橋梁檢測與監(jiān)測技術(shù)智慧化發(fā)展動態(tài)研究

楊 揚 徐一超 張宇峰

(1.在役長大橋梁安全與健康國家重點實驗室 南京 211112； 2.蘇交科集團股份有限公司 南京 211112)

當前，我國橋梁總數(shù)已超過百萬座，其中，公路橋梁總數(shù)已達87.83萬座，其中特大橋5 716座、大橋108 344座。隨著我國橋梁數(shù)量的逐漸增多和橋齡的逐漸增加，橋梁的健康與安全問題也日益引起關(guān)注[1-2]。

檢監(jiān)測技術(shù)是保障橋梁安全運營的關(guān)鍵，依靠現(xiàn)場檢測與實時監(jiān)測獲取橋梁結(jié)構(gòu)的損傷狀況與動力特征，從而分析橋梁的實際承載狀況[3-4]。橋梁檢測采取科學(xué)的方法和技術(shù)對橋梁運營狀態(tài)進行局部測試及整體評估，監(jiān)測通過對橋梁結(jié)構(gòu)狀況的監(jiān)控與評估為橋梁的維護維修和管理決策提供依據(jù)與指導(dǎo)[5]。隨著工程應(yīng)用的不斷增多，現(xiàn)階段橋梁檢監(jiān)測技術(shù)的問題也日益突出，可概括為以下4個方面。

1) 理念問題。設(shè)計階段缺乏對橋梁管養(yǎng)中檢測與監(jiān)測需求的考慮。

2) 標準體系問題。標準的建立未能與工程發(fā)展的實際需求同步。

3) 方法、工具與裝備問題。現(xiàn)有技術(shù)與設(shè)備未能適應(yīng)復(fù)雜多變的檢(監(jiān))測環(huán)境。

4) 數(shù)據(jù)分析問題。海量多源的數(shù)據(jù)堆積，未能得到充分有效利用。

本文擬通過歸納總結(jié)現(xiàn)階段橋梁檢監(jiān)測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，針對目前研究存在的不足，指出橋梁健康檢測與監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展趨勢和研究方向，以推動橋梁檢監(jiān)測技術(shù)向“低成本、高精度、短時延”發(fā)展。

1 橋梁檢測與監(jiān)測技術(shù)的存在問題

1.1 理念、觀念問題

精細化、全壽命的設(shè)計理念是歐美、日本等發(fā)達國家在橋梁設(shè)計中的主導(dǎo)思想，其強調(diào)在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段便應(yīng)充分考慮橋梁養(yǎng)護、檢修等情況，為相關(guān)工作預(yù)留空間或設(shè)置構(gòu)造措施。而目前國內(nèi)的橋梁設(shè)計中總體仍缺乏對橋梁養(yǎng)護階段的考慮，導(dǎo)致在橋梁檢測與養(yǎng)護難以做到“可達、可檢、可修”，更勿論“易達、易檢、易修”，這反映了當前橋梁設(shè)計中全局性理念的缺失。例如，在國內(nèi)，除了跨江、跨海的大型、特大型橋梁設(shè)計有專門的檢修通道外，其他類型橋梁一般沒有相應(yīng)的設(shè)施，缺乏對橋梁易檢測性的考慮[6]。檢修通道的缺乏，給橋梁的有效檢測帶來了一定的難度。而若采用橋梁檢測車進行檢查，一方面占用車道，影響交通；另一方面也增加了檢測工作的經(jīng)濟投入，與橋梁檢測“低成本”的發(fā)展目標相矛盾。

1.2 標準體系問題

中國的高速發(fā)展為工程建設(shè)帶來了全新的發(fā)展機遇，但與此同時，快速的發(fā)展也使工程實踐遠超前于現(xiàn)有的技術(shù)標準。目前，工程領(lǐng)域的很多標準難以與工程實踐的快速發(fā)展同步。現(xiàn)有標準總體上體系完整性不夠、描述清晰度不足、可操作性不強。在橋梁檢測與監(jiān)測方面，標準體系的不完善主要表現(xiàn)在以下7個方面：①缺少針對鋼-混組合結(jié)構(gòu)等新型結(jié)構(gòu)的檢測標準；②缺少災(zāi)后快速檢測與評估的標準；③缺少有效預(yù)應(yīng)力等傳統(tǒng)難檢項目的檢測標準；④缺少無人機等新型檢測技術(shù)的標準；⑤缺少健康監(jiān)測系統(tǒng)施工、質(zhì)量評定、維護技術(shù)標準；⑥缺少監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)交換與數(shù)據(jù)處理標準；⑦缺少監(jiān)測系統(tǒng)報警閾值設(shè)定及狀態(tài)評估標準。

1.3 方法、工具、裝備問題

檢測與監(jiān)測中所采用方法、設(shè)備的合理性和有效性是確保橋梁健康評估結(jié)果準確性的關(guān)鍵保障。目前，橋檢車與無人機是抵近觀察檢測中常用的方法。但橋檢車工作時不僅影響道路交通，而且存在較高的安全隱患。而無人機在操控的便利性、續(xù)航能力、測試噪聲等方面也存在較大的問題，始終未能得到完善的解決[7]。另外，橋墩、基礎(chǔ)等構(gòu)件常常需要進行水下檢測。而目前水下檢測主要依靠潛水員水下摸排及觀察。一方面，潛水員檢測效果受光照、水質(zhì)等因素影響較大；另一方面，潛水員往往不是橋梁工程師，難以對水下觀測結(jié)果做出直接判斷，需要再次進行行業(yè)術(shù)語轉(zhuǎn)換，然后判斷結(jié)構(gòu)的損傷程度。二次轉(zhuǎn)換過程必然會導(dǎo)致部分信息丟失，不夠準確，從而降低了檢測的效率。

在無損檢測方面，目前所能采用的手段亦尚不完善，存在大量難檢項目。例如對橋梁纜索的腐蝕斷絲檢測，目前仍大量采用開窗法進行，否則無法觀察到纜索內(nèi)部的情況，而這又對纜索護套造成了損傷。同時，混凝土中的實際預(yù)應(yīng)力檢測、孔道壓漿密實度檢測等也一直很難取得突破性進展。

現(xiàn)場試驗是用來評價橋梁承載力的重要手段，但傳統(tǒng)荷載試驗方法費時費力，對交通影響大，成本代價高。試驗檢測過程數(shù)據(jù)錄入，雖然實現(xiàn)了信息化，但操作不便、實際效率很低。另外，現(xiàn)行健康監(jiān)測系統(tǒng)雖在通信和數(shù)據(jù)存儲層面的發(fā)展已能滿足需求，未來5G的應(yīng)用也會加速提升性能，但在數(shù)據(jù)采集與獲取方面，存在著傳感器使用壽命遠小于橋梁設(shè)計使用年限，點式傳感器的信號與結(jié)構(gòu)損傷之間的邏輯性和聯(lián)系性較弱，監(jiān)測系統(tǒng)的實施安裝缺少行業(yè)標準等系列問題。

1.4 數(shù)據(jù)分析問題

健康監(jiān)測系統(tǒng)通過捕捉諸如應(yīng)變、變形等海量信息數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)獲取到數(shù)據(jù)處理，再到分析評估，通過一整套分析過程，將信號提取為信息，最后轉(zhuǎn)化為知識，從而表征橋梁服役的性能狀況。

近年來，隨著傳感、通信與存儲技術(shù)的飛速發(fā)展，橋梁檢測與監(jiān)測中數(shù)據(jù)獲取能力得到了極大提升，但這又造成了數(shù)據(jù)分析方面的能力已遠遠落后于數(shù)據(jù)監(jiān)測獲取能力。在數(shù)據(jù)處理方面，耦合數(shù)據(jù)分離困難等技術(shù)問題一直未得到很好解決，自動化處理程度有待進一步提高；在分析評估方面，通過構(gòu)件級的直接或間接評估到全橋評估發(fā)展緩慢，評估指標體系與預(yù)警有待進一步優(yōu)化，評估報告對業(yè)主養(yǎng)護管理的建設(shè)性意見支持不夠。在很長一段時間內(nèi)，對于包括來源于設(shè)計、施工、檢測、監(jiān)測等多源數(shù)據(jù)的綜合分析問題能力提升將是一個需要重點突破的環(huán)節(jié)。

2 在智慧化、數(shù)字化方向發(fā)展突破的建議

2.1 技術(shù)趨勢準確把握

如何保障橋梁的安全性、耐久性和使用功能已成為目前橋梁工程界的巨大挑戰(zhàn)。橋梁工程技術(shù)發(fā)展也面臨以建設(shè)為主向建養(yǎng)并重轉(zhuǎn)型，隨著對橋梁的結(jié)構(gòu)要求、服役要求、以及長期性能要求的提高，橋梁檢測與監(jiān)測及其相關(guān)的病害診斷與分析技術(shù)的研究將呈現(xiàn)出新的趨勢，主要表現(xiàn)為“深入化”“集成化”“標準化”與“智能化”四大特征。

1) 深入化。結(jié)構(gòu)損傷機理研究將逐步從微觀向宏觀、從短期向長期、從單因素向多因素耦合拓展。

2) 集成化。無損檢測裝備與養(yǎng)護維修裝備的小型化、專業(yè)化、集成化程度將日益提高；健康監(jiān)測系統(tǒng)中傳感、采集與傳輸設(shè)備的高度集成將是大勢所趨；依托BIM平臺，設(shè)計、施工、檢測、監(jiān)測、養(yǎng)護、維修的信息將高度集成融合。

3) 標準化。不僅是傳統(tǒng)意義上的檢測、監(jiān)測、養(yǎng)護管養(yǎng)動作和質(zhì)量評定方法的標準化，也包括為實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通的信息標準化工作的快速推進。

4) 智能化。隨著機理研究日益深入、數(shù)據(jù)積累日益增多，信息融合日益加強，大數(shù)據(jù)分析、云計算、機器學(xué)習(xí)等技術(shù)的進步，橋梁管養(yǎng)智能化研究將日益受到關(guān)注，結(jié)構(gòu)病害的早期識別、趨勢推演、檢測評分自動進行、安全風(fēng)險自動排序、養(yǎng)護資金智能優(yōu)化配置、橋梁壽命預(yù)測將成為可能。

2.2 理念與觀念創(chuàng)新突破

結(jié)合城市發(fā)展與新型橋梁建設(shè)需求構(gòu)建城市橋梁資產(chǎn)管理系統(tǒng)，積極推進面向管養(yǎng)的精細化設(shè)計、資產(chǎn)管理與分類分級。建立橋梁資產(chǎn)管理系統(tǒng)見圖1，該系統(tǒng)可為管理部門提供橋梁設(shè)計、施工、管理全過程信息，實現(xiàn)橋梁全生命周期健康狀態(tài)演化分析[8]。

圖1 橋梁資產(chǎn)管理系統(tǒng)

2.3 標準體系的完善

為加強橋梁結(jié)構(gòu)檢測和監(jiān)測領(lǐng)域的建設(shè)和管理，使安全檢測和監(jiān)測系統(tǒng)的實施和驗收工作制度化、規(guī)范化，越來越多的行業(yè)標準被制定和執(zhí)行[9]。由于橋梁檢測和監(jiān)測工作的涉及面廣、專業(yè)技術(shù)要求高，因此高水平的行業(yè)標準正在追趕工程實踐的發(fā)展腳步[10]。

為此，在橋梁檢測方面，行業(yè)內(nèi)部存在一些計劃修訂的標準，并且會對行業(yè)規(guī)范發(fā)展產(chǎn)生極大的推動作用，包括《公路橋梁預(yù)制節(jié)段拼裝混凝土橋墩技術(shù)規(guī)程》《鋼混組合結(jié)構(gòu)梁橋養(yǎng)護技術(shù)規(guī)程》《鋼結(jié)構(gòu)橋梁質(zhì)量檢驗評定規(guī)程》《橋梁快速荷載試驗與評估技術(shù)規(guī)程》《橋梁振動測試與性能評估技術(shù)規(guī)程》《公路工程預(yù)應(yīng)力施工質(zhì)量與驗收規(guī)程》等。在橋梁監(jiān)測方面，包括《橋梁健康監(jiān)測報警閾值設(shè)定規(guī)程》《橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫架構(gòu)設(shè)計規(guī)范》《橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理指南》《橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)施工質(zhì)量評定指南》《橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)運營維護技術(shù)指南》等。

2.4 實現(xiàn)重點技術(shù)突破

在橋梁檢測中，目前大量采用近距離人工觀測或接觸式儀器檢測，風(fēng)險高且需投入大量的人員與資金。另一方面，對于部分關(guān)鍵部位由于位置隱蔽往往難以得到有效地檢查，從而導(dǎo)致橋梁檢測合格但實際承載能力嚴重受損的情況出現(xiàn)。因此，應(yīng)大力發(fā)展非接觸性的表觀病害檢測，提升隱蔽部位、難檢部位的檢測能力和檢測效率，提升現(xiàn)場記錄的自動化和信息化的水平。例如研發(fā)基于深度學(xué)習(xí)的病害識別技術(shù)，通過計算機視覺自動提取病害的特征，實現(xiàn)病害高精度識別[11-12]；研發(fā)基于磁致伸縮導(dǎo)波的無損性拉吊索斷絲檢測技術(shù)，對于斷絲截面損失情況進行精準化評估[13]；研發(fā)準靜態(tài)快速荷載試驗技術(shù)，縮短荷載試驗時間并降低試驗成本，同時精準評價橋梁的承載力狀況[14]；研發(fā)同步壓縮變換瞬時頻率算法，有效提取重車通過時索承橋的索力極值，為超載報警和突發(fā)事件的安全評估做出及時預(yù)判；研發(fā)更高精度、高頻率的位移測量技術(shù)，如長標距的光纖傳感、微波干涉雷達等技術(shù)[15-16]，見圖2。只有不斷突破技術(shù)瓶頸，才能不斷提高橋梁檢測的效率，準確地評估橋梁狀態(tài)。

圖2 橋梁檢測與監(jiān)測技術(shù)突破

在橋梁狀態(tài)實時監(jiān)測方面，目前普遍存在傳感器壽命低、點式布置傳感器難以反映全橋的損傷狀況，以及缺乏現(xiàn)場實施、評定與維護標準等問題。同時，對于海量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，自動化處理程度仍有待提高，且耦合數(shù)據(jù)分離始終存在困難。另一方面，在分析評估中，目前總體停滯于構(gòu)件級評估，而全橋評估發(fā)展緩慢，對于結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的預(yù)警與評估指標也有待進一步優(yōu)化。基于上述因素，應(yīng)進一步加強耐久性高、生產(chǎn)成本低且易更換的傳感器的研發(fā)與應(yīng)用。同時，推廣分布式傳感器的應(yīng)用，加強傳感器對結(jié)構(gòu)全局狀態(tài)的捕捉，并建立健全傳感器采集標準，推進傳感設(shè)備布設(shè)與運營維護的規(guī)范化。此外，在數(shù)據(jù)處理與狀態(tài)評估方面，充分利用云計算、人工智能技術(shù)推進數(shù)據(jù)處理自動化與智能化；并研發(fā)時空數(shù)據(jù)融合計算，推進檢測監(jiān)測一體化大數(shù)據(jù)分析，建立橋梁健康狀態(tài)時空演化模型[17]。新型數(shù)字溫度傳感器測溫系統(tǒng)，運用無源擺幅速率控制和瞬時強上拉技術(shù)，提升監(jiān)測效率的同時成本較低，具有作為長期監(jiān)測手段的可能[18]。基于長標距光纖光柵技術(shù)，通過推算結(jié)構(gòu)撓度轉(zhuǎn)角、動力特征、交通荷載等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，實現(xiàn)應(yīng)變處理、變形解析、模態(tài)解析、全橋荷載識別、損傷識別及異常分析[19]。基于分布式傳感導(dǎo)電涂料對裂縫具有電阻強敏感性，對橋梁混凝土裂縫的寬度計算、發(fā)展閾值報警，實現(xiàn)了實時監(jiān)測裂縫進展的方法[20]。對于監(jiān)測過程中采集的海量數(shù)據(jù)，采用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的異常數(shù)據(jù)自動探測，在數(shù)據(jù)缺失時補充數(shù)據(jù)，利用實測和預(yù)測的差異進行探測異常[21]。綜合發(fā)展傳感設(shè)備與監(jiān)測系統(tǒng)管理制度，并面向自動化、智能化發(fā)展橋梁數(shù)據(jù)分析技術(shù)，從而實現(xiàn)現(xiàn)有橋梁健康監(jiān)測技術(shù)發(fā)展問題的突破。

3 結(jié)語

隨著中國橋梁建設(shè)的不斷發(fā)展，巨大的存量和增量不僅為橋梁健康和安全帶來了巨大挑戰(zhàn)，也為橋梁檢監(jiān)測技術(shù)實踐和創(chuàng)新的帶來了巨大機遇。文中闡述了現(xiàn)階段橋梁檢測與監(jiān)測技術(shù)的存在問題，同時指出了可能的突破方法和手段。

隨著人工智能、5G通信、大數(shù)據(jù)及云計算的進步和普及，未來橋梁的檢測和監(jiān)測發(fā)展趨勢，可以歸納為以下方面：①從破壞性檢測向無損檢測轉(zhuǎn)變；②從人工檢測向機械智能化檢測轉(zhuǎn)變；③數(shù)據(jù)采集方式從人工記錄向系統(tǒng)自動采集轉(zhuǎn)變；④從周期性檢測、檢查向?qū)崟r數(shù)據(jù)監(jiān)測轉(zhuǎn)變；⑤檢測手段從現(xiàn)場實操向智能感知轉(zhuǎn)變；⑥檢測裝置從臨時性設(shè)備向長期性預(yù)埋傳感器轉(zhuǎn)變；⑦檢測評估從少量抽樣數(shù)據(jù)研判向大數(shù)據(jù)分析轉(zhuǎn)變。