源智慧清加慧持虹桥：梁管养

文/本刊记者 汪玚

桥梁结构监测技术在桥梁及隧道的突发事件应急管理、结构损伤成因分析、指导养护等多个方面发挥着重要作用。针对山区桥隧结构安全保障，现有的监测解决方案可以解决什么问题？实现桥梁结构健康监测又面临着怎样的挑战？

北京源清慧虹信息科技有限公司（以下简称“源清慧虹”）首席技术官吴猛、应用创新总监韩亮在2021中国山区桥梁与隧道结构安全技术交流会上，分别以“基于无线传感技术的桥梁安全运营综合管养平台”“桥梁结构健康监测中的算法工程实践”，介绍了源清慧虹在桥隧监测方面的实践经验。

桥梁数字化、自动化、智能化已成必要趋势

从建成、学会到奋发追赶、超越引领，中国广泛应用新技术、新材料、新工艺、新设备，拉开了我国现代梁桥、拱桥、斜拉桥和悬索桥的建设序幕，奠定了中国现代桥梁向“大跨、轻型、高强”发展的方向。可以说，我国桥梁从数量、规模到质量，均已走在世界前列。

然而，我国虽是桥梁大国，却是管养弱国。

原交通部总工程师凤懋润曾在2015年接受采访时表示，当时我国约有50万座桥存在养护难题。

步入新时代，桥梁养护面临新的挑战。

交通运输部副部长戴东昌在2021年1月7日的电视电话会议中指出，我国公路桥梁取得了举世瞩目的成就，有力保障了人民群众出行安全和经济社会高效运转。但与此同时，我国危病桥梁多、老旧桥梁多、低荷载桥梁多等问题与部分桥梁即将达到设计使用年限、桥梁养护高峰期即将集中到来、部分桥梁“未老先衰”等中长期风险交织叠加，存在复杂周期性问题，迫切需要系统性解决。

近年来交通运输部发布的桥梁智能监测相关政策文件

2020年12月28日，交通运输部印发了《关于进一步提升公路桥梁安全耐久水平的意见》，明确到2025年，基本完成2020年底存量四、五类桥梁改造，对部分老旧桥梁实施改造，国省干线公路新发现四、五类桥梁处治率100%，实现全国高速公路一、二类桥梁比例达95%以上，普通国省干线公路一、二类桥梁比例达90%以上，跨江跨海跨峡谷等特殊桥梁结构健康监测系统全面建立。到2035年，公路桥梁建设养护管理水平进入世界前列，基本实现并不断完善管理体系和管理能力现代化。

从交通运输主管部门出台的一系列政策文件中也可以看出，桥梁数字化、自动化、智能化已成为必要趋势。

北京源清慧虹信息科技有限公司首席技术官吴猛（源清慧虹供图）

桥梁监测：病害早发现、早治疗、低成本、低风险、低碳环保

在吴猛看来，桥梁结构安全管理养护的要点应在于把控“时刻”与“时期”，掌握“局部”与“整体”。即由预防性主动养护、结构监测与人工检测结合、信息化综合养护管理平台共同组成桥梁结构安全与耐久性综合评估，用以辅助决策。

基于物联网感、传、知、用技术，适用于桥梁施工期及运营期结构监测。源清慧虹提出的集硬件、软件、数据、算法为一体的桥梁结构监测系统整体解决方案，可在施工期监测确保桥梁建成后的内力状态和外形曲线满足规范和设计理论要求；桥梁运营期，结构监测通过各监测指标参数数值、变化趋势的合理计算和分析对桥梁工作状态进行评估和预报，以确保桥梁管理者随时随地了解桥梁的安全运行状况，辅助进行科学决策。

通过传感器获取桥梁结构设计、环境荷载、结构响应、人工检测等数据，通过算法完成数据清洗、统计分析、力学分析等，对桥梁结构状态进行分析评估，对结构可能存在或潜在的异常进行报警，从而形成可执行的管养建议，为管养决策提供可靠依据。

吴猛认为，智能无线传感网部署灵活、实时性好，在安全应急和赋能行业等方面优势显著，是基础设施结构新一代监测技术。

桥梁结构健康监测已经成为目前在桥梁运营阶段采用的维养新技术。“我国已有近千座各类桥梁安装了结构健康监测系统。人工智能的技术进步为桥梁结构健康监测提供了诸多应用场景。”同济大学桥梁工程系主任孙利民在2021年6月的第一届桥梁结构健康与安全论坛中表示。

据了解，源清慧虹桥梁结构监测系统整体架构分为实地部署的传感网和在线监测云平台两部分。“依据标准规范体系，赋能安全运营。开放标准开发接口，赋能平台扩展集成。”吴猛介绍说，该桥梁结构监测系统以“三化六能”助力智慧管养。

“三化”，即通过基础设施档案系统实现数字化、通过检测/监测系统实现自动化、通过数据驱动管养实现智能化；六能，即信息资产管理、实时报警/应急响应、智能报告报表、专业结构评估算法、动态运营管理（自动化定巡检）、BIM & GIS可视化。

而这样的桥梁结构监测系统还具备更多优势。

安装了源清慧虹健康监测系统的泸州沱江三桥（摄影：王宇）

“我们通过无线传感网技术具有超低功耗、时间同步、触发联动、OTA空中升级等领先技术；通过前端分析、云端分析和离线分析等技术实现结构分析；通过两端协同智能技术实现前端智能、端云协同、数据/算法中台、硬件中台。”吴猛说，“我们还研发了权威机构认证的30余种无线传感器和30余套安全评估软件，可通过索力计、振动计、温湿度计、倾角计、网关、阵线应变计等硬件产品完成数据获取；通过数据清洗技术处理缺失、噪声、跳点、突变漂移、连续漂移等；充分利用监测系统的海量数据，研发了专门适用于监测场景的自动模态参数识别算法，实现模态参数变化趋势的长期跟踪；报警预警；同时，建立管养专家知识库，基于报警结果，明确关联管养动作，为养护决策提供数据支持。”

算法：桥梁监测的“金钥匙”

数据、算力、算法被誉为人工智能的三大基石。其中算法的迭代更新引领了人工智能技术演进，也将是未来人工智能突破发展的关键所在。

有人说，在人工智能领域，如果没有算法，智能就只是“传说”，没有灵魂。

算法代表着用系统的方法描述解决问题的策略机制。也就是说，如果算法有缺陷，或不适合，执行算法就将不会解决问题。如果缺少核心算法，碰到关键性问题时，就会遭遇“卡脖子”。

桥梁结构监测系统的顺利运行，硬件、软件、算法三者缺一不可。

韩亮通过桥梁结构监测系统中算法研发、算法落地和算法应用三个层面，回答了算法从哪里来、到哪里去和怎样被使用的问题。

算法研发：从哪里来？

韩亮指出，算法来自于实际工程。“我们在工程中发现问题，对问题进行准确、有效的定义，其次是对数据和桥梁结构关系的理解，最后才是算法本身的研发和创新。”

韩亮坦言，这三个步骤也正是桥梁结构监测系统的算法研发主要面临的三大挑战。

要想对问题进行准确、有效的定义，需要避免过于笼统的定义，如笼统定义为“评价桥梁结构的安全状态”等，还需要避免过于拔高，比如理论上仍然极为困难的“结构损伤精确识别”等。

在对数据和桥梁结构关系进行理解时，需要基于力学分析，把握理论模型和实际环境之间的异同，需要基于数据（统计）驱动的方法分析，也需要一定的结构分析理论支撑。

而针对监测场景的算法研发创新时，监测场景中的算法需要充分考虑结构荷载/响应数据的特征，和适应长周期数据及流式数据的处理，最终导向高效率、自动化、智能化。

韩亮以“GNSS+加速度测量动态挠度”为例，给记者具体讲述了桥梁结构监测算法研究过程中的这三个步骤。

“其问题定义为：目前，测量大跨径桥梁动态挠度多采用GNSS，但GNSS在动态模式下的竖向测量精度仅为厘米级。因此，需要设计一种能够提高精度的方法；其数据/结构特征为：GNSS数据精度较低，高频噪声非平稳。加速度数据动态性好，低频噪声影响大；算法创新为：自适应数据融合算法。”

而这一过程，并非简简单单的数据提取、模型建立和深度学习后的人工智能。

“结构监测算法研发实践需要打破土木工程、信息科学、计算机科学、通信科学、数理科学、其他科学等多重学科壁垒，深度融合。”韩亮告诉记者，“我们会经过需求讨论、提取数据、数据清洗、数据整合、缺失值处理、特征工程、模型评估等，这是一个曲折复杂的过程。”

算法落地：到哪里去？

在韩亮看来，算法要落地，其最终目的是为工程服务。

近年来结构健康监测数据分析研究取得了很多进展，结构工程师们开发出了各种先进实用的数据分析算法。但普遍来说，大多数结构工程师主要擅长数据分析和仿真计算等，对软件工程了解并不多。而过去的结构健康监测软件平台基本是高度定制化开发的，涉及复杂的软件工程，因此实际中工程师们难以将成果转化为高质量的工具或集成到系统平台中推广使用。相比于该领域的前沿理论研究，算法落地的严重滞后性已经成为了制约结构监测发展的瓶颈之一。

北京源清慧虹信息科技有限公司应用创新总监韩亮（摄影：陈楠枰）

而在结构监测算法落地的实践中，基于中台化、低代码化设计的算法平台可谓重中之重。

“算法平台主要用于将算法与软件工程进行解耦，并打造专门为结构监测设计的算法库。结构工程师完成核心算法开发后，可通过简单的可视化配置实现自动部署发布，直接集成至结构健康监测软件平台中，形成可供调用的算法服务。”韩亮介绍说，“线上开发环境也很重要，可一键对接结构监测数据库，极大提升工程人员的探索分析数据的效率。另外，对于数据分析相关任务可给统一的解决方案，实现了算法模块的高度可扩展性与可复用性，并且极大提升了易用性。”

算法应用：怎样被使用？

韩亮指出，在桥梁结构监测系统中，算法的价值输出主要还是体现在评估报警方面。

然而，目前结构监测算法应用面临着算法研发水平不足、对使用者不够友好、算法分析向价值转化不清晰等三重挑战。

“算法研发方面，自动化、智能化的水平仍然不足，算法的效果、效率、鲁棒性仍有待进一步提高，在线分析技术仍需进行更多的研究；在产品易用性方面，大量使用者了解行业和业务，但并不了解算法背后的实现细节，目前普遍缺少针对结构监测的专业易用的算法‘产品’，数据分析过程对用户而言费时费力，结果晦涩难懂，缺少实际有效的指导意义；算法分析向价值转化则是最核心的问题，不少结构监测平台都有数据分析模块，但分析结果大多停留在界面上，更像是一个‘体验工具’，并不能高效打通算法与报警预警、报告报表以及管养决策之间的关系……”在韩亮看来，结构监测算法应用应着力打通算法与平台报警功能、算法与管养决策、算法与评估报告报表之间的关系，提升算法库的专业性，降低用户的使用门槛。“做行业人员真正看得懂、用得上的系统，这是我们的一个愿景。”