走出迷茫期：健康监测是否迎来发展的春天

传统的桥梁管养方法所存在的人力成本高、主观性强、不确定性大、时效性差等弊端越来越突出，使得寻找一种能优化资源配置且稳定高效的检测、评定、预测方法变得更为迫切。伴随着传感、采集、通讯、计算机、数据分析等信息技术和结构理论的迅猛发展，桥梁结构健康监测（Bridge Structural Health Monitoring, BSHM）应运而生，很快成为了世界性的研究热点并得到了大量应用，被期待成为传统管养方式的重要补充。

图1 桥梁健康监测的工程意义

蓬勃发展  隐忧显现

BSHM是土木学科中的热点方向，是在我国土木领域能够引领世界的极少数研究方向之一。而且，这也是土木信息化时代的必然产物和未来主流方向，是新工科土木智能建造专业的支柱。我国已有200多座大跨桥梁安装了BSHM系统，还有很多城市级、路网级和路线级的桥梁集群监测系统正在建设中，它们之中的优秀代表正在为桥梁管养发挥重要作用。但也要清醒地意识到，BSHM繁荣的背后却一直存在相当大的隐忧和争议。

首先，健康监测系统本身的健康状况值得关注。不少BSHM系统的数据质量并不理想，例如存在同步性差甚至不同步、时间戳混乱、丢包，漂移、噪声、锯齿、周期跳跃、毛刺等异常。在涡激振动、地震、船撞等特殊事件发生后，不少系统甚至连提供有效的监测数据，供事后人工分析都做不到。能够较好地把监测数据记录下来的BSHM系统并不多见；若能够根据加速度数据，即便通过人工离线分析来得到有效模态（频率、阻尼比和振型）结果，更是少见；当然就更别提在线分析、损伤识别、状态评估和预测。

其次，健康监测系统不应满足于做“数据的搬运工”。BSHM的最大特点是实时化（如图2），即实时化地采集、传输、存储数据，更主要的是实时地分析数据。很多BSHM设计文件中都阐述，能够实时在线地事前追踪性能和预警、事中报警和事后评估预测。而实际上，是否有能够达到这个目标的案例，还需要证据；甚至发生特殊事件后由健康监测系统自动报警的成功案例也非常稀少。绝大部分的BSHM系统最多只能实时在线地查看原始数据和进行最简单的数理统计；报警方式仅限于比大小的阈值报警，漏报、误报严重，以至于少有人看。

图2 健康监测系统的特点

鉴于此，悲观情绪开始蔓延，有国外专家提出疑问：BSHM技术是否成熟到能满足用户需求？有人专门采访调研了许多桥梁业主，但未能发现通过动力特性成功识别损伤的案例。因此，有专家认为：测量系统的高度不确定性使得真实环境中小损伤难以识别，实用的损伤识别还有很长的路要走。Los Alamos National Laboratory报告甚至认为：在21世纪内，解决大型复杂工程结构的损伤识别问题仍然是一个巨大挑战，业主有必要调整对BSHM不切实际的期望。

瓶颈凸显  求索不倦

据分析，造成BSHM实际效果不尽如人意的客观原因有两个：

1.交叉融合。BSHM是一个多学科、多专业交叉的新兴领域，协调配合有难度，以完成任务为导向的专业分包是导致这一问题的主要原因。另一方面，桥梁学科和机电、IT学科的人员既要团结协作，也要分工明确、持久专注，表面的、虚假繁荣的学科交叉并不可取。

2.理论瓶颈。BSHM最大挑战是如何将有噪声干扰和测量误差的海量监测数据，自动解释成有意义的信息，并用于管养决策。这是一个不可回避的病态逆问题（如图3），是21世纪土木学科重大的科学问题。

图3 损伤识别问题的格式

造成BSHM实际效果不尽如人意的主观原因有：重规模，轻集成；重硬件，轻软件；重建设，轻维护；重采集存储，轻分析挖掘；企业与高校风格迥异；研究与应用脱节。在此，强调两点：

第一，要重视系统集成和软件集成。不能把BSHM当检测试验项目来做，或者当机电、物联网项目来做；在自动化、实时化、集成化、系统规模、数据挖掘等方面的要求，BSHM系统远远超过它们。BSHM系统是一个十分庞大复杂的硬件和软件系统，但软件才是“硬实力”，因为传感、采集、传输硬件功能的发挥，很大程度上取决于软件的统一管理和控制，而海量监测数据的分析、挖掘则完全取决于软件。

第二，要重视研究与应用的结合。BSHM的研究成果日新月异，但实际BSHM系统中基本不用。以大学为主的科研派和以企业为主的工程派，需要更深入地沟通合作。要提倡将成果写在祖国大地上，而不只是写在纸上；要更加注重数据质量和对数据的深入挖掘，而不是有数据就行。

保持信心  乘风破浪

尽管技术上存在很大瓶颈，应用上也不乏问题，但我们对BSHM还是保持信心。即使在现有条件下，一个好的BSHM也能够发挥很大作用。对业主来说，不用考虑BSHM系统有没有用的问题，而是要考虑找谁来做的问题，以及如何提出合理要求、如何严格管理和验收等。

笔者对BSHM未来的发展有以下四点建议：

1.主动拥抱新技术。新型传感、采集技术的发展，和深度学习、大数据等技术的兴起，可能给BSHM带来机遇和突破。但在应用人工智能技术时也应注意到，BSHM是有明确工程场景、物理含义和逻辑关系的，跟一般的商业场景有很大区别。正确的思路是针对问题找方法，而不是拿所谓的新方法到处乱应用。

2.重视软件集成。将优秀的理论方法成果以集成化软件的形式固化下来，是理论对实践最有效的指导方式，也是实践对理论最直接的检验。而且，这也是缩小科学研究与工程实践之间的鸿沟，避免BSHM系统沦为“数据的搬运工”的基本前提。

3.严格市场准入和成果验收。要加强行业监管、健全资质标准、做实成果验收。市场准入方面，不能光看试验检测资质，BSHM跟试验检测根本就不是一回事；不能光看业绩，有的“业绩”是负面清单。成果验收方面，仅依托PPT式的专家会验收是不够的，要逐项对照合同和设计文件中的条款是否都一一实现。

4.加强多方合作。就像国外专家建议的那样，需要政府、企业、科研间，更加密切地合作，健康监测事业才能更健康地发展。甲方对BSHM系统要有合理的期待，而乙方要提高技术水平，加强职业操守。

BSHM的实时、在线、自动的特点是不可替代的。尽管存在诸多挑战，我们仍有理由相信，BSHM已经走出Gartner成熟度曲线的幻觉破灭期，正处于稳步爬升期，必将在桥梁管养中发挥更加重要的作用。

本文刊载 /《大桥养护与运营》杂志

2020年 第3期 总第11期

作者 / 梁鹏

作者单位 / 长安大学

编辑 / 裴小吟

美编 / 赵雯

责编 / 陈晨

审校 / 裴小吟 廖玲