2019年5月28日檢師學社公眾號發表了一篇文章《如何（hé）理解（jiě）橋（qiáo）梁結（jié）構健康監測係統的（de）“結構”》，對橋梁結構健（jiàn）康（kāng）監測係統組成結構（gòu）進行了簡（jiǎn）單介紹。最（zuì）近筆者審查（chá）了多個（gè）橋梁監測（cè）係統類項目，對係（xì）統組成結構的劃分可謂五花八門（mén）；此外筆者參與審查了幾部監測類標準規範，也查閱了一些發布的標準規範，發現規（guī）範中對監測係統組成結構也未有較為明確的規定。為此，我們（men）重新提提（tí）這（zhè）個問題（tí），以引起各方麵的足夠的重視。

之所以要提監測係統組成結（jié）構，有幾方麵的原因：

（1）有個大家（jiā）共識的通用的係統組成架構體（tǐ）係，便（biàn）於技術交流。如果沒有統一的架構，無論是技（jì）術審查還是技術研討，頗有各（gè）說各話，弄不好還得中途打斷問問那個子係統是做啥的來著。

（2）利（lì）於監測係統設計的標準化。如果係統結構劃分合理，設計文件闡述的體係上也會比（bǐ）較有條理，而且在編製預算中也比較利於工程量的統計。

（3）利於（yú）係統的大規模拓展。目前全國橋梁監測係統大規模建設，如果對係統組成結（jié）構理解到位，能夠在此基礎上進行係統（tǒng）的各種類型（xíng）的改進和擴展。

Part 1.橋（qiáo）梁結構健康監測係（xì）統組成結構

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（jiàn）康（kāng）監測係統設計中標準的係統結構（gòu）層次（cì）劃分，

圖1 香港昂船洲橋（qiáo）監測係統結構劃（huá）分（fèn）

係統（tǒng）分為四個部分：

• Sensor System（SS）傳（chuán）感器係（xì）統

• Data Acquisition andTransmission System(DATS)數（shù）據采集與傳輸（shū）係統

• Data Processing and ControllingSystem(DPCS)數據處理（lǐ）與控製係統

• Structural Health evalsuationSystem(SHES)結構健康（kāng）評估係（xì）統

• Portable Inspection andMaintenance system(PIMS)便攜檢測和維護係統

我們在學習（xí）前人經驗基（jī）礎上，對係統結構劃分做了簡單的改（gǎi）變和修正。基（jī）於對整個係統的（de）理解，我們認為數據控（kòng）製（zhì）與采集更為接近，都是通過采集係統來實現其控製（改變采集設定的參數以（yǐ）及對傳感器的遠程診斷等）功能（néng），所以與采集合並為“采集與控製子係統”，而將數據（jù）傳輸單列出來。於是我們給出的橋梁結構健（jiàn）康（kāng）監測係統結構層次劃分（fèn）如下：

• Sensor System（SS）傳感器係統

• Data Acquisition andControlling System（DACS）數（shù）據采集與（yǔ）控製（zhì）係統

• Data Transmission System(DTS) 數據傳輸係統

• Data Processing and (DPCS)數據處理與管（guǎn）理（lǐ）係統

• Structural Health evalsuationSystem(SHES)結構健康評估係統

上述係統是從係統（tǒng）“縱向”來看，也就是說給定一種監測參數，比如加速度，那麽加速度計就是傳感器，采集加速度計的設備就是“采集係統”，對加速度最大值分析、時程數據顯示（shì）以及簡單的時頻變換等就（jiù）是（shì）“數據處理”，存（cún）入數據庫（kù）係統或者（zhě）從數據（jù）庫係統取（qǔ）出以及存儲策略等就是“數據管理”，通過加速度（dù）測量數據分析結構模態或者更深入（rù）分析結構損傷等就是“結構評估”。從橫向來看，會有不同的監測參（cān）數，請見圖2。這種（zhǒng）結構劃分也比較符合信號（hào）—數據—模型—知識的信息處理流程。

圖（tú）2 結構監測係統構成（chéng）示（shì）意圖

（1）傳感器子（zǐ）係統

根據係統（tǒng）設（shè）計中（zhōng）不同的監測參數選擇對應的傳（chuán）感器，傳感器子係統中不包括軟件，在設計中往往（wǎng）需要繪製傳感器布點圖，通過布點圖能夠審查布點位置和數（shù）量的合理性，同時能夠精（jīng）準統計傳感（gǎn）器數量（liàng）和型號。

（2）數據采集與控製子係統

數據采集（jí）能夠把傳感器獲取的沒有（yǒu）任何物理意義的模擬信號（電壓（yā）、電（diàn）流和光信號等）轉換成數（shù）字化（huà）信號，同時信號轉變成有物理意義的數據（jù），如應（yīng）變，振（zhèn）動等。不同傳感器應用不同的采集設備進行數據采集（jí），這部分需要設計傳感器與采集（jí）設備（bèi）之間的拓（tuò）撲關係。對采（cǎi）集行為的控製，包括診斷，采集頻率調整，時鍾同步性設計等也通過采集設備來實現。數據采集與控製子係統包括硬件，也包括采集與控製和診斷等軟件。

根據（jù）橋梁空（kōng）間位置，在橋梁上布（bù）設多個采集（jí）站，DAU （Data AcquisitionUnit ）。每個采集站可包含不同類型不同數量采集設備（bèi），同時配備共用（yòng）的配（pèi）電、數據匯線和往遠端傳輸的（de）交（jiāo）換機等（děng）。采集站（zhàn）隻是具有不同采（cǎi）集設備在一個地點的位置意義，不能作為獨立的子係統來看待。

有的傳（chuán）感（gǎn）器（qì）是無線傳（chuán）感器，無線傳（chuán）感器往往是（shì）把數字量向外傳輸。此類傳感器內部集（jí）成了數據采集模塊和無線發射模塊，從係統結構上仍然與上述監（jiān）測係統結構劃分相符合。

（3）數據（jù）傳輸子係（xì）統

數據（jù）傳輸子係統包括各種數據傳輸線路（lù）和相（xiàng）關的交換機等設備（bèi）。傳輸網絡包括幾種:從傳感器到DAU傳輸網絡，暫且稱呼為局部傳輸網絡；從DAU到橋梁交（jiāo）換機的傳輸網絡，暫且稱為（wéi）二（èr）級傳輸網絡；從橋頭交換機到（dào）監控中（zhōng）心交（jiāo）換機的（de）傳輸（shū）網絡，暫且稱為“骨幹傳輸網絡”。和監（jiān）控中心的（de）布線等。

隨著通信（xìn）技術的發展，之前從橋位到監控中心往往使用（yòng）光纖，目前來看可以采用無（wú）線傳輸網（wǎng）絡，比如4G網絡（luò）。以往（wǎng）從DAU到橋頭交換機也采用（yòng）光纖傳輸，目前甚至可以直接從DAU將數據傳輸到監控（kòng）中心，甚（shèn）至直接上傳到雲端。

（4）數（shù）據處理與管理子係統（tǒng）

橋梁結構健（jiàn）康監測係統建設目的是獲（huò）取（qǔ）數據，對數（shù）據進行處（chù）理，為橋梁安全評估和養（yǎng）護提供支持。數據處理包括兩個層麵，第一層麵是計算機能夠自動實現的，這部分工作劃分在數據處理與管理子係統，第二層麵是需要專業知識（shí）和專（zhuān）業（yè）軟件（jiàn），需要（yào）專業人士通過人機交互才能完成的，劃分在結構健康評估子係（xì）統中。

數據（jù）處理（lǐ）與管理子係統主要包括：

• 能夠自動實現的數據（jù）處理，如最大值（zhí）統計（jì），頻譜變換，雨流統（tǒng）計，軸載統計等等。

• 數據顯示與展（zhǎn）示。

• 數（shù）據（jù）庫（kù），包括自建數（shù）據庫還是（shì）把數據傳到雲（yún）端進行管理。

• 數據（jù）共享等策（cè）略和管理等。

（5）結構（gòu）健康評估係統

結構評估係統（tǒng）不單單（dān）指（zhǐ）橋梁承載能力（lì）評估，凡是需要知識模型，需要人工進行（háng）分析的計算統稱為橋梁評估係統的應有功能。比如基於加速度數據的結構模態識別（bié）分析、結構損傷識別分析、汽車荷載模型統計分析、風荷載（zǎi）統計分析以及橋（qiáo）梁承載能力評估等，這些評估分析往往需（xū）要購買（mǎi）或者開發相應的專業軟件。

Part 2.橋梁結構健（jiàn）康（kāng）監測係統體係結構（gòu）的拓展

鑒於目前全國範圍內大規（guī）模建設橋梁結（jié）構健康監測係統，一些新的概念也（yě）出來了，比如橋梁集群監測係統，省級數據平台，部（bù）級數據平台（tái）等等。這裏我們（men）簡單談談上述橋梁結構健康監測係（xì）統體係結構的拓展性。

1.數據采集運維平台（tái）係統

以某省份為例，120座橋梁監測係統，假設每座橋梁8台（tái）采集設備，全部下來有近1000台采集設備；假設每座橋梁150支傳感器，全部下（xià）來有近20000萬支傳感器。這麽龐大數量的硬件，靠傳統的人（rén）工運維是很難管起來的。可以借鑒數據中心服（fú）務器運維模式，在采集設備之（zhī）上布（bù）設數（shù）據采（cǎi）集運維平台係統，圖3，對這些硬件的（de）狀態進行監控，及時發現損害的設備以及時更換維修。

圖3 拓（tuò）展1：數據運維平台係統

2.數據平台

交通運輸部（bù）《公路長大（dà）橋梁結構健康監測係統建設實施（shī）方案（àn）》中明確提出了各省須建設（shè）麵向（xiàng）省內所（suǒ）有橋梁監測係統的省級數據平台，簡稱“省級平台”。就我們了（le）解來看，各個地區如何建（jiàn）設省級平台還都不太明（míng）晰，有的省份把之前集群橋梁監測係（xì）統的監測數據平台改吧改吧（ba）就變成了省（shěng）級數據平台。

省級“數據平台”可以（yǐ）考慮將結構健康監測係統中的“數據庫（kù）”抽取出（chū）來，建設各個業主共用的數據平（píng）台，圖4。在（zài）共用（yòng）的省級數據（jù）平台上考慮數據監管、管理、安全、共享策略等工作。該平台隻針對數據的管（guǎn）理，可以布設在雲端，或建設私有雲（yún），相當於（yú）Data+Cloud，而（ér）各個業主的監測平台負責數據管理分析挖掘和展示，相當於SaaS。

圖（tú）4拓（tuò）展2：省級數據平台

3.分布式監測

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（le）“分布式監測”的概念，比如比較難度大的結構模態監測委托於比較專業的技術團隊，該團隊負責傳（chuán）感（gǎn）器和采集設備安（ān）裝，所有橋梁模態分析等專項監測服務。

圖5 拓展3：分布（bù）式監測

4.分布（bù）式數據（jù）分析

與橋梁監（jiān）測相關的深入數（shù）據（jù）挖（wā）掘往往大學和科（kē）研院所做的多，從整個監測係統體係設計上應該為高校等研究機構提供數據接（jiē）口，使得這些研究成果能夠用於橋梁監測的工程實踐，更（gèng）好的指導橋梁評估和養護決策。

圖（tú）6拓展4：分（fèn）布式數據挖掘（jué）

通（tōng）過橋梁監測係（xì）統體係結構的拓展分析，我（wǒ）們（men）可以發現（xiàn），將傳統的監測（cè）係統體係結構中某部分拿出來進行功能拓展（zhǎn），就可以滿足目前（qián）大規（guī）模橋（qiáo）梁監（jiān）測係統建設。如果體係結（jié）構劃分不清（qīng），那麽在係統拓展中難以（yǐ）做到邏輯自洽性（xìng），甚至（zhì）造成係統（tǒng）總體架構的混亂。

Part3. 大型（xíng）橋梁數字化管養係統

橋梁（liáng）監測數據和人工檢測數據的融合是行業共識，甚至不誇張地說，絕大部分（fèn）橋梁養護管理決策依靠人工檢測數據（jù）。橋梁健康管理大數據係統的數據之大不在於傳感器收（shōu）集數據之多，而在於能夠應用於大數據分析方法。從投入產出比來看，在此次大規模橋梁監測係統建（jiàn）設之（zhī）際，拿出一小（xiǎo）部分經費（fèi），在這些大型（xíng）橋（qiáo）梁上開發數字化橋梁管（guǎn）養係統，針對人工檢測數據和監測數據（jù）融合（hé）分析，其效益遠遠高於（yú）監測係統本身。

有的監測係統設計（jì）中設計了人工巡檢係（xì）統（tǒng），但是擔憂交通運輸部因為（wéi）這個不（bú）屬於監測係統建設範疇而將補貼經費（fèi）取消。監測係統建設目的不是為了炒概念，而是（shì）為了橋梁更好的進（jìn）行養護管理，為此我們（men）建議相關主管（guǎn）部門不必拘泥（ní）於概念成立與否，凡是利於（yú）大橋養護的投入都值得支持。但是值得一提的是，目（mù）前的（de）巡檢係統都是信息化係統，跟數字化係統有本質（zhì）的區別（bié），而我（wǒ）們更（gèng）加提倡的是數字化係統。

2022年1月（yuè）24日

轉載（zǎi）來源：檢師學社