如何设计中小跨径桥梁监测系统？

2023年11月9日交通运输部《关于进一步推动公路桥梁隧道结构监测系统工作实施方案（征求意见稿）》。列出了特大桥梁471座，中小桥梁2200座，要求安装监测系统。什么是中小跨径桥梁？公路行业对桥梁“大小”的定义是基于两个指标，主跨长度和桥梁总长。如表1，
表1 公路桥梁分类标准

如果从公路桥梁监测系统全覆盖角度，针对中小跨径桥梁监测系统适用对象，我们不妨可以如下理解：2021年度《公路长大桥梁监测系统建设实施方案》附录401座特大桥和《关于进一步推动公路桥梁隧道结构监测系统工作实施方案》附录中471座大桥以外的所有桥梁。
2021年国务院安全委颁发了关于发布《城市安全风险综合监测预警平台建设指南（试行）》的通知，其中提到两阶段建设目标，第一阶段初步完成对辖区内燃气、供排水、人力、桥梁、综合管廊等城市生命线工程安全监测感知网络覆盖，初步建成城市安全风险综合监测预警平台。这个文件对应的就是城市生命线工程监测，其中的桥梁针对的是城市桥梁。城市桥梁以中小跨径桥梁为主，当然也有独立的跨江跨谷特大桥梁，粗放划分，城市桥梁大部分可以划入中小跨径桥梁。
粗略地说，中小跨径桥梁监测系统中的中小跨径可以是公路桥梁中401+471=872座以外的所有桥梁，和城市桥梁。
2、中小跨径桥梁监测系统规模有多大？（市场规模）
2024年4月26日交通运输部部务会审核通过了《关于进一步推动公路桥梁隧道结构监测系统工作实施方案（征求意见稿），成为正式文件。文件提出公路桥梁监测系统2030年之前全覆盖的目标，总数应该超过100万座。
城市桥梁总数我们没有统计数据，就桥梁监测系统建设，资源条件好的城市动不动全部城市桥梁全覆盖，动辄投入几个亿甚至大几个亿；有的三四线城市也要拿出两千万甚至几千万做桥梁监测。如成都市全市市管约300座桥梁全部安装监测系统总投入约5亿元；青岛市近600座桥梁监测系统规划资金5亿元；武汉市分几批次将全市桥梁全部安装监测系统，总投入超过5-6亿元；深圳市规划首批城市生命线工程项目，桥梁监测预算超过1亿元。2023年河南省办公厅发布《关于印发河南省基础设施生命线安全工程建设三年（2023-2025年）行动方案》，2025年底之前，城市桥梁监测全部覆盖。这是以省为单位城市桥梁监测全覆盖的第一份政府文件。
3、中小跨径桥梁监测系统设计与项目规模有关吗？（项目模式设计）
一座桥梁监测系统设计与整个城市几百座桥梁监测系统设计，从工程角度大不相同。几百座桥梁监测系统设计不是几百个单桥系统的简单叠加。大规模桥梁监测系统设计应该考虑规模化之后带来的一些列问题，如长期运维机制，预算的合理布局，项目建设模式，发包方式，技术生态的建设等等。有些大规模桥梁监测系统建设从业主管理角度想得简单了，以为硬件连通软件，不就成系统了吗？如此着手，最终可能一地鸡毛，后续需要大量的精力和成本去消纳。
大规模桥梁监测系统建设，无论是设计单位还是业主单位，均可以参考《第三代桥梁结构健康监测系统：模式、架构和生态》。我们提出的第三代模式是与至少四个地区大规模桥梁监测系统业主和相关承包方交流碰撞的结果，肯定有很大的参考价值。基于第三代模式建立起来的思考框架，我们给至少三个地区业主提供过如何建设和管理大规模桥梁监测系统的建议。其中提出了近10个大规模监测系统建设不得不解决的问题，这些问题敲定下来，项目建设才能顺利开展。
有些业主单位，在政策的要求之下，刚刚起步桥梁监测系统建设。我们的建议是先定模式，后定项目。模式是指，目前十几座或二十几座特大桥监测系统采取什么合作模式建设？是打造一家自己下属企业，以其为主构建整个技术生态？还是打散了零零散散发包出去完成部委要求即可？两种做法的业主都有，前一种业主的做法是以当前特大桥监测系统建设为契机，打造一个长效化实施主体和合作生态。工作基础打得牢固，2026年所有桥梁监测系统启动起来，管理上便会游刃有余。后一种业主做法导致系统零零散散，管理七零八落，针对几千座桥梁监测全覆盖时候也会手忙脚乱。
4、关于中小跨径桥梁监测系统设计相关问题（技术要点）
前面几个部分属于比较虚，更多针对业主单位，而系统设计人员往往乐意聚焦实的层面。针对中小跨径桥梁，到底如何设计监测系统？最近，我们碰到一个项目，桥梁上大车停靠，一个停车区最多密集停靠6辆大车，给桥梁安全带来很大挑战。这是有明确需求的监测项目，我们在技术方案中重点考虑：（1）汽车荷载监测，正常行驶状态下汽车荷载监测，统计汽车荷载模型。（2）汽车桥上分布监测，监测汽车在桥梁上布载位置。（3）重载布置给桥梁结构带来的可能性损伤，如单梁挠度，梁间横向联系，单板受力的可能性等。同时为业主搭建了上一部分所阐述的长效化组织方案和技术生态。抛开这个案例的具体需求，中小跨径桥梁监测应该考虑哪些问题呢？
（1）中小跨径桥梁监测系统设计的预期功能是什么？
设计一座桥梁监测系统，目标是实现什么功能，起到什么作用？特大桥监测系统预期设计功能包括：
1）设计验证。基本假定是大型复杂结构体系桥梁，设计假设中与实际桥梁未必符合很好，通过桥梁建成后的实测数据看看与设计假设之间有多大出入，是否在安全允许范围内。比如，青马桥建成后有人说抗风设计不够，经过几次台风作用下对风荷载和结构响应数据监测后发现抗风杠杠滴没有问题。又比如，虎门大桥异常振动，如果有监测系统，可以算算模态阻尼，到底有没有下降很多。如此等等吧。
2）损伤识别。通过监测系统的实时数据分析，识别桥梁上的病害和损伤，以采取及实的措施。有些学者将监测系统损伤识别能力分成几个等级，如：I能够发现桥梁损伤，II能够发现损伤并能够确定损伤位置，Ⅲ发现损伤，确定损伤位置，确定损伤类型和程度。学界在这个领域探索了许多年，工程实际应用效果都不太理想。
3）桥梁评估。这里桥梁评估是指承载安全评估，包括两个方面，一是荷载，一是抗力。荷载建模基于实测数据，如风荷载，如汽车荷载等；抗力建模原则上应该考虑结构损伤和劣化，但是难度比较大。从适用性来看，假设抗力不折减，荷载用实测数据搞准确，评估也能够有较强的工程意义。
针对中小跨径桥梁，设计的预期功能是什么呢？
1）监测某些参数的最大值？有些中小跨径桥梁监测系统设计的目标是针对某些参数，获取其最大值，比如有裂缝的桥梁监测裂缝开展情况，支座偏位的桥梁，监测支座位移等等。两个问题：①如果单纯监测某个或某几个参数最大值，应该按需选定桥梁，而不应该全部覆盖？②如此设计监测系统，从设计上与传统监测系统没啥本质区别，可以借鉴以往的经验，但是传统的监测设计也应该是按需而设？
2）设计验证？中小跨径桥梁设计技术较为成熟，基于实测数据对设计验证的必要性并不是很高。汽车荷载与设计荷载差别很大，如果验证汽车荷载只需在整条路段或者某个地区选择不同点位安装监测设备，建立路段上或地方化汽车荷载模型即可，全覆盖的意义也不是很大。
3）损伤识别？特大桥可以投入很大经费安装监测系统，中小跨径桥梁，出于成本考虑，监测系统投入并不会很大，在低成本条件下实现损伤识别的可能性有多大？
4）桥梁评估？荷载层面，路段监测和地区监测即可；抗力层面监测系统无法识别损伤，损伤可能还得有赖于人工检测。
中小跨径桥梁监测系统设计的目标功能如何定位？难道论证来论证去，不得不回归到对某些参数的最大值监测？某些地区推动轻量化监测系统，轻量化监测系统设计目标功能如何确定的？但是，无论是交通运输部针对公路桥梁，还是应急管理部和住建部针对城市桥梁，几乎都在力推监测系统全覆盖。问题变成：如果桥梁监测系统覆盖全部的所有的桥梁，如何设定功能目标？
如果桥梁监测系统覆盖所有的桥梁，设计中设定的目标功能应该适用于所有的桥梁。最近几天跟桥梁外行人工智能领域的朋友谈到这个事情，他们有不同于业内人士的“外行”看法。他提出，中小跨径桥梁监测系统设计首先要针对构件而非桥梁，相同类型构件获取相同的标准化的数据，用这些模式相同数量众多标准化数据能够对大模型进行较为精准的训练，输出结果应用于“统计边界”内所有的桥梁，有可能给出有意思的结果。这个观点，与数字化桥梁管理系统中的网络级和项目级概念划分从数学角度居然异曲同工。
按这个启发，我们不免发问，全覆盖的桥梁监测系统能否指向桥梁养护数字化？
这里面插入桥梁养护数字化的两个概念。
1）桥梁评估。桥梁评估是分层面的，第一层面是桥梁构件技术状况分级，构件而非桥梁和部件的分级。第二个层面是桥梁总体指标，总体指标可能包括技术层面也可能包括技术和经济两个方面因素，甚至有的只包含经济因素。总体指标的目的是从众多桥梁中，筛查出来桥梁，优先给与分配维护资源。第三个层面，承载能力评估，评估结果用于大中修决策；第四个层面详细评估，用来选择桥梁加固维修的技术方案选择。全覆盖的中小跨径桥梁监测系统，功能目标定位在哪个层面的评估呢？
2）网络级优化和项目级优化。网络级是针对桥梁构件，针对某类桥梁构件划定一个“统计边界”，如某座城市或某个地区，在该统计边界内基于历史数据统计此类桥梁构件退化规律及对应的维护策略，这些统计结果在没有数据更新的前提下适用于统计边界内所有桥梁。而项目级是针对某座桥梁，将网络级构件优化结果纳入其中，在不同桥梁之间分配资源。这是网络级和项目级的原始要义。如果全覆盖的桥梁监测系统指向桥梁养护数字化，是构件监测系统？还是桥梁监测系统？
全覆盖的桥梁监测系统设计，预期功能如何设定？请各位同仁讨论交流，这是中小跨径桥梁监测系统设计的大前提，目标明确才能有的放矢，选择合适的传感器及数据算法。
（2）构件监测？还是桥梁监测？
如果不做深入的讨论，构件监测有些无稽之谈；换个理念和思路，构件监测未必没有其技术上的逻辑连贯性，这取决于中小跨径桥梁监测系统的指向；如果指向数字化，构件监测值得考察，如果指向构件层面的评估，构件级或网络级监测值得论辩。这里先从概念上占个坑，如果有构件监测系统，那么网络级监测也应该是针对构件，而非桥梁数量多就叫网络级监测。
（3）检测数据和监测数据如何融合？
人工定期检测数据和监测系统数据如何融合？有些学者用的较为时髦的概念是检/监融合。针对这个问题我们未能给出很好的答案。但是可以尝试解答这个问题的角度。监测数据与检测数据融合，往哪个方向去融合？是往构件评估层面融合，还是往桥梁承载能力评估层面融合？这个大前提需要搞清楚！
1）中小跨径桥梁监测数据大概率需要往桥梁构件评估层面去与检测数据融合。但是目前面临的最大问题是，桥梁养护规范构件分类较为粗糙，其目标是为了构造全桥指标而设定，如此需要养护规范也得努努力往数字化层面转型转型，也就是笔者以往提的桥梁检测由报告模式向数据模式转型。
2）如果路段安装汽车称重系统，荷载数据大概率需要往桥梁评估层面与检测数据融合。特大桥梁监测系统数据大概率往全桥承载力评估层面融合。如果我们确定了监测数据与检测数据融合的方向和层面，会有的放矢，也不太会去苛责大跨径桥梁监测系统为啥就不能给识别构件层面局部损伤了。
（4）能否指向数字化？
百万桥梁监测系统全覆盖，这个投入可不小啊，所以指向桥梁养护数字化不是能不能的问题，而是必须的问题。针对大规模特大桥监测系统建设，我们在第三代模式中极力倡导业主单位挤出来一丢丢经费，启动特大桥梁养护数字化，口干舌燥效果并不明显。特大桥梁总数不超过1000座，在百万座桥梁中占比千分之一，即便养护数字化未能启动，也就算罢了。但是百万座桥梁监测系统全覆盖，而未能实现桥梁养护数字化转型，有些说不过去哈。那如何指向养护数字化呢？三个方向需要努把力。第一、首先需要搞定什么是桥梁养护数字化？目前来看，概念体系较为复杂，希望行业能够做较为严谨的学理化定义。第二、马上启动桥梁养护数字化方面的研究和设计，赶上百万桥梁监测的工程节奏和步伐。监测跑的快，养护数字化原地打转，这挺让人担忧的事情。第三、中小跨径监测系统设计需要进一步研究，切忌方向不明，功能定位不明的情况下，快速推出技术标准，一刀切下去，造成落后系统普遍应用的既成事实，后续也挺麻烦。
（5）有哪些可能的新的监测技术？
针对中小桥梁监测，我们也在研究可获得的监测技术。我们自己探索的方向是低成本传感器密集布点，配合人工智能算法对数据分析，与桥梁构件技术状况评级相结合。最近我们获得一笔经费，可以设计真梁验证试验，对监测技术和算法进行试验验证。具体包括：
1）无监督学习算法在桥梁监测系统数据分析上的适用性。
2）微波雷达挠度监测
3）高密度低成本振动传感器布点方式
4）法国node设计理念开发的成套设备。
5）光纤阵列对损伤识别的可行性
6）军方一个周界监测算法在结构监测领域的适用性
当然，有更好技术的同仁可以帮忙补充啊。
5、针对中小跨径桥梁能否开发标准化的监测系统？
好多机构也在研究针对中小跨径桥梁监测的标准化系统，能否标准化看哪个层面的标准化。针对每座桥梁的布点设计可以根据不同桥梁结构型式分别开发标准化的监测方案；针对大规模项目层面，必须基于外部约束条件，一一研究设计，难以做到标准化方案。
6、中小跨径桥梁监测系统的标准化？
据传，11个省份2200座中小跨径桥梁监测系统试点完成后，由相关部委组织，2025年底之前出台中小跨径桥梁监测系统标准规范。2026年之后，按这个标准规范指导，启动大规模中小跨径桥梁监测系统建设。
标准化是必经之路，但是我们的担忧是基于当前设计理念，设计方法，监测技术，未经深入研究而编制的技术标准一旦形成官方意志，于是设计师千篇一律的照本宣科，其行业结果如何？如何避免？应该鼓励11个省份分别各自进行设计和技术方面的探索，形成不同工程经验，互相博弈形成标准，标准才具有较为广泛的代表性。11个省份，一个模版，只能这一个模板上升为标准规范。
我们的提倡是，中小跨径桥梁监测系统设计应该深入研究，应该能够指向数字化，从而借助这个大的资源投入，把中国桥梁养护彻底推向数字化阶段。
我们仍然秉持着最为深度的担忧，统一的声音说，中小跨径桥梁监测系统就是数字化啊，除此以外没有其他的养护数字化啊。
7、尾声
文章题目是“如何设计中小跨径桥梁监测系统？”那如何设计呢？我们经验有限，难以给出标准答案！只是提出了几个问题，以期抛砖引玉，引起广大同仁的共鸣和思考，共同讨论交流，共同推动行业进步。
 

文章来自公众号： @检师学社