第51期桥梁结构智慧监测系统设计理论思考与实践

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第51期桥梁结构智慧监测系统设计理论思考与实践

2019-9-3 09:24

来自: 检师学社收藏分享邀请

52监测网，监测专家报告分享第51期，报告来源，淡丹辉教授在2019桥梁结构安全监测与检测技术交流会做的《桥梁结构智慧监测系统设计理论思考与实践》学术报告。 ... ... ... ... ...

52监测网专家报告分享-第51期

桥梁结构智慧监测系统设计理论思考与实践

淡丹辉同济大学桥梁工程系教授

编前语

以下文章来源于检师学社，检师学社（微信号：jianshixueshe）为检测工程师提供基础设施养护管理相关的先进理念、知识、技术、软件以及检测设备等信息，为推动行业科技进步贡献力量。

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说明：本文黑体字内容为淡丹辉教授学术报告PPT文件的内容，其中部分内容是根据其内容整理的，红色字体部分内容是笔者解读的内容，由于水平有限解读内容难免有不妥之处，读者可以探讨和交流！

专家简介

淡丹辉，工学博士。同济大学桥梁工程系教授，博士生导师，桥梁健康监测与振动控制研究室。研究领域：桥梁健康监测与振动控制、智能桥梁结构与传感技术应用、基于监测系统的既有桥梁可靠性评估。

内容简介

淡丹辉教授学术报告的内容主要包括四部分：（1）工程化视角下的智慧、智能与自动化；（2）桥梁结构智慧监测研究现状；（3）结构智慧监测的基本理论；（4）装配式梁桥的智慧监测实践。淡教授的学术报告结合未来桥梁智慧监测的角度，结合目前我国桥梁监测的现状，提出了桥梁结构智慧监测的基本理论，为未来桥梁监测系统的设计与实施提供了理论上的指导，最后其团队在装配式桥梁智慧监测的实践。

下面笔者对淡教授的学术报告进行分享和解读，解读文章中插图来源于淡教授的报告PPT文件。

1、工程化视角下的智慧、智能与自动化

本部分报告内容从未来三十年工程技术特征以及智慧桥梁两部分来介绍工程化视角下的智慧、智能与自动化。

（1）未来三十年工程技术特征

首先淡教授从卡尔•波普（1902~1994）的“三个世界”的哲学观入手，提出了未来三十年工程技术总体特征是：三世界平行共存，人工世界肇始，智慧元年。“三个世界”是指物理世界、心理世界和人工世界。对于三个世界及其矛盾和解决工具的对应关系见图2。

图2 三个世界、矛盾及其解决工具对应关系

根据三个世界矛盾的不同特征，淡教授提出未来三十年的工程特征如下：

1）资源分布继续不对称，需继续进行物资人员的沟通交流，仍需老IT技术进行工程建设；

2）信息继续不对称，需继续进行辅以旧IT技术，对工程结构进行设计、建造和维护管养，以弥补老IT技术低效，改善工程品质；

3）知识和智力的不对称，需要借助新IT技术，进行桥梁工程的智能规划、智能设计、智能制造、智慧感知、智能管养，以弥补工程技术人员能力、效率的不足，提高工程的终极品质。

笔者理解由于三个世界的并存，在未来三十年桥梁检测、监测以及管养等方面由于资源分布的不对称、信息连续不对称以及知识和智力的不对称，老IT技术、旧IT技术以及新IT技术三种技术将会在很长一段时间并存来解决工程问题。

（2）智慧桥梁

智慧桥梁的内容包括智慧监测、智慧感知以及智慧管养三方面的内容。

智慧监测指桥梁基础设施运行参数的数据获取，其对测量数据的要求是等时间间隔的连续、持久测量；智慧感知指桥梁基础设施运行状态的智能识别与感知，其计算采用智能的算法能实时或适时的方式，对监测数据和监测对象进行实时分析计算。智慧监测和智慧感知构成了桥梁结构的智慧监测系统。而智慧管养是指桥梁基础设施的智慧化运维和健康管理，智慧管养是一种决策和行动，它是将感知信息转化成桥梁的实际管养行动。

笔者理解智慧管养是建立在桥梁结构的智慧监测系统的基础上的，它是建立在智慧监测的数据以及智慧感知分析计算的数据或信息的基础上。

在技术上交流环节很多参会人员提到了人工检测数据和监测融合的问题。笔者理解智慧桥梁概念中智慧监测的内涵应该更为广泛，因为随着技术的发展目前桥梁采用人工检测的项目也可以采用智能化的检测设备进行定期的采集。因此未来智慧桥梁在新IT技术的基础上未来发展的终极目标可能是智能化的检测（代替目前的人工检测）、桥梁结构的智慧监测系统以及桥梁应急状态下智能化检测（如地震、水灾等突发事件下采用敲击扫描技术对桥梁损伤的快速检测）等采集信息的基础上将各种信息进行融合，在此基础上实现桥梁的智慧管养。

2、桥梁智慧监测研究的现状

（1）桥梁管理养护的现状

1）桥梁建设大发展，从桥梁大国向桥梁强国迈进；

2）重建设轻管养，桥梁管养弱国；

3）重监测轻分析计算，只测不算；

4）不从结构本身规律着眼，只冀希望于高科技，打时髦高科技‘牌’；

5）中小跨径桥梁的管养现状更差：依赖于检测，被动管养！

笔者认为淡教授对于管理现状的分析非常到位，目前我国的管理养护的状况令人堪忧，一些地区部分一线管理养护人员由于技术水平的限制对于桥梁结构的受力特征知之甚少，甚至出现将伸缩缝采用焊接的方式。一些落后地区的桥梁从建成未进行一次检测，养护人员也无法掌握桥梁的状况，只能是桥梁出现严重的病害影响安全时才进行维修。

（2）桥梁健康监测技术的现状

1）桥梁健康监测技术的成绩

结构健康监测的概念自上个世纪八十年代被提出以来，很快就成为学术界和工程界瞩目的对象，与之相关各个研究方向都取得了极大的进展，尤其是在传感技术、通讯技术、信息技术等领域，一些成果也得到了工程界的积极响应，被应用到监测系统的实践中，尤其是在桥梁结构的监测中。

到目前为止，已建成了很多规模不一、目的各异的监测系统。据不完全统计，国际上仅特大型桥梁已有500余座安装了各类监测系统，国内已有近200座桥梁安装有监测系统。应该说，从工程应用热络程度来看，形势还是喜人的。

2）桥梁健康监测技术的不足

不能否认地是，从已建成桥梁结构监测系统来看，不足有两个方面：

由于缺乏设计理论的指导，相当数量的已建系统没有得到事先周全、良好的设计；

系统建成后并不能实现承诺的监测目的，监测效果不佳，不能发挥其应有的作用，基本上可归于盲目建设的工程之类。

桥梁健康监测系统的不足具体体现在四个方面：

一、缺少需求分析环节

一些监测系统并没有根据监测对象的结构特点、行为规律、环境作用、荷载规律、桥址所在地区工程或行业的管养习惯和管养制度出发设计监测内容、监测方案，监测系统的针对性不强。

二、目标设定不妥或缺失

这常常体现为两个极端：一些监测系统将目标设定过高，追求理论上都有难度的损伤识别、寿命预测、失效预警等目标，而有没有具体的实施途径，导致目标空洞化、不具体化、难于实现。  另一个极端，则将监测系统的目标设置与结构检测混同，认为监测就是获取结构荷载下的效应，是病害检测，是荷载和作用的测量，越俎代庖，不仅不经济，而且低效。

三、采用的监测技术与监测目的相脱节

选择的传感技术不是根据监测对象的需求来设计和选择的，精度、分辨率、量程，数据采集制度等都是自说自话，导致不能很好地服务于监测目的。

四、缺乏对监测数据分析利用能力

由于缺乏对监测对象的结构特点和行为规律的了解，监测数据的处理分析多停留在数据的数学处理层面，没有与监测对象的物理、力学系统的运行机制相结合，因此对数据的解释、利用水平很低，不能最终实现承诺的目标，如对结构的状态识别、评估预警等目标。

总体而言，目前桥梁健康监测技术的发展现状是：

尽管热潮持续不减，然而一直以来桥梁结构监测并没有很好地解决几个基本问题，即‘为什么监测’、‘监测什么’、‘如何监测’等问题。

在经过将近三十多年的发展，对于结构监测的形式和手段，如传感技术、通讯技术、计算机软硬件技术等，都不再是监测的瓶颈技术；

而监测对象的工程结构本质，包括服役期结构的行为规律，依然没有了解透彻，因此仍难以做到有的放矢的监测；

某种意义上讲，工程结构监测的瓶颈仍然停留在结构本身，而不是外在的形式和实现的手段。

目前桥梁健康监测系统在设计、实施环节都存在诸多问题。桥梁健康监测系统的本质是对桥梁结构的环境、结构资深的特性以及结构的响应来进行监测来分析结构的运营和安全状态。传感器技术、数据采集和传输以及系统集成等笔者认为都是实施桥梁结构监测系统的基础和工具，桥梁结构监测系统的需求分析、目标设定、监测技术的选取以及系统中结构计算分析应该由熟悉桥梁结构的人员来完成。目前由于桥梁健康监测系统的市场不是很完善，一些传感器或系统集成商来主导一些系统的设计和实施，最终导致桥梁结构健康监测系统出现以上诸多问题。

3）桥梁健康监测系统不足的原因分析

造成上述四个方面的主要原因在于，系统的设计者过分聚焦在监测的形式和手段，而忽略了对其的工程结构本质的探究。

结构监测系统虽然在形式和手段上是利用传感技术、通讯技术、计算机软硬件技术、网络技术等来实现的，但其本质还在于监测对象的结构本质、力学本质。

对于桥梁监测系统的设计，应该在具体的技术设计之前，增加一个概念设计的环节，该环节应从传感器、通讯、信息技术的具体技术规划中抽离，只从结构的特点、力学行为规律的分析角度，集中地解决上述四点不足。

淡教授在谈到以上原因时在会议现场针对现状放了“一炮”，提到我们应该暂时忘掉“传感技术、通讯技术、计算机软硬件技术、网络技术”等厂家，让桥梁健康监测系统回归到桥梁结构的本身。根据监测桥梁对象的结构本质、力学本质来进行系统的设计、实施。在桥梁健康监测系统数据处理时提取合理的评价指标。

4）改进方向的建议

淡教授在桥梁健康监测系统存在的不足以及原因分析的基础上，对桥梁健康监测系统提出了改进方向的五点建议：

研究者、从业者和管理者应从具体桥梁工程结构的特点和实际监测需求出发，形成一套较为完善的桥梁结构监测系统概念设计理论和方法；

将对传感、通讯、信息技术等形式和手段的关注从桥梁结构监测系统的概念设计中剥离，使得设计者能够从更纯粹和专业的角度考虑和解决基础性监测问题，最终提升系统的品质；

以监测模式为主线，研究监测目标体系和指标体系的构建方法、监测方案设计和测点布置方法、监测指标的抽取算法和基于指标的状态识别和趋势跟踪算法；

加强桥梁健康监测系统概念设计，回答一直以来桥梁结构监测并没有很好地解决几个基本问题，即‘为什么监测’、‘监测什么’、‘如何监测’等问题。

暂时忘掉具体的传感技术、通讯技术和IT技术在监测中如何实现的问题，而是通过对桥梁结构的监测基本问题的一般化思考，建立以监测模式概念为核心的桥梁结构监测系统设计方法体系。

3、结构智慧监测的基本理论

桥梁结构智慧监测的基本理论基本内容包括：结构健康监测系统的概念基础、桥梁健康监测系统的设计流程、监测的模式、结构监测系统的设计体系、结构监测系统的概念设计、桥梁监测系统的全寿命和智慧化、全寿命特征的桥梁结构监测指标。

（1）结构健康监测系统理论大厦建立的概念基础

结构健康监测系统理论大厦建立的概念基础见下图：

图3 结构健康监测系统理论大厦的概念基础

（2）桥梁健康监测系统概念设计流程

桥梁健康监测系统概念设计的应以解决系统建设的必要性、主要工作方向和基本技术路线问题为主要目标。桥梁健康监测系统的设计阶段包括：概念设计、技术方案设计和实施方案设计三个阶段，其中概念设计流程见图4。

图4桥梁健康监测系统概念设计流程

（3）监测模式

监测模式包括监测目标、监测指标、监测方案（内容确定、测点布置、参数选择、采集制度）、指标识别算法（指标与可测量之间的数学模型关系）、状态识别与趋势跟踪算法（健康功能方程或指标与健康状态之间的数学关系模型）五项内容，见图5。

图5 监测模式

（4）基于监测模式概念的结构监测系统设计体系

基于监测模式概念的结构监测系统设计体系见图6。

图6 基于监测模式概念的结构监测系统设计体系

（5）结构监测系统概念设计

结构监测系统概念设计的流程：监测需求分析——结构损伤（病害）及性能演变分析——监测信息特征和指标体系的设计——监测模式的设计——多监测模式的集约与优化——桥梁监测系统的初步方案。结构监测系统概念设计的流程以及流程中各阶段与对应产出成果对应关系见图7。

图7 结构监测系统概念设计

1）监测需求分析

监测需求分析的内容：通过对结构的特点分析、荷载与作用的分析、管养决策需求的分析来设计合理的监测目标体系；通过可监测性分析及目标设计体系直接形成检测指标体系。

2）结构损伤及性能演变分析

结构损伤与性能演变分析内容包括结构建模分析、荷载与作用的建模以及损伤与退化的建模，并将结构模型与荷载预作用的模型进行耦合，进一步根据损伤与退化的模型进行模型的修正，然后进行模型的仿真分析。结构损伤与性能演变分析的结果一方面能够提供力学场信息，用于发现和设计新指标；另一方面形成指标阈值体系和参考趋势体系，这两方面均有助于形成和完善指标体系设计理论。结构损伤与性能演变分析的作用有三个方面：用于指导（状态识别与趋势跟踪算法）算法的设计；指导算法设计（定义性：指标识别算法）；指导测量网络（传感器逻辑组）设计与选型。

3）指标体系设计理论

指标体系设计理论包括指标优选、指标设计、监测指标的数学原理及物理本质。指标体系设计理论：可以直接形成监测指；直接形成测量网络；提供力学场信息，用于发现和设计新指标、形成指标阀值体系和参考趋势线体系。

4）监测模式设计

监测模式设计包括指标与可测量关系建模、测点优化布置、技术与参数选型、指标识别算法、状态识别算法，通过以上内容可以集组各要素，形成完整监测模式。

5）多监测模式的集约与优化

多监测模式的集约与优化通过测点网络的集约、算法的通用化设计、数据格式的统一，集组各监测模式，归并、优化形成多监测模式集成体系。

以上1）~5）的内容是笔者根据淡教授的逻辑框架图（图4）的理解供大家参考。

（6）桥梁监测系统的全寿命和智慧化

根据上述设计原则和指导思想，桥梁结构智慧监测系统将在两个方面与已有的监测系统形成明显的区别:

一是系统采用全寿命的设计理念进行设计，建成的系统可覆盖桥梁的整个服役周期；

二是系统具有智慧功能，将不再满足于数据测采集和存储，而是尽可能地将数据处理分析、特征和指标的抽取计算、基于指标或特征的结构状态评估预警、辅助管养决策功能软件化、自动化、智能化和实时化，最大程度解放人工数据分析的人力，加深分析深度，提高分析时效性，真正实现智慧高铁桥梁。

总之，按照基于全寿命指标的监测、识别、分析、利用而设计出来的监测系统，必然是具备全寿命特点的监测系统。