随着智能监测技术、互联网技术的发展，桥梁结构健康监测系统作为现代桥梁管养的有效工具越来越受到业界重视，国内超300座特大桥已建设运行使用。且随着ABC［人工智能（artificial intelligence）、大数据（big data）、云计算（cloud computing）］产业的不断发展，桥梁健康监测系统也逐渐在区域性中小桥梁中应用。

桥梁健康监测系统的基本原理：桥梁受到外界突发荷载以及在长期服役过程中出现的损伤等将改变结构的刚度、质量或者耗能能力，进而引起桥梁结构动力特性或响应的改变；通过安装在桥梁结构上的传感器监测桥址环境、荷载及结构响应等，利用运行在服务器中的智能算法提取全桥不同部位动力参数信息或其衍生信息，与结构无损状态下的相应信息进行对比，实现桥梁的在线监测和健康评估。系统的数据采集器、传输器、处理器好比人体神经系统的神经末梢、神经中枢和大脑。图4-4-10所示为桥梁健康监测系统工作过程。

■图4-4-10　桥梁健康监测系统工作过程

（一）监测内容

早期桥梁健康监测系统是根据机械、航空领域的成功经验，采用重点监测局部构件的振动响应来实现对整个结构的模态分析预测。目前系统的建设理念逐渐更新，主要针对局部构件可能出现的特殊病害进行监测，首要目的是服务于桥梁的管养，即重点挖掘能减少或取代人工工作量、减少养护成本等方面的价值。监测内容以结构工程师对桥梁结构的运营安全分析的结果为主，综合考虑结构特点、桥址环境、行车安全、相关规范的要求、成功应用的经验、实施维护的便利性及经济性等因素。一般而言，监测内容应包括桥址环境、行车状态、结构响应、耐久性、特殊装置、表观状况六个方面的内容，如表4-4-1所示。

表4-4-1　监测内容

（二）系统架构

健康监测系统架构由21世纪初的C/S（client/server）架构模式逐渐发展为C/S+B/S（browser/server）架构模式。其由自动化监测子系统、数据存储与管理子系统、安全预警与状态评估子系统、用户界面子系统四部分组成，如图4-4-11所示。其特点是数据采集、传输、存储、处理端采用C/S架构，信息展示采用B/S架构。该系统解决了用户通过浏览器查询信息的问题，达到了远程控制的目的。随着互联网技术的发展，服务器端正在与云技术融合，朝着云存储、云计算的方向发展。

■图4-4-11　健康监测系统架构

（三）自动化监测子系统

该子系统主要由传感器模块、数据采集与传输模块、数据处理与控制模块等组成。

1.传感器模块

传感器模块是整个健康监测系统的硬件基础，主要由布置在桥梁结构上的各类传感器和专用设备等组成。通过传感器来记录结构响应及荷载、环境特征，以模拟或数字信号反馈给数据采集和存储设备。

传感器的选择主要考虑设备类型、量程、精度、采样频率和耐久性等方面的要求，应结合被测物理量的大小、精度，设备原理、设备寿命、稳定性等因素进行综合比选。

以位移类传感器为例，目前位移类自动监测传感器包括静力水准仪、光电挠度仪、倾角仪、GPS、北斗系统等，其原理及优缺点如表4-4-2所示。

表4-4-2　位移类自动监测传感器原理及优缺点

2.数据采集与传输模块

数据采集与传输模块完成传感器数据的采集、信号调理，并把数据实时传输到数据处理与控制模块。其工作过程如图4-4-12所示。

■图4-4-12　数据采集与传输模块工作过程

数据采集与传输模块的主要功能：通过软件实现数据采样、数据存储、数据前处理、数据同步传输、参数配置、采样控制、系统自检等功能；对所有传感器信号按照相应的采集制度和采样频率进行实时数据采集和预处理；连续传输来自传感器系统、工作站、数据处理和控制系统服务器以及数据评估服务器之间的实时监测数据、状态和警告信息，能够快速定位报警设备；通过远程控制实现启动、停止、自检、重启、选择存储等，在用户干预下进行数据采集。

3.数据处理与控制模块

数据处理与控制模块由布置在监控中心的服务器组成，实时接收并处理数据采集与传输模块采集的数据、人工录入的数据和其他系统数据，并对原始数据进行处理和在线评估，实现对原始数据和处理后数据的实时在线显示。

数据处理与控制模块的主要功能：接收数据采集与传输模块采集到的数据，并进行数据存储与处理；管理监测数据库和桥梁状态数据库，监测数据库用于存储原始数据，桥梁状态数据库用于存储二次处理数据、融合数据、结构状态信息等数据。以上数据需定期存档、备份，以保持数据的连续性。

用户可以通过授权访问系统中的各项数据信息。数据分析软件界面如图4-4-13所示。

■图4-4-13　数据分析软件界面

（四）数据存储与管理子系统

数据类型多样，每种数据都有其自身的特点。根据不同的数据特点，选择适合该数据的存储方式。

1.数据库存储

数据库用于存储静态信息和报警日志、数据统计结果、其他信息等，其中数据统计结果的数据量比较大。为了提高存取速度，将这些统计数据根据不同传感器类型分别存储到不同的数据库表中，这些数据库表根据实际情况可以存储在不同硬盘或不同服务器上，加快访问速度。如图4-4-14所示。

2.文件存储

由于结构监测数据量非常大，所有自动化监测的原始数据全部以文件形式保存。数据文件首先存储在采集站，待一个文件结束后传输至服务器集中保存。采集的数据应分目录保存。当遇到特殊事件（如台风、地震等），监测数值超过一定阈值或者有其他报警事件产生时，数据保存在“触发数据”目录；没有特殊事件时，数据保存在“普通数据”目录；“触发数据”和“普通数据”下又可按照年、月、日依次进行分类。(www.daowen.com)

■图4-4-14　数据库存储示意图

3.视频存储

视频监控的所有视频数据具有数据量大、数据需要循环存储等特点，所以视频监控的数据存储在专门的流媒体存储服务器中，通过流媒体转发服务器存储与读取。

4.数据下载

为了方便向第三方数据分析软件提供原始采集数据，系统提供了数据下载接口。用户可以通过界面选择需要下载的数据时间范围、数据类型以及转换后的数据格式等信息，选择下载后即可批量将数据下载到本地客户端。图4-4-15为数据库访问接口示意图。

■图4-4-15　数据库访问接口示意图

5.数据安全管理

为了防止数据在系统运行过程中发生非法生成、变更、泄露、丢失等事故，必须对数据的输入、存储、处理及输出进行严格的安全管理，确保数据的准确性、完整性、及时性和保密性。常用的安全管理方式有使用专有网络、设置硬件防火墙、自编软件漏洞测试、用户权限管理、数据备份管理（图4-4-16）等。

■图4-4-16　数据备份示意图

（五）安全预警与状态评估子系统

该子系统对自动化监测的各类数据进行统一的处理分析，然后按照一定的预警评估模型，得到针对桥梁结构状态的评估和预警报告，据此给出针对桥梁结构的管养建议。桥梁养护单位根据管养建议，可以制订经济合理的巡检养护计划。

安全预警与状态评估子系统主要包括数据统计分析、安全预警和状态评估三个模块。

1.数据统计分析模块

该模块的主要目的是对实测数据作预处理及分析，包含数据处理和数据分析两个部分。数据处理首先是对数据的异常现象进行诊断，其次是对原始数据中的异常数据进行净化（图4-4-17）、整理，最后计算出目标监测量、特征参数等，并将结果存入数据库的数据表中。数据分析是从数据库中获取经过前处理后的长时间数据，进行在/离线分析，通过统计分析、特征提取、数据挖掘的手段来获取隐含特征、模型参数，并将分析结果存入中心数据库。

■图4-4-17　数据净化处理软件界面

2.安全预警模块

该模块的主要目的是及时发现桥梁结构存在的问题，包含设备状态报警和结构状态报警。其中，设备状态报警是指桥梁监测设备工作状态的报警，由数据异常识别来诊断仪器异常；结构状态报警是指桥梁关键部位在活荷载等作用下结构响应报警、正常使用极限状态报警以及承载能力极限状态报警，通过对结构变形等监测参数建立报警指标，对监测结果进行分析预测，并分级报警。系统分两级报警：第一级为橙色报警，当实测数据连续6次超过通常值限值时进行异常报警；第二级为红色报警，当实测数据超出安全限值时进行安全报警，如图4-4-18所示。

■图4-4-18　分级报警示意图

3.状态评估模块

状态评估模块的主要目的是对桥梁结构的技术状态进行评估，包括桥址环境评估、桥梁承载力评估、疲劳评估、桥梁刚度和其他专项评估。桥梁健康监测安全评估的分析方法和理论主要有模型修正法、损伤预判法、参数识别法、层次分析法、可靠度理论、统计识别法、模糊理论、神经网络与专家系统理论等。实际运用过程中，不同的方法和理论需结合使用，以增加评估结果的准确性。图4-4-19所示为结构评估软件界面。

■图4-4-19　结构评估软件界面

（六）用户界面子系统

用户界面子系统主要基于B/S架构模式开发，在这种结构下，用户工作界面通过浏览器来实现，极少部分事务逻辑在前端实现，主要事务逻辑在服务器端实现，这样就大大简化了客户端计算机的载荷，减轻了系统维护与升级的成本和工作量。界面可以提供各种数字表格、曲线图形、分析报表等丰富的展示形式，提高用户使用的便利性。用户界面主要实现监测数据实时查询、采集数据历史查询、特殊事件发生时段监测数据查询、监测数据分析结果查询（图4-4-20）等功能。

■图4-4-20　监测数据分析结果查询界面

近些年，随着BIM（building information modeling，建筑信息模型）技术的发展，用户界面子系统逐渐与BIM技术相结合，通过监测信息与BIM构建的关联，能实现监测信息的可视化展示，丰富界面展示内容。如图4-4-21所示。

■图4-4-21　三维可视化界面

（七）工程示例

某长江大桥健康监测系统监测范围为主航道桥和专用航道桥。该监测系统采用集环境、桥梁、轨道、行车于一体的综合监测方法。自动化监测内容包括桥址风速、风向、温度，结构姿态与变形，结构振动响应，汽车及列车运行状况等20项内容。

监测系统由自动化监测、定期监测、数据存储及管理、综合报警与评估及用户界面5个子系统组成。系统支持网页及App访问，可查看、存储、分析各类监测数据，结合超阈值报警信息推送，及时发现结构潜在异常情况。结合在线日报表和季度报告，可以代替如索力、桥面线形等人工检测的作业，使天窗点检查更有针对性。还可查看主梁线形、行车振动响应等长期变化规律，也可为强风、地震、船撞等特殊作用下桥梁的应急检查和结构安全评估提供技术决策依据。该桥健康监测系统界面如图4-4-22所示。

■图4-4-22　某长江大桥健康监测系统界面