一（yī）、背景 
　　隨著改革開放以來經濟的快速發展，國內的交通網絡在不斷的豐富、完善，橋梁建設迎來了建設（shè）的黃金時代。橋梁不（bú）僅在公路交通（tōng）運輸中發揮（huī）著至關重要的作用，而且在（zài）高鐵架設過程中具（jù）有不可替代的（de）地位。伴（bàn）隨著橋梁的建造（zào）技術的（de）迅猛發展，近（jìn）幾年來國內湧現出了許多大型，特大型的橋梁，如湖南矮寨大橋，杭州灣跨海大橋等，這些非（fēi）凡的成就既展現了中國橋（qiáo）梁（liáng）技術的騰（téng）飛，也大大提升（shēng）了中國橋梁工程（chéng）建設的國際地位。因為國內橋梁現代化建設（shè）起步時間較（jiào）晚，因而大部分橋梁結構強（qiáng）度仍處在合（hé）理的範（fàn）圍內，尚未出現結構疲勞，然而隨著時間的遷移，橋梁結構（gòu）的健康問題將會凸顯出來。如何做到結構（gòu）隱患早發現（xiàn），早排除，這不僅關（guān）係到人民群眾的生命財產安全，而且還能為業主（zhǔ）挽回巨大的（de）財產損失。因此，健全並完善橋梁結構（gòu）健康監測係統是亟待當代橋梁人解決的課題。 
　　二、橋梁結構健康監測係統概述（shù） 
　　多年來，橋梁結構的安全狀況（kuàng）一直是公眾特別關注的（de）問（wèn）題。目前國內外的大型橋梁普遍麵臨結構安全隱患。在西方發達國家經濟騰飛的時期裏，就（jiù）已經建設了眾多大型，特大型的大（dà）橋，但隨著時間的推移，許（xǔ）多橋梁的使用年限已超過50年以上，1/3以上的橋梁使用效率很低或者（zhě）幹脆放棄，每年都要（yào）投入幾十億（yì）美元經行維護。然（rán）而，國內（nèi）的（de）橋梁（liáng）健康監測體係（xì）發展（zhǎn）速度遠遠滯後於（yú）橋梁的建設速度，近（jìn）幾年發生了多起重大的安全事故，2007年8月，湖南湘西土家族苗族自治州境內的堤（dī）溪沱江大橋突然垮塌，導致64人死亡（wáng）；2010年7月，洛（luò）陽欒川湯營大橋整體垮塌，導致52人死亡， 18人失蹤；隨著鐵路（lù）、高鐵的（de）快速建設，鐵路橋也麵臨新的考驗，2010年（nián）8月，寶成（chéng）鐵路德陽至廣漢（hàn）間石亭江（jiāng）大橋被洪水衝垮。以上事故除了施工方麵的問題外，而且還有經常年超負荷的營運作用（yòng），導致了橋（qiáo）梁（liáng）結構產生了疲勞損傷（shāng），加（jiā）之缺乏及時的健康監測，使得結構疲勞累積，最後（hòu）導致了橋梁垮（kuǎ）塌的慘劇，如果能及時發現（xiàn）結構隱患，並（bìng）盡早排除，就能極大地減少或杜絕事故（gù）的發生，因此橋梁結構（gòu）健康檢查係統應運而生。 
　　為了能滿（mǎn）足係統（tǒng）正（zhèng）常、高效（xiào）工作，目前結（jié）構健康監測係（xì）統（Structure Health Monitoring System ， SHMS）由五大子係統組成： 
　　（一）數據采集係（xì）統 
　　目前，數據采集係統主要是由多（duō）種傳感技術組成，傳感技術（shù）種類主要包括了光纖傳感（gǎn）器、實時動（dòng）態（tài）定位（wèi）、聲發射、壓電材料（liào）等。多種（zhǒng）傳感技術各有（yǒu）優缺點。 
　　光纖傳感器（qì），目前具有傳導速度快、耐腐蝕、抗幹擾能力強、靈敏度高（gāo）等優點，但（dàn）是光纖傳感器的耐久性與在複雜環（huán）境下的運（yùn）行精度有待提高。 
　　實時定位技術，主要是通（tōng）過GPS，GIS等技術實現在3D坐標上定（dìng）位橋梁結構的位（wèi）置與變形（xíng），可以實時掌握橋梁在風荷載，動荷載的作用下的應變。目前，中（zhōng）國北鬥衛星導（dǎo）航係統的第一個民用示範工程--重點運輸過程監控管理服務示範係統於（yú）2013年1月1日正式啟用（yòng），因此，實時定位（wèi）技術在SHMS的未來發展中將會發揮更重要的作用。 
　　聲發射，主要是通過（guò）發射超聲波來監測橋梁結構的細小裂縫，該技術相對來說較為成熟，類（lèi）似的係統已經在道路監測中廣泛地運用，但是在橋梁的實時監測中（zhōng）尚有不足，一是聲源的選取，在麵對橋梁複雜的結構，聲源的選取（qǔ）至關重要，選擇什麽地方來放置，以獲取最好（hǎo）的效果，這個問題在（zài）麵對橋梁結構與所處環境有噪聲的時候，變得尤（yóu）為棘手（shǒu）。二是采集的數據，傳感器所采（cǎi）集（jí）的數（shù）據主要為細小裂縫（féng）的聲波反饋數據，因此，存在微（wēi）小的裂縫不易被發現，且對於尚未產生裂縫處的應力集中現象（xiàng）不能很好的（de）反饋給業主，容易導致（zhì）橋梁結構的損壞。因此，聲發射（shè）技（jì）術還（hái）需要繼續深入研（yán）究。 
　　壓電材料，具（jù）有成本低、生產簡單、響應快、機械（xiè）強度高、耐久性能好、動（dòng）態輸出能力強、可靠性高等優異性能，因而在SHMS中具有很（hěn）大的潛力。壓電材料在SHMS中的應用主要有主動、被動兩種方式。但是目前主動（dòng）監測技（jì）術在土木工程結構長（zhǎng）期健康監測中的應（yīng）用非常有限，絕大部分的成果還處於理論、試驗（yàn）階段。 
　　（二）數（shù）據傳輸係統 
　　目前，隨著無線傳感網絡技術（WSN）的（de）發展，由傳（chuán）感器采集的大量數據能夠及時的傳輸到中央處理器（qì）。無線傳感器網絡是一種分布（bù）式傳感網絡，它的末梢是可以感知和監測外部世界的傳感器，WSN中的傳感器通過無線方式通信（xìn），網絡設置靈活（huó），設備位置可以隨時更改，因而可以隨不同的橋梁結構，而更改傳感器的位置，以獲取（qǔ）準確的數據，並且無線傳感器網絡（luò）具有類型繁多的傳感器，不僅能收集噪（zào）聲、風荷載（zǎi）、動荷載、車輛（liàng）的移動速度等數據，還能采集周圍環境的多種數據。WSN具有規（guī）模大（dà）、自組織、動態性等特點。因此，WSN可以（yǐ）通過分布在不（bú）同位置的（de）傳（chuán）感器采集更大性（xìng）價比的數據，傳感器的數目（mù）巨大和種類多樣（yàng）化促使監測精（jīng）確度大幅（fú）度提高，降低了對單個節點傳感（gǎn）器的精度要求（qiú），大量冗餘（yú）節點的存在，使（shǐ）得係統具有（yǒu）良好的容錯性。基於自組織、動態性的特點，使得當有部分傳感器節（jiē）點由於環境因素或能量耗盡造成的失效時，其（qí）餘的節（jiē）點能通過（guò）無線連接，自動接替失（shī）效傳感器的工作（zuò），這樣網絡的精度得到了保證。隨（suí）著技術（shù）的發展使得部分節點傳感（gǎn）器擁（yōng）有微處理器（qì），能夠將采集的數據（jù）先行處理，消除偶然或係統誤差和去除因傳感器失效造成的錯誤數據，進而提取有效信息，減少傳輸（shū）數據量，減小能耗。 
　　（三）數（shù）據處理係統 
　　目前，數據處理可分（fèn）為硬計算和軟（ruǎn）計算兩類。顧名思義，硬計算指的（de）是（shì）通過傳統的（de）算法，算出嚴謹、確切和精準的值，實際上由於橋梁結構處在一個隨時改變的動（dòng）態荷載環境中，導致結構的應變處在（zài）一個不確定，不精（jīng）確的範圍內，使得硬計算在實際（jì）工程（chéng）中並不適用（yòng）。而軟計算指的是係統運用模糊（hú）運算，統計運算等智能計算方法。在實際運用（yòng）中，軟計算會對數據進行比較對比，對傳感（gǎn）器（qì）失效（xiào）造成的數據丟失，錯（cuò）誤，進行必要的修正和驗證（zhèng），會對係統的正常，高效工作起到優化作用。 
　　（四）數據評估係（xì）統 
　　對（duì）於橋梁結構的使用壽命可分為三類：技（jì）術性使用壽命、功能性使用壽命、經濟（jì）性使用壽命，而目前（qián）的使用壽命都（dōu）是從技術（shù）壽命考慮的（de）。係統性的評估在於確定係統的評定基準，建立一整套指標體（tǐ）係，統一量綱，確定每個影響（xiǎng）因素所占的權重，目前可使用的（de）方法有層次分析法、模糊綜合評定法等，現在麵臨的問題一是係統（tǒng）評估的主觀（guān）性（xìng）太強，主（zhǔ）要使用專家打分法；二是麵對傳感器傳輸的海量數據，如何進行取舍，目前沒有統一的衡（héng）量規範（fàn）。係統在麵對不（bú）同環境因素，橋梁結構，荷載類型時，需要建立（lì）不同的數學模（mó）型。為（wéi）了能使SHMS適應更多（duō）複雜的外部環境，如何建立一個健壯的數學模型，仍需要進一步（bù）研究。 　　三（sān）、橋梁結構健康監測係統的未來 
　　（一）傳感器的（de）性能（néng）與（yǔ）分布 
　　目（mù）前，現有的傳感器普遍麵臨的問題是精度低，耐久性弱，解（jiě）決該問（wèn）題就僅通過增（zēng）加傳感器的數目來增（zēng）加（jiā）係（xì）統冗餘，來提高係統的容錯性（xìng）。但新（xīn）問題也隨之出現了，一是如果在橋梁所有自由度上安裝傳感器，那將會（huì）大大增加係統成本，並且會增（zēng）加後期維（wéi）護費用，二是傳感器（qì）的增加意味著增加了數據量，使得（dé）係統需要進行更多的數據處理，而如何建立適用（yòng）性更強的損傷識（shí）別指標，就（jiù）決定SHMS能否高效的運行。在未來，如何增加傳感器的靈敏（mǐn）度和精度；如何通過傳感器的優化分（fèn）布來提高獲取最大數據量，這兩方麵（miàn）將是研究的重（chóng）點（diǎn）。 
　　（二）數（shù）據處理係統的優化和（hé）智能 
　　數據處理係統是整個係統的心髒，因此處（chù）理係統的好壞直接決定（dìng）了（le）整個係統（tǒng）的性能（néng）。目前，處理係統主要在兩個方麵尋求突破，一是對處理係統的數學模型的優化，使其能麵（miàn）對更（gèng）複雜的，更龐大的數據鏈，能適應更複雜的環境；二是處理係統的智能化，隨（suí）著（zhe）智能時代的到來，如何將處理係統與雲計算、大數據庫相結合，運用（yòng）已有的案例解決自身的問（wèn）題（tí），這將是（shì）未來研究的重點。 
　　（三）結構健康監測係（xì）統的功能整合和定位 
　　目前，在中國許多沿江城市裏，都能看見結構健康（kāng）監測係統運用在橋梁集群中，如何將這（zhè）些係統進行有效整合（hé），實現資源共享，規範統一，這就（jiù）需（xū）要從國家層麵進（jìn）行調控。將眾多獨立係統的信息進行共享，就必然會麵臨係統數據鏈的共享，這就不得不觸及商業機密與國家安全，因此，在未來係統（tǒng）聯網的過程中如何做到信息的安全管理，這將（jiāng）關乎到係統的能否高效利用的問（wèn）題。結構健康監測係統理論尚（shàng）不完善，在實際運用中仍會遇到許多困難（nán），因此SHMS目前的功能（néng）定位仍然是（shì）人工的輔助係統，尚不能替代工程師的職責。因此，在未來的運用中應該不（bú）斷總結（jié）使用經驗，來完善結構健康監測係統理論，使（shǐ）SHMS能（néng）在未來橋梁監（jiān）測工作中發揮（huī）更大作用。 
　　四、結語 
　　隨著中國城鎮化進程的（de）推進，無論是公路（lù）橋還是鐵路橋的建設都（dōu）將加快步伐，在這個大環（huán）境下，橋梁結構健康（kāng）監測係統（tǒng）的產生順應（yīng）了時代發展的潮流，接下來如何完善係統將會（huì）是未來（lái）橋梁人研究的重要課題（tí）。