桥梁集群智能化运维技术探讨

（新疆维吾尔自治区公路工程造价管理局，新疆乌鲁木齐830000）

我国桥都重庆市现有桥梁总数已经超过14000座，其中跨江桥梁超过100座，山区复杂环境桥梁的数量也在持续增加，桥梁的运维管养任务极其繁重。

目前，我国现存桥梁总体上呈现出数量多、投资大、桥型多、跨度大、运营环境复杂等特点。一方面桥梁数量庞大，另一方面桥梁智能化运维系统总体规划不足、现有检监测技术及诊断水平存在局限性，桥梁的建设与运维没有实现全生命周期的规划，不同桥梁仍然采用不同的健康监测和运维管理系统，并没有真正实现桥梁的智能化运维，增加了桥梁管养难度。在新一代信息技术、人工智能、大数据等高新技术的兴起并应用，以及智慧交通的大背景下，桥梁集群智能化运维技术的研发显得意义重大。

一、国内外研究进展

桥梁集群智能化运维由桥梁远程无损检监测、诊断、维修养护等领域构成，在这些领域国内外已经出现了一批杰出的“桥梁医生”。在桥梁结构无损检测研究方面，自20世纪90年代起，国内外围绕桥梁内部钢筋的锈蚀、拉吊索腐蚀、断丝和桥梁破坏应力的无损量化检测等难题已经取得了一些重大突破。

重庆交通大学副校长周建庭等人一是发现了混凝土桥梁内部钢筋锈蚀产生漏磁场，导致自发磁场发生变异的特性，揭示了桥梁内部钢筋锈蚀范围和程度与自发磁场变异特性的相关性，并提出了辨识钢筋锈蚀区段长度的方法，建立了确定钢筋锈蚀深度的模型；二是揭示了拉吊索腐蚀断丝位置和范围与自发磁场变异特性的关联度，提出了辨识拉吊索腐蚀与断丝位置的有效方法；三是构建了基于自发漏磁场轴向扫描曲线畸变和漏磁场偏离率的钢筋应力状态检测和诊断技术，研发了基于磁记忆效应的钢筋混凝土桥梁破坏应力状态无损检测技术。

在桥梁智能监测与状态评估研究方面，周建庭等人进一步优化了静态、离线的工程结构可靠性评价方法，将其转变为通过大数据进行的动态、在线的大型桥梁安全远程监测系统的安全评价，构建了基于结构响应包络、劣化效应和时变可靠性的桥梁安全评估理论和技术，研究并提出了预埋-表贴全寿命“接力”监测模式，攻克了大型桥梁实用监测和评价技术众多难题。此外，该团队通过研究提出了机敏网仿生裂缝仿生监测系统，解决了混凝土结构裂缝在线监测等问题；研发了高耸结构智能扫描与图像处理一体化裂缝检测机器人、基于脉冲涡流红外热成像的混凝土结构钢筋锈蚀度检测技术，研制了适用不同环境的多种桥梁挠度监测系统、悬索桥锚碇结构蠕变监测系统、索塔塔顶水平二维位移监测系统，实现了桥梁结构状态参量的立体感知。

在桥梁先进维护与性能提升技术领域，国内已经研发了钢筋混凝土套箍封闭主拱圈加固拱桥技术、截面转换加固T型（π型）梁桥技术、基于位移影响线的体外预应力加固连续刚构桥技术、多点支承体系加固拱桥技术、“刚度—内力调整法（俗称‘二强扶弱’）”、横张预应力碳纤维加固技术、新型预应力FRP片材加固技术等多种旧桥加固创新技术。此外，不断完善机理研究，揭示了肋拱桥关键截面箱型转换加固机理、提出了基于组合截面内力分配的拱桥加固内力计算方法等。在构建评价指标体系的基础上，运用模糊层次分析方法优选石拱桥加固方案，通过数学原理对多种桥梁加固方案进行优选与桥梁加固质量检验综合评定，提出了使用承载力提高率、恒载应力变化率、荷载置换率、加固层利用率4个强度评价指标对桥梁加固增强效果的评价体系，对桥梁加固系统化、规范化、理论化的发展起到一定的促进作用。

二、需要关注的问题

国内外虽然已经在桥梁远程实时监测，状态评估与诊断，性能加固技术领域有不少突破性进展，但由于我国目前桥梁智能化运维系统总体规划不足，以及现有检监测技术及诊断水平也有限，因此下一阶段在该领域需进一步深入研究和解决的问题包括以下几点。

（一）关键科学问题

1.桥梁隐蔽结构损伤与自发漏磁特征的定量关系模型。

2.桥梁智能感知与状态评估理论。

3.基于智能状态感知的桥梁先进维护决策理论和技术体系。

（二）关键技术问题

1.基于自发漏磁检测技术的桥梁隐蔽结构损伤智能检监测技术和装备研发。

2.基于多源异构传感信息融合的桥梁服役状态精准诊断和自评估、自预测技术。

3.基于智能状态感知的先进维护决策和智能化运维体系构建。

4.用于桥梁维护加固的高性能材料开发。

为了解决桥梁上述问题，需要以我国庞大的桥梁为依托，以大数据为引领，开展桥梁智能感知与维护基础理论研究，揭示环境/荷载耦合作用下桥梁结构长期性能演化机理，尽快建立桥梁结构长期性能保障与提升技术，突破桥梁隐蔽结构缺陷智能检监测理论和关键技术，攻克桥梁结构状态全息感知和状态解析难题，引领桥梁智能化运维技术及相关产业的发展。

三、未来研究展望

（一）桥梁钢结构损伤检监测新技术与新装置研发

结合深度学习、模式识别、机器学习等人工智能方法，研发基于自发磁场变异特性的桥梁内部钢筋锈蚀、拉吊索腐蚀断丝、桥梁破坏应力的精准识别和无损量化检测技术，提高桥梁隐蔽病害无损量化检测的精度和准确率。

（二）桥梁智能感知与状态评估理论与应用

研究基于深度学习算法的桥梁状态识别预处理理论，构建桥梁监测信息故障自诊断与识别、海量监测信息预处理及监测信息特征指标选取体系。此外，构建基于可靠度与动态评价指标的桥梁评估与预测理论，形成结合智能监测、信息处理与分析预测的桥梁服役状态自诊断、自评价、自预测理论体系。

（三）桥梁先进维护与性能提升技术与应用

从基础理论、新型材料、智能方法、改进技术等多方面切入，解决多对象共享互感的运维状态、解析方法和预测模式，桥梁养护最佳时机与最佳适应性养护手段预测与决策，桥梁超限，服役环境，自然灾害等因素的耦合作用下桥梁性能提升，性能提升前后结构耐久性评估等问题，形成基于智能状态感知的桥梁先进维护决策理论和技术体系。

（四）高性能材料应用于桥梁维修加固的关键技术开发

从理论基础、新材料制备、设计与施工关键技术等方面入手，研发高性能材料应用于桥梁维修加固的关键技术。

四、结语

国外发达国家的工程建设经验表明，建设高峰之后养护管理压力将会接踵而至，因此桥梁集群智能化运维技术的研发对交通基础设施运行检监测技术的发展、养护水平的提高，养护管理的专业化、信息化、高效性、设施耐久性和可靠性的改善具有重要的积极意义。此外，该技术的研发并应用对于推广交通基础设施运行检监测技术起积极的推动作用，也为交通强国发展目标的建设奠定了坚实的现实基础。