桥隧智能监测：给桥隧安装一双“透视眼”

文/本刊记者 楚峰

供图/北京源清慧虹信息科技有限公司

桥隧结构的安全性、完整性、适用性与耐久性如何保障？这就需要应用有效手段对其进行监测，及时了解结构的安全状况，进而进行养护和修复，控制损伤。而随着科学技术的升级换代，智慧赋能桥隧监测成为大势所趋。

由北京源清慧虹信息科技有限公司（以下简称“源清慧虹”）研发的“基于无线传感网的桥隧结构智能监测系统”（以下简称“智能监测系统”），便是给桥隧结构安装了一双洞察一切的“透视眼”，可以实时精准地“看见”桥隧的状态。

众所周知，我国桥隧结构数量较多，在环境侵蚀、材料老化和荷载的长期效应、疲劳效应等因素共同作用下，诸多结构不可避免地出现了损伤积累和抗力衰减问题。源清慧虹创始人兼首席科学家杨华中曾在采访中表示，传统的监测手段一般只能服务两年左右，此后则无法再及时提供准确数据，曾令桥隧养护决策者们苦不堪言。基于此，源清慧虹的研发团队开启了“智能监测系统”的研发。

“智能监测系统”包含无线智能传感器及数据采集装置、桥隧结构安全智能监测平台、桥隧结构状态数据分析评估云平台三个主要部分。该套技术不仅可以替代人工巡视，实现全天候实时监测，大大延长监测系统寿命，还能更快捷、更准确、更及时地提供桥隧梁结构的实时数据，供管养单位参考决策。基于一系列推广应用实效，该技术成功入选2020年度交通运输重大科技创新成果库入库成果（交通运输科技成果推广项目）。

无线智能传感器及数据采集装置

通过对比现有桥隧结构监测中的传统有线方式和改良无线方式，“智能监测系统”选取传感器作为突破点，着力研发具有应用替代意义的无线智能传感器。源清慧虹在补足无线传感网用于桥隧结构监测的基础性技术（如时间同步、低功耗）上，开发了高度集成的、小型化的无线智能传感器和采集装置。

HGA100网关

HCF4000高精度无线智能加速度计

这套无线智能传感器和采集装置涵盖时间同步技术、低功耗技术、动态振弦采样技术、索力算法等。其中，首创并成功应用了精度自适应时间同步算法，突破了国际上既有的无线方式桥梁监测的时间同步局限，同步精度达到10μs，优于常规要求的1～100ms；同步收敛速度优于传统100%以上，精度可调可自适应。通过集成开发并成功应用的低功耗传感器，工作寿命优于现有传感器2—3倍以上，并且还能适应太阳能供电等非稳定性供能条件。首创并成功应用了振弦类传感器动态采样方法，采样率5～100Hz，频率信号精度0.1～0.4Hz，突破了振弦类传感器数十年来仅可静态采样（采样率通常低于0.02Hz）的应用局限。研发并成功应用了基于功率谱峰值突出预处理的索力算法，可全面替代传统索力传感器，拉索基频解算精度0.1%～1.0%FS，达到国际领先水平。

由于基础设施传感器测点通常需要部署在恶劣环境中，规模较大，难以更换，且通常情况下只能通过有限容量的电池进行供电，因此无线传感器网络的低功耗、长寿命技术极其关键，而源清慧虹成功解决了这一难题。源清慧虹研发的无线智能传感器及数据采集装置已被应用于黑龙江佳木斯乌苏大桥（高寒）、马尔代夫中马友谊大桥（高热）、莫桑比克马普托大桥（高湿）、四川两河口水电站（高海拔）、泉州湾跨海大桥（高盐雾、海洋）、山西朔州输电网（复杂电磁环境）等多处极端环境基础设施结构安全的监测，并且经受住了考验。

桥隧结构安全智能监测平台

“智能监测系统”结合对现有桥隧结构监测产品的考察、对比，基于无线传感器进行纯无线、高度集成、小型化、低功耗、智能化的桥隧结构监测技术升级创新，构建一套全新的安全智能监测平台。

该智能监测平台通过减少中间设备和线缆，从而简化系统集成。应用无线智能传感器替代传统常用的、需要模拟信号线缆的各种电类传感器，必要的数模转换（A/D）、滤波、数据无线传输等模块均已高度集成在体积小巧的传感器中。

通过无线智能采集，智能监测平台基于云平台、各种可灵活组合并复用的功能组件、运算组件，以用户需要的方式组成海量监测数据的阈值预警、时域图谱、频域图谱的基础性数据使用界面，应用深度学习的神经网络将数据快速转化为桥隧结构状态等级和异常风险评级等评估结论。

相对于传统有线传感器网络，基于无线传感网的桥隧智能监测平台具有传感器安装灵活、网络动态自组织、网络通信功耗低、前端智能算法等明显优势。

桥隧结构状态数据分析评估云平台

现有的桥隧结构安全智能监测平台大部分仍处于“一座桥梁对应一套独立数据系统”和“一座隧道对应一套独立数据系统”的现状，比较注重数据的呈现、阈值监测，但在数据应用、管养应对措施等方面，仍需改善，需要提供给管养人员可快速参考的结论。

在一般处理中，由桥隧专家根据监测数据结果对桥隧结构状态进行研判，往往有所局限。为了改进现状，源清慧虹在“智能监测系统”中研发了具备自学能力的智能分析机制，即数据分析评估云平台，基于深度学习神经网络的桥梁结构状态评估算法，快速分析海量监测数据，并就结构风险作周期性自动评估，提升管养决策效率。

在这套系统中，针对现有传统方式在监测数据分析上比较复杂或薄弱的情况，联合实际印证下的参数调整，同时应用专家真实研判监测数据的大样本库和桥隧异常事件库，开发基于统计识别和统计学习等理论的深度学习神经网络算法及其应用界面。该算法能模仿资深桥隧专家研判各类桥梁和隧道风险的思考过程和倾向，并总结形成自身机制；还可根据具体基础设施的监测数据进行学习，自动形成对于该基础设施若干监测数据统计特征的理解和识别，并进一步进行结构状态评估和风险分析。基于该算法，桥隧结构监测数据可被直接处理为管养人员易懂易用的分析结论，而不必依赖于特定的有限元模型，节省了建模的时间和成本，可大规模推广应用。

优势凸显赋能桥隧监测

与传统有线监测技术相比，“智能监测系统”的优势主要体现在三方面：

一是经济上实现显著降低开发和集成成本。通过传感云，用户可改变过去“一个项目一次开发”“项目数据无法互通互用”“一种应用一套平台”等不利情况，快速、简捷、可规模化地将不同通讯协议、不同数据类型和处理方式、不同地域传感平台都整合汇聚起来，实现数据的快速采集和快速使用，实现应用的高度集成和有序管理，避免重复平台开发和平台互兼容开发成本，大幅缩短投入应用的时间。

二是技术上实现快速、高精度的评估。通过数据积累和统计识别，基于内置的无模型分析机制，传感云能够根据桥隧监测数据快速形成一日、三日、周、月、年的分析评估结论，帮助用户及时掌握桥隧监测的状态、周期性特征和趋势演变情况，避免了人工检查、经验判断的局限性，提升了分析评估的效率和准确率，能够满足常时监测评估的需要，并且无需大量增加专家或专业机构评估次数及费用。此外，随着数据积累量的增多，评估结论的准确性会相应提升。以该方式为辅助，原有的强制性结构监测还可获得更多有价值的历史参考数据，实现更精准的监测评估。

三是以大数据提升桥梁养护管理效益。传感云能够通过简明易用的大数据分析向用户展示监测对象的状态及其结论，帮助用户发现管养的关键点，并可有助用户更为量化、精准地研判桥隧养护措施，从而减少甚至避免过度养护、盲目养护所带来的成本以及养护不足所引发的额外成本。基于传感云所提供的监测结果分析、多种风险评估、监测参数趋势图，用户可更为精准地定位桥隧病害位置及类型，从整体上考虑养护的办法和优先顺序；可通过对比养护前后的数据变化来核实养护措施的效果及其可持续性，从而实现管养效益最大化。

在2018年建成的国内首个基于无线传感网的桥隧群监测系统——“智慧城市之泸州桥隧群智能监测平台建设项目”中，“智能监测系统”得到了良好的应用，其中30座桥梁、3座隧道，布设了近4000个设备。在不降低传感精度、测点规模和数据准确性等前提下，项目综合降低50%以上的建设和运维成本，减少70%左右的建设时间，延长200%～300%的传感器寿命，对传统的、基于有线方式的监测系统具较为明显的可替代性和互补性，这对于我国桥隧的监测系统建设、运维有重要且直接的意义。

目前，“智能监测系统”已在近千座桥隧基础设施上得到了应用，并扩展到风电机组、地铁、涵洞等其他基础设施结构安全的监测，取得了显著效果，能够准确预警索力异常、索塔倾斜、船舶撞击、风雨振病害和台风期、桥梁桥墩振动、轨道路基振动等基础设施结构异常。

“以智能感知赋能基础设施安全运营是源清慧虹的使命。”源清慧虹CEO王鹏军说，“我们将持续通过信息技术创新为基础设施行业提供新的管理手段。”未来，源清慧虹还将继续聚力“智能监测系统”的推广和应用，不断扩大无线监测传感网的行业影响力，让不断创新的技术在更多的基础设施领域发挥更大的作用。