橋隧智能監(jiān)測：給橋隧安裝一雙“透視眼”

文/本刊記者 楚峰

供圖/北京源清慧虹信息科技有限公司

橋隧結(jié)構(gòu)的安全性、完整性、適用性與耐久性如何保障？這就需要應(yīng)用有效手段對其進(jìn)行監(jiān)測，及時了解結(jié)構(gòu)的安全狀況，進(jìn)而進(jìn)行養(yǎng)護(hù)和修復(fù)，控制損傷。而隨著科學(xué)技術(shù)的升級換代，智慧賦能橋隧監(jiān)測成為大勢所趨。

由北京源清慧虹信息科技有限公司（以下簡稱“源清慧虹”）研發(fā)的“基于無線傳感網(wǎng)的橋隧結(jié)構(gòu)智能監(jiān)測系統(tǒng)”（以下簡稱“智能監(jiān)測系統(tǒng)”），便是給橋隧結(jié)構(gòu)安裝了一雙洞察一切的“透視眼”，可以實時精準(zhǔn)地“看見”橋隧的狀態(tài)。

眾所周知，我國橋隧結(jié)構(gòu)數(shù)量較多，在環(huán)境侵蝕、材料老化和荷載的長期效應(yīng)、疲勞效應(yīng)等因素共同作用下，諸多結(jié)構(gòu)不可避免地出現(xiàn)了損傷積累和抗力衰減問題。源清慧虹創(chuàng)始人兼首席科學(xué)家楊華中曾在采訪中表示，傳統(tǒng)的監(jiān)測手段一般只能服務(wù)兩年左右，此后則無法再及時提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，曾令橋隧養(yǎng)護(hù)決策者們苦不堪言?；诖?，源清慧虹的研發(fā)團隊開啟了“智能監(jiān)測系統(tǒng)”的研發(fā)。

“智能監(jiān)測系統(tǒng)”包含無線智能傳感器及數(shù)據(jù)采集裝置、橋隧結(jié)構(gòu)安全智能監(jiān)測平臺、橋隧結(jié)構(gòu)狀態(tài)數(shù)據(jù)分析評估云平臺三個主要部分。該套技術(shù)不僅可以替代人工巡視，實現(xiàn)全天候?qū)崟r監(jiān)測，大大延長監(jiān)測系統(tǒng)壽命，還能更快捷、更準(zhǔn)確、更及時地提供橋隧梁結(jié)構(gòu)的實時數(shù)據(jù)，供管養(yǎng)單位參考決策。基于一系列推廣應(yīng)用實效，該技術(shù)成功入選2020年度交通運輸重大科技創(chuàng)新成果庫入庫成果（交通運輸科技成果推廣項目）。

無線智能傳感器及數(shù)據(jù)采集裝置

通過對比現(xiàn)有橋隧結(jié)構(gòu)監(jiān)測中的傳統(tǒng)有線方式和改良無線方式，“智能監(jiān)測系統(tǒng)”選取傳感器作為突破點，著力研發(fā)具有應(yīng)用替代意義的無線智能傳感器。源清慧虹在補足無線傳感網(wǎng)用于橋隧結(jié)構(gòu)監(jiān)測的基礎(chǔ)性技術(shù)（如時間同步、低功耗）上，開發(fā)了高度集成的、小型化的無線智能傳感器和采集裝置。

HGA100網(wǎng)關(guān)

HCF4000高精度無線智能加速度計

這套無線智能傳感器和采集裝置涵蓋時間同步技術(shù)、低功耗技術(shù)、動態(tài)振弦采樣技術(shù)、索力算法等。其中，首創(chuàng)并成功應(yīng)用了精度自適應(yīng)時間同步算法，突破了國際上既有的無線方式橋梁監(jiān)測的時間同步局限，同步精度達(dá)到10μs，優(yōu)于常規(guī)要求的1～100ms；同步收斂速度優(yōu)于傳統(tǒng)100%以上，精度可調(diào)可自適應(yīng)。通過集成開發(fā)并成功應(yīng)用的低功耗傳感器，工作壽命優(yōu)于現(xiàn)有傳感器2—3倍以上，并且還能適應(yīng)太陽能供電等非穩(wěn)定性供能條件。首創(chuàng)并成功應(yīng)用了振弦類傳感器動態(tài)采樣方法，采樣率5～100Hz，頻率信號精度0.1～0.4Hz，突破了振弦類傳感器數(shù)十年來僅可靜態(tài)采樣（采樣率通常低于0.02Hz）的應(yīng)用局限。研發(fā)并成功應(yīng)用了基于功率譜峰值突出預(yù)處理的索力算法，可全面替代傳統(tǒng)索力傳感器，拉索基頻解算精度0.1%～1.0%FS，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

由于基礎(chǔ)設(shè)施傳感器測點通常需要部署在惡劣環(huán)境中，規(guī)模較大，難以更換，且通常情況下只能通過有限容量的電池進(jìn)行供電，因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低功耗、長壽命技術(shù)極其關(guān)鍵，而源清慧虹成功解決了這一難題。源清慧虹研發(fā)的無線智能傳感器及數(shù)據(jù)采集裝置已被應(yīng)用于黑龍江佳木斯烏蘇大橋（高寒）、馬爾代夫中馬友誼大橋（高熱）、莫桑比克馬普托大橋（高濕）、四川兩河口水電站（高海拔）、泉州灣跨海大橋（高鹽霧、海洋）、山西朔州輸電網(wǎng)（復(fù)雜電磁環(huán)境）等多處極端環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)安全的監(jiān)測，并且經(jīng)受住了考驗。

橋隧結(jié)構(gòu)安全智能監(jiān)測平臺

“智能監(jiān)測系統(tǒng)”結(jié)合對現(xiàn)有橋隧結(jié)構(gòu)監(jiān)測產(chǎn)品的考察、對比，基于無線傳感器進(jìn)行純無線、高度集成、小型化、低功耗、智能化的橋隧結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)升級創(chuàng)新，構(gòu)建一套全新的安全智能監(jiān)測平臺。

該智能監(jiān)測平臺通過減少中間設(shè)備和線纜，從而簡化系統(tǒng)集成。應(yīng)用無線智能傳感器替代傳統(tǒng)常用的、需要模擬信號線纜的各種電類傳感器，必要的數(shù)模轉(zhuǎn)換（A/D）、濾波、數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)饶K均已高度集成在體積小巧的傳感器中。

通過無線智能采集，智能監(jiān)測平臺基于云平臺、各種可靈活組合并復(fù)用的功能組件、運算組件，以用戶需要的方式組成海量監(jiān)測數(shù)據(jù)的閾值預(yù)警、時域圖譜、頻域圖譜的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)使用界面，應(yīng)用深度學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)快速轉(zhuǎn)化為橋隧結(jié)構(gòu)狀態(tài)等級和異常風(fēng)險評級等評估結(jié)論。

相對于傳統(tǒng)有線傳感器網(wǎng)絡(luò)，基于無線傳感網(wǎng)的橋隧智能監(jiān)測平臺具有傳感器安裝靈活、網(wǎng)絡(luò)動態(tài)自組織、網(wǎng)絡(luò)通信功耗低、前端智能算法等明顯優(yōu)勢。

橋隧結(jié)構(gòu)狀態(tài)數(shù)據(jù)分析評估云平臺

現(xiàn)有的橋隧結(jié)構(gòu)安全智能監(jiān)測平臺大部分仍處于“一座橋梁對應(yīng)一套獨立數(shù)據(jù)系統(tǒng)”和“一座隧道對應(yīng)一套獨立數(shù)據(jù)系統(tǒng)”的現(xiàn)狀，比較注重數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)、閾值監(jiān)測，但在數(shù)據(jù)應(yīng)用、管養(yǎng)應(yīng)對措施等方面，仍需改善，需要提供給管養(yǎng)人員可快速參考的結(jié)論。

在一般處理中，由橋隧專家根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果對橋隧結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行研判，往往有所局限。為了改進(jìn)現(xiàn)狀，源清慧虹在“智能監(jiān)測系統(tǒng)”中研發(fā)了具備自學(xué)能力的智能分析機制，即數(shù)據(jù)分析評估云平臺，基于深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估算法，快速分析海量監(jiān)測數(shù)據(jù)，并就結(jié)構(gòu)風(fēng)險作周期性自動評估，提升管養(yǎng)決策效率。

在這套系統(tǒng)中，針對現(xiàn)有傳統(tǒng)方式在監(jiān)測數(shù)據(jù)分析上比較復(fù)雜或薄弱的情況，聯(lián)合實際印證下的參數(shù)調(diào)整，同時應(yīng)用專家真實研判監(jiān)測數(shù)據(jù)的大樣本庫和橋隧異常事件庫，開發(fā)基于統(tǒng)計識別和統(tǒng)計學(xué)習(xí)等理論的深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法及其應(yīng)用界面。該算法能模仿資深橋隧專家研判各類橋梁和隧道風(fēng)險的思考過程和傾向，并總結(jié)形成自身機制；還可根據(jù)具體基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，自動形成對于該基礎(chǔ)設(shè)施若干監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計特征的理解和識別，并進(jìn)一步進(jìn)行結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估和風(fēng)險分析。基于該算法，橋隧結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)可被直接處理為管養(yǎng)人員易懂易用的分析結(jié)論，而不必依賴于特定的有限元模型，節(jié)省了建模的時間和成本，可大規(guī)模推廣應(yīng)用。

優(yōu)勢凸顯賦能橋隧監(jiān)測

與傳統(tǒng)有線監(jiān)測技術(shù)相比，“智能監(jiān)測系統(tǒng)”的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在三方面：

一是經(jīng)濟上實現(xiàn)顯著降低開發(fā)和集成成本。通過傳感云，用戶可改變過去“一個項目一次開發(fā)”“項目數(shù)據(jù)無法互通互用”“一種應(yīng)用一套平臺”等不利情況，快速、簡捷、可規(guī)模化地將不同通訊協(xié)議、不同數(shù)據(jù)類型和處理方式、不同地域傳感平臺都整合匯聚起來，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速采集和快速使用，實現(xiàn)應(yīng)用的高度集成和有序管理，避免重復(fù)平臺開發(fā)和平臺互兼容開發(fā)成本，大幅縮短投入應(yīng)用的時間。

二是技術(shù)上實現(xiàn)快速、高精度的評估。通過數(shù)據(jù)積累和統(tǒng)計識別，基于內(nèi)置的無模型分析機制，傳感云能夠根據(jù)橋隧監(jiān)測數(shù)據(jù)快速形成一日、三日、周、月、年的分析評估結(jié)論，幫助用戶及時掌握橋隧監(jiān)測的狀態(tài)、周期性特征和趨勢演變情況，避免了人工檢查、經(jīng)驗判斷的局限性，提升了分析評估的效率和準(zhǔn)確率，能夠滿足常時監(jiān)測評估的需要，并且無需大量增加專家或?qū)I(yè)機構(gòu)評估次數(shù)及費用。此外，隨著數(shù)據(jù)積累量的增多，評估結(jié)論的準(zhǔn)確性會相應(yīng)提升。以該方式為輔助，原有的強制性結(jié)構(gòu)監(jiān)測還可獲得更多有價值的歷史參考數(shù)據(jù)，實現(xiàn)更精準(zhǔn)的監(jiān)測評估。

三是以大數(shù)據(jù)提升橋梁養(yǎng)護(hù)管理效益。傳感云能夠通過簡明易用的大數(shù)據(jù)分析向用戶展示監(jiān)測對象的狀態(tài)及其結(jié)論，幫助用戶發(fā)現(xiàn)管養(yǎng)的關(guān)鍵點，并可有助用戶更為量化、精準(zhǔn)地研判橋隧養(yǎng)護(hù)措施，從而減少甚至避免過度養(yǎng)護(hù)、盲目養(yǎng)護(hù)所帶來的成本以及養(yǎng)護(hù)不足所引發(fā)的額外成本。基于傳感云所提供的監(jiān)測結(jié)果分析、多種風(fēng)險評估、監(jiān)測參數(shù)趨勢圖，用戶可更為精準(zhǔn)地定位橋隧病害位置及類型，從整體上考慮養(yǎng)護(hù)的辦法和優(yōu)先順序；可通過對比養(yǎng)護(hù)前后的數(shù)據(jù)變化來核實養(yǎng)護(hù)措施的效果及其可持續(xù)性，從而實現(xiàn)管養(yǎng)效益最大化。

在2018年建成的國內(nèi)首個基于無線傳感網(wǎng)的橋隧群監(jiān)測系統(tǒng)——“智慧城市之瀘州橋隧群智能監(jiān)測平臺建設(shè)項目”中，“智能監(jiān)測系統(tǒng)”得到了良好的應(yīng)用，其中30座橋梁、3座隧道，布設(shè)了近4000個設(shè)備。在不降低傳感精度、測點規(guī)模和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性等前提下，項目綜合降低50%以上的建設(shè)和運維成本，減少70%左右的建設(shè)時間，延長200%～300%的傳感器壽命，對傳統(tǒng)的、基于有線方式的監(jiān)測系統(tǒng)具較為明顯的可替代性和互補性，這對于我國橋隧的監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)、運維有重要且直接的意義。

目前，“智能監(jiān)測系統(tǒng)”已在近千座橋隧基礎(chǔ)設(shè)施上得到了應(yīng)用，并擴展到風(fēng)電機組、地鐵、涵洞等其他基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)安全的監(jiān)測，取得了顯著效果，能夠準(zhǔn)確預(yù)警索力異常、索塔傾斜、船舶撞擊、風(fēng)雨振病害和臺風(fēng)期、橋梁橋墩振動、軌道路基振動等基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)異常。

“以智能感知賦能基礎(chǔ)設(shè)施安全運營是源清慧虹的使命?！痹辞寤酆鏑EO王鵬軍說，“我們將持續(xù)通過信息技術(shù)創(chuàng)新為基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)提供新的管理手段?！蔽磥?，源清慧虹還將繼續(xù)聚力“智能監(jiān)測系統(tǒng)”的推廣和應(yīng)用，不斷擴大無線監(jiān)測傳感網(wǎng)的行業(yè)影響力，讓不斷創(chuàng)新的技術(shù)在更多的基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。