2019年5月28日檢師學(xué)社公眾號(hào)發(fā)表了一篇文章《如何理解橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的“結(jié)構(gòu)”》，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。最近筆者審查了多個(gè)橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)類(lèi)項(xiàng)目，對(duì)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)的劃分可謂五花八門(mén)；此外筆者參與審查了幾部監(jiān)測(cè)類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，也查閱了一些發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，發(fā)現(xiàn)規(guī)范中對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)也未有較為明確的規(guī)定。為此，我們重新提提這個(gè)問(wèn)題，以引起各方面的足夠的重視。
之所以要提監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，有幾方面的原因：
（1）有個(gè)大家共識(shí)的通用的系統(tǒng)組成架構(gòu)體系，便于技術(shù)交流。如果沒(méi)有統(tǒng)一的架構(gòu)，無(wú)論是技術(shù)審查還是技術(shù)研討，頗有各說(shuō)各話，弄不好還得中途打斷問(wèn)問(wèn)那個(gè)子系統(tǒng)是做啥的來(lái)著。
（2）利于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化。如果系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分合理，設(shè)計(jì)文件闡述的體系上也會(huì)比較有條理，而且在編制預(yù)算中也比較利于工程量的統(tǒng)計(jì)。
（3）利于系統(tǒng)的大規(guī)模拓展。目前全國(guó)橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大規(guī)模建設(shè)，如果對(duì)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)理解到位，能夠在此基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)的各種類(lèi)型的改進(jìn)和擴(kuò)展。
Part 1.橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)
下圖1是香港昂船洲大橋（包括其他幾座橋梁）在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次劃分，
圖1 香港昂船洲橋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分
系統(tǒng)分為四個(gè)部分：
• Sensor System（SS）傳感器系統(tǒng)
• Data Acquisition andTransmission System(DATS)數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)
• Data Processing and ControllingSystem(DPCS)數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)
• Structural Health EvaluationSystem(SHES)結(jié)構(gòu)健康評(píng)估系統(tǒng)
• Portable Inspection andMaintenance system(PIMS)便攜檢測(cè)和維護(hù)系統(tǒng)
我們?cè)趯W(xué)習(xí)前人經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分做了簡(jiǎn)單的改變和修正?；趯?duì)整個(gè)系統(tǒng)的理解，我們認(rèn)為數(shù)據(jù)控制與采集更為接近，都是通過(guò)采集系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)其控制（改變采集設(shè)定的參數(shù)以及對(duì)傳感器的遠(yuǎn)程診斷等）功能，所以與采集合并為“采集與控制子系統(tǒng)”，而將數(shù)據(jù)傳輸單列出來(lái)。于是我們給出的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次劃分如下：
• Sensor System（SS）傳感器系統(tǒng)
• Data Acquisition andControlling System（DACS）數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)
• Data Transmission System(DTS) 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)
• Data Processing and (DPCS)數(shù)據(jù)處理與管理系統(tǒng)
• Structural Health EvaluationSystem(SHES)結(jié)構(gòu)健康評(píng)估系統(tǒng)
上述系統(tǒng)是從系統(tǒng)“縱向”來(lái)看，也就是說(shuō)給定一種監(jiān)測(cè)參數(shù)，比如加速度，那么加速度計(jì)就是傳感器，采集加速度計(jì)的設(shè)備就是“采集系統(tǒng)”，對(duì)加速度最大值分析、時(shí)程數(shù)據(jù)顯示以及簡(jiǎn)單的時(shí)頻變換等就是“數(shù)據(jù)處理”，存入數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)或者從數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)取出以及存儲(chǔ)策略等就是“數(shù)據(jù)管理”，通過(guò)加速度測(cè)量數(shù)據(jù)分析結(jié)構(gòu)模態(tài)或者更深入分析結(jié)構(gòu)損傷等就是“結(jié)構(gòu)評(píng)估”。從橫向來(lái)看，會(huì)有不同的監(jiān)測(cè)參數(shù)，請(qǐng)見(jiàn)圖2。這種結(jié)構(gòu)劃分也比較符合信號(hào)—數(shù)據(jù)—模型—知識(shí)的信息處理流程。
圖2 結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成示意圖
（1）傳感器子系統(tǒng)
根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不同的監(jiān)測(cè)參數(shù)選擇對(duì)應(yīng)的傳感器，傳感器子系統(tǒng)中不包括軟件，在設(shè)計(jì)中往往需要繪制傳感器布點(diǎn)圖，通過(guò)布點(diǎn)圖能夠?qū)彶椴键c(diǎn)位置和數(shù)量的合理性，同時(shí)能夠精準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)傳感器數(shù)量和型號(hào)。
（2）數(shù)據(jù)采集與控制子系統(tǒng)
數(shù)據(jù)采集能夠把傳感器獲取的沒(méi)有任何物理意義的模擬信號(hào)（電壓、電流和光信號(hào)等）轉(zhuǎn)換成數(shù)字化信號(hào)，同時(shí)信號(hào)轉(zhuǎn)變成有物理意義的數(shù)據(jù)，如應(yīng)變，振動(dòng)等。不同傳感器應(yīng)用不同的采集設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，這部分需要設(shè)計(jì)傳感器與采集設(shè)備之間的拓?fù)潢P(guān)系。對(duì)采集行為的控制，包括診斷，采集頻率調(diào)整，時(shí)鐘同步性設(shè)計(jì)等也通過(guò)采集設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集與控制子系統(tǒng)包括硬件，也包括采集與控制和診斷等軟件。
根據(jù)橋梁空間位置，在橋梁上布設(shè)多個(gè)采集站，DAU （Data AcquisitionUnit ）。每個(gè)采集站可包含不同類(lèi)型不同數(shù)量采集設(shè)備，同時(shí)配備共用的配電、數(shù)據(jù)匯線和往遠(yuǎn)端傳輸?shù)慕粨Q機(jī)等。采集站只是具有不同采集設(shè)備在一個(gè)地點(diǎn)的位置意義，不能作為獨(dú)立的子系統(tǒng)來(lái)看待。
有的傳感器是無(wú)線傳感器，無(wú)線傳感器往往是把數(shù)字量向外傳輸。此類(lèi)傳感器內(nèi)部集成了數(shù)據(jù)采集模塊和無(wú)線發(fā)射模塊，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上仍然與上述監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分相符合。
（3）數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)
數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)包括各種數(shù)據(jù)傳輸線路和相關(guān)的交換機(jī)等設(shè)備。傳輸網(wǎng)絡(luò)包括幾種:從傳感器到DAU傳輸網(wǎng)絡(luò)，暫且稱(chēng)呼為局部傳輸網(wǎng)絡(luò)；從DAU到橋梁交換機(jī)的傳輸網(wǎng)絡(luò)，暫且稱(chēng)為二級(jí)傳輸網(wǎng)絡(luò)；從橋頭交換機(jī)到監(jiān)控中心交換機(jī)的傳輸網(wǎng)絡(luò)，暫且稱(chēng)為“骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)”。和監(jiān)控中心的布線等。
隨著通信技術(shù)的發(fā)展，之前從橋位到監(jiān)控中心往往使用光纖，目前來(lái)看可以采用無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)，比如4G網(wǎng)絡(luò)。以往從DAU到橋頭交換機(jī)也采用光纖傳輸，目前甚至可以直接從DAU將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，甚至直接上傳到云端。
（4）數(shù)據(jù)處理與管理子系統(tǒng)
橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)目的是獲取數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，為橋梁安全評(píng)估和養(yǎng)護(hù)提供支持。數(shù)據(jù)處理包括兩個(gè)層面，第一層面是計(jì)算機(jī)能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，這部分工作劃分在數(shù)據(jù)處理與管理子系統(tǒng)，第二層面是需要專(zhuān)業(yè)知識(shí)和專(zhuān)業(yè)軟件，需要專(zhuān)業(yè)人士通過(guò)人機(jī)交互才能完成的，劃分在結(jié)構(gòu)健康評(píng)估子系統(tǒng)中。
數(shù)據(jù)處理與管理子系統(tǒng)主要包括：
• 能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)處理，如最大值統(tǒng)計(jì)，頻譜變換，雨流統(tǒng)計(jì)，軸載統(tǒng)計(jì)等等。
• 數(shù)據(jù)顯示與展示。
• 數(shù)據(jù)庫(kù)，包括自建數(shù)據(jù)庫(kù)還是把數(shù)據(jù)傳到云端進(jìn)行管理。
• 數(shù)據(jù)共享等策略和管理等。
（5）結(jié)構(gòu)健康評(píng)估系統(tǒng)
結(jié)構(gòu)評(píng)估系統(tǒng)不單單指橋梁承載能力評(píng)估，凡是需要知識(shí)模型，需要人工進(jìn)行分析的計(jì)算統(tǒng)稱(chēng)為橋梁評(píng)估系統(tǒng)的應(yīng)有功能。比如基于加速度數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)模態(tài)識(shí)別分析、結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別分析、汽車(chē)荷載模型統(tǒng)計(jì)分析、風(fēng)荷載統(tǒng)計(jì)分析以及橋梁承載能力評(píng)估等，這些評(píng)估分析往往需要購(gòu)買(mǎi)或者開(kāi)發(fā)相應(yīng)的專(zhuān)業(yè)軟件。
Part 2.橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的拓展
鑒于目前全國(guó)范圍內(nèi)大規(guī)模建設(shè)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，一些新的概念也出來(lái)了，比如橋梁集群監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，省級(jí)數(shù)據(jù)平臺(tái)，部級(jí)數(shù)據(jù)平臺(tái)等等。這里我們簡(jiǎn)單談?wù)勆鲜鰳蛄航Y(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的拓展性。
1.數(shù)據(jù)采集運(yùn)維平臺(tái)系統(tǒng)
以某省份為例，120座橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，假設(shè)每座橋梁8臺(tái)采集設(shè)備，全部下來(lái)有近1000臺(tái)采集設(shè)備；假設(shè)每座橋梁150支傳感器，全部下來(lái)有近20000萬(wàn)支傳感器。這么龐大數(shù)量的硬件，靠傳統(tǒng)的人工運(yùn)維是很難管起來(lái)的?？梢越梃b數(shù)據(jù)中心服務(wù)器運(yùn)維模式，在采集設(shè)備之上布設(shè)數(shù)據(jù)采集運(yùn)維平臺(tái)系統(tǒng)，圖3，對(duì)這些硬件的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)損害的設(shè)備以及時(shí)更換維修。
圖3 拓展1：數(shù)據(jù)運(yùn)維平臺(tái)系統(tǒng)
2.數(shù)據(jù)平臺(tái)
交通運(yùn)輸部《公路長(zhǎng)大橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)實(shí)施方案》中明確提出了各省須建設(shè)面向省內(nèi)所有橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的省級(jí)數(shù)據(jù)平臺(tái)，簡(jiǎn)稱(chēng)“省級(jí)平臺(tái)”。就我們了解來(lái)看，各個(gè)地區(qū)如何建設(shè)省級(jí)平臺(tái)還都不太明晰，有的省份把之前集群橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)平臺(tái)改吧改吧就變成了省級(jí)數(shù)據(jù)平臺(tái)。
省級(jí)“數(shù)據(jù)平臺(tái)”可以考慮將結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的“數(shù)據(jù)庫(kù)”抽取出來(lái)，建設(shè)各個(gè)業(yè)主共用的數(shù)據(jù)平臺(tái)，圖4。在共用的省級(jí)數(shù)據(jù)平臺(tái)上考慮數(shù)據(jù)監(jiān)管、管理、安全、共享策略等工作。該平臺(tái)只針對(duì)數(shù)據(jù)的管理，可以布設(shè)在云端，或建設(shè)私有云，相當(dāng)于Data+Cloud，而各個(gè)業(yè)主的監(jiān)測(cè)平臺(tái)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)管理分析挖掘和展示，相當(dāng)于SaaS。
圖4拓展2：省級(jí)數(shù)據(jù)平臺(tái)
3.分布式監(jiān)測(cè)
我們?cè)诘谌鷺蛄航Y(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)綜合解決方案中提出了“分布式監(jiān)測(cè)”的概念，比如比較難度大的結(jié)構(gòu)模態(tài)監(jiān)測(cè)委托于比較專(zhuān)業(yè)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)，該團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)傳感器和采集設(shè)備安裝，所有橋梁模態(tài)分析等專(zhuān)項(xiàng)監(jiān)測(cè)服務(wù)。
圖5 拓展3：分布式監(jiān)測(cè)
4.分布式數(shù)據(jù)分析
與橋梁監(jiān)測(cè)相關(guān)的深入數(shù)據(jù)挖掘往往大學(xué)和科研院所做的多，從整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)體系設(shè)計(jì)上應(yīng)該為高校等研究機(jī)構(gòu)提供數(shù)據(jù)接口，使得這些研究成果能夠用于橋梁監(jiān)測(cè)的工程實(shí)踐，更好的指導(dǎo)橋梁評(píng)估和養(yǎng)護(hù)決策。
圖6拓展4：分布式數(shù)據(jù)挖掘
通過(guò)橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的拓展分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，將傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)中某部分拿出來(lái)進(jìn)行功能拓展，就可以滿(mǎn)足目前大規(guī)模橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)。如果體系結(jié)構(gòu)劃分不清，那么在系統(tǒng)拓展中難以做到邏輯自洽性，甚至造成系統(tǒng)總體架構(gòu)的混亂。
Part3. 大型橋梁數(shù)字化管養(yǎng)系統(tǒng)
橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和人工檢測(cè)數(shù)據(jù)的融合是行業(yè)共識(shí)，甚至不夸張地說(shuō)，絕大部分橋梁養(yǎng)護(hù)管理決策依靠人工檢測(cè)數(shù)據(jù)。橋梁健康管理大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)之大不在于傳感器收集數(shù)據(jù)之多，而在于能夠應(yīng)用于大數(shù)據(jù)分析方法。從投入產(chǎn)出比來(lái)看，在此次大規(guī)模橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)之際，拿出一小部分經(jīng)費(fèi)，在這些大型橋梁上開(kāi)發(fā)數(shù)字化橋梁管養(yǎng)系統(tǒng)，針對(duì)人工檢測(cè)數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合分析，其效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)本身。
有的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)了人工巡檢系統(tǒng)，但是擔(dān)憂(yōu)交通運(yùn)輸部因?yàn)檫@個(gè)不屬于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)范疇而將補(bǔ)貼經(jīng)費(fèi)取消。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)目的不是為了炒概念，而是為了橋梁更好的進(jìn)行養(yǎng)護(hù)管理，為此我們建議相關(guān)主管部門(mén)不必拘泥于概念成立與否，凡是利于大橋養(yǎng)護(hù)的投入都值得支持。但是值得一提的是，目前的巡檢系統(tǒng)都是信息化系統(tǒng)，跟數(shù)字化系統(tǒng)有本質(zhì)的區(qū)別，而我們更加提倡的是數(shù)字化系統(tǒng)。
2022年1月24日
轉(zhuǎn)載來(lái)源：檢師學(xué)社
