如何設計中小跨徑橋梁監測系統？

2023年11月9日交通運輸部《關于進一步推動公路橋梁隧道結構監測系統工作實施方案（征求意見稿）》。列出了特大橋梁471座，中小橋梁2200座，要求安裝監測系統。什么是中小跨徑橋梁？公路行業對橋梁“大小”的定義是基于兩個指標，主跨長度和橋梁總長。如表1，
表1 公路橋梁分類標準

如果從公路橋梁監測系統全覆蓋角度，針對中小跨徑橋梁監測系統適用對象，我們不妨可以如下理解：2021年度《公路長大橋梁監測系統建設實施方案》附錄401座特大橋和《關于進一步推動公路橋梁隧道結構監測系統工作實施方案》附錄中471座大橋以外的所有橋梁。
2021年國務院安全委頒發了關于發布《城市安全風險綜合監測預警平臺建設指南（試行）》的通知，其中提到兩階段建設目標，第一階段初步完成對轄區內燃氣、供排水、人力、橋梁、綜合管廊等城市生命線工程安全監測感知網絡覆蓋，初步建成城市安全風險綜合監測預警平臺。這個文件對應的就是城市生命線工程監測，其中的橋梁針對的是城市橋梁。城市橋梁以中小跨徑橋梁為主，當然也有獨立的跨江跨谷特大橋梁，粗放劃分，城市橋梁大部分可以劃入中小跨徑橋梁。
粗略地說，中小跨徑橋梁監測系統中的中小跨徑可以是公路橋梁中401+471=872座以外的所有橋梁，和城市橋梁。
2、中小跨徑橋梁監測系統規模有多大？（市場規模）
2024年4月26日交通運輸部部務會審核通過了《關于進一步推動公路橋梁隧道結構監測系統工作實施方案（征求意見稿），成為正式文件。文件提出公路橋梁監測系統2030年之前全覆蓋的目標，總數應該超過100萬座。
城市橋梁總數我們沒有統計數據，就橋梁監測系統建設，資源條件好的城市動不動全部城市橋梁全覆蓋，動輒投入幾個億甚至大幾個億；有的三四線城市也要拿出兩千萬甚至幾千萬做橋梁監測。如成都市全市市管約300座橋梁全部安裝監測系統總投入約5億元；青島市近600座橋梁監測系統規劃資金5億元；武漢市分幾批次將全市橋梁全部安裝監測系統，總投入超過5-6億元；深圳市規劃首批城市生命線工程項目，橋梁監測預算超過1億元。2023年河南省辦公廳發布《關于印發河南省基礎設施生命線安全工程建設三年（2023-2025年）行動方案》，2025年底之前，城市橋梁監測全部覆蓋。這是以省為單位城市橋梁監測全覆蓋的第一份政府文件。
3、中小跨徑橋梁監測系統設計與項目規模有關嗎？（項目模式設計）
一座橋梁監測系統設計與整個城市幾百座橋梁監測系統設計，從工程角度大不相同。幾百座橋梁監測系統設計不是幾百個單橋系統的簡單疊加。大規模橋梁監測系統設計應該考慮規模化之后帶來的一些列問題，如長期運維機制，預算的合理布局，項目建設模式，發包方式，技術生態的建設等等。有些大規模橋梁監測系統建設從業主管理角度想得簡單了，以為硬件連通軟件，不就成系統了嗎？如此著手，最終可能一地雞毛，后續需要大量的精力和成本去消納。
大規模橋梁監測系統建設，無論是設計單位還是業主單位，均可以參考《第三代橋梁結構健康監測系統：模式、架構和生態》。我們提出的第三代模式是與至少四個地區大規模橋梁監測系統業主和相關承包方交流碰撞的結果，肯定有很大的參考價值。基于第三代模式建立起來的思考框架，我們給至少三個地區業主提供過如何建設和管理大規模橋梁監測系統的建議。其中提出了近10個大規模監測系統建設不得不解決的問題，這些問題敲定下來，項目建設才能順利開展。
有些業主單位，在政策的要求之下，剛剛起步橋梁監測系統建設。我們的建議是先定模式，后定項目。模式是指，目前十幾座或二十幾座特大橋監測系統采取什么合作模式建設？是打造一家自己下屬企業，以其為主構建整個技術生態？還是打散了零零散散發包出去完成部委要求即可？兩種做法的業主都有，前一種業主的做法是以當前特大橋監測系統建設為契機，打造一個長效化實施主體和合作生態。工作基礎打得牢固，2026年所有橋梁監測系統啟動起來，管理上便會游刃有余。后一種業主做法導致系統零零散散，管理七零八落，針對幾千座橋梁監測全覆蓋時候也會手忙腳亂。
4、關于中小跨徑橋梁監測系統設計相關問題（技術要點）
前面幾個部分屬于比較虛，更多針對業主單位，而系統設計人員往往樂意聚焦實的層面。針對中小跨徑橋梁，到底如何設計監測系統？最近，我們碰到一個項目，橋梁上大車停靠，一個停車區最多密集停靠6輛大車，給橋梁安全帶來很大挑戰。這是有明確需求的監測項目，我們在技術方案中重點考慮：（1）汽車荷載監測，正常行駛狀態下汽車荷載監測，統計汽車荷載模型。（2）汽車橋上分布監測，監測汽車在橋梁上布載位置。（3）重載布置給橋梁結構帶來的可能性損傷，如單梁撓度，梁間橫向聯系，單板受力的可能性等。同時為業主搭建了上一部分所闡述的長效化組織方案和技術生態。拋開這個案例的具體需求，中小跨徑橋梁監測應該考慮哪些問題呢？
（1）中小跨徑橋梁監測系統設計的預期功能是什么？
設計一座橋梁監測系統，目標是實現什么功能，起到什么作用？特大橋監測系統預期設計功能包括：
1）設計驗證。基本假定是大型復雜結構體系橋梁，設計假設中與實際橋梁未必符合很好，通過橋梁建成后的實測數據看看與設計假設之間有多大出入，是否在安全允許范圍內。比如，青馬橋建成后有人說抗風設計不夠，經過幾次臺風作用下對風荷載和結構響應數據監測后發現抗風杠杠滴沒有問題。又比如，虎門大橋異常振動，如果有監測系統，可以算算模態阻尼，到底有沒有下降很多。如此等等吧。
2）損傷識別。通過監測系統的實時數據分析，識別橋梁上的病害和損傷，以采取及實的措施。有些學者將監測系統損傷識別能力分成幾個等級，如：I能夠發現橋梁損傷，II能夠發現損傷并能夠確定損傷位置，Ⅲ發現損傷，確定損傷位置，確定損傷類型和程度。學界在這個領域探索了許多年，工程實際應用效果都不太理想。
3）橋梁評估。這里橋梁評估是指承載安全評估，包括兩個方面，一是荷載，一是抗力。荷載建模基于實測數據，如風荷載，如汽車荷載等；抗力建模原則上應該考慮結構損傷和劣化，但是難度比較大。從適用性來看，假設抗力不折減，荷載用實測數據搞準確，評估也能夠有較強的工程意義。
針對中小跨徑橋梁，設計的預期功能是什么呢？
1）監測某些參數的最大值？有些中小跨徑橋梁監測系統設計的目標是針對某些參數，獲取其最大值，比如有裂縫的橋梁監測裂縫開展情況，支座偏位的橋梁，監測支座位移等等。兩個問題：①如果單純監測某個或某幾個參數最大值，應該按需選定橋梁，而不應該全部覆蓋？②如此設計監測系統，從設計上與傳統監測系統沒啥本質區別，可以借鑒以往的經驗，但是傳統的監測設計也應該是按需而設？
2）設計驗證？中小跨徑橋梁設計技術較為成熟，基于實測數據對設計驗證的必要性并不是很高。汽車荷載與設計荷載差別很大，如果驗證汽車荷載只需在整條路段或者某個地區選擇不同點位安裝監測設備，建立路段上或地方化汽車荷載模型即可，全覆蓋的意義也不是很大。
3）損傷識別？特大橋可以投入很大經費安裝監測系統，中小跨徑橋梁，出于成本考慮，監測系統投入并不會很大，在低成本條件下實現損傷識別的可能性有多大？
4）橋梁評估？荷載層面，路段監測和地區監測即可；抗力層面監測系統無法識別損傷，損傷可能還得有賴于人工檢測。
中小跨徑橋梁監測系統設計的目標功能如何定位？難道論證來論證去，不得不回歸到對某些參數的最大值監測？某些地區推動輕量化監測系統，輕量化監測系統設計目標功能如何確定的？但是，無論是交通運輸部針對公路橋梁，還是應急管理部和住建部針對城市橋梁，幾乎都在力推監測系統全覆蓋。問題變成：如果橋梁監測系統覆蓋全部的所有的橋梁，如何設定功能目標？
如果橋梁監測系統覆蓋所有的橋梁，設計中設定的目標功能應該適用于所有的橋梁。最近幾天跟橋梁外行人工智能領域的朋友談到這個事情，他們有不同于業內人士的“外行”看法。他提出，中小跨徑橋梁監測系統設計首先要針對構件而非橋梁，相同類型構件獲取相同的標準化的數據，用這些模式相同數量眾多標準化數據能夠對大模型進行較為精準的訓練，輸出結果應用于“統計邊界”內所有的橋梁，有可能給出有意思的結果。這個觀點，與數字化橋梁管理系統中的網絡級和項目級概念劃分從數學角度居然異曲同工。
按這個啟發，我們不免發問，全覆蓋的橋梁監測系統能否指向橋梁養護數字化？
這里面插入橋梁養護數字化的兩個概念。
1）橋梁評估。橋梁評估是分層面的，第一層面是橋梁構件技術狀況分級，構件而非橋梁和部件的分級。第二個層面是橋梁總體指標，總體指標可能包括技術層面也可能包括技術和經濟兩個方面因素，甚至有的只包含經濟因素。總體指標的目的是從眾多橋梁中，篩查出來橋梁，優先給與分配維護資源。第三個層面，承載能力評估，評估結果用于大中修決策；第四個層面詳細評估，用來選擇橋梁加固維修的技術方案選擇。全覆蓋的中小跨徑橋梁監測系統，功能目標定位在哪個層面的評估呢？
2）網絡級優化和項目級優化。網絡級是針對橋梁構件，針對某類橋梁構件劃定一個“統計邊界”，如某座城市或某個地區，在該統計邊界內基于歷史數據統計此類橋梁構件退化規律及對應的維護策略，這些統計結果在沒有數據更新的前提下適用于統計邊界內所有橋梁。而項目級是針對某座橋梁，將網絡級構件優化結果納入其中，在不同橋梁之間分配資源。這是網絡級和項目級的原始要義。如果全覆蓋的橋梁監測系統指向橋梁養護數字化，是構件監測系統？還是橋梁監測系統？
全覆蓋的橋梁監測系統設計，預期功能如何設定？請各位同仁討論交流，這是中小跨徑橋梁監測系統設計的大前提，目標明確才能有的放矢，選擇合適的傳感器及數據算法。
（2）構件監測？還是橋梁監測？
如果不做深入的討論，構件監測有些無稽之談；換個理念和思路，構件監測未必沒有其技術上的邏輯連貫性，這取決于中小跨徑橋梁監測系統的指向；如果指向數字化，構件監測值得考察，如果指向構件層面的評估，構件級或網絡級監測值得論辯。這里先從概念上占個坑，如果有構件監測系統，那么網絡級監測也應該是針對構件，而非橋梁數量多就叫網絡級監測。
（3）檢測數據和監測數據如何融合？
人工定期檢測數據和監測系統數據如何融合？有些學者用的較為時髦的概念是檢/監融合。針對這個問題我們未能給出很好的答案。但是可以嘗試解答這個問題的角度。監測數據與檢測數據融合，往哪個方向去融合？是往構件評估層面融合，還是往橋梁承載能力評估層面融合？這個大前提需要搞清楚！
1）中小跨徑橋梁監測數據大概率需要往橋梁構件評估層面去與檢測數據融合。但是目前面臨的最大問題是，橋梁養護規范構件分類較為粗糙，其目標是為了構造全橋指標而設定，如此需要養護規范也得努努力往數字化層面轉型轉型，也就是筆者以往提的橋梁檢測由報告模式向數據模式轉型。
2）如果路段安裝汽車稱重系統，荷載數據大概率需要往橋梁評估層面與檢測數據融合。特大橋梁監測系統數據大概率往全橋承載力評估層面融合。如果我們確定了監測數據與檢測數據融合的方向和層面，會有的放矢，也不太會去苛責大跨徑橋梁監測系統為啥就不能給識別構件層面局部損傷了。
（4）能否指向數字化？
百萬橋梁監測系統全覆蓋，這個投入可不小啊，所以指向橋梁養護數字化不是能不能的問題，而是必須的問題。針對大規模特大橋監測系統建設，我們在第三代模式中極力倡導業主單位擠出來一丟丟經費，啟動特大橋梁養護數字化，口干舌燥效果并不明顯。特大橋梁總數不超過1000座，在百萬座橋梁中占比千分之一，即便養護數字化未能啟動，也就算罷了。但是百萬座橋梁監測系統全覆蓋，而未能實現橋梁養護數字化轉型，有些說不過去哈。那如何指向養護數字化呢？三個方向需要努把力。第一、首先需要搞定什么是橋梁養護數字化？目前來看，概念體系較為復雜，希望行業能夠做較為嚴謹的學理化定義。第二、馬上啟動橋梁養護數字化方面的研究和設計，趕上百萬橋梁監測的工程節奏和步伐。監測跑的快，養護數字化原地打轉，這挺讓人擔憂的事情。第三、中小跨徑監測系統設計需要進一步研究，切忌方向不明，功能定位不明的情況下，快速推出技術標準，一刀切下去，造成落后系統普遍應用的既成事實，后續也挺麻煩。
（5）有哪些可能的新的監測技術？
針對中小橋梁監測，我們也在研究可獲得的監測技術。我們自己探索的方向是低成本傳感器密集布點，配合人工智能算法對數據分析，與橋梁構件技術狀況評級相結合。最近我們獲得一筆經費，可以設計真梁驗證試驗，對監測技術和算法進行試驗驗證。具體包括：
1）無監督學習算法在橋梁監測系統數據分析上的適用性。
2）微波雷達撓度監測
3）高密度低成本振動傳感器布點方式
4）法國node設計理念開發的成套設備。
5）光纖陣列對損傷識別的可行性
6）軍方一個周界監測算法在結構監測領域的適用性
當然，有更好技術的同仁可以幫忙補充啊。
5、針對中小跨徑橋梁能否開發標準化的監測系統？
好多機構也在研究針對中小跨徑橋梁監測的標準化系統，能否標準化看哪個層面的標準化。針對每座橋梁的布點設計可以根據不同橋梁結構型式分別開發標準化的監測方案；針對大規模項目層面，必須基于外部約束條件，一一研究設計，難以做到標準化方案。
6、中小跨徑橋梁監測系統的標準化？
據傳，11個省份2200座中小跨徑橋梁監測系統試點完成后，由相關部委組織，2025年底之前出臺中小跨徑橋梁監測系統標準規范。2026年之后，按這個標準規范指導，啟動大規模中小跨徑橋梁監測系統建設。
標準化是必經之路，但是我們的擔憂是基于當前設計理念，設計方法，監測技術，未經深入研究而編制的技術標準一旦形成官方意志，于是設計師千篇一律的照本宣科，其行業結果如何？如何避免？應該鼓勵11個省份分別各自進行設計和技術方面的探索，形成不同工程經驗，互相博弈形成標準，標準才具有較為廣泛的代表性。11個省份，一個模版，只能這一個模板上升為標準規范。
我們的提倡是，中小跨徑橋梁監測系統設計應該深入研究，應該能夠指向數字化，從而借助這個大的資源投入，把中國橋梁養護徹底推向數字化階段。
我們仍然秉持著最為深度的擔憂，統一的聲音說，中小跨徑橋梁監測系統就是數字化啊，除此以外沒有其他的養護數字化啊。
7、尾聲
文章題目是“如何設計中小跨徑橋梁監測系統？”那如何設計呢？我們經驗有限，難以給出標準答案！只是提出了幾個問題，以期拋磚引玉，引起廣大同仁的共鳴和思考，共同討論交流，共同推動行業進步。
 

文章來自公眾號： @檢師學社