健康監(jiān)測技術(shù)在市政橋梁結(jié)構(gòu)安全評估中的應(yīng)用研究

易小緯

（深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東深圳 518000）

1 市政橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的基本理念

市政橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的基本理念是對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行持續(xù)、系統(tǒng)和全面的監(jiān)測，以實(shí)時(shí)了解橋梁的健康狀況，預(yù)測可能出現(xiàn)的問題，以及提供決策支持。 這個(gè)理念強(qiáng)調(diào)了以預(yù)防為主、早發(fā)現(xiàn)、早治理的重要性[1]。

1）持續(xù)監(jiān)測意味著需對橋梁進(jìn)行長期和連續(xù)的觀察，這不僅可以幫助發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的變化趨勢， 而且可以在問題發(fā)生初期就及時(shí)發(fā)現(xiàn)，從而及時(shí)進(jìn)行維護(hù)和修復(fù)。

2）系統(tǒng)監(jiān)測意味著需要對橋梁的各個(gè)部分和各個(gè)方面進(jìn)行全方位的監(jiān)測。 這包括對橋梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)、環(huán)境條件、使用狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)測，以獲取橋梁的全面信息。

3）全面監(jiān)測意味著需要使用各種監(jiān)測設(shè)備和技術(shù)，如傳感器、無人機(jī)、攝像機(jī)等，以及各種數(shù)據(jù)分析和模型方法，來提高監(jiān)測的準(zhǔn)確性和有效性。

4）健康監(jiān)測的目標(biāo)不僅是發(fā)現(xiàn)問題，更重要的是提供決策支持，包括對橋梁健康狀況的評估，對未來可能出現(xiàn)的問題的預(yù)測，以及對維護(hù)和修復(fù)策略的建議。 這需要將監(jiān)測數(shù)據(jù)與工程實(shí)踐相結(jié)合，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的決策支持系統(tǒng)，為橋梁管理提供科學(xué)依據(jù)。

總之， 市政橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的基本理念強(qiáng)調(diào)了監(jiān)測的連續(xù)性、系統(tǒng)性、全面性和決策支持性，為保證橋梁的安全和持久性提供了關(guān)鍵的方法和手段。

2 市政橋梁健康監(jiān)測的技術(shù)與方法

2.1 視覺檢測技術(shù)

視覺檢測技術(shù)是市政橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的一種重要方法，其利用各種攝影設(shè)備對橋梁的結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行檢測，捕捉可能存在的裂縫、變形、腐蝕等結(jié)構(gòu)缺陷。 視覺檢測可以為橋梁健康評估提供關(guān)鍵的物理信息， 并能用于監(jiān)測和跟蹤橋梁的表面情況，以預(yù)防未來可能發(fā)生的問題。 在過去，視覺檢測主要依賴于人工進(jìn)行， 即由工程師或者技術(shù)人員親自登橋進(jìn)行定期視察，檢查并記錄任何明顯的裂縫、變形或損壞。 然而，這種方法效率低，且可能存在安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也無法實(shí)現(xiàn)持續(xù)和全面的監(jiān)測。 近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展，各種自動化視覺檢測系統(tǒng)開始廣泛應(yīng)用。 這些系統(tǒng)使用攝像機(jī)、無人機(jī)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程和自動化的視覺檢測，可以在不接觸橋梁的情況下，對橋梁進(jìn)行高分辨率的拍攝和檢測， 同時(shí)還能通過各種圖像分析技術(shù)， 如圖像識別和機(jī)器學(xué)習(xí)等， 自動檢測和分析結(jié)構(gòu)缺陷。 視覺檢測技術(shù)為橋梁的健康監(jiān)測提供了一種安全、高效和全面的方法，是現(xiàn)代橋梁健康監(jiān)測中不可或缺的一部分。

2.2 無人機(jī)檢測技術(shù)

無人機(jī)檢測技術(shù)已經(jīng)成為市政橋梁健康監(jiān)測的重要手段。 無人機(jī)，也被稱為無人飛行器或者無人機(jī)系統(tǒng)，利用其靈活性和便捷性能夠在橋梁檢查中取得無法或難以通過人工達(dá)成的結(jié)果[2]。無人機(jī)配備高分辨率攝像頭或其他傳感器可以收集到橋梁結(jié)構(gòu)的詳細(xì)視覺信息，包括裂縫、腐蝕、變形和其他可能的結(jié)構(gòu)問題。 無人機(jī)的使用不僅可以有效減少人工檢查所需的時(shí)間和成本， 而且可以在對人類無法或難以到達(dá)的區(qū)域進(jìn)行檢查。 在某些情況下， 無人機(jī)還可以配備更復(fù)雜的儀器，例如，紅外線攝像頭和激光雷達(dá)，以進(jìn)一步提高檢測精度。紅外攝像頭可以用于檢測結(jié)構(gòu)中的熱異常， 這可能是潛在問題的預(yù)兆；激光雷達(dá)則可以生成橋梁結(jié)構(gòu)的高精度三維模型，幫助工程師更好地理解和分析結(jié)構(gòu)問題。 盡管無人機(jī)檢測技術(shù)具有巨大的潛力，但也面臨著一些挑戰(zhàn)。 比如，如何在各種天氣和環(huán)境條件下保持無人機(jī)的穩(wěn)定性和安全性； 如何處理和分析無人機(jī)收集的大量數(shù)據(jù)； 如何解決無人機(jī)在某些情況下可能引發(fā)的隱私和法規(guī)問題。 隨著技術(shù)的發(fā)展和相關(guān)法規(guī)的完善， 無人機(jī)檢測技術(shù)將在未來的橋梁健康監(jiān)測中扮演更加重要的角色。

2.3 傳感器技術(shù)

傳感器技術(shù)是市政橋梁健康監(jiān)測的重要組成部分。 這些傳感器可安裝在橋梁的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位， 以實(shí)時(shí)監(jiān)測和記錄各種重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如應(yīng)力、溫度、變形、振動等，為橋梁的健康評估提供關(guān)鍵的數(shù)據(jù)支持。 傳感器技術(shù)可以提供一種持續(xù)和全面的橋梁監(jiān)測方式，與間歇性的視覺檢查相比，可以發(fā)現(xiàn)在視覺檢查中可能遺漏的微小變化和潛在問題。 此外，通過對傳感器數(shù)據(jù)的長期監(jiān)測和分析， 可以更好地理解橋梁的行為和性能，預(yù)測未來可能的問題，以及制定更有效的維護(hù)和修復(fù)策略。 常見的橋梁監(jiān)測傳感器包括應(yīng)變計(jì)、加速度計(jì)、溫度傳感器、位移傳感器、光纖傳感器等。 近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)和無線通信技術(shù)的發(fā)展， 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在橋梁監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用。 這些無線傳感器可以在橋梁上形成一個(gè)密集的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)高頻率和高分辨率的數(shù)據(jù)采集。 盡管傳感器技術(shù)已在橋梁健康監(jiān)測中取得了重要進(jìn)展， 但仍面臨一些挑戰(zhàn)，例如，如何提高傳感器的精度和可靠性、解決傳感器的能源供應(yīng)和維護(hù)問題、處理和分析大量的傳感器數(shù)據(jù)等。 未來的研究需進(jìn)一步解決這些問題， 以提高傳感器技術(shù)在橋梁健康監(jiān)測中的應(yīng)用效果。

2.4 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的數(shù)值模型

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的數(shù)值模型是用于預(yù)測和評估橋梁結(jié)構(gòu)健康狀況的關(guān)鍵工具。 這些模型通常可以對橋梁的物理行為進(jìn)行數(shù)值描述， 以模擬和預(yù)測橋梁在不同加載和環(huán)境條件下的響應(yīng)。 數(shù)值模型可以基于有限元法，這是一種用于解決復(fù)雜工程問題的強(qiáng)大工具[3]。 在橋梁健康監(jiān)測中，有限元模型可以模擬橋梁的結(jié)構(gòu)行為，如應(yīng)力分布、變形、振動等，以及這些行為隨時(shí)間的變化。 這可以幫助工程師更好地理解橋梁的性能和可能出現(xiàn)的問題，以及制定更有效的維護(hù)和修復(fù)策略。 此外，隨著大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展， 一些新的數(shù)值模型方法也開始在橋梁健康監(jiān)測中得到應(yīng)用。 例如，機(jī)器學(xué)習(xí)模型可以通過學(xué)習(xí)傳感器數(shù)據(jù)的模式，來預(yù)測橋梁的行為和健康狀況。這些模型通?？梢蕴幚砀蟮臄?shù)據(jù)集， 并能在一定程度上處理數(shù)據(jù)中的不確定性和噪聲。 盡管數(shù)值模型在橋梁健康監(jiān)測中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，但仍然面臨一些挑戰(zhàn)。 例如，如何提高模型的精度和可靠性、處理模型的計(jì)算復(fù)雜性和數(shù)據(jù)需求，以及如何將模型與實(shí)際的橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)相結(jié)合等。

3 健康監(jiān)測數(shù)據(jù)分析與處理

3.1 數(shù)據(jù)收集與存儲

在市政橋梁健康監(jiān)測中， 數(shù)據(jù)收集與存儲是非常重要的過程。 有效的數(shù)據(jù)收集與存儲不僅可以確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性和可靠性， 而且能夠?yàn)閿?shù)據(jù)分析和橋梁健康評估提供強(qiáng)大的支持[4]。

數(shù)據(jù)收集需要使用各種檢測設(shè)備和傳感器，如無人機(jī)、攝像機(jī)、應(yīng)變計(jì)、加速度計(jì)等，來實(shí)時(shí)監(jiān)測和記錄橋梁的各種結(jié)構(gòu)參數(shù)和環(huán)境條件。 這些數(shù)據(jù)可以包括橋梁的變形、應(yīng)力、振動、溫度，以及橋梁的視覺圖像等。 數(shù)據(jù)收集的目的是獲取橋梁的全面和詳細(xì)信息，以便發(fā)現(xiàn)潛在的結(jié)構(gòu)問題和趨勢。數(shù)據(jù)存儲則是將收集到的數(shù)據(jù)儲存在一個(gè)安全和可訪問的地方，以便于后續(xù)的分析和使用。 這通常需要一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，能夠處理大量的數(shù)據(jù)，并且提供快速和靈活的數(shù)據(jù)查詢功能。 另外，數(shù)據(jù)存儲還需要考慮數(shù)據(jù)的安全性和隱私保護(hù)，尤其是對于包含敏感信息的數(shù)據(jù)。 隨著物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代的數(shù)據(jù)收集和存儲越來越依賴于網(wǎng)絡(luò)和云服務(wù)。例如， 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以將監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)皆贫藬?shù)據(jù)庫，用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)、隨地訪問這些數(shù)據(jù)。 這種方法可以大大提高數(shù)據(jù)收集和存儲的效率和便利性， 但也帶來了新的挑戰(zhàn)，例如，網(wǎng)絡(luò)安全和數(shù)據(jù)同步等問題，在未來的研究中，這些問題需要進(jìn)一步探索和解決。

3.2 數(shù)據(jù)處理與解析

數(shù)據(jù)處理與解析是市政橋梁健康監(jiān)測的關(guān)鍵步驟， 是指將收集到的大量原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的信息， 以支持橋梁的健康評估和決策。

1）數(shù)據(jù)處理涉及對原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)清理、數(shù)據(jù)校正和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等；

2）數(shù)據(jù)清理主要是處理丟失的數(shù)據(jù)和異常的數(shù)據(jù)，以提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量；

3）數(shù)據(jù)校正是對傳感器偏差和環(huán)境影響進(jìn)行校正，以提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；

4）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為適合分析的格式，例如，時(shí)間序列數(shù)據(jù)、頻率譜數(shù)據(jù)等；

5）數(shù)據(jù)解析是對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和解釋，這通常涉及各種統(tǒng)計(jì)分析方法，如趨勢分析、相關(guān)性分析、回歸分析等，以及更復(fù)雜的數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)方法，如聚類分析、異常檢測、預(yù)測模型等。

這些方法可以幫助理解橋梁的行為和健康狀況， 發(fā)現(xiàn)潛在的問題和趨勢，以及預(yù)測未來可能的情況。 盡管數(shù)據(jù)處理與解析在橋梁健康監(jiān)測中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，但也面臨一些挑戰(zhàn)。例如，如何處理大量的數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)的不確定性和噪聲、提取有用的特征和模式，以及理解和解釋復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)果等。

3.3 數(shù)據(jù)驅(qū)動的橋梁健康評估

數(shù)據(jù)驅(qū)動的橋梁健康評估是當(dāng)前橋梁工程領(lǐng)域的重要趨勢。 這種方法主要依賴于大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，通過對大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和學(xué)習(xí)， 來評估橋梁的健康狀況和預(yù)測未來可能的問題。

1）數(shù)據(jù)驅(qū)動的橋梁健康評估需要收集和存儲大量的橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)，這包括但不限于應(yīng)力、變形、振動、溫度等結(jié)構(gòu)參數(shù)，以及環(huán)境因素，如溫度、濕度、風(fēng)速等。 這些數(shù)據(jù)可以從傳感器、無人機(jī)、攝像機(jī)等設(shè)備中獲取，并存儲在數(shù)據(jù)庫中供后續(xù)使用。

2）通過各種數(shù)據(jù)處理和解析方法，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、特征提取、模式識別等，從中提取出有價(jià)值的信息。 例如，通過趨勢分析可以發(fā)現(xiàn)橋梁的變化趨勢； 通過異常檢測可以發(fā)現(xiàn)潛在的結(jié)構(gòu)問題； 通過預(yù)測模型可以預(yù)測未來可能的情況。

3）通過機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能算法，構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動的橋梁健康評估模型。 這些模型可以自動學(xué)習(xí)和適應(yīng)數(shù)據(jù)的模式，以提高評估的準(zhǔn)確性和效率。 這不僅可以為工程師提供強(qiáng)大的決策支持，而且可以實(shí)現(xiàn)橋梁健康監(jiān)測的自動化和智能化。 盡管數(shù)據(jù)驅(qū)動的橋梁健康評估具有巨大的潛力， 但也面臨一些挑戰(zhàn)，例如，如何處理大量的數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)的不確定性和噪聲，以及如何保護(hù)數(shù)據(jù)的安全和隱私等。

4 結(jié)語

綜上所述， 市政橋梁的健康監(jiān)測是維持城市基礎(chǔ)設(shè)施正常運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)， 本文全面審視了當(dāng)前橋梁健康監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用，從視覺檢測、無人機(jī)檢測、傳感器技術(shù)到數(shù)據(jù)收集、處理與解析等多個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)的探討，并得出結(jié)論，人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)， 實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)的定期人工檢查向?qū)崟r(shí)、連續(xù)、全面的數(shù)據(jù)驅(qū)動監(jiān)測的轉(zhuǎn)變，這一變革不僅提高了檢測效率，也提升了對橋梁健康狀況的認(rèn)識和理解。