如(ru)何定義輕量化監測(ce)，它(ta)和傳統健康監測(ce)有什么區別？從技(ji)術(shu)(shu)層(ceng)面，隨著通(tong)信(xin)技(ji)術(shu)(shu)、物聯網技(ji)術(shu)(shu)、傳感器技(ji)術(shu)(shu)的(de)(de)(de)飛(fei)速發展，系統更(geng)“輕”，性能(neng)更(geng)“優(you)”、成(cheng)本更(geng)“低(di)”是必(bi)然(ran)趨勢(shi)。可(ke)類比(bi)當下配備5G通(tong)信(xin)模塊的(de)(de)(de)輕薄智能(neng)筆記本電腦與三十年(nian)前依賴固(gu)定網線連接、性能(neng)落(luo)后的(de)(de)(de)臺式計算機。從政策層(ceng)面，輕量化監測(ce)是在長大橋(qiao)(qiao)健康監測(ce)系統部署初步建成(cheng)后，針對分散廣、數量多、橋(qiao)(qiao)齡長的(de)(de)(de)常(chang)規跨徑橋(qiao)(qiao)梁群提出的(de)(de)(de)。因此，輕量化監測(ce)的(de)(de)(de)目標要求是“精(jing)指標”“低(di)成(cheng)本”“快安(an)裝”“便(bian)維護”“重報警”。


一、發展背(bei)景


1.1 政策導向


2023年2月，***印發(fa)《數(shu)字(zi)中(zhong)國(guo)建設整體布局規(gui)劃》，為中(zhong)國(guo)數(shu)字(zi)化(hua)發(fa)展繪制了清(qing)晰的(de)藍圖，明確從多方面推動(dong)數(shu)字(zi)經濟(ji)和智能產業發(fa)展，加速(su)數(shu)字(zi)化(hua)轉型與產業升(sheng)級。
2021年(nian)10月(yue)，交通(tong)運輸(shu)部發布《數字(zi)交通(tong)“十四五”發展(zhan)規劃》，提出“交通(tong)設施數字(zi)感(gan)知，信息網絡(luo)**覆蓋，技術應用創(chuang)新活躍(yue)”等(deng)發展(zhan)目標。
2024年(nian)(nian)4月，交(jiao)通運輸部發(fa)布《關于(yu)進一步推(tui)動公路橋(qiao)梁(liang)隧道結構監測系(xi)統(tong)工作實施方案》（2024—2030年(nian)(nian)），要求同步開展常規跨徑橋(qiao)梁(liang)輕量化(hua)監測系(xi)統(tong)試點。
2024年(nian)6月，交通運(yun)輸部印發《在役公路橋梁隧道結構監(jian)測(ce)系統2024—2025年(nian)建(jian)設(she)清單》，選取全國(guo)2651座橋梁作為輕量化結構監(jian)測(ce)系統建(jian)設(she)試點。


1.2 市(shi)場需(xu)求


截(jie)至2023年末，我國公路橋梁(liang)總(zong)計(ji)107.93萬座(zuo)(zuo)(zuo)，其中特(te)大(da)(da)橋10239座(zuo)(zuo)(zuo)，大(da)(da)橋17.77萬座(zuo)(zuo)(zuo)，中小跨徑橋梁(liang)89.14萬座(zuo)(zuo)(zuo)。目(mu)前(qian)，我國基(ji)本完成了首批644座(zuo)(zuo)(zuo)長大(da)(da)系統(tong)的建(jian)設，初(chu)步構建(jian)了長大(da)(da)橋梁(liang)監(jian)管體系。而數量眾多、分布**的中小跨徑橋梁(liang)的健康監(jian)測系統(tong)建(jian)設工(gong)作尚(shang)處于(yu)起(qi)步階段。另一方面，我國橋梁(liang)老齡化日益嚴(yan)重(zhong)，預測到2035年，服役年限(xian)超30年的橋梁(liang)占比將超60%，材料老化、性能(neng)退化、帶病工(gong)作情(qing)況凸顯。與此同時，極端天氣、地質災(zai)害(hai)、超限(xian)超載、違規施工(gong)等外部風險事(shi)件(jian)頻(pin)發，嚴(yan)重(zhong)威脅橋梁(liang)運行(xing)安全，亟待加強保障(zhang)措施。


1.3 技術(shu)發(fa)展


技(ji)術(shu)(shu)發展也推(tui)動橋梁健康(kang)監(jian)測系(xi)統(tong)的(de)“輕(qing)量(liang)化(hua)(hua)”。傳感(gan)器(qi)方面，MEMS技(ji)術(shu)(shu)通過(guo)微(wei)納加工(gong)工(gong)藝，將機械結(jie)構(gou)、傳感(gan)器(qi)元件(jian)、信(xin)號處理(li)(li)電路等集(ji)(ji)成(cheng)在(zai)微(wei)小的(de)芯(xin)片上，實(shi)現(xian)設(she)(she)(she)備的(de)微(wei)型化(hua)(hua)、集(ji)(ji)成(cheng)化(hua)(hua)、高(gao)精度、低功耗(hao)。集(ji)(ji)成(cheng)MCU模(mo)塊可(ke)以(yi)使傳感(gan)器(qi)具有強大(da)的(de)數據處理(li)(li)能力(li)，對采集(ji)(ji)的(de)原(yuan)始數據予以(yi)校準與優化(hua)(hua)。LPWAN技(ji)術(shu)(shu)以(yi)及(ji)5G通信(xin)技(ji)術(shu)(shu)促(cu)進設(she)(she)(she)備小型化(hua)(hua)，減少(shao)系(xi)統(tong)中繼(ji)設(she)(she)(she)備和有線(xian)連接。大(da)數據技(ji)術(shu)(shu)可(ke)以(yi)存儲、管(guan)理(li)(li)和分(fen)析挖掘海(hai)量(liang)的(de)健康(kang)監(jian)測數據，推(tui)動科(ke)學決策。人工(gong)智能與機器(qi)學習算法實(shi)現(xian)結(jie)構(gou)損傷自動識別、異常(chang)檢測，提高(gao)智能化(hua)(hua)水平。云計算技(ji)術(shu)(shu)提供(gong)強大(da)計算資(zi)源(yuan)，靈活調(diao)整資(zi)源(yuan)分(fen)配，減少(shao)硬件(jian)配置。


二、監測方案


根據(ju)《公路橋(qiao)梁群監(jian)測系(xi)統(tong)試(shi)點建設技術指南(nan)》（征求意見稿），輕(qing)(qing)量化監(jian)測的對(dui)象是橋(qiao)梁群，有(you)針對(dui)性(xing)選取監(jian)測對(dui)象、監(jian)測指標(biao)，才能(neng)充分(fen)發揮監(jian)測系(xi)統(tong)的**價值。輕(qing)(qing)量化監(jian)測的應用場景可總結為以下(xia)幾種：

①特殊結構

②重載、飽和交通橋梁

③車輛/船舶撞擊風險(xian)

④自然災害風險(xian)高

⑤安全狀況差，運營風險高

⑥加(jia)固改(gai)造橋梁

監測項目及方案應根據(ju)橋(qiao)(qiao)梁實(shi)際(ji)情(qing)況，遵循“一橋(qiao)(qiao)一策”的(de)原則進行制定

三、監測系(xi)統


3.1 硬(ying)件系(xi)統
相對(dui)于傳(chuan)統健康(kang)系統，輕量化監(jian)測具有(you)高集(ji)成、短鏈路、低功耗的技術(shu)特征。數據采集(ji)與處理(li)模(mo)塊(kuai)、通信模(mo)塊(kuai)、供電模(mo)塊(kuai)的集(ji)成處理(li)，有(you)效降低了系統的冗余度。


1、數(shu)據采(cai)集與處理
在(zai)電(dian)路(lu)板上集成(cheng)數(shu)(shu)據采集電(dian)路(lu)（如模數(shu)(shu)轉換(huan)器）和(he)數(shu)(shu)據處(chu)理(li)(li)(li)芯片（如微控制器或數(shu)(shu)字(zi)信號(hao)處(chu)理(li)(li)(li)器）。數(shu)(shu)據采集電(dian)路(lu)將(jiang)傳感器獲(huo)取的(de)模擬信號(hao)轉換(huan)為(wei)數(shu)(shu)字(zi)信號(hao)后，直接在(zai)本地(di)的(de)數(shu)(shu)據處(chu)理(li)(li)(li)芯片中進(jin)行初步的(de)數(shu)(shu)據處(chu)理(li)(li)(li)，如濾波、特征提取等操作，無需將(jiang)大量原始數(shu)(shu)據傳輸到外部設備進(jin)行處(chu)理(li)(li)(li)，從而(er)縮短了數(shu)(shu)據鏈路(lu)。
2、通(tong)信與(yu)傳(chuan)輸
將通信(xin)模塊直接集(ji)成在傳感(gan)器上(shang)，相比于傳統監(jian)測(ce)依靠RS-485、以太(tai)網(wang)等有線(xian)方(fang)(fang)式，輕(qing)量化監(jian)測(ce)系統采(cai)用藍(lan)牙、Wi-Fi 和 4G/5G 等無線(xian)傳輸方(fang)(fang)式，提升系統靈(ling)活性(xing)，減少系統硬(ying)件設備。
3、供電系統
通過(guo)硬件節能設計、智能休眠機制、數據傳(chuan)輸優化、電源管理策略等途徑(jing)，降低(di)系統(tong)功耗。除了(le)采用市電、太陽能供電這(zhe)些傳(chuan)統(tong)方式(shi)以外，一(yi)些低(di)功耗設備(bei)(bei)可直接將電池集成在(zai)設備(bei)(bei)上(shang)，可供設備(bei)(bei)工(gong)作1～3年，這(zhe)進一(yi)步簡化了(le)系統(tong)布線，降低(di)了(le)系統(tong)的繁雜程度。


3.2 軟件(jian)平(ping)臺(tai)
軟件平(ping)臺具備橋(qiao)群(qun)管理、地(di)圖展示(shi)、數據展示(shi)分析、閾值設置及報(bao)告生成等功能。


1、數據共享
具備與(yu)外部系統共享數(shu)(shu)據的能力。與(yu)省、部級平臺能實現(xian)(xian)數(shu)(shu)據共享，在橋(qiao)梁管養單位會同相關部門(men)制定措施時，可以實現(xian)(xian)監測(ce)數(shu)(shu)據及監測(ce)報告共享。
2、交互便捷
通過采用豐富的可視化展示方(fang)式，如地圖、三維模(mo)型展示橋梁位置(zhi)和相(xiang)關信息(xi)，以(yi)及以(yi)數(shu)(shu)(shu)(shu)據(ju)曲線、列表等形(xing)式展示監測數(shu)(shu)(shu)(shu)據(ju)，降低(di)操(cao)作門(men)檻。具備強大的數(shu)(shu)(shu)(shu)據(ju)查詢統計功(gong)能，查詢結果以(yi)數(shu)(shu)(shu)(shu)據(ju)曲線、數(shu)(shu)(shu)(shu)據(ju)列表和電(dian)子地圖相(xiang)結合的方(fang)式呈現。當監測點實時數(shu)(shu)(shu)(shu)據(ju)達到或超過設定的報(bao)警閾值時，平臺能夠通過短信、郵件(jian)、APP、現場(chang)聲(sheng)光報(bao)警多種方(fang)式進行預警報(bao)警。
3、數據分析
傳統健康監測(ce)系統，測(ce)點豐(feng)富，數據(ju)冗(rong)余(yu)度(du)高。可以(yi)通過(guo)(guo)統計分(fen)析、機器學(xue)習等方法對(dui)指(zhi)(zhi)標之間(jian)的(de)關(guan)系進(jin)行深入挖掘。多個指(zhi)(zhi)標之間(jian)可以(yi)相(xiang)互(hu)印(yin)證，有(you)助于(yu)準確判(pan)斷結(jie)(jie)構物的(de)健康狀態。而(er)輕量(liang)化監測(ce)測(ce)量(liang)指(zhi)(zhi)標少，數據(ju)相(xiang)關(guan)性不足，因此，對(dui)監測(ce)指(zhi)(zhi)標、測(ce)點選取，數據(ju)分(fen)析方法要求更高，如(ru)何通過(guo)(guo)有(you)限(xian)的(de)數據(ju)量(liang)得(de)到(dao)有(you)效的(de)結(jie)(jie)論是關(guan)鍵(jian)問題。