橋梁信息化及智能橋梁2019年度研究進(jìn)展

勾紅葉，楊彪，華輝，謝蕊，劉暢，劉雨，蒲黔輝

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031)

橋梁是跨越江河湖海、深溝峽谷等障礙的人工構(gòu)筑物，是交通工程關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和樞紐工程，是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會生活安全的重要保障[1]。隨著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的孕育興起，“5G”技術(shù)、“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)、新型傳感器、機(jī)器人、成像系統(tǒng)、智能材料、人工智能等現(xiàn)代科技將成為橋梁工程精細(xì)化設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維的關(guān)鍵技術(shù)。周緒紅等[1]指出，基于信息化技術(shù)的智能化科技將為橋梁工程的革新帶來新的機(jī)遇。鮑躍全等[2]也指出，人工智能技術(shù)將深度融入土木工程基礎(chǔ)設(shè)施的全生命周期，深刻變革土木工程科學(xué)、技術(shù)與工程的發(fā)展。

以戰(zhàn)略需求為背景，伴隨全球科技創(chuàng)新呈現(xiàn)出的信息化、智能化新發(fā)展趨勢，傳統(tǒng)橋梁工程必將迎來深刻變革。面向技術(shù)現(xiàn)狀及未來需求，將橋梁全生命周期與現(xiàn)代信息技術(shù)深度融合，打造日趨智能化、高精度化的橋梁結(jié)構(gòu)將是未來發(fā)展方向。這也意味著除了橋梁本身的性能得到提升外，智能化、立體化、信息化的橋梁建造和安全運(yùn)維體系將會越來越完善和普及。信息化是智能化的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)智能化需要建立大規(guī)模、自上而下、有組織的信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。因此，橋梁的智能化離不開信息渠道的支撐。一個科學(xué)、一體化的信息系統(tǒng)可以為智能橋梁提供可靠的數(shù)據(jù)支持，為橋梁的智能化奠定基礎(chǔ)[1]。當(dāng)前，技術(shù)革命日新月異，眾多新技術(shù)被應(yīng)用于橋梁工程領(lǐng)域，為了及時學(xué)習(xí)和把握橋梁信息化和智能化發(fā)展現(xiàn)狀的必要性，筆者歸納總結(jié)了2019年橋梁信息化與智能化的研究，展示當(dāng)前在橋梁信息化、智能檢測、高性能智能材料以及智能防災(zāi)減災(zāi)方面的前沿技術(shù)和重要成果，指出當(dāng)前研究在實(shí)現(xiàn)橋梁信息化和智能化中存在的問題，并分析本方向研究熱點(diǎn)和進(jìn)行前景展望。

1 橋梁信息化

橋梁工程的信息化研究正在蓬勃發(fā)展，通過信息化技術(shù)可以顯著提高橋梁的生產(chǎn)效率、性能水平和建養(yǎng)一體化水平，推動橋梁智能化、工業(yè)化水平的提升[1]，實(shí)現(xiàn)橋梁全壽命周期內(nèi)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的管理和橋梁狀態(tài)的實(shí)時評估并保障交通安全。BIM技術(shù)作為提高橋梁信息化水平的有效手段，已得到國家各層面的高度重視[3-4]，同時，隨著5G技術(shù)的發(fā)展Michael Grieves提出的Digital Twin(數(shù)字孿生)概念也逐漸被引入橋梁管養(yǎng)領(lǐng)域。

在橋梁信息化設(shè)計(jì)方面，BIM等技術(shù)為設(shè)計(jì)提供了一個三維數(shù)字化平臺，可直接用于復(fù)雜形體的創(chuàng)意表達(dá)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，其參數(shù)化設(shè)計(jì)手段可以將橋梁的復(fù)雜形態(tài)通過關(guān)鍵參數(shù)控制，有效地提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。中國作為橋梁大國，新建橋梁規(guī)模遠(yuǎn)超其他國家，因而在橋梁信息化設(shè)計(jì)方面的研究應(yīng)用較廣，眾多研究成果已被廣泛應(yīng)用。

孫建誠等[5]構(gòu)建了基于BIM的橋梁設(shè)計(jì)和施工管理三維參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)建模方法，利用IFC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了BIM橋梁設(shè)計(jì)具體思路及施工管理標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)路線，此研究給BIM設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)提供了重要參考。杜一叢等[6]對橋梁設(shè)計(jì)中“一類應(yīng)用”、“正向應(yīng)用”兩種BIM技術(shù)模式的應(yīng)用概況、應(yīng)用價值等進(jìn)行了分析，得出“正向應(yīng)用”模式不僅保證了信息傳遞的順暢、完整，而且攜帶信息的模型可以繼續(xù)應(yīng)用于施工和運(yùn)維階段，使得BIM不僅可作為設(shè)計(jì)階段的工具，更可作為整個建造周期的工具，這拓展了BIM的應(yīng)用場景，增強(qiáng)了應(yīng)用價值。張秋信等[7]將BIM技術(shù)用于平塘特大橋的三維建模設(shè)計(jì)和碰撞檢查，發(fā)現(xiàn)了橋塔及組合橋面中剪力釘、普通鋼筋及預(yù)應(yīng)力筋之間的碰撞問題，這對橋梁結(jié)構(gòu)前期檢查非常有幫助，能夠及時發(fā)現(xiàn)問題，避免損失。

在橋梁信息化施工方面，BIM等技術(shù)能實(shí)現(xiàn)信息共享、多方協(xié)同作業(yè)、全局仿真、降低安全隱患[8]等，推動橋梁施工的可視化和精準(zhǔn)化發(fā)展，能夠有效提高施工管理水平、保障施工安全性、提升施工質(zhì)量和降低施工成本，積極推進(jìn)施工單位的改革創(chuàng)新，提升自身競爭力。

馬白虎等[9]基于BIM技術(shù)和“互聯(lián)網(wǎng)+”等新一代信息化技術(shù)，將現(xiàn)代施工管理4D理論引入到橋梁施工期信息管理中，以橋梁的BIM模型為載體，研發(fā)了橋梁主梁鋼預(yù)制構(gòu)件施工過程信息化管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鋼梁、預(yù)制板等關(guān)鍵構(gòu)件施工過程信息共享和施工管控。張文勝等[10]研發(fā)了基于BIM與3DGIS(三維地理信息系統(tǒng))集成的鐵路橋梁數(shù)值化建設(shè)系統(tǒng)，解決了設(shè)計(jì)、施工與管理不同階段之間的數(shù)據(jù)共享與挖掘利用的難題，實(shí)現(xiàn)從3DGIS可視化、漫游和三維空間分析到BIM施工管理、施工動態(tài)模擬和施工進(jìn)度總覽的全過程信息化管理，這不僅降低了管理難度，減少了管理成本，還打通了各環(huán)節(jié)間的連接，使管理更便捷。Markiz等[11]將BrIM技術(shù)與Navisworks技術(shù)和概率模糊邏輯策略方法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了施工中的材料管理及成本估算，有效地減少了構(gòu)件在施工前的碰撞，既保證了材料的質(zhì)量，也降低了成本。Lu等[12]將智能施工技術(shù)應(yīng)用到鐵路工程領(lǐng)域，分析了鐵路工程智能化施工建造的內(nèi)涵、功能和特點(diǎn)，基于BIM和PHM(預(yù)測和健康管理)，從生命周期、管理層次、智能化功能3個維度構(gòu)建了ICRE(鐵路工程智能化施工建設(shè)體系結(jié)構(gòu)，圖1)，進(jìn)一步從技術(shù)和功能兩方面建立了“知覺、替代、智能”3個發(fā)展階段的評價指標(biāo)體系。尤其是中國高鐵正在如火如荼的建設(shè)中，該技術(shù)的應(yīng)用，更加提升了中國企業(yè)的管理水平、施工水平以及國際地位。

圖1 基于BIM和PHM的鐵路工程智能化施工建設(shè)體系[12]Fig.1 Digital construction of intelligent construction of railway engineering based on BIM and PHM [12]

在橋梁信息化管養(yǎng)方面，引入現(xiàn)代化信息技術(shù)將升級橋梁養(yǎng)護(hù)管理技術(shù)、提高管理效率與能力?；贐IM等技術(shù)搭建的建管養(yǎng)一體化平臺，可以有效促進(jìn)橋梁管養(yǎng)過程中的標(biāo)準(zhǔn)化、可視化、自動化和智能化發(fā)展[13]，為橋梁的日常檢查、工程養(yǎng)護(hù)和計(jì)劃性維護(hù)等提供決策參考，實(shí)現(xiàn)橋梁全生命周期內(nèi)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的智能管理和橋梁狀態(tài)的實(shí)時評估，并保障交通安全。

圖2 橋梁預(yù)防性維修的DTM(數(shù)字孿生模型)概念[18]Fig.2 DTM (Digital Twin Model) concept for bridge maintenance [18]

BIM技術(shù)已成為橋梁設(shè)計(jì)、施工和管養(yǎng)實(shí)現(xiàn)信息化的有效手段并得到大量研究和應(yīng)用，數(shù)字孿生技術(shù)的興起為橋梁信息化管理、智能輔助決策管理提供了更多的可能性。但當(dāng)前研究也存在一些不足：1)以BIM技術(shù)為代表的信息技術(shù)在橋梁設(shè)計(jì)應(yīng)用中未能形成統(tǒng)一且完善的標(biāo)準(zhǔn)。BIM技術(shù)在近幾年得到了快速發(fā)展，但由于其引進(jìn)時間晚，技術(shù)要求高，不同研究人員對該技術(shù)的理解和應(yīng)用見仁見智，以至于不同企業(yè)、從業(yè)者間的交流存在各種困難，希望相關(guān)部門能盡快組織出臺相關(guān)的BIM技術(shù)規(guī)范，促進(jìn)BIM技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展；2)既有老舊橋梁難以實(shí)現(xiàn)融合現(xiàn)代信息化技術(shù)的智能管養(yǎng)。對于老舊橋梁，應(yīng)在人工檢測基礎(chǔ)上，盡可能多地結(jié)合現(xiàn)代管養(yǎng)技術(shù)，使橋梁得到最科學(xué)的管養(yǎng)維護(hù)；3)橋梁信息化養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)主要集中應(yīng)用于特大型復(fù)雜橋梁，覆蓋范圍有限。針對中小型橋梁，在今后的建造過程中，也應(yīng)該建立相應(yīng)的管養(yǎng)維護(hù)系統(tǒng)，以便更好地監(jiān)管、檢測橋梁健康狀況；4)更加真實(shí)、精確的Digital Twin模型在橋梁工程中的應(yīng)用還處于初步探索階段。該技術(shù)首次出現(xiàn)是在航天航空領(lǐng)域，近幾年才將其引入智能工程領(lǐng)域，學(xué)者們應(yīng)該及時跟進(jìn)，掌握關(guān)鍵技術(shù)，搶占制高點(diǎn)。

2 橋梁智能檢測

與傳統(tǒng)橋梁相比，智能橋梁具有3個基本特征：工業(yè)化、信息化和智能化[1]。其中，工業(yè)化為橋梁建造和養(yǎng)護(hù)提供了完整的工業(yè)體系，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)全過程的管理規(guī)范化；信息化為橋梁建造和養(yǎng)護(hù)全過程建立了信息通道，實(shí)現(xiàn)橋梁全生命周期的信息標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)字化；智能化為橋梁建造和養(yǎng)護(hù)全過程提供了智能決策，減少對人力的依賴，最終實(shí)現(xiàn)無人建造和養(yǎng)護(hù)[1]。

智能橋梁的核心是橋梁建造和養(yǎng)護(hù)技術(shù)的智能化，實(shí)現(xiàn)橋梁智能檢測是其中關(guān)鍵的一環(huán)。隨著深度學(xué)習(xí)的快速成熟發(fā)展，人工智能技術(shù)融入橋梁檢(監(jiān))測的研究已成為發(fā)展趨勢和熱點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。橋梁混凝土無損檢測、鋼橋疲勞裂紋探測、水下樁基礎(chǔ)檢測、高清攝像損傷識別、橋梁動靜載試驗(yàn)檢測等技術(shù)，無人機(jī)、纜索檢查機(jī)器人、橋梁檢測機(jī)器人等一系列智能檢測裝備與技術(shù)以及數(shù)據(jù)挖掘、計(jì)算機(jī)視覺、深度學(xué)習(xí)等眾多大數(shù)據(jù)智能算法不僅使得橋梁檢測手段不斷豐富，而且有效提高了檢測精度和效率。

2.1 智能檢測裝備與技術(shù)

為促進(jìn)橋梁檢測向更智能、更高效、更精確的方向發(fā)展，中國中鐵大橋科學(xué)研究院、國內(nèi)外高校等自主研發(fā)了一系列橋梁智能檢測裝備和技術(shù)，利用智能機(jī)器人、無人機(jī)等替代傳統(tǒng)的人工檢測方式，實(shí)現(xiàn)了對橋梁各類復(fù)雜、隱蔽、高空部位的檢測[19]。有效解決了由于人工原因造成的檢測效率低、檢測不到位、檢測范圍小等問題，最大程度保證了檢測數(shù)據(jù)及結(jié)果的可靠性。

目前，裝備攝像頭的無人機(jī)(UAV)在橋梁、建筑和其他民用基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的視覺監(jiān)控建設(shè)和運(yùn)行方面的應(yīng)用呈指數(shù)級增長[2]。無人機(jī)可搭載多種類型傳感器，其中，相機(jī)、紅外熱成像和激光雷達(dá)等高分辨率裝置能對橋梁結(jié)構(gòu)整體及局部進(jìn)行多角度成像拍攝[2]。Xu等[20]為橋梁檢測和管理開發(fā)了一個新穎的系統(tǒng)框架，即通過搭載相機(jī)的無人機(jī)系統(tǒng)采集圖像，基于計(jì)算機(jī)視覺算法收集和處理檢測數(shù)據(jù)，采用橋梁信息模型(BrIM)來存儲和管理所有相關(guān)信息。Morgenthal等[21]采用配備相機(jī)的無人機(jī)采集橋梁結(jié)構(gòu)高清圖像數(shù)據(jù)，其飛行路徑通過3D模型自動計(jì)算，并基于機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)典型損壞模式的識別，實(shí)現(xiàn)了對大型基礎(chǔ)設(shè)施的智能安全評估。鐘新谷等[22]采用無人機(jī)和三點(diǎn)激光測距儀對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行圖像采集，構(gòu)建基于支持向量機(jī)(SVM)的裂縫形態(tài)智能提取訓(xùn)練模型，實(shí)現(xiàn)橋梁裂縫寬度的智能識別，如圖3所示。梁亞斌等[23]根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和橋索分布形式設(shè)計(jì)了利用無人機(jī)搭載高清云臺相機(jī)的方案，批量密集地采集橋索的表觀圖像，通過圖像處理提取有效信息，并依照相關(guān)規(guī)范對橋索的健康狀況作出全面綜合評價。Lin等[24]設(shè)計(jì)了一種結(jié)合實(shí)時綜合圖像處理法的橋梁裂縫自動檢測系統(tǒng)，將該系統(tǒng)裝配在無人機(jī)上，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)采集和處理；與其他檢測方法相比，該系統(tǒng)能夠以較高的精度和速度有效地檢測橋梁裂紋。

將無人機(jī)與3D建模等技術(shù)相結(jié)合不僅能實(shí)現(xiàn)橋梁信息從二維到三維的重構(gòu)，還能直觀地將橋梁病害程度呈現(xiàn)出來，再利用圖像處理、識別及人工智能的方法可實(shí)現(xiàn)基于采集圖像信息的智能提取、處理和分析，最后根據(jù)相關(guān)規(guī)范開展橋梁結(jié)構(gòu)性能的智能評估[25-30]。

圖3 基于無人飛機(jī)成像的橋梁裂縫寬度識別[22]Fig.3 Identifying concrete crack width with images acquired by unmanned aerial vehicles [22]

除了無人機(jī)外，對各種檢測機(jī)器人的研究也是一大熱點(diǎn)，檢測機(jī)器人的研發(fā)同樣有力地推動了智能橋梁的發(fā)展，使得檢測手段更全面，檢測范圍更廣。檢測機(jī)器人能彌補(bǔ)無人機(jī)檢測的不足，實(shí)現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)近距離甚至結(jié)構(gòu)內(nèi)部健康狀況的檢測評估，在工作空間狹窄的環(huán)境中更方便。勾紅葉等[31-32]正在研發(fā)攜帶超聲波探頭的正交異性鋼橋面板(OSD)疲勞裂紋智能檢測機(jī)器人，基于超聲波相控陣成像技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)裂紋缺陷的定位和智能識別，該機(jī)器人能在狹窄的箱梁內(nèi)部對結(jié)構(gòu)進(jìn)行不間斷全覆蓋檢測，檢測范圍廣、操作靈活、檢測結(jié)果可靠。Phillips等[33]研發(fā)了地面機(jī)器人來配合移動檢測機(jī)器人的使用，該地面機(jī)器人解決了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)搜集平臺需要人工操作的弊端，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)娜詣踊?。與無人機(jī)技術(shù)相比，地面機(jī)器人近距離無線傳輸信號更穩(wěn)定，信息更及時更精確。Xu等[34]分別通過靜動力分析和拉格朗日力學(xué)分析研究了攀爬機(jī)器人主動輪和從動輪的動態(tài)障礙物攀爬過程，設(shè)計(jì)了一種雙側(cè)爬電纜機(jī)器人，提高了傳統(tǒng)攀爬機(jī)器人的障礙物超越能力，對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的檢測能夠減少人工參與，提高檢測效率。Hirai等[35]開發(fā)了一種水下檢測機(jī)器人，該機(jī)器人具備視頻捕捉、激光間接測距、穩(wěn)定保持深度和航向等功能，已在實(shí)際橋梁、大壩巡檢中驗(yàn)證了其有效性，為中國眾多深水大跨橋梁的水下結(jié)構(gòu)檢測提供了保障。

在軍事領(lǐng)域，雷達(dá)技術(shù)(GPR)已很成熟，但其在橋梁工程領(lǐng)域的應(yīng)用還有待進(jìn)一步開發(fā)，由于電磁波的空間分辨率高，因而能夠?qū)崿F(xiàn)高精度檢測，過去一年已披露的研究成果主要集中在利用雷達(dá)發(fā)射的電波對拉索或橋跨結(jié)構(gòu)的變形和振動進(jìn)行測量。王翔等[36]提出了一種基于雷達(dá)的非接觸式檢測技術(shù)，利用雷達(dá)發(fā)射的無線電波可以實(shí)現(xiàn)對斜拉索振幅的高精度檢測，解決了斜拉索索力檢測時傳感器效率較低且信號不穩(wěn)定等問題。邵澤龍等[37]設(shè)計(jì)了一個用于解決大跨度懸索橋振動檢測困難的監(jiān)測雷達(dá)。該監(jiān)測雷達(dá)應(yīng)用了調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)和干涉測量技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對橋梁復(fù)雜振動的高精度檢測及振動的模態(tài)分析，如圖4所示。王鵬等[38]將雷達(dá)技術(shù)引入到橋跨結(jié)構(gòu)的振動變形測量與模態(tài)分析中，實(shí)現(xiàn)了對在役橋梁動靜載試驗(yàn)時的連續(xù)變形監(jiān)測與模態(tài)分析。

圖4 基于微波干涉雷達(dá)的懸索橋振動監(jiān)測[37]Fig.4 Suspension bridge vibration monitoring based on microwave coherent radar [37]

除此之外，聲發(fā)射、紅外線熱成像等先進(jìn)的橋梁智能檢測技術(shù)也大幅提高了橋梁檢測的精度及效率。雖然它們適用范圍有限，應(yīng)用較少，但給特殊結(jié)構(gòu)及環(huán)境下的檢測提供了很好的思路，且有良好的檢測效果。

袁明等[39]采用聲發(fā)射技術(shù)對混凝土梁的損傷過程進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，提出了一種改進(jìn)的損傷模型，實(shí)現(xiàn)了使用聲發(fā)射技術(shù)對混凝土梁損傷的定量評估。周建庭等[40]結(jié)合金屬磁記憶理論在鐵磁性材料早期缺陷無損檢測方面的優(yōu)勢，提出了基于金屬磁記憶技術(shù)的鍍鋅鋼絞線拉索腐蝕檢測新技術(shù)，成功解決了常規(guī)技術(shù)難以檢測鍍鋅鋼絞線拉索內(nèi)部腐蝕的問題。孫杰等[41]采用主動式紅外熱成像技術(shù)對橋梁鋼結(jié)構(gòu)涂裝進(jìn)行檢測的方法，能夠準(zhǔn)確判斷出缺陷的形式及位置。Wang等[42]提出了基于無基線技術(shù)的實(shí)際影響線檢測損傷方法，解決了在沒有健康狀態(tài)的先驗(yàn)信息情況下的結(jié)構(gòu)損傷檢測問題。Liu等[43]提出了一種跨海鋼結(jié)構(gòu)橋梁承載面積的危險檢測方法，建立了建筑結(jié)構(gòu)的承載力模型，采用屈曲分析法對跨海鋼結(jié)構(gòu)橋梁的力學(xué)性能和承載力進(jìn)行評估。Oskoui等[44]提出了一種用于多跨連續(xù)橋梁長度方向的分布式損傷檢測技術(shù)，可準(zhǔn)確識別微裂紋位置。中鐵大橋科學(xué)研究院[19]將橋梁/路基豎向位移高精度自動監(jiān)測技術(shù)、便攜式無線智能索力檢測技術(shù)、超聲螺栓軸力測試技術(shù)、長大橋梁線形快速檢測技術(shù)和結(jié)構(gòu)外觀病害及變形圖像識別技術(shù)進(jìn)行整合，并在此基礎(chǔ)上研發(fā)了包括拉索檢測機(jī)器人、智能巡檢無人機(jī)、梁底檢測機(jī)器人等一系列智能檢測設(shè)備。此外，長安大學(xué)結(jié)構(gòu)智能檢測技術(shù)研究所研發(fā)的基于數(shù)字圖像技術(shù)的結(jié)構(gòu)變形檢測新技術(shù)、橋梁應(yīng)變測試新技術(shù)、橋梁體內(nèi)/體外預(yù)應(yīng)力測試新技術(shù)以及結(jié)構(gòu)外部缺陷檢測新技術(shù)，在橋梁道路及建筑結(jié)構(gòu)外觀檢測、靜動力荷載試驗(yàn)等方面都具有廣闊應(yīng)用前景。

2.2 智能識別與數(shù)據(jù)分析

針對無人機(jī)或機(jī)器人采集后的圖像和數(shù)據(jù)，開展圖像處理、智能識別及數(shù)據(jù)分析同樣是學(xué)者們研究的重點(diǎn)。通過這一過程，能獲得更多的有效信息對橋梁健康進(jìn)行綜合評判，結(jié)果更客觀更高效。

將機(jī)器人作為平臺，結(jié)合圖像識別技術(shù)，實(shí)時分析檢測數(shù)據(jù)，能實(shí)現(xiàn)更智能的檢測設(shè)備的研發(fā)。La等[45]開發(fā)了使用攀爬機(jī)器人對鋼結(jié)構(gòu)和橋梁進(jìn)行視覺和3D結(jié)構(gòu)檢查的方法；著重采用鋼表面圖像拼接和3D重建技術(shù)展現(xiàn)結(jié)構(gòu)的當(dāng)前條件，再基于計(jì)算機(jī)視覺檢測拼接圖像上的表面缺陷，實(shí)現(xiàn)對鋼結(jié)構(gòu)裂紋的自動識別及性能評估(圖5)。Li等[46]開發(fā)了由攀爬機(jī)器人、圖像處理平臺和4個固定攝像機(jī)組成的視覺檢查系統(tǒng)；該系統(tǒng)基于尺度不變特征變換(SIFT)算法，實(shí)現(xiàn)了在不同缺陷圖像中具有部分重疊區(qū)域的多圖像鑲嵌，并采用圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)缺陷智能識別。

圖5 結(jié)合機(jī)器人與3D重建技術(shù)的橋梁智能檢測[45]Fig.5 Intelligent detection of bridge based on the combination of robot and 3D building [45]

計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)是圖像處理分析和識別的主要方法之一，其在各領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用，但在橋梁健康維護(hù)方面還處于起步階段，其強(qiáng)大的信息處理能力及分辨能力會極大地幫助掌握橋梁服役性能，提高服役壽命。Zhu等[47]采用轉(zhuǎn)移學(xué)習(xí)和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對大量橋梁檢測圖像進(jìn)行自動分析和識別，解決了人工檢測時主觀或經(jīng)驗(yàn)因素的影響，提高了檢測識別的準(zhǔn)確度和效率。Dan等[48]提出一種基于信息融合的橋梁荷載識別方法，可以實(shí)現(xiàn)同時識別全橋面的橫向荷載和縱向荷載，并通過多視點(diǎn)三維仿真視頻數(shù)據(jù)和現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了該方法的可靠性和準(zhǔn)確性。Liang等[49]提出了基于貝葉斯優(yōu)化的大數(shù)據(jù)深度學(xué)習(xí)方法，對鋼筋混凝土橋梁系統(tǒng)災(zāi)后檢測圖像進(jìn)行了分析，采用不同卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了從系統(tǒng)故障分類、組合橋梁檢測和局部損傷定位3個層次的橋梁性能智能評估。Jian等[50]提出一種基于大數(shù)據(jù)深度學(xué)習(xí)的計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)與影響線理論相結(jié)合的交通感知方法，能夠自動識別車輛荷載和速度。Xiao等[51]利用三維掃描技術(shù)對已腐蝕的高性能鋼(HPS)試件的幾何特征進(jìn)行量化，探究了腐蝕后HPS試樣的力學(xué)性能。Dung等[52]提出采用深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳遞學(xué)習(xí)的方法，該方法既提高了裂紋識別的準(zhǔn)確性，又提高了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的魯棒性(圖6)。

圖6 基于計(jì)算機(jī)視覺處理技術(shù)的裂紋識別[52]Fig.6 Crack recognition based on computer vision processing technology [52]

圖7 橋梁開裂的可靠性分析和預(yù)警[56]Fig.7 Reliability analysis and early warning of bridge cracking [56]

為了克服人工智能技術(shù)在橋梁工程領(lǐng)域應(yīng)用的局限性，眾多學(xué)者從實(shí)際情況出發(fā)，對數(shù)據(jù)處理方法、智能算法進(jìn)行改進(jìn)，提高了模型的分析能力，推動了人工智能在橋梁檢測應(yīng)用中的提高。Hüthwohl等[53]基于大數(shù)據(jù)集對3個單獨(dú)的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，得到1個三階段的混凝土缺陷分類器，可將潛在不健康的橋梁區(qū)域分為特定的缺陷類型。Xin等[54]提出一種基于均勻設(shè)計(jì)的逐步回歸模型和基于混沌搜索的智能優(yōu)化算法相結(jié)合的結(jié)構(gòu)損傷識別新方法，能較準(zhǔn)確地識別結(jié)構(gòu)的損傷位置和損傷程度。Cheng等[55]開發(fā)了一種新的大數(shù)據(jù)智能計(jì)算系統(tǒng)，可以確定橋梁維護(hù)的最佳時機(jī)和預(yù)算。Zhao等[56]提出了基于大數(shù)據(jù)深度學(xué)習(xí)和長短期記憶網(wǎng)絡(luò)分類的綜合狀態(tài)評估方法，可實(shí)現(xiàn)對預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋的開裂預(yù)警，如圖7所示。夏燁等[57]針對區(qū)域內(nèi)既有橋梁，系統(tǒng)地提出了基于多源信息的橋梁網(wǎng)級評估與預(yù)測方法。王克海等[58]基于機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)了對中國公路中小跨徑橋梁的抗震設(shè)計(jì)和評價。晏班夫等[59]針對采集的結(jié)構(gòu)形變視頻圖像，引入數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)技術(shù)，基于傅里葉變換的互相關(guān)整像素匹配算法與反向組合高斯-牛頓迭代亞像素匹配算法，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)多點(diǎn)動位移時程的快速測試。Qu等[60]提出了一種基于特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)算法和虛擬頻響函數(shù)的創(chuàng)新方法，可識別出更精確的模態(tài)參數(shù)。Ni等[61]提出一種新穎的支持深度學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)壓縮和重構(gòu)框架，可實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)壓縮后異常數(shù)據(jù)的高精度檢測。

通過對上述研究的總結(jié)不難發(fā)現(xiàn)，無人機(jī)、機(jī)器人、雷達(dá)、紅外線熱成像等橋梁智能檢測技術(shù)不斷提高了檢測工作的數(shù)據(jù)搜集能力以及計(jì)算機(jī)視覺、大數(shù)據(jù)深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對信息處理分析能力的極大提升。隨著它們的大量研究和工程應(yīng)用，逐漸豐富了橋梁維護(hù)過程中檢測、分析和評價的手段，提高了結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，促進(jìn)了橋梁智能化的進(jìn)一步提升，但還存在一些不足：1)單個智能檢測設(shè)備的功能較少，難以滿足多種需求的檢測任務(wù)。對于一座橋梁的檢測，目前還需多種檢測設(shè)備和分析技術(shù)的配合使用，雖然提高了檢測結(jié)果的精度，但浪費(fèi)了時間，降低了效率；2)尚未充分挖掘已獲數(shù)據(jù)的潛在科學(xué)價值，難以為基于數(shù)據(jù)的科學(xué)決策提供有效支撐。橋梁檢測數(shù)據(jù)種類多、數(shù)量大、復(fù)雜程度高，目前的分析技術(shù)尚不能完全適應(yīng)橋梁檢測的需求，只能對較規(guī)整數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，方法也還難以推廣，這對于數(shù)據(jù)本身以及數(shù)據(jù)所包含的信息價值是一種浪費(fèi)；3)智能識別評估理論體系尚未完全適用于新智能檢測技術(shù)。當(dāng)前的評估理論體系比較單一，不具有統(tǒng)一性，尚不能基于大數(shù)據(jù)信息從多維度進(jìn)行客觀的綜合評價，建議國家有關(guān)部門建立健全相關(guān)制度規(guī)范，更好地服務(wù)橋梁結(jié)構(gòu)管養(yǎng)維護(hù)。

3 其他橋梁智能化技術(shù)

3.1 高性能智能材料

橋梁向大跨度、輕型化、智能化發(fā)展，必須對傳統(tǒng)的建筑材料進(jìn)行革命性突破，研發(fā)高性能智能材料。不同行業(yè)對高性能智能材料定義有別，但大家普遍認(rèn)為高性能智能材料就是指其具備環(huán)境變化感知能力，并對之進(jìn)行分析和判斷，然后發(fā)生形狀、結(jié)構(gòu)甚至性質(zhì)上的變換，達(dá)到自適應(yīng)環(huán)境的目的。當(dāng)前對于智能材料的應(yīng)用主要體現(xiàn)在無損檢測、健康監(jiān)測以及減振控制等方面，研發(fā)應(yīng)用的智能材料主要有形狀記憶合金、光導(dǎo)纖維、碳纖維等。

形狀記憶合金(SMA)是同時具有感知和驅(qū)動功能的金屬材料，主要有形狀記憶效應(yīng)、超彈性效應(yīng)、阻尼效應(yīng)、電阻特性等特殊物理性能，被廣泛應(yīng)用于橋梁減隔震等方面[62-63]。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，SMA能快速做出反應(yīng)，降低地震動對橋梁的損傷。

曹颯颯等[64]提出了一種由三級形狀記憶金屬索和鉛芯橡膠支座并聯(lián)組成的多級設(shè)防減震裝置，其具有較好的自復(fù)位、限位和耗能能力，兼具多級設(shè)防的優(yōu)點(diǎn)。Xiang等[65]對比分析了屈服鋼纜(YSCs)、粘滯阻尼器(VDs)、摩擦阻尼器(FDs)和超彈性形狀記憶合金鋼纜(SMAs)的易損性，驗(yàn)證了形狀記憶合金在減隔震方面的優(yōu)勢。Zheng等[66]研發(fā)了一種基于SMA纜索的自適應(yīng)鎳鈦形狀記憶合金摩擦滑動軸承(SMAFSB)，探究并發(fā)現(xiàn)了間隙為30 mm的固定式SMAFSB，其具有最好的減隔震效果(圖8)，且易于更換。同時，也有學(xué)者研究了形狀記憶合金在抑制鋼橋疲勞裂紋產(chǎn)生方面的應(yīng)用，Izadi等[67]采用智能鐵基形狀記憶合金(Fe-SMAs)對鋼橋疲勞開裂鉚接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn)，使得施加預(yù)應(yīng)力后的Fe-SMA帶顯著提高了材料的疲勞壽命，抑制了疲勞裂紋的產(chǎn)生。

圖8 SMAFSB脆性曲線[66]Fig.8 Fragility curves of the SMAFSB[66]

Bonopera等[69]將光纖光柵差分沉降量測(DSM)傳感器用于預(yù)應(yīng)力混凝土工字梁位移的監(jiān)測，解決了監(jiān)測受環(huán)境影響和需要外部參考的問題，其實(shí)測位移與線位移傳感器(LVDTs)記錄的實(shí)驗(yàn)值吻合良好。Ding等[70]通過在鋼箱梁中連續(xù)鋪設(shè)分布式光纖傳感線路，監(jiān)測了結(jié)構(gòu)在腳手架拆除過程中的應(yīng)變變化情況，并基于布里淵光時域分析(BOTDA)的分布式光纖傳感技術(shù)構(gòu)建了完整的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)。Zhang等[71]設(shè)計(jì)了一種基于光纖布拉格光柵(FBR)的傾角傳感器(圖9)，通過傾角的變化來測量撓度，解決了大跨懸臂梁橋施工中撓度監(jiān)測存在工序過多、接線困難、數(shù)據(jù)無法實(shí)時采集的問題。王珍珍等[72]將光纖光柵傳感器(OFBG)內(nèi)置于碳纖維復(fù)材板(CFRP)，成功監(jiān)測了后張預(yù)應(yīng)力CFRP板加固施工階段的實(shí)時應(yīng)力狀態(tài)，并預(yù)測了放張后錨具變形導(dǎo)致的短期預(yù)應(yīng)力損失值。Rufai等[73]提出了一種結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的光纖新技術(shù)，通過對光纖進(jìn)行微編織來改善其機(jī)械性能。Wu等[74]通過建立光損耗與裂縫寬度的定量關(guān)系，設(shè)計(jì)并制作了微彎敏感光纖傳感器，提出了一種基于微彎敏感光纖傳感器的裂紋監(jiān)測技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)在裂縫方向未知的情況下準(zhǔn)確定位和測量混凝土裂縫的目的。

圖9 FBR感應(yīng)原理Fig.9 FBR sensing principle [71]

碳纖維是指含碳量在90%以上的高強(qiáng)度高模量纖維，主要用途是作為增強(qiáng)材料與其他材料一起制成先進(jìn)的復(fù)合材料，在橋梁工程中得到了廣泛應(yīng)用。將碳纖維加入橋梁結(jié)構(gòu)材料中，可制成性能更好、更優(yōu)的復(fù)合材料，提高橋梁的承載能力，抗震能力及抗沖擊能力。

由此可見，高性能智能材料主要有七大功能：傳感功能、反饋功能、信息識別與積累功能、響應(yīng)功能、自診斷能力、自修復(fù)能力以及自適應(yīng)能力。智能材料在橋梁工程領(lǐng)域的研制和應(yīng)用，有力地推動了橋梁智能化的發(fā)展。高性能材料不僅能夠改善橋梁結(jié)構(gòu)的抗力和變形能力，還能用于橋梁維護(hù)中的檢測、信息傳遞等環(huán)節(jié)。

3.2 智能防災(zāi)減災(zāi)

面向國家重大科技需求，為保障復(fù)雜自然環(huán)境下重大基礎(chǔ)設(shè)施服役安全，使用人工智能技術(shù)將為結(jié)構(gòu)防災(zāi)和行車防災(zāi)帶來新的思路。

圖10 基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的結(jié)構(gòu)維護(hù)智能決策方法[2]Fig.10 Intelligent decision method of structure maintenance based on deep reinforcement learning [2]

圖11 高速鐵路氣象監(jiān)測大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)[79]Fig.11 Big data analysis system of high speed railway meteorological monitoring [79]

針對其他災(zāi)害情況，Xu等[81]提出一種改進(jìn)的基于區(qū)域快速卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(R-CNN)，用于損傷鋼筋的多類型地震損傷識別和定位(即開裂、混凝土剝落、鋼筋屈曲)，測試結(jié)果表明，訓(xùn)練有素的R-CNN可以自動識別和定位多類型地震破壞，總體平均精度達(dá)到80%。Ann等[82]以火災(zāi)造成的人員傷亡、交通堵塞和經(jīng)濟(jì)損失等為事件，基于火災(zāi)動力學(xué)仿真(FDS)方法對144座橋梁開展了基于時間的表面溫度模擬，根據(jù)溫度對橋梁表面損傷狀態(tài)的影響程度，建立了基于風(fēng)險等級的橋梁火災(zāi)防災(zāi)策略。

總體來說，關(guān)于智能防災(zāi)減災(zāi)的研究還比較缺乏。中國是一個災(zāi)害多發(fā)的國家，橋梁結(jié)構(gòu)隨時面臨著來自落石、洪水、泥石流等自然災(zāi)害的威脅，有效利用科技手段實(shí)現(xiàn)防災(zāi)減災(zāi)的智能化，既符合國家戰(zhàn)略需求，也適應(yīng)未來防災(zāi)減災(zāi)的發(fā)展趨勢。

4 結(jié)論與展望

橋梁信息化及智能橋梁的研究熱點(diǎn)主要集中在“BIM+”技術(shù)、無人機(jī)、檢測機(jī)器人、計(jì)算機(jī)視覺、大數(shù)據(jù)深度學(xué)習(xí)等。聲波、雷達(dá)、電磁、圖像、激光等先進(jìn)傳感技術(shù)也越來越多地應(yīng)用于智能橋梁檢測中，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等信息化技術(shù)的引入將顯著提升橋梁檢測及監(jiān)測的效率和效果，機(jī)器將更多地替代人工開展傳統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)檢測及長期監(jiān)測工作。

為促進(jìn)橋梁向安全、長壽、綠色、高效、智能的前瞻性可持續(xù)方向發(fā)展，筆者認(rèn)為以下幾個方面的研究是下一階段的研究重點(diǎn)：

1)橋梁信息化方面，應(yīng)深度融合“BIM”+“資產(chǎn)管理”，逐漸實(shí)現(xiàn)由設(shè)施管理向資產(chǎn)化養(yǎng)護(hù)管理的轉(zhuǎn)變和發(fā)展，發(fā)展橋梁預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)，完善基于BIM養(yǎng)護(hù)、健康度評估和資產(chǎn)管理的一體化信息化管理系統(tǒng)。數(shù)字孿生(Digital Twin)模型將大量引入橋梁養(yǎng)維護(hù)領(lǐng)域，用于實(shí)現(xiàn)物理資產(chǎn)優(yōu)化、智能運(yùn)維決策和預(yù)防性維修加固。

2)橋梁智能化方面，應(yīng)研發(fā)更先進(jìn)的橋梁智能檢測裝備以及輕型化、快速化的試驗(yàn)檢測技術(shù)，建立基于多源數(shù)據(jù)的更精準(zhǔn)、更科學(xué)的智能診斷評估理論，構(gòu)建立體化、信息化、智能化的橋梁檢測、評估、加固一體化的橋梁維護(hù)體系。同時，智能工程裝備，基于網(wǎng)絡(luò)的橋梁智能化、信息化施工控制技術(shù)，以及輕質(zhì)高強(qiáng)材料和面向智能建造的數(shù)字化控制技術(shù)也是目前的研究熱點(diǎn)。

3)面向重大自然災(zāi)害應(yīng)急救援和交通設(shè)施搶通、保通與恢復(fù)重建的國家重大戰(zhàn)略需求方面，應(yīng)開展重大自然災(zāi)害下大型橋梁災(zāi)后性能快速檢測與評估技術(shù)研究，提出災(zāi)后性能指標(biāo)體系及快速檢測方法，研發(fā)與集成災(zāi)后性能快速檢測的智能化裝備，建立災(zāi)后性能智能化評估 技術(shù)體系，提高中國自然災(zāi)害應(yīng)急管理的科學(xué)化、專業(yè)化、智能化、精細(xì)化水平。

未來10～20年是中國橋梁工程創(chuàng)新、轉(zhuǎn)型、升級的重要戰(zhàn)略機(jī)遇期，應(yīng)緊緊圍繞“橋梁信息化及智能橋梁”這個主題開展核心理論創(chuàng)新、技術(shù)裝備攻關(guān)和工程示范應(yīng)用，培養(yǎng)更多的專業(yè)人才，以更好地支撐國家重大發(fā)展戰(zhàn)略、保障橋梁安全長壽。