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　　一、背景 
　　隨著改革開放以來經(jīng)濟的快速發(fā)展，國內(nèi)的交通網(wǎng)絡在不斷的豐富、完善，橋梁建設迎來了建設的黃金時代。橋梁不僅在公路交通運輸中發(fā)揮著至關重要的作用，而且在高鐵架設過程中具有不可替代的地位。伴隨著橋梁的建造技術的迅猛發(fā)展，近幾年來國內(nèi)涌現(xiàn)出了許多大型，特大型的橋梁，如湖南矮寨大橋，杭州灣跨海大橋等，這些非凡的成就既展現(xiàn)了中國橋梁技術的騰飛，也大大提升了中國橋梁工程建設的國際地位。因為國內(nèi)橋梁現(xiàn)代化建設起步時間較晚，因而大部分橋梁結構強度仍處在合理的范圍內(nèi)，尚未出現(xiàn)結構疲勞，然而隨著時間的遷移，橋梁結構的健康問題將會凸顯出來。如何做到結構隱患早發(fā)現(xiàn)，早排除，這不僅關系到人民群眾的生命財產(chǎn)安全，而且還能為業(yè)主挽回巨大的財產(chǎn)損失。因此，健全并完善橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)是亟待當代橋梁人解決的課題。 
　　二、橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)概述 
　　多年來，橋梁結構的安全狀況一直是公眾特別關注的問題。目前國內(nèi)外的大型橋梁普遍面臨結構安全隱患。在西方發(fā)達國家經(jīng)濟騰飛的時期里，就已經(jīng)建設了眾多大型，特大型的大橋，但隨著時間的推移，許多橋梁的使用年限已超過50年以上，1/3以上的橋梁使用效率很低或者干脆放棄，每年都要投入幾十億美元經(jīng)行維護。然而，國內(nèi)的橋梁健康監(jiān)測體系發(fā)展速度遠遠滯后于橋梁的建設速度，近幾年發(fā)生了多起重大的安全事故，2007年8月，湖南湘西土家族苗族自治州境內(nèi)的堤溪沱江大橋突然垮塌，導致64人死亡；2010年7月，洛陽欒川湯營大橋整體垮塌，導致52人死亡， 18人失蹤；隨著鐵路、高鐵的快速建設，鐵路橋也面臨新的考驗，2010年8月，寶成鐵路德陽至廣漢間石亭江大橋被洪水沖垮。以上事故除了施工方面的問題外，而且還有經(jīng)常年超負荷的營運作用，導致了橋梁結構產(chǎn)生了疲勞損傷，加之缺乏及時的健康監(jiān)測，使得結構疲勞累積，最后導致了橋梁垮塌的慘劇，如果能及時發(fā)現(xiàn)結構隱患，并盡早排除，就能極大地減少或杜絕事故的發(fā)生，因此橋梁結構健康檢查系統(tǒng)應運而生。 
　　為了能滿足系統(tǒng)正常、高效工作，目前結構健康監(jiān)測系統(tǒng)（Structure Health Monitoring System ， SHMS）由五大子系統(tǒng)組成： 
　　（一）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 
　　目前，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是由多種傳感技術組成，傳感技術種類主要包括了光纖傳感器、實時動態(tài)定位、聲發(fā)射、壓電材料等。多種傳感技術各有優(yōu)缺點。 
　　光纖傳感器，目前具有傳導速度快、耐腐蝕、抗干擾能力強、靈敏度高等優(yōu)點，但是光纖傳感器的耐久性與在復雜環(huán)境下的運行精度有待提高。 
　　實時定位技術，主要是通過GPS，GIS等技術實現(xiàn)在3D坐標上定位橋梁結構的位置與變形，可以實時掌握橋梁在風荷載，動荷載的作用下的應變。目前，中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的第一個民用示范工程--重點運輸過程監(jiān)控管理服務示范系統(tǒng)于2013年1月1日正式啟用，因此，實時定位技術在SHMS的未來發(fā)展中將會發(fā)揮更重要的作用。 
　　聲發(fā)射，主要是通過發(fā)射超聲波來監(jiān)測橋梁結構的細小裂縫，該技術相對來說較為成熟，類似的系統(tǒng)已經(jīng)在道路監(jiān)測中廣泛地運用，但是在橋梁的實時監(jiān)測中尚有不足，一是聲源的選取，在面對橋梁復雜的結構，聲源的選取至關重要，選擇什么地方來放置，以獲取最好的效果，這個問題在面對橋梁結構與所處環(huán)境有噪聲的時候，變得尤為棘手。二是采集的數(shù)據(jù)，傳感器所采集的數(shù)據(jù)主要為細小裂縫的聲波反饋數(shù)據(jù)，因此，存在微小的裂縫不易被發(fā)現(xiàn)，且對于尚未產(chǎn)生裂縫處的應力集中現(xiàn)象不能很好的反饋給業(yè)主，容易導致橋梁結構的損壞。因此，聲發(fā)射技術還需要繼續(xù)深入研究。 
　　壓電材料，具有成本低、生產(chǎn)簡單、響應快、機械強度高、耐久性能好、動態(tài)輸出能力強、可靠性高等優(yōu)異性能，因而在SHMS中具有很大的潛力。壓電材料在SHMS中的應用主要有主動、被動兩種方式。但是目前主動監(jiān)測技術在土木工程結構長期健康監(jiān)測中的應用非常有限，絕大部分的成果還處于理論、試驗階段。 
　?。ǘ?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng) 
　　目前，隨著無線傳感網(wǎng)絡技術（WSN）的發(fā)展，由傳感器采集的大量數(shù)據(jù)能夠及時的傳輸?shù)街醒胩幚砥?。無線傳感器網(wǎng)絡是一種分布式傳感網(wǎng)絡，它的末梢是可以感知和監(jiān)測外部世界的傳感器，WSN中的傳感器通過無線方式通信，網(wǎng)絡設置靈活，設備位置可以隨時更改，因而可以隨不同的橋梁結構，而更改傳感器的位置，以獲取準確的數(shù)據(jù)，并且無線傳感器網(wǎng)絡具有類型繁多的傳感器，不僅能收集噪聲、風荷載、動荷載、車輛的移動速度等數(shù)據(jù)，還能采集周圍環(huán)境的多種數(shù)據(jù)。WSN具有規(guī)模大、自組織、動態(tài)性等特點。因此，WSN可以通過分布在不同位置的傳感器采集更大性價比的數(shù)據(jù)，傳感器的數(shù)目巨大和種類多樣化促使監(jiān)測精確度大幅度提高，降低了對單個節(jié)點傳感器的精度要求，大量冗余節(jié)點的存在，使得系統(tǒng)具有良好的容錯性?；谧越M織、動態(tài)性的特點，使得當有部分傳感器節(jié)點由于環(huán)境因素或能量耗盡造成的失效時，其余的節(jié)點能通過無線連接，自動接替失效傳感器的工作，這樣網(wǎng)絡的精度得到了保證。隨著技術的發(fā)展使得部分節(jié)點傳感器擁有微處理器，能夠?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)先行處理，消除偶然或系統(tǒng)誤差和去除因傳感器失效造成的錯誤數(shù)據(jù)，進而提取有效信息，減少傳輸數(shù)據(jù)量，減小能耗。 
　?。ㄈ?shù)據(jù)處理系統(tǒng) 
　　目前，數(shù)據(jù)處理可分為硬計算和軟計算兩類。顧名思義，硬計算指的是通過傳統(tǒng)的算法，算出嚴謹、確切和精準的值，實際上由于橋梁結構處在一個隨時改變的動態(tài)荷載環(huán)境中，導致結構的應變處在一個不確定，不精確的范圍內(nèi)，使得硬計算在實際工程中并不適用。而軟計算指的是系統(tǒng)運用模糊運算，統(tǒng)計運算等智能計算方法。在實際運用中，軟計算會對數(shù)據(jù)進行比較對比，對傳感器失效造成的數(shù)據(jù)丟失，錯誤，進行必要的修正和驗證，會對系統(tǒng)的正常，高效工作起到優(yōu)化作用。 
　　（四）數(shù)據(jù)評估系統(tǒng) 
　　對于橋梁結構的使用壽命可分為三類：技術性使用壽命、功能性使用壽命、經(jīng)濟性使用壽命，而目前的使用壽命都是從技術壽命考慮的。系統(tǒng)性的評估在于確定系統(tǒng)的評定基準，建立一整套指標體系，統(tǒng)一量綱，確定每個影響因素所占的權重，目前可使用的方法有層次分析法、模糊綜合評定法等，現(xiàn)在面臨的問題一是系統(tǒng)評估的主觀性太強，主要使用專家打分法；二是面對傳感器傳輸?shù)暮Ａ繑?shù)據(jù)，如何進行取舍，目前沒有統(tǒng)一的衡量規(guī)范。系統(tǒng)在面對不同環(huán)境因素，橋梁結構，荷載類型時，需要建立不同的數(shù)學模型。為了能使SHMS適應更多復雜的外部環(huán)境，如何建立一個健壯的數(shù)學模型，仍需要進一步研究。 　　三、橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的未來 
　?。ㄒ唬﹤鞲衅鞯男阅芘c分布 
　　目前，現(xiàn)有的傳感器普遍面臨的問題是精度低，耐久性弱，解決該問題就僅通過增加傳感器的數(shù)目來增加系統(tǒng)冗余，來提高系統(tǒng)的容錯性。但新問題也隨之出現(xiàn)了，一是如果在橋梁所有自由度上安裝傳感器，那將會大大增加系統(tǒng)成本，并且會增加后期維護費用，二是傳感器的增加意味著增加了數(shù)據(jù)量，使得系統(tǒng)需要進行更多的數(shù)據(jù)處理，而如何建立適用性更強的損傷識別指標，就決定SHMS能否高效的運行。在未來，如何增加傳感器的靈敏度和精度；如何通過傳感器的優(yōu)化分布來提高獲取最大數(shù)據(jù)量，這兩方面將是研究的重點。 
　　（二）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的優(yōu)化和智能 
　　數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的心臟，因此處理系統(tǒng)的好壞直接決定了整個系統(tǒng)的性能。目前，處理系統(tǒng)主要在兩個方面尋求突破，一是對處理系統(tǒng)的數(shù)學模型的優(yōu)化，使其能面對更復雜的，更龐大的數(shù)據(jù)鏈，能適應更復雜的環(huán)境；二是處理系統(tǒng)的智能化，隨著智能時代的到來，如何將處理系統(tǒng)與云計算、大數(shù)據(jù)庫相結合，運用已有的案例解決自身的問題，這將是未來研究的重點。 
　?。ㄈ┙Y構健康監(jiān)測系統(tǒng)的功能整合和定位 
　　目前，在中國許多沿江城市里，都能看見結構健康監(jiān)測系統(tǒng)運用在橋梁集群中，如何將這些系統(tǒng)進行有效整合，實現(xiàn)資源共享，規(guī)范統(tǒng)一，這就需要從國家層面進行調(diào)控。將眾多獨立系統(tǒng)的信息進行共享，就必然會面臨系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈的共享，這就不得不觸及商業(yè)機密與國家安全，因此，在未來系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的過程中如何做到信息的安全管理，這將關乎到系統(tǒng)的能否高效利用的問題。結構健康監(jiān)測系統(tǒng)理論尚不完善，在實際運用中仍會遇到許多困難，因此SHMS目前的功能定位仍然是人工的輔助系統(tǒng)，尚不能替代工程師的職責。因此，在未來的運用中應該不斷總結使用經(jīng)驗，來完善結構健康監(jiān)測系統(tǒng)理論，使SHMS能在未來橋梁監(jiān)測工作中發(fā)揮更大作用。 
　　四、結語 
　　隨著中國城鎮(zhèn)化進程的推進，無論是公路橋還是鐵路橋的建設都將加快步伐，在這個大環(huán)境下，橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的產(chǎn)生順應了時代發(fā)展的潮流，接下來如何完善系統(tǒng)將會是未來橋梁人研究的重要課題。