)測站、風速風向儀、加速度計、光柵光纖應變溫度傳感器、溫濕度計、位移計、地震儀、撓度計等。主要監(jiān)測橋梁的整體位移、；結構應變、環(huán)境溫度變化、主要承重結構撓度變化以及地震情況，當然各個傳感器應根據(jù)具體測量情況進行調(diào)整。合理的傳感器優(yōu)化布設可以提高測量精度和降低整個監(jiān)測系統(tǒng)的安裝成本，但是目前關于傳感器優(yōu)化方面雖然做了較多的研究但仍然處于理論和實驗室試驗階段，并未在實際大型橋梁結構上得到很好的運行。

監(jiān)測系統(tǒng)工作流程見圖1

圖1 橋梁安全運營監(jiān)測系統(tǒng)工作流程圖

二、國內(nèi)橋梁安全運營監(jiān)測系統(tǒng)工程實際存在的問題

發(fā)展和研究橋梁安全運營監(jiān)測系統(tǒng)的目的在于通過對各類傳感器采集數(shù)據(jù)的分析和處理，能夠準確的把握當前橋梁的結構狀態(tài)，為橋梁的維護、管養(yǎng)單位提供相應的依據(jù)和指導。雖然我國監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展迅速，但從其運營現(xiàn)在情況來看，目前尚未達到安裝預期。

(一)過分依賴自動化監(jiān)測，脫離實際

隨著傳感器智能化和采集設備自動化的發(fā)展，現(xiàn)今的橋梁安全運營監(jiān)測系統(tǒng)都過分依賴于自動化監(jiān)測，而忽略了人工監(jiān)測的必要性。整個監(jiān)測系統(tǒng)的中心在于對整個結構的損傷情況把控，雖然有不同學者在利用傳感器信息進行結構的損傷識別這方面做了大量的研究，但是目前的研究仍舊還處于理論和實驗室對簡易模型的試驗階段，尚未有大型橋梁結構處于復雜受力情況下的相應研究成果。混凝土的不確定性和結構本身處于復雜受力情況下，導致要基于監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器信息判斷混凝土開裂變得異常困難。所以，對于監(jiān)測系統(tǒng)過分的強調(diào)其自動監(jiān)測運營功能毫無意義，人工檢查必須作為其輔助檢查功能，覆蓋整個監(jiān)測系統(tǒng)運行過程中，在編訂監(jiān)測系統(tǒng)的同時應該制定完整、詳細的人工檢查策略和項目。

(二)閾值設定不具備適時性

監(jiān)測系統(tǒng)中的報警閾值的設定，當前各個閾值設定都是基于設計狀態(tài)考慮結構的單個變量值來對橋梁進行報警。馬中軍等[4]提出基于彈性模量的置信區(qū)間作為代表值來設定應變報警的區(qū)間閾值；何偉南[5]提出利用層次分析法計算各指標對結構的權重比例來進行報警閾值設定。這樣的閾值設定并未考慮到橋梁結構在運營期間因為各類損傷造成的結構退化和各項指標在結構之中相互之間的影響，所以其結構的報警閾值在整個運營期間并不具備準確性和時效性。

(三)大數(shù)據(jù)的處理分析未形成系統(tǒng)理論

橋梁安全運營監(jiān)測系統(tǒng)中的傳感器設置往往是上百個，而且都是處于長期監(jiān)測狀態(tài)，這必將導致傳感器采集的數(shù)據(jù)極其龐大，這對處理和分析系統(tǒng)將是一個極大的負擔。當前最主要的處理手段既是對采集數(shù)據(jù)進行降噪濾波補齊，排除干擾數(shù)據(jù)，得到需要的數(shù)據(jù)波段；崔飛等[6]提出傳感器的最優(yōu)布設可以提高其魯棒性，使得采集數(shù)據(jù)盡可能全面、準確。

三、結論

橋梁安全運營監(jiān)測系統(tǒng)在我國還屬于發(fā)展研究階段，還有一些問題亟待解決，整個監(jiān)測系統(tǒng)的設定和安裝也是針對具體橋梁，并未形成相應的理論。安裝的大量傳感器有很大一部分在結構中并無用處，這樣不僅僅增加了整個系統(tǒng)安裝的造價，還提升了數(shù)據(jù)處理的難度，增加了后期維護的困難程度。雖然監(jiān)測系統(tǒng)強調(diào)的是自動化，但是就目前研究看來，通過合理的制定人工巡檢，識別結構損傷，判斷結構退化程度，來輔助監(jiān)測系統(tǒng)的閾值設定，保證其時效性是極其有必要的。