橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)標準現(xiàn)狀分析與思考

潘永杰 蔡德鉤 馮仲偉 趙欣欣

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081

我國橋梁建設(shè)取得長足進步，2020年交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報［1］指出全國公路橋梁有91.28萬座，其中特大橋梁6 444座、大橋119 935座。中國國家鐵路集團有限公司2021年統(tǒng)計公報指出全國鐵路營業(yè)里程15萬km，其中高速鐵路4萬km。橋梁是鐵路線路的重要組成部分，從標準跨度簡支梁、預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁、百米左右跨度鋼桁梁，已發(fā)展到跨度100～300 m各類型組合結(jié)構(gòu)、500 m級大跨度拱橋、千米級跨斜拉橋及懸索橋，正在建設(shè)和即將建設(shè)的千米級鐵路橋梁有近10座［2-3］。我國橋梁工程已逐步邁進建養(yǎng)并重直至以養(yǎng)為主的新階段，如何在長達百年設(shè)計使用年限內(nèi)保持橋梁服役性能已成為橋梁技術(shù)人員和管理單位關(guān)注的重點和熱點。

健康監(jiān)測技術(shù)通過在結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置布設(shè)傳感器，對環(huán)境作用、結(jié)構(gòu)響應(yīng)、異常事件進行實時監(jiān)測和長期趨勢分析，以準確感知整體及局部狀態(tài)，盡早發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)病害或安全隱患，為結(jié)構(gòu)評估及壽命預(yù)測提供科學依據(jù)，是保證橋梁安全運營，提升橋梁養(yǎng)護管理水平的高效技術(shù)手段，也是推進橋梁運維智能化升級的有效途徑。

國外自20世紀80年代中后期，我國自20世紀90年代起開始在一些大型重要橋梁上建立不同規(guī)模的結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)，目前正加速全面鋪開。2020年底，交通運輸部發(fā)布關(guān)于進一步提升公路橋梁安全耐久水平的意見，提出2025年底前實現(xiàn)跨江跨?？鐛{谷等特殊橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)全面建立，2035年公路橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)全面建立，標準化、智能化水平全面提升的目標。中國國家鐵路集團有限公司智能高速鐵路體系架構(gòu)［4］中明確了“檢測監(jiān)測”屬于智能技術(shù)體系框架10大領(lǐng)域之一，大力推進檢測監(jiān)測技術(shù)在鐵路工程建養(yǎng)一體化中的應(yīng)用。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測涉及材料科學、儀器儀表與測試技術(shù)、信號處理、計算機科學與技術(shù)、通信技術(shù)、結(jié)構(gòu)分析等領(lǐng)域，具有明顯的學科交叉和融合特征。我國幅員遼闊，服役環(huán)境復雜多樣，橋梁因用途或運營單位的不同分為鐵路橋梁、公路橋梁、市政橋梁等，存在各自不同的監(jiān)測需求和對應(yīng)的健康監(jiān)測系統(tǒng)標準，但監(jiān)測系統(tǒng)本質(zhì)為感知、傳輸和應(yīng)用，其共性特征不因橋梁結(jié)構(gòu)或者用途不同而存在顯著差異。因此，有必要了解監(jiān)測技術(shù)標準現(xiàn)狀，分析標準間的共性及差異性，以便更好地開展橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計、實施、交付、運營等標準化工作。

1 監(jiān)測技術(shù)標準現(xiàn)狀

標準包括國家標準、行業(yè)標準、地方標準、團體標準和企業(yè)標準，不同標準等級對橋梁監(jiān)測技術(shù)皆有涉及。截至2022年3月，部分國內(nèi)橋梁監(jiān)測技術(shù)典型標準統(tǒng)計見表1。

表1 橋梁監(jiān)測技術(shù)典型標準統(tǒng)計

由表（1）可知，涉及不同等級的橋梁監(jiān)測技術(shù)標準合計31項，呈現(xiàn)如下特點。

1）監(jiān)測系統(tǒng)作為監(jiān)測技術(shù)載體，是發(fā)揮服務(wù)價值的必要手段。監(jiān)測技術(shù)與監(jiān)測系統(tǒng)相輔相成，前者是傳感、通信、數(shù)據(jù)分析、結(jié)構(gòu)評估等各項技術(shù)的總稱，后者是集軟件與硬件、技術(shù)與管理于一體的耦合體，是通過處理監(jiān)測信息流進而提供服務(wù)的人機一體化系統(tǒng)。監(jiān)測系統(tǒng)是監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用載體，不僅體現(xiàn)了監(jiān)測技術(shù)的先進性、可靠性、經(jīng)濟性、兼容性，而且體現(xiàn)了監(jiān)測技術(shù)體系的有機性、涌現(xiàn)性，是監(jiān)測服務(wù)發(fā)揮價值的必要手段。因此，監(jiān)測系統(tǒng)往往體現(xiàn)在監(jiān)測技術(shù)標準名稱中，兩者在一定程度上可以等價。

2）需求牽引促進地方標準和團體標準迅猛發(fā)展。31項標準中地方標準20項，團體標準7項，兩者合計占比87%。目前，仍有大量橋梁監(jiān)測技術(shù)的團體、地方等標準正在積極申報和編制，主要原因是對橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測的強大需求，一方面體現(xiàn)在標準分布的空間域和時間域，另一方面體現(xiàn)在標準的問題導向性。

①空間域。國內(nèi)各個省市運營橋梁數(shù)量多，特別是江河湖泊匯聚之地的地區(qū)，面臨服役年限增加、超載、環(huán)境條件變化等情況。橋梁作為生命線工程的重要組成部分，為及時掌控其服役性能，迫切需要對監(jiān)測技術(shù)頂層設(shè)計、監(jiān)測系統(tǒng)規(guī)范化實施等予以明確規(guī)定。以長江干流流經(jīng)的11個省市區(qū)為例，已發(fā)布或正制定地方標準達8個，其中重慶市制定了2項地方標準，安徽省和江蘇省各制定了3項地方標準。

②時間域。近5年（2018—2022年）制修訂標準24項，其中2020年發(fā)布標準11項，比2011—2017年發(fā)布標準總和（9項）還要多，這充分表明了國內(nèi)橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測需求得到井噴式釋放，經(jīng)濟增長促進橋梁進入高質(zhì)量運維發(fā)展新階段，加上政策導向性，使得監(jiān)測技術(shù)愈發(fā)得到重視，促進了不同層次監(jiān)測標準體系的建設(shè)和不斷完善。

③問題導向。盡管監(jiān)測技術(shù)取得長足進步，但存在數(shù)據(jù)堆積、及時處理挑戰(zhàn)大，傳感器穩(wěn)定性和耐久性不協(xié)調(diào)、閾值不統(tǒng)一，與養(yǎng)護管理體系各自獨立等問題。對此，團體標準在這方面發(fā)揮了很大作用。團體標準編制方具備研發(fā)和實施監(jiān)測技術(shù)能力，針對監(jiān)測技術(shù)難題，將已成功的實施方法和處理策略上升為指導標準，一定程度上確立了橋梁監(jiān)測的技術(shù)門檻，促進了監(jiān)測業(yè)務(wù)的行為規(guī)范以及先進技術(shù)成果的轉(zhuǎn)化落地。

3）綜合性標準和專項標準并駕齊驅(qū)，監(jiān)測系統(tǒng)由重建向建維并重發(fā)展。監(jiān)測標準包括綜合性和專項規(guī)定。綜合性標準涵蓋監(jiān)測技術(shù)的全部內(nèi)容，從時間維度分為設(shè)計、實施、試運行、驗收、運維、升級改造等；從內(nèi)容維度分為監(jiān)測內(nèi)容、監(jiān)測方法、監(jiān)測點布置、監(jiān)測頻次、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估等。專項規(guī)定涉及兩方面：①對特定橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測的規(guī)范性要求，如陜西、河北和河南省地方標準分別針對連續(xù)梁（剛構(gòu)）橋、混凝土橋梁、公路混凝土梁式橋的監(jiān)測明確了具體要求；②對監(jiān)測技術(shù)具體環(huán)節(jié)的規(guī)定，如監(jiān)測系統(tǒng)施工、驗收，閾值設(shè)置，數(shù)據(jù)庫設(shè)計等內(nèi)容。

綜合性標準有15項，專項標準有16項，兩類標準數(shù)量上基本一致，說明監(jiān)測技術(shù)實施已進入深度應(yīng)用階段。在明確框架頂層設(shè)計后，具體環(huán)節(jié)落地應(yīng)用促進了組成內(nèi)容的精細化、標準化和規(guī)范化。專項標準涉及運營維護，如數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)交換、維護管理等，表明監(jiān)測系統(tǒng)不僅僅是“有沒有”“如何建”的問題，更重要的是如何維護管理才能解決“能不能用”“好不好用”的問題。

4）監(jiān)測技術(shù)標準處于不斷完善狀態(tài)。與2016版相比，行業(yè)標準2022年修訂版（以下簡稱行標）在技術(shù)內(nèi)容方面出現(xiàn)了較大變化，如增加了對監(jiān)測技術(shù)自主可控，鼓勵采用新技術(shù)和新設(shè)備，監(jiān)測系統(tǒng)安全網(wǎng)聯(lián)、互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)共享的要求，“安全一級、安全二級評估”改為“結(jié)構(gòu)健康度評估”等。行業(yè)標準有效性大于地方標準，伴隨傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、圖像識別、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的不斷成熟完善，可以預(yù)見的是未來監(jiān)測標準或者監(jiān)測技術(shù)將進入不斷迭代升級的新階段。

2 監(jiān)測技術(shù)標準關(guān)鍵要點分析

2.1 系統(tǒng)組成

不同標準對監(jiān)測系統(tǒng)組成規(guī)定不盡相同：個別監(jiān)測系統(tǒng)組成部分為3個子系統(tǒng)，個別為5個或者6個，但一般是4個——傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)存儲、管理子系統(tǒng)和應(yīng)用子系統(tǒng)，對應(yīng)監(jiān)測信息流轉(zhuǎn)方向，與感知層、傳輸層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層的系統(tǒng)架構(gòu)對應(yīng)。前三項子系統(tǒng)為不同標準的共性組成內(nèi)容，而對于應(yīng)用子系統(tǒng)，各標準對其內(nèi)容描述差異較大，如數(shù)據(jù)預(yù)警與結(jié)構(gòu)評估，結(jié)構(gòu)狀態(tài)識別和健康評估，結(jié)構(gòu)狀態(tài)參數(shù)與損傷識別，結(jié)構(gòu)性能評估與預(yù)測，結(jié)構(gòu)安全評價，數(shù)據(jù)分析及處理、在線預(yù)警及評估、在線監(jiān)測反演模擬等一項或多項。按照監(jiān)測目的和應(yīng)用深度，應(yīng)用子系統(tǒng)可分為結(jié)構(gòu)異常狀態(tài)預(yù)警、結(jié)構(gòu)損傷識別、結(jié)構(gòu)安全評估與預(yù)測三個層次。這與橋梁實際運營狀況緊密相關(guān)，異常狀態(tài)預(yù)警貫穿運營全過程，結(jié)構(gòu)損傷識別可指某階段或某特殊事件發(fā)生后的辨識與鑒定，安全評估是損傷明確后對橋梁服役性能狀態(tài)的評定。

行標分為系統(tǒng)硬件、系統(tǒng)軟件和配套工程三部分。子系統(tǒng)和軟硬件劃分方式?jīng)]有本質(zhì)區(qū)別，只是從不同維度考慮。本文認為按子系統(tǒng)劃分較為合理，不僅與標準后續(xù)章節(jié)內(nèi)容對應(yīng)，而且體現(xiàn)了子系統(tǒng)間的串聯(lián)關(guān)系，子系統(tǒng)局部與大系統(tǒng)整體間的強耦合關(guān)系，符合從分散還原論向整體系統(tǒng)論的認知。

2.2 傳感器技術(shù)要求

不同標準對傳感器技術(shù)要求規(guī)定的內(nèi)容及詳細程度差別較大，如重慶市標準對傳感器安裝基座、固定方式、安裝要求及精度等進行了詳細規(guī)定，據(jù)此在驗收標準中明確對應(yīng)的主控項目和一般項目，未涉及傳感器性能指標要求；天津市標準規(guī)定了常用傳感器性能要求，如測量范圍、靈敏度、分辨率、工作溫度等，規(guī)定應(yīng)變傳感器、磁通量傳感器使用壽命不低于15年；陜西省標準明確了風速儀、動態(tài)稱重儀、加速度傳感器、應(yīng)變傳感器、傾角儀、靜力水準系統(tǒng)等基本參數(shù)要求，規(guī)定了上述傳感器使用壽命不低于5年；行標及安徽省規(guī)定預(yù)埋在結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳感器的使用壽命應(yīng)不低于20年（T∕CCES 15—2020規(guī)定不低于15年），附著安裝在結(jié)構(gòu)上的非埋入式傳感器的使用壽命應(yīng)不低于5年；江蘇省規(guī)定可更換元件壽命宜在5年以上，重要、難以更換的元件壽命宜在20年以上。

國內(nèi)大跨度橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)一般使用10年左右即需開展升級改造，其關(guān)鍵問題是監(jiān)測設(shè)備的故障率高，耐久性差。隨著感知技術(shù)的快速發(fā)展，傳感器技術(shù)壽命越來越短，考慮面向運營成本的經(jīng)濟壽命，一味強調(diào)傳感器的使用壽命意義不大。

傳感器質(zhì)量的好壞直接關(guān)系監(jiān)測服務(wù)的成敗，且其成本占監(jiān)測系統(tǒng)整體費用比例較高。很多傳感器生產(chǎn)廠家的技術(shù)、工藝水平參差不齊，同類型傳感器費用呈數(shù)量級差距。因此，應(yīng)綜合考慮監(jiān)測傳感設(shè)備的可靠性技術(shù)要求，除了性能及使用壽命外，還應(yīng)涉及可靠性設(shè)計、環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計、可靠性指標（如平均無故障間隔時間）等系統(tǒng)性規(guī)定。

2.3 傳感器安裝及綜合布線

傳感器安裝質(zhì)量、綜合布線的規(guī)范性等直接關(guān)系監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性、監(jiān)測系統(tǒng)可靠性和安全性，而這些主要與安裝人員技術(shù)有關(guān)，因人、項目、環(huán)境而異。主觀因素多，導致穩(wěn)定性差，有必要在標準中明確安裝及綜合布線要求。

行標將預(yù)留預(yù)埋、開孔開洞、線管橋架安裝等內(nèi)容納入配套工程，對傳感器線纜、光纜、電纜等綜合布線設(shè)計給出了應(yīng)符合GB 50311—2007《綜合布線系統(tǒng)工程設(shè)計規(guī)范》的原則性規(guī)定；重慶市將傳感器安裝和綜合布線分為獨立章節(jié)，明確了不同傳感器安裝、管線（橋架與線管）安裝、線纜敷設(shè)、防雷與接地等要求，驗收以人工檢測和簡易工具復測為主；上海市以附錄形式給出傳感器、采集及傳輸設(shè)備安裝施工方案；江蘇省光纖標準給出了線纜布設(shè)、續(xù)接工程檢查項目；T∕CECS 765—2020采用獨立章節(jié)明確傳感器安裝及線纜敷設(shè)要求，包括傳感器安裝面、定位、固定方式、保護裝置、引出線纜，支架、橋架、線纜安裝的定性和定量規(guī)定；土木工程學會標準規(guī)定了傳感器選型、傳感器安裝和保護等要求。

考慮標準各章節(jié)篇幅的協(xié)調(diào)性，該部分不可能太詳細，具體操作要求往往體現(xiàn)在監(jiān)測實施方案中，但實施的可靠性與檢查記錄完整性有待提升。標準可在驗收環(huán)節(jié)予以明確，未來可單獨對此進行專項標準立項，盡可能規(guī)避布線干擾造成的監(jiān)測偏差。

2.4 系統(tǒng)報警級別

不同監(jiān)測標準關(guān)于報警級別的表達及規(guī)定不統(tǒng)一。報警等級有4類（如陜西省、閾值團體標準），一般為3類（如行標、吉林省、天津市、江蘇省），少則2類（如武漢市、安徽省），還有個別標準未設(shè)置報警等級。報警等級有一、二、三等級（或Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ），紅橙黃藍或者兩者對應(yīng)結(jié)合的三種方式，但不同標準規(guī)定差異較大。行標規(guī)定報警等級為一、二、三級，三級為最不利工況，團標閾值標準中特別嚴重工況為Ⅰ級預(yù)警；吉林省標準規(guī)定報警等級為紅、橙、黃，陜西省標準規(guī)定第一級是綠色，第二級是黃色，第三級是橙色，第四級最嚴重為紅色。

不協(xié)調(diào)的規(guī)定不僅對技術(shù)人員造成困擾，而且影響監(jiān)測報警設(shè)置統(tǒng)型化。報警級別方式宜統(tǒng)一，建議可直接參照國內(nèi)其他行業(yè)共識，按照可能造成的損害程度、緊急程度和發(fā)展態(tài)勢，從高到低劃分為Ⅰ級（特別嚴重）、Ⅱ級（嚴重）、Ⅲ級（較重）和Ⅳ級（一般），依次用紅、橙、黃、藍四種顏色表示。

2.5 系統(tǒng)調(diào)試、試運行與驗收

系統(tǒng)調(diào)試、試運行與驗收是系統(tǒng)交付前的必備環(huán)節(jié)，許多標準對此進行了詳細闡述。

行標中實施工序包括硬件設(shè)備及軟件測試、軟硬件聯(lián)合調(diào)試。重慶市、武漢市將系統(tǒng)調(diào)試分為單項調(diào)試和聯(lián)合調(diào)試：單項調(diào)試包括供電調(diào)試、信號調(diào)試、數(shù)據(jù)調(diào)試，聯(lián)合調(diào)試以功能調(diào)試為主。軟件測試分為功能測試和安全測試兩類。

試運行主要目的是驗證系統(tǒng)整體協(xié)同性，在此期間可開展系統(tǒng)使用培訓、穩(wěn)定性驗證、設(shè)備基準值校正、超限閾值設(shè)置等優(yōu)化完善工作。試運行時間一般要求不低于3個月，如行標、重慶市、武漢市、團體驗收等標準；較短時間如天津市標準規(guī)定試運行為1～2個月；較長時間如江蘇省光纖標準規(guī)定試運行為6個月；更長時間如上海市標準規(guī)定試運行不宜少于1年。

行標規(guī)定監(jiān)測系統(tǒng)驗收包括系統(tǒng)硬件驗收、系統(tǒng)軟件驗收和資料驗收；天津市、陜西省標準驗收內(nèi)容包括傳感器子系統(tǒng)和整體性能指標，涉及傳感器的成活率；上海市標準分兩階段驗收，在完成硬件安裝、軟件部署和軟硬件聯(lián)調(diào)校準后進行竣工驗收，在完成試運行期的系統(tǒng)測試報告后進行交付驗收；重慶市、武漢市標準中對分部工程、分項工程按主控項目和一般項目進行驗收；T∕CECS 765—2020按分部驗收、性能驗收和竣工驗收進行，分部驗收涉及傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、采集子站和監(jiān)控中心，試運行結(jié)束后進行性能驗收，驗收材料包括試運行報告、測試與調(diào)試過程記錄等，竣工驗收宜在性能驗收完成后3個月內(nèi)進行。

綜上可知，調(diào)試、試運行及驗收三者在邏輯上是順序關(guān)系，但在內(nèi)容上又相互關(guān)聯(lián)和并存，具有典型的時空伴隨性：調(diào)試資料是驗收資料的重要組成部分，試運行評價指標中的平均無故障工作時間、數(shù)據(jù)完整率等同樣適用于驗收評價，驗收環(huán)節(jié)涵蓋調(diào)試與試運行驗證后的內(nèi)容。因此，本文認為調(diào)試和試運行為時段，竣工驗收是時點，驗收通過即進入缺陷責任期，具體建議事項見表2。

表2 系統(tǒng)調(diào)試、試運行、驗收與缺陷責任期建議事項

參考工程建設(shè)通用原則，建議當監(jiān)測方提出竣工驗收申請，業(yè)主方在收到監(jiān)測方申請報告1個月（或合同規(guī)定日期）后未進行驗收，則視為驗收合格。缺陷責任期自提交申請報告之日起開始計算。

2.6 系統(tǒng)驗證

為保證結(jié)構(gòu)狀態(tài)感知的準確性、可靠性及穩(wěn)定性，應(yīng)定期判定傳感器采集數(shù)據(jù)的真實性、同步性等，這就要求對監(jiān)測系統(tǒng)進行驗證。個別標準對此進行了明確：重慶市給出了系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)和變化趨勢與同時、同條件人工測量數(shù)據(jù)的偏差容許值，規(guī)定定期觀測位移應(yīng)與監(jiān)測系統(tǒng)位移測試的變化趨勢吻合；武漢市除明確實測數(shù)據(jù)與人工比測數(shù)據(jù)的偏差值外，還規(guī)定通過車輛加載試驗驗證系統(tǒng)；吉林省及江蘇省規(guī)定使用無自校準功能的設(shè)備時應(yīng)按要求進行定期校準；上海市規(guī)定運營管理單位宜每年對監(jiān)測數(shù)據(jù)全面校驗1次，涉及傳感器技術(shù)參數(shù)、時間同步性的檢測與校準等，可采用獨立的移動測試系統(tǒng)進行平行檢驗與評估；安徽省規(guī)定傳感器應(yīng)由第三方專業(yè)單位每年校核一次；河北省指出監(jiān)測系統(tǒng)宜定期鑒定，掌握系統(tǒng)運行狀況。

系統(tǒng)驗證必不可少，未來應(yīng)作為監(jiān)測系統(tǒng)標準的必要章節(jié)?？紤]成本，橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測目前不具備大規(guī)模應(yīng)用自校準功能設(shè)備的條件。因此，一方面盡可能選擇耐久可靠的傳感設(shè)備，并確保監(jiān)測設(shè)備的正常標定，另一方面建議定期或不定期采用已標定傳感器進行同時、同條件下校驗，大力發(fā)展快速移動比對測試裝置，并結(jié)合人工檢測數(shù)據(jù)進行相互驗證和校準，這需要探索監(jiān)測校核機制流程化、定期檢測與長期監(jiān)測的協(xié)作化。

3 技術(shù)討論

3.1 監(jiān)測系統(tǒng)體系架構(gòu)

監(jiān)測體系本身屬于系統(tǒng)工程，感知、采集、傳輸、數(shù)據(jù)存儲及管理、預(yù)警及狀態(tài)評估等構(gòu)成了橋梁健康監(jiān)測的完整鏈條，確保了整個系統(tǒng)的效用價值。因此宜 將RAMS（Reliability，Availability，Maintainability，Safety）理念貫穿監(jiān)測系統(tǒng)全生命周期，即從確定監(jiān)測系統(tǒng)的用途和范圍開始，經(jīng)過系統(tǒng)定義和應(yīng)用條件的確定、風險分析、系統(tǒng)需求確定、分配系統(tǒng)需求等環(huán)節(jié)，進而開展設(shè)計、安裝實施、調(diào)試、試運行、驗收、正式運行、運營維護、改造升級直至報廢的全過程。系統(tǒng)工程運行元素為人元、信息元、知識元和平臺元，四者可具化為監(jiān)測系統(tǒng)體系框架，即標準體系、技術(shù)體系和評價體系，如圖1所示?？芍?，三大體系相互關(guān)聯(lián)，技術(shù)創(chuàng)新推動標準體系發(fā)展完善，先進標準促進監(jiān)測技術(shù)能力躍遷和服務(wù)效能提升，而評價體系進一步支撐和優(yōu)化標準體系和技術(shù)體系的升級，確保監(jiān)測服務(wù)水平。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)體系框構(gòu)

監(jiān)測系統(tǒng)體系架構(gòu)及內(nèi)容不是一成不變，而是隨著技術(shù)、管理水平的變化不斷迭代升級，如目前監(jiān)測以單體工程、單監(jiān)測方為主，考慮未來行業(yè)級監(jiān)測統(tǒng)一平臺建立，涉及不同監(jiān)測類型數(shù)據(jù)接口的統(tǒng)型，不同監(jiān)測方數(shù)據(jù)的匯聚和交互，可適時引入監(jiān)測數(shù)據(jù)體系建設(shè)。

3.2 監(jiān)測系統(tǒng)效用決策

監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用價值是學術(shù)界和大橋運營方關(guān)注的熱點。有些學者認為監(jiān)測系統(tǒng)必要性很大，有些學者認為目前監(jiān)測技術(shù)還無法達到宣稱的價值，有些業(yè)主傾向于安裝監(jiān)測系統(tǒng)，有些業(yè)主對此不敏感。歸根結(jié)底，監(jiān)測系統(tǒng)安裝與否受兩方面影響，一方面是基于性價比的收益問題，另一方面是基于主觀性的效用問題。

假定橋梁出現(xiàn)損害造成的通行受阻、運輸中斷、社會成本等損失為1 000萬元，基于監(jiān)測系統(tǒng)橋梁不出現(xiàn)損害的先驗概率為θ1，出現(xiàn)損害的先驗概率為θ2，先驗分布為π(θ)。若行動a1為安裝監(jiān)測系統(tǒng)，每年需支付100萬元，可減少損害發(fā)生造成的損失；若行動a2為不安裝監(jiān)測系統(tǒng)，每年可節(jié)省100萬元，一旦出現(xiàn)該類損害業(yè)主承擔所有損失，是否安裝監(jiān)測系統(tǒng)的決策分析如下。

1）按收益矩陣Q考慮，則有

2）按效用考慮，偏保守設(shè)定為上凸型效用曲線，m代表不同的收益值，U表示其效用，假定效用函數(shù)為，則有

根據(jù)θ2的不同取值，基于平均收益Qˉ、平均效用Uˉ進行決策分析，見表3?？芍?，當θ2很小時，無論從平均收益還是平均效用角度出發(fā)，傾向于不安裝監(jiān)測系統(tǒng)；當θ2增大時，安裝監(jiān)測系統(tǒng)的主觀價值大，即平均效用大，傾向于安裝。

表3 監(jiān)測系統(tǒng)安裝與否的決策分析

案例分析比較簡單，實際情況則復雜得多，如監(jiān)測系統(tǒng)本身除對損害隱患進行預(yù)報警外，還是設(shè)計驗證、確定橋梁服役狀態(tài)等的重要支撐。同時，需考慮客觀環(huán)境、風險管理履行機制等多種因素。但針對失效概率極小的參數(shù)指標，可明確不納入監(jiān)測范圍，如橋梁投入運營初期，考慮結(jié)構(gòu)安全性的大規(guī)模應(yīng)力監(jiān)測必要性不大，但在發(fā)生特殊事件如船撞、火災(zāi)后，宜進行針對性的應(yīng)力監(jiān)測。

3.3 預(yù)報警準確性及快速響應(yīng)

預(yù)報警閾值等級設(shè)置依據(jù)一般是基于長期監(jiān)測數(shù)據(jù)趨勢分析的通常值、設(shè)計最不利工況計算值和規(guī)范容許值，不同報警等級對應(yīng)不同的處置措施。因此，應(yīng)重視報警的準確性、及時性和響應(yīng)性。

考慮現(xiàn)階段傳感器性能水平，僅憑單個傳感器超限而發(fā)出報警存在依據(jù)不充分問題。若A1表示結(jié)構(gòu)狀態(tài)正常，A2表示結(jié)構(gòu)狀態(tài)異常，令B表示某個傳感器報警，若P(A2|B)=0.999，P(B|A1)=0.005，假定P（A1）=0.997，則P(A1|B)≈0.62，即傳感器報警時，實際結(jié)構(gòu)狀態(tài)正常的概率為0.62。考慮特殊橋梁結(jié)構(gòu)安全儲備更大或新建結(jié)構(gòu)不存在嚴重劣化情況，假定P(A1)=0.999 9，則P(A1|B)≈0.98，由此說明，單傳感器超限報警不能表明結(jié)構(gòu)狀態(tài)出現(xiàn)異常，存在大概率的誤報情況。

為解決上述問題，首先可降低傳感器本身的誤報率，當P(B|A1)=0.001時，上述兩種計算工況下P(A1|B)分別降為0.25和0.91。其次提升多點報警協(xié)同性：假定三個傳感器三者獨立完成報警的準確率分別為PX、PY、PZ，則系統(tǒng)報警準確率Ps為

若PX、P Y、P Z較高，假定皆為0.9，則Ps=0.999；若PX、P Y、PZ其中一個報警準確率較低，假定PX=PY=0.9、PZ=0.5，則Ps=0.995，基本不影響系統(tǒng)報警準確率；假定PX、PY、PZ均為0.5，Ps=0.875，表明多個傳感器同時報警時，即使單個傳感器誤報率較高，但橋梁結(jié)構(gòu)整體出現(xiàn)異常的概率仍較大。

文獻［36-37］提出采用多點連續(xù)驗證、邏輯組數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、機器視覺、超越概率、基于95%置信度的區(qū)間估計等方法規(guī)避傳感器的誤報警，盡量保證報警信息的可信度。

報警及時性主要針對實時采集數(shù)據(jù)應(yīng)及時上傳、分析、報警和推送。為保障報警響應(yīng)性，應(yīng)采取多種方式及時通知相關(guān)人員，如報警級別較高，務(wù)必通過電話通知到相關(guān)人員，報警級別較低時，可通過短信、微信、釘釘?shù)韧扑?，監(jiān)控中心顯示提醒等方式?？傊瑢ΜF(xiàn)場發(fā)出報警一定要經(jīng)過多證據(jù)并行驗證，報警與對應(yīng)處置措施一并提出，運營方及時響應(yīng)，并將反饋結(jié)果進行閉環(huán)，以進一步驗證和優(yōu)化報警處置機制。

3.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析與利用

大跨度橋梁結(jié)構(gòu)復雜，監(jiān)測覆蓋面有限，監(jiān)測評估算法的準確性、成熟度存在提升空間，僅憑監(jiān)測數(shù)據(jù)無法全面、有效地評估結(jié)構(gòu)服役性能，還必須結(jié)合設(shè)計、施工、成橋試驗、檢查檢測等不同主題數(shù)據(jù)源，將現(xiàn)有的健康監(jiān)測向故障預(yù)測與健康管理方向［38］發(fā)展，由監(jiān)測單信息診斷向多源數(shù)據(jù)驅(qū)動（信息元）、機理驅(qū)動和既有知識庫體系（知識元）綜合研判發(fā)展。

監(jiān)測數(shù)據(jù)使用價值很廣，不局限于橋梁結(jié)構(gòu)性能趨勢分析及運維管理，還應(yīng)重視設(shè)計驗證和全生命周期互反饋的價值挖掘。

1）針對多線鐵路，基于監(jiān)測數(shù)據(jù)可獲取橋上各線列車實際相遇概率，進而驗證疲勞設(shè)計多線系數(shù)設(shè)置的合理性。

2）基于動態(tài)稱重系統(tǒng)統(tǒng)計和歸納實際車輛荷載，驗證公路疲勞典型車輛荷載譜。

3）以檢測監(jiān)測發(fā)現(xiàn)的問題為導向，從設(shè)計、施工等方面提前規(guī)避，如正交異性橋面板疲勞破壞問題，考慮U肋、橫隔板弧形缺口、橋面板等設(shè)計參數(shù)的匹配性，科學、規(guī)范地開展橋梁結(jié)構(gòu)健康管理；高強度螺栓延遲斷裂問題，思考短螺栓施工預(yù)拉力合理設(shè)置；病害常見于附屬結(jié)構(gòu)，思考等壽命設(shè)計，從源頭上提升附屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計安全度和耐久性水平等。

3.5 監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全

網(wǎng)絡(luò)安全已成為總體國家安全的重要領(lǐng)域之一，橋梁監(jiān)測應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)把網(wǎng)絡(luò)安全置于重要位置，武漢市、陜西省等標準給出了安全保護等級的規(guī)定。安全保護等級由業(yè)務(wù)信息安全保護等級和系統(tǒng)服務(wù)安全保護等級決定，分別對應(yīng)系統(tǒng)業(yè)務(wù)信息和系統(tǒng)服務(wù)對象受到破壞時所侵害的客體及侵害程度，侵害程度分為一般損害、嚴重損害和特別嚴重損害。安全保護等級不同，對應(yīng)的安全保護要求不同。

橋梁監(jiān)測系統(tǒng)安全是一個綜合性的技術(shù)和管理體系，應(yīng)明確服務(wù)器部署、數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、傳輸加密、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等技術(shù)要求，確保系統(tǒng)硬件、軟件和數(shù)據(jù)的安全，網(wǎng)絡(luò)安全責任主體為系統(tǒng)建設(shè)方。橋梁作為公共產(chǎn)品，健康監(jiān)測系統(tǒng)受到破壞時受侵害的客體是社會秩序、公共利益，業(yè)務(wù)信息安全保護等級和系統(tǒng)服務(wù)安全保護等級至少為第二級，因此系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全保護等級至少為第二級。在完成定級、備案、安全建設(shè)和整改、信息安全等級測評、信息安全檢查等環(huán)節(jié)后，信息系統(tǒng)等保評測流程結(jié)束，但系統(tǒng)安全保障才剛剛開始，這就要求使用方和運維方增強安全意識和培養(yǎng)安全習慣，根據(jù)等保級別不同進行定期評測，系統(tǒng)運維嚴格按照網(wǎng)絡(luò)安全管理制度進行，配備相應(yīng)的安全管理支撐團隊。

4 結(jié)語

本文調(diào)研了國家、行業(yè)、地方、團體和企業(yè)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)標準現(xiàn)狀，分析了標準技術(shù)特點，闡述了系統(tǒng)組成、傳感器技術(shù)要求、傳感器安裝及綜合布線、系統(tǒng)報警級別、系統(tǒng)調(diào)試、試運行與驗收、系統(tǒng)驗證等關(guān)鍵要點。在此基礎(chǔ)上，探討了監(jiān)測系統(tǒng)體系架構(gòu)組成、監(jiān)測系統(tǒng)效用分析、預(yù)報警準確性及快速響應(yīng)、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析與利用、監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全等關(guān)鍵問題，得到如下結(jié)論。

1）監(jiān)測系統(tǒng)作為監(jiān)測技術(shù)載體，是發(fā)揮服務(wù)價值的必要手段。需求牽引、技術(shù)迭代等促進不同層次監(jiān)測技術(shù)標準的編制與修訂，監(jiān)測系統(tǒng)已進入建維并重發(fā)展的新階段。

2）監(jiān)測系統(tǒng)組成宜按子系統(tǒng)進行劃分，應(yīng)綜合考慮監(jiān)測傳感設(shè)備的可靠性技術(shù)要求，重視傳感器安裝和綜合布線的實施質(zhì)量，以及系統(tǒng)驗證環(huán)節(jié)。監(jiān)測標準宜統(tǒng)一報警級別，系統(tǒng)調(diào)試、試運行及驗收內(nèi)容。

3）監(jiān)測系統(tǒng)體系架構(gòu)宜包括標準體系、技術(shù)體系和評價體系，未來可納入數(shù)據(jù)體系；監(jiān)測系統(tǒng)安裝與否，一定程度上屬于主觀性效用決策問題；預(yù)報警的準確性、及時性和響應(yīng)性需要重點關(guān)注；監(jiān)測數(shù)據(jù)不局限于研判橋梁結(jié)構(gòu)服役性能狀態(tài)，還應(yīng)重視設(shè)計驗證和全生命周期的互反饋；橋梁監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全保護等級至少為第二級，應(yīng)有相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)安全運維機制。

4）橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是一個系統(tǒng)工程，盡管面臨不同管理或?qū)嵤用娴膫€性化需求，但很多共性問題是相通的，有必要對監(jiān)測標準進行頂層設(shè)計和統(tǒng)型化規(guī)定，避免不同標準之間技術(shù)差異或認知的不協(xié)調(diào)，以便更好地推動監(jiān)測技術(shù)發(fā)展與迭代升級。