橋梁集群智能化運維技術探討

（新疆維吾爾自治區公路工程造價管理局，新疆烏魯木齊830000）

我國橋都重慶市現有橋梁總數已經超過14000座，其中跨江橋梁超過100座，山區復雜環境橋梁的數量也在持續增加，橋梁的運維管養任務極其繁重。

目前，我國現存橋梁總體上呈現出數量多、投資大、橋型多、跨度大、運營環境復雜等特點。一方面橋梁數量龐大，另一方面橋梁智能化運維系統總體規劃不足、現有檢監測技術及診斷水平存在局限性，橋梁的建設與運維沒有實現全生命周期的規劃，不同橋梁仍然采用不同的健康監測和運維管理系統，并沒有真正實現橋梁的智能化運維，增加了橋梁管養難度。在新一代信息技術、人工智能、大數據等高新技術的興起并應用，以及智慧交通的大背景下，橋梁集群智能化運維技術的研發顯得意義重大。

一、國內外研究進展

橋梁集群智能化運維由橋梁遠程無損檢監測、診斷、維修養護等領域構成，在這些領域國內外已經出現了一批杰出的“橋梁醫生”。在橋梁結構無損檢測研究方面，自20世紀90年代起，國內外圍繞橋梁內部鋼筋的銹蝕、拉吊索腐蝕、斷絲和橋梁破壞應力的無損量化檢測等難題已經取得了一些重大突破。

重慶交通大學副校長周建庭等人一是發現了混凝土橋梁內部鋼筋銹蝕產生漏磁場，導致自發磁場發生變異的特性，揭示了橋梁內部鋼筋銹蝕范圍和程度與自發磁場變異特性的相關性，并提出了辨識鋼筋銹蝕區段長度的方法，建立了確定鋼筋銹蝕深度的模型；二是揭示了拉吊索腐蝕斷絲位置和范圍與自發磁場變異特性的關聯度，提出了辨識拉吊索腐蝕與斷絲位置的有效方法；三是構建了基于自發漏磁場軸向掃描曲線畸變和漏磁場偏離率的鋼筋應力狀態檢測和診斷技術，研發了基于磁記憶效應的鋼筋混凝土橋梁破壞應力狀態無損檢測技術。

在橋梁智能監測與狀態評估研究方面，周建庭等人進一步優化了靜態、離線的工程結構可靠性評價方法，將其轉變為通過大數據進行的動態、在線的大型橋梁安全遠程監測系統的安全評價，構建了基于結構響應包絡、劣化效應和時變可靠性的橋梁安全評估理論和技術，研究并提出了預埋-表貼全壽命“接力”監測模式，攻克了大型橋梁實用監測和評價技術眾多難題。此外，該團隊通過研究提出了機敏網仿生裂縫仿生監測系統，解決了混凝土結構裂縫在線監測等問題；研發了高聳結構智能掃描與圖像處理一體化裂縫檢測機器人、基于脈沖渦流紅外熱成像的混凝土結構鋼筋銹蝕度檢測技術，研制了適用不同環境的多種橋梁撓度監測系統、懸索橋錨碇結構蠕變監測系統、索塔塔頂水平二維位移監測系統，實現了橋梁結構狀態參量的立體感知。

在橋梁先進維護與性能提升技術領域，國內已經研發了鋼筋混凝土套箍封閉主拱圈加固拱橋技術、截面轉換加固T型（π型）梁橋技術、基于位移影響線的體外預應力加固連續剛構橋技術、多點支承體系加固拱橋技術、“剛度—內力調整法（俗稱‘二強扶弱’）”、橫張預應力碳纖維加固技術、新型預應力FRP片材加固技術等多種舊橋加固創新技術。此外，不斷完善機理研究，揭示了肋拱橋關鍵截面箱型轉換加固機理、提出了基于組合截面內力分配的拱橋加固內力計算方法等。在構建評價指標體系的基礎上，運用模糊層次分析方法優選石拱橋加固方案，通過數學原理對多種橋梁加固方案進行優選與橋梁加固質量檢驗綜合評定，提出了使用承載力提高率、恒載應力變化率、荷載置換率、加固層利用率4個強度評價指標對橋梁加固增強效果的評價體系，對橋梁加固系統化、規范化、理論化的發展起到一定的促進作用。

二、需要關注的問題

國內外雖然已經在橋梁遠程實時監測，狀態評估與診斷，性能加固技術領域有不少突破性進展，但由于我國目前橋梁智能化運維系統總體規劃不足，以及現有檢監測技術及診斷水平也有限，因此下一階段在該領域需進一步深入研究和解決的問題包括以下幾點。

（一）關鍵科學問題

1.橋梁隱蔽結構損傷與自發漏磁特征的定量關系模型。

2.橋梁智能感知與狀態評估理論。

3.基于智能狀態感知的橋梁先進維護決策理論和技術體系。

（二）關鍵技術問題

1.基于自發漏磁檢測技術的橋梁隱蔽結構損傷智能檢監測技術和裝備研發。

2.基于多源異構傳感信息融合的橋梁服役狀態精準診斷和自評估、自預測技術。

3.基于智能狀態感知的先進維護決策和智能化運維體系構建。

4.用于橋梁維護加固的高性能材料開發。

為了解決橋梁上述問題，需要以我國龐大的橋梁為依托，以大數據為引領，開展橋梁智能感知與維護基礎理論研究，揭示環境/荷載耦合作用下橋梁結構長期性能演化機理，盡快建立橋梁結構長期性能保障與提升技術，突破橋梁隱蔽結構缺陷智能檢監測理論和關鍵技術，攻克橋梁結構狀態全息感知和狀態解析難題，引領橋梁智能化運維技術及相關產業的發展。

三、未來研究展望

（一）橋梁鋼結構損傷檢監測新技術與新裝置研發

結合深度學習、模式識別、機器學習等人工智能方法，研發基于自發磁場變異特性的橋梁內部鋼筋銹蝕、拉吊索腐蝕斷絲、橋梁破壞應力的精準識別和無損量化檢測技術，提高橋梁隱蔽病害無損量化檢測的精度和準確率。

（二）橋梁智能感知與狀態評估理論與應用

研究基于深度學習算法的橋梁狀態識別預處理理論，構建橋梁監測信息故障自診斷與識別、海量監測信息預處理及監測信息特征指標選取體系。此外，構建基于可靠度與動態評價指標的橋梁評估與預測理論，形成結合智能監測、信息處理與分析預測的橋梁服役狀態自診斷、自評價、自預測理論體系。

（三）橋梁先進維護與性能提升技術與應用

從基礎理論、新型材料、智能方法、改進技術等多方面切入，解決多對象共享互感的運維狀態、解析方法和預測模式，橋梁養護最佳時機與最佳適應性養護手段預測與決策，橋梁超限，服役環境，自然災害等因素的耦合作用下橋梁性能提升，性能提升前后結構耐久性評估等問題，形成基于智能狀態感知的橋梁先進維護決策理論和技術體系。

（四）高性能材料應用于橋梁維修加固的關鍵技術開發

從理論基礎、新材料制備、設計與施工關鍵技術等方面入手，研發高性能材料應用于橋梁維修加固的關鍵技術。

四、結語

國外發達國家的工程建設經驗表明，建設高峰之后養護管理壓力將會接踵而至，因此橋梁集群智能化運維技術的研發對交通基礎設施運行檢監測技術的發展、養護水平的提高，養護管理的專業化、信息化、高效性、設施耐久性和可靠性的改善具有重要的積極意義。此外，該技術的研發并應用對于推廣交通基礎設施運行檢監測技術起積極的推動作用，也為交通強國發展目標的建設奠定了堅實的現實基礎。