长大桥梁集群式、平台化的监管之路

作为桥梁安全监管有效的信息化、数字化、智能化技术手段和工具，桥梁结构健康监测系统通过网络集成技术，将分布在桥梁现场和监控中心的各类传感器、数据采集与传输、数据处理与管理、数据分析与应用的硬件设备、软件模块及配套设施连接在一起，具有对桥梁设定参数连续监测、自动记录、数据显示、报警评估的功能，辅助桥梁管理和养护决策的电子信息系统，发挥着极其重要的数据支撑、科学评估的作用。《交通运输部关于进一步提升公路桥梁安全耐久水平的意见》（交公路发[2020]127号）明确提出，到2025年跨江跨海跨峡谷等特殊桥梁结构健康监测系统全面建立，到2035年公路桥梁结构健康监测系统全面建立的工作目标。构建长大桥梁结构健康监测系统也是推动交通运输领域新型基础设施建设的重要举措，是提升精准感知、精确分析、精细管理的重要载体。

针对我国桥梁结构健康监测系统存在“构建不充分、标准不统一、应用不深入、维护不到位、监管未成网、数据未共享”等问题，交通运输部印发的《公路长大桥梁结构健康监测系统建设实施方案》中提出，“试点先行、统一标准、分级建设、联网运行”的工作方针，将公路在役和在建单孔跨径500米以上的悬索桥、单孔跨径300米以上的斜拉桥、单孔跨径160米以上的梁桥和单孔跨径200米以上的拱桥纳入实施范围，构建单桥系统、省级监测平台和部级数据平台三级架构的全国统一标准长大桥梁结构健康监测体系，实现长大桥梁结构状况实时监测、数据自动采集分析、结构状态评估等功能，为桥梁养护管理工作提供科学支撑。

我国桥梁结构健康监测系统通过20余年的发展，当前呈现出如下发展态势：

1．大跨径桥梁向常规跨径桥梁延伸。桥梁结构健康监测系统除了在长大跨径尤其缆索承重桥梁中获得广泛应用外，已开始向量大面广的常规跨径桥梁延伸，构建“轻量化”结构监测系统。

2．单桥监测向桥群监管转变。基于“资源集约、平台同步、数据共享、应急联动”的桥梁管养思路，借助先进信息技术支撑与驱动，平台化构建、集群式监管，建立数据中心和监测平台，建设标准化、平台数字化和监管网络化已成为必然趋势。

3．“数据制造”向“数据创造”演化。桥梁结构健康监测系统不仅重视监测数据采集存储，更应注重数据的分析应用，实现专业化与信息化的高度融合，为桥梁管养提供数据支撑和科学决策。

4．人工干预向智能决策跃升。随着AI、IoT、大数据、云计算等技术的飞速发展，监测数据处理、分析、应用由“人工”向“智能”方向加速演进和发展，实现数据自动诊断处理、在线自动计算分析、智能评估决策等功能。监测系统平台软件功能模块突出自动化，聚焦智能化。

构建理念

由上述阐释可知，结合当前的行业背景和发展趋势，基于集群式、平台化监管理念，遵循综合评估的养护指导思想，研发构建公路桥群结构健康监测区域级系统平台已成为各行政区域（省、市）或各交投（高速）集团公司等行业主管部门或投资管养单位的必然选择。作为监、管、养信息统一监管数字系统平台，满足全寿命周期、一体化管养理念，实现桥群专业化、标准化、精细化、数字化、网络化、智能化管养。充分利用监测系统平台实时感知数据信息，获取管辖范围内各长大桥梁或重要桥梁的运营环境及作用、结构响应和变化参数，服务于台风、地震、车船撞等特殊事件的应急管理，以及基于健康度评估理念，应用结构构件、整体状态表征参数，评估（价）各桥构件和整体的工作性能，发挥系统数据支撑作用，辅助桥梁管养的科学决策，助力桥梁结构的安全监管和性能维持。

功能定位

公路桥群结构健康监测区域级系统平台作为管辖范围内桥群管理养护信息化的重要技术工具，是获取各桥运行数据的关键技术手段，发挥实时感知、报警评估、数据支撑、科学决策的重要作用；实现区域级层面对管辖桥梁的管养从碎片式到系统性、从粗放型到精细化、从被动接受到主动预防、从传统经验到数据支撑的转变与升级。其定位主要为已建系统的接入和新建系统的复用，主要功能为各桥监测数据归集和应用展示。具体功能如下：

1.百年大桥、数字档案。秉持“全寿命周期、预防性、一体化”监管养护理念，结构构件化、精细化拆分，建立各桥全寿命周期“建、管、养、查、评、修、研”全过程信息化、数字化桥梁档案，服务桥群运营期的科学监管养护工作。

2.实时感知、及时报警。实时感知获取各桥运营环境和作用、结构响应与变化、桥面交通所处的性状，对诸如强风、地震、车船撞等偶然荷载及重载交通荷载作用，以及桥梁运营异常状况和结构异常响应，进行及时报警。针对特殊事件构建应急管理体系，应用监测数据做到事前指导、事中分析、事后评估，利于应急决策及处置。

3.综合评估、指导养护。利用实时监测数据信息，并结合人工巡检结果，通过统计分析、趋势分析、比对分析和相关性分析等专项专业分析，把握桥梁结构的主要性能指标和特性，进而评估、评定、评价桥梁结构使用状况、工作性能和发展趋势、变化规律，为掌控各桥运营安全及管养决策提供数据支撑和科学依据，指导开展主动预防性养护，维持桥梁使用性能，延长其使用寿命。

4.数据挖掘、反哺提升。以数据要素价值转化为核心，利用监测积累的各桥实桥环境与作用、结构响应与变化等数据，开展深层次、专业性的数据分析和理论研究，寻求共性规律、解决个性问题，验证、反哺、提升各类型桥梁科学研究（长期性能）、设计建造、管理养护的科学技术水平。

系统平台架构

公路桥群结构健康监测区域级系统平台设计研发采用分层架构体系，各层之间通过消息接口进行衔接，系统平台自下而上分为感知层、网络层、平台层和应用层，如图1所示。

图1 公路长大桥梁结构健康监测区域级系统平台架构体系

1．感知层

感知层主要包含安装在各桥现场的风速仪、温湿度、WIM、应变计、GNSS、索力加速度计、振动加速度计等传感器、采集设备以及配套的附属设施，实时感知获取各桥环境与作用、结构响应与变化的各监测参数数据，属于整个系统平台的传感器子系统。

2．网络层

网络层主要指各桥现场光纤专网及无线网络，包括网络机柜、主干光纤、网络交换机等设备，以及各单桥系统接入区域级平台的网联链路，主要实现监测数据及视频监控数据的采集与远程传输，体现整个系统的网络传输能力。

3．平台层

平台层主要实现区域级系统平台设计开发和部署调试所需的应用开发平台和软硬件运行环境，重在数据处理、控制、存储和归集，为应用层提供技术支撑。

4．应用层

应用层为系统平台的业务应用场景实现，主要通过人机交互界面，实现系统平台的各项功能，主要包括GIS智能驾驶舱、桥梁管理、结构监测、专项数据分析、安全报警评估及数据交换接口等功能，以及配套的应急处置专项措施建议等。

平台模块功能

基于区域级系统平台的功能定位，聚焦满足应用层的功能需求，服务于区域级层面桥群的管理和养护，平台的具体功能模块组成详见图2所示，共划分成GIS智能驾驶舱、桥梁管理、结构监测、专项数据分析、安全报警评估和数据交换接口六大功能以及相应的33个模块。各桥型、某单桥所用模块也不尽相同，应有针对性、个性化地选取或扩展。

图2 公路长大桥梁结构健康监测区域级系统平台功能模块组成

1．GIS智能驾驶舱

基于数据看板主流开发技术，以驾驶舱的展现形式，通过各种常见的图表（柱状图、饼状图、折线图、散点图、速度表、音量柱、预警雷达、雷达球）形象地标示出监测项的关键参数指标，直观地获取监测各项数据运行情况，并可以对异常指标进行报警和分析。并以高清GIS在线地图为基础，结合三维可视化桥梁模型，建立桥梁的监测管理图层。

图3 某桥群结构健康监测平台驾驶舱界面

2．桥梁管理

“桥梁管理”为系统平台的基础信息库，统一管理各桥的基本信息、静动态资料、构件单元及对应二维码、三维地理和桥梁模型展示等，其既是系统平台组成和运行的必要环节和支撑，也是各桥数字档案的统一管理系统。

3．结构监测

作为系统平台的核心功能模块，“结构监测”通过各桥感知层的数据采集传输、数据处理控制、远程数据转发等模块的协同工作，实现各桥实时监测数据或特征值数据的分析展示，根据不同监测项展示数据时程曲线、仿真仪表、数据列表、风玫瑰图、振动频域变换、位移变形、实时索力等内容，自动生成相应报告报表，进行特殊事件管理，服务于应急事件处置。

4．专项数据分析

专项数据分析依据各桥所处环境和作用、结构受力特性、构造特点以及技术状况等富有针对性的进行模块设计开发，力求智能、高效、实用。针对公路长大桥梁尤其是大跨径缆索承重桥梁，拟定的专项数据分析包括以下9个模块：

（1）风场专项分析

基于桥面或塔顶所布设的风速仪数据，进行专项分析获取风场相关参数，为桥面交通通行和相关分析计算提供依据和支撑。风场专项分析主要是获取平均风速、风向、风攻角、湍流度、阵风因子、风功率谱及风玫瑰图等。

（2）地震专项分析

分析桥梁受地震作用结构的瞬时响应，如主梁竖向位移、主梁纵向位移、塔顶偏位、支座位移、主梁与斜拉索振动加速度等，从而分析评估结构受地震影响状况和结构快速恢复水平。

（3）涡振专项分析

对主梁涡振进行实时报警，自动计算显示涡振时RMS值、锁定频率、振幅、持时等重要参数以及对应风场环境参数等信息，支持数据回放反演，并自动出具报告报表。

图4 主梁涡振专项分析模块

（4）荷载校验系数专项评估

依据桥面动态荷载监测数据，获取自然车流及重载车辆行驶信息，可通过监测点实测响应数值与影响线加载自动获取的对应量值进行比值计算，静力分析评估反馈结构工作状况、性能。

（5）索力及索振专项评估

通过索振加速度计，即可实时获取索体振动加速度数据，也可通过傅里叶变换获取基频，进而结合索力系数求得索力值。拉索或吊索在大桥运营过程中，索力会发生变化，此外受风、雨、雪、冰等作用影响可能会发生异常振动，影响其安全性、耐久性。因此有必要加强对索体振动的监测及数据分析，掌握其受力、振动状况，为其管养提供依据。

（6）桥梁动力特性专项评估

动力特性包括结构的自振频率、振型、阻尼比，该模块通过布设于桥上的各测点加速度计，自动分析计算获取结构动力特性。

（7）相关性分析

根据各监测项的属性和关联度，将两参数或多参数进行相关分析，判断和评估其相互影响作用情况。如主梁挠度与温度的相关性、梁端纵向位移与温度的相关性、拉索振动与风场参数的相关性等等，可以更为全面掌握结构的性能及特点。

（8）比对性分析

该模块主要从空间维度对某些监测参数进行比对，观其分布和发展规律。如各索索力分布情况、主梁裂纹分布发展状况、各挠度测点变化分布、梁端左右幅位移一致性分布情况，等等。

（9）趋势性分析

其功能主要从时间维度对某些特性、参数进行分析，看其发展趋势、变化规律，主要针对结构缓变性质参数，重在反映其耐久性。

5．安全报警评估

服务于应急管理，为本系统平台一项重要功能，通过结构监测模块，并基于所设定的超限阈值，对结构运营环境、作用及安全状态的重大变化进行报警，提供报警信息、信号(声光报警),推送报警信息提醒养护人员关注结构运营安全状况，并自动进行健康度评估，提供应急措施建议。

6．数据交换接口

为保证系统的扩展性和兼容性，依据现行规范，利用统一的数据标准、接口及报送管理制度等成套体系，完成系统平台的数据资源合理规划和设计，以解决平台下各单桥系统“异主、异构、异地”的问题，确保数据交互高效、稳定和安全。

平台搭建模式

从区域级监管层面，应有主次、有轻重地进行单桥系统数据接入，一般可分为以下两大类型：

单一型

1. 全要素数据：平台全部接入各单桥所有的监测数据。

2. 重点监测项实时数据：平台接入各单桥重点监测项的实时数据，主要为涉及桥梁运营和结构安全的数据信息。

3. 全部监测项的特征值数据：平台接入各单桥所有监测项处理后的有效表征参数。

4. 重点监测项的特征值数据：平台接入各单桥重点监测项处理后的有效表征参数。

混合型

从不同维度对各单桥进行区分，部分监测项全要素数据接入，部分监测项特征值数据接入，且各桥也不尽相同。

各地区可依据各自区域级系统平台的功能定位、资源配置（资金投入）、桥型特点、监管重点等因素，综合考虑、合理设置接入模式。

此外，对于新建单桥系统，依据规范进行系统设计、实施和统一数据标准，系统软件可以单独开发，也可将区域级平台复用，保障数据“无缝”接入。单桥系统构建应注重硬件选型精细、设备安装精确、网络传输精密、数据应用精准、用户界面精美。对于已建单桥系统，多数存在各系统“异主、异构、异地”问题，为确保数据高效稳定接入，应严格执行“数据接口标准化、单桥接入端子化、平台高度自定义化”的原则——

数据接口标准化：严格执行规范所要求的统一的数据接口协议标准。

单桥接入端子化：各单桥按照规范的数据接口协议标准，将监测数据参数推送到指定的数据库（资源池）中，区域级平台从此库中取用数据并应用和展示。

平台高度自定义化：区域级平台对单桥所属行政区域、桥型、监测项、监测点编号、传感器均可自由配置，高度便捷新增桥梁系统的接入；已接入平台的桥梁，若其监测项、监测点、传感器等信息发生变化，平台也可自由调整、同步更新。

保障系统平台安全

保障系统平台运行安全及数据安全至关重要。构建区域级系统平台必须注重从物理层、网络层、系统层、数据权限安全和数据库（资源池）安全五大方面采取保障措施，并宜参照信息系统安全等级保护二级标准进行建设。

图5 系统平台安全保障措施一览