2019年5月28日檢師學社公眾號發(fā)表了一篇文章《如何理解橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的“結構”》，對橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)組成結構進行了簡單介紹。最近筆者審查了多個橋梁監(jiān)測系統(tǒng)類項目，對系統(tǒng)組成結構的劃分可謂五花八門；此外筆者參與審查了幾部監(jiān)測類標準規(guī)范，也查閱了一些發(fā)布的標準規(guī)范，發(fā)現(xiàn)規(guī)范中對監(jiān)測系統(tǒng)組成結構也未有較為明確的規(guī)定。為此，我們重新提提這個問題，以引起各方面的足夠的重視。
之所以要提監(jiān)測系統(tǒng)組成結構，有幾方面的原因：
（1）有個大家共識的通用的系統(tǒng)組成架構體系，便于技術交流。如果沒有統(tǒng)一的架構，無論是技術審查還是技術研討，頗有各說各話，弄不好還得中途打斷問問那個子系統(tǒng)是做啥的來著。
（2）利于監(jiān)測系統(tǒng)設計的標準化。如果系統(tǒng)結構劃分合理，設計文件闡述的體系上也會比較有條理，而且在編制預算中也比較利于工程量的統(tǒng)計。
（3）利于系統(tǒng)的大規(guī)模拓展。目前全國橋梁監(jiān)測系統(tǒng)大規(guī)模建設，如果對系統(tǒng)組成結構理解到位，能夠在此基礎上進行系統(tǒng)的各種類型的改進和擴展。
Part 1.橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)組成結構
下圖1是香港昂船洲大橋（包括其他幾座橋梁）在橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)設計中標準的系統(tǒng)結構層次劃分，
圖1 香港昂船洲橋監(jiān)測系統(tǒng)結構劃分
系統(tǒng)分為四個部分：
• 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)結構健康評估系統(tǒng)
• Portable Inspection andMaintenance system(PIMS)便攜檢測和維護系統(tǒng)
我們在學習前人經(jīng)驗基礎上，對系統(tǒng)結構劃分做了簡單的改變和修正。基于對整個系統(tǒng)的理解，我們認為數(shù)據(jù)控制與采集更為接近，都是通過采集系統(tǒng)來實現(xiàn)其控制（改變采集設定的參數(shù)以及對傳感器的遠程診斷等）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。于是我們給出的橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)結構層次劃分如下：
• 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)結構健康評估系統(tǒng)
上述系統(tǒng)是從系統(tǒng)“縱向”來看，也就是說給定一種監(jiān)測參數(shù)，比如加速度，那么加速度計就是傳感器，采集加速度計的設備就是“采集系統(tǒng)”，對加速度最大值分析、時程數(shù)據(jù)顯示以及簡單的時頻變換等就是“數(shù)據(jù)處理”，存入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)或者從數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)取出以及存儲策略等就是“數(shù)據(jù)管理”，通過加速度測量數(shù)據(jù)分析結構模態(tài)或者更深入分析結構損傷等就是“結構評估”。從橫向來看，會有不同的監(jiān)測參數(shù)，請見圖2。這種結構劃分也比較符合信號—數(shù)據(jù)—模型—知識的信息處理流程。
圖2 結構監(jiān)測系統(tǒng)構成示意圖
（1）傳感器子系統(tǒng)
根據(jù)系統(tǒng)設計中不同的監(jiān)測參數(shù)選擇對應的傳感器，傳感器子系統(tǒng)中不包括軟件，在設計中往往需要繪制傳感器布點圖，通過布點圖能夠?qū)彶椴键c位置和數(shù)量的合理性，同時能夠精準統(tǒng)計傳感器數(shù)量和型號。
（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有任何物理意義的模擬信號（電壓、電流和光信號等）轉換成數(shù)字化信號，同時信號轉變成有物理意義的數(shù)據(jù)，如應變，振動等。不同傳感器應用不同的采集設備進行數(shù)據(jù)采集，這部分需要設計傳感器與采集設備之間的拓撲關系。對采集行為的控制，包括診斷，采集頻率調(diào)整，時鐘同步性設計等也通過采集設備來實現(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，在橋梁上布設多個采集站，DAU （Data AcquisitionUnit ）。每個采集站可包含不同類型不同數(shù)量采集設備，同時配備共用的配電、數(shù)據(jù)匯線和往遠端傳輸?shù)慕粨Q機等。采集站只是具有不同采集設備在一個地點的位置意義，不能作為獨立的子系統(tǒng)來看待。
有的傳感器是無線傳感器，無線傳感器往往是把數(shù)字量向外傳輸。此類傳感器內(nèi)部集成了數(shù)據(jù)采集模塊和無線發(fā)射模塊，從系統(tǒng)結構上仍然與上述監(jiān)測系統(tǒng)結構劃分相符合。
（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)傳輸線路和相關的交換機等設備。傳輸網(wǎng)絡包括幾種:從傳感器到DAU傳輸網(wǎng)絡，暫且稱呼為局部傳輸網(wǎng)絡；從DAU到橋梁交換機的傳輸網(wǎng)絡，暫且稱為二級傳輸網(wǎng)絡；從橋頭交換機到監(jiān)控中心交換機的傳輸網(wǎng)絡，暫且稱為“骨干傳輸網(wǎng)絡”。和監(jiān)控中心的布線等。
隨著通信技術的發(fā)展，之前從橋位到監(jiān)控中心往往使用光纖，目前來看可以采用無線傳輸網(wǎng)絡，比如4G網(wǎng)絡。以往從DAU到橋頭交換機也采用光纖傳輸，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)
橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)建設目的是獲取數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理，為橋梁安全評估和養(yǎng)護提供支持。數(shù)據(jù)處理包括兩個層面，第一層面是計算機能夠自動實現(xiàn)的，這部分工作劃分在數(shù)據(jù)處理與管理子系統(tǒng)，第二層面是需要專業(yè)知識和專業(yè)軟件，需要專業(yè)人士通過人機交互才能完成的，劃分在結構健康評估子系統(tǒng)中。
數(shù)據(jù)處理與管理子系統(tǒng)主要包括：
• 能夠自動實現(xiàn)的數(shù)據(jù)處理，如最大值統(tǒng)計，頻譜變換，雨流統(tǒng)計，軸載統(tǒng)計等等。
• 數(shù)據(jù)顯示與展示。
• 數(shù)據(jù)庫，包括自建數(shù)據(jù)庫還是把數(shù)據(jù)傳到云端進行管理。
• 數(shù)據(jù)共享等策略和管理等。
（5）結構健康評估系統(tǒng)
結構評估系統(tǒng)不單單指橋梁承載能力評估，凡是需要知識模型，需要人工進行分析的計算統(tǒng)稱為橋梁評估系統(tǒng)的應有功能。比如基于加速度數(shù)據(jù)的結構模態(tài)識別分析、結構損傷識別分析、汽車荷載模型統(tǒng)計分析、風荷載統(tǒng)計分析以及橋梁承載能力評估等，這些評估分析往往需要購買或者開發(fā)相應的專業(yè)軟件。
Part 2.橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)體系結構的拓展
鑒于目前全國范圍內(nèi)大規(guī)模建設橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)，一些新的概念也出來了，比如橋梁集群監(jiān)測系統(tǒng)，省級數(shù)據(jù)平臺，部級數(shù)據(jù)平臺等等。這里我們簡單談談上述橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)體系結構的拓展性。
1.數(shù)據(jù)采集運維平臺系統(tǒng)
以某省份為例，120座橋梁監(jiān)測系統(tǒng)，假設每座橋梁8臺采集設備，全部下來有近1000臺采集設備；假設每座橋梁150支傳感器，全部下來有近20000萬支傳感器。這么龐大數(shù)量的硬件，靠傳統(tǒng)的人工運維是很難管起來的?？梢越梃b數(shù)據(jù)中心服務器運維模式，在采集設備之上布設數(shù)據(jù)采集運維平臺系統(tǒng)，圖3，對這些硬件的狀態(tài)進行監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)損害的設備以及時更換維修。
圖3 拓展1：數(shù)據(jù)運維平臺系統(tǒng)
2.數(shù)據(jù)平臺
交通運輸部《公路長大橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)建設實施方案》中明確提出了各省須建設面向省內(nèi)所有橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的省級數(shù)據(jù)平臺，簡稱“省級平臺”。就我們了解來看，各個地區(qū)如何建設省級平臺還都不太明晰，有的省份把之前集群橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)平臺改吧改吧就變成了省級數(shù)據(jù)平臺。
省級“數(shù)據(jù)平臺”可以考慮將結構健康監(jiān)測系統(tǒng)中的“數(shù)據(jù)庫”抽取出來，建設各個業(yè)主共用的數(shù)據(jù)平臺，圖4。在共用的省級數(shù)據(jù)平臺上考慮數(shù)據(jù)監(jiān)管、管理、安全、共享策略等工作。該平臺只針對數(shù)據(jù)的管理，可以布設在云端，或建設私有云，相當于Data+Cloud，而各個業(yè)主的監(jiān)測平臺負責數(shù)據(jù)管理分析挖掘和展示，相當于SaaS。
圖4拓展2：省級數(shù)據(jù)平臺
3.分布式監(jiān)測
我們在第三代橋梁結構健康監(jiān)測綜合解決方案中提出了“分布式監(jiān)測”的概念，比如比較難度大的結構模態(tài)監(jiān)測委托于比較專業(yè)的技術團隊，該團隊負責傳感器和采集設備安裝，所有橋梁模態(tài)分析等專項監(jiān)測服務。
圖5 拓展3：分布式監(jiān)測
4.分布式數(shù)據(jù)分析
與橋梁監(jiān)測相關的深入數(shù)據(jù)挖掘往往大學和科研院所做的多，從整個監(jiān)測系統(tǒng)體系設計上應該為高校等研究機構提供數(shù)據(jù)接口，使得這些研究成果能夠用于橋梁監(jiān)測的工程實踐，更好的指導橋梁評估和養(yǎng)護決策。
圖6拓展4：分布式數(shù)據(jù)挖掘
通過橋梁監(jiān)測系統(tǒng)體系結構的拓展分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，將傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)體系結構中某部分拿出來進行功能拓展，就可以滿足目前大規(guī)模橋梁監(jiān)測系統(tǒng)建設。如果體系結構劃分不清，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)總體架構的混亂。
Part3. 大型橋梁數(shù)字化管養(yǎng)系統(tǒng)
橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)和人工檢測數(shù)據(jù)的融合是行業(yè)共識，甚至不夸張地說，絕大部分橋梁養(yǎng)護管理決策依靠人工檢測數(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，而在于能夠應用于大數(shù)據(jù)分析方法。從投入產(chǎn)出比來看，在此次大規(guī)模橋梁監(jiān)測系統(tǒng)建設之際，拿出一小部分經(jīng)費，在這些大型橋梁上開發(fā)數(shù)字化橋梁管養(yǎng)系統(tǒng)，針對人工檢測數(shù)據(jù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)融合分析，其效益遠遠高于監(jiān)測系統(tǒng)本身。
有的監(jiān)測系統(tǒng)設計中設計了人工巡檢系統(tǒng)，但是擔憂交通運輸部因為這個不屬于監(jiān)測系統(tǒng)建設范疇而將補貼經(jīng)費取消。監(jiān)測系統(tǒng)建設目的不是為了炒概念，而是為了橋梁更好的進行養(yǎng)護管理，為此我們建議相關主管部門不必拘泥于概念成立與否，凡是利于大橋養(yǎng)護的投入都值得支持。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
轉載來源：檢師學社
