虎門大橋“呼吸”事件最新結果公布，物聯網結構監測成評估利器

近年來，橋梁事故屢見不鮮，或虛驚一場，或人財兩失，嚴重程度大相徑庭。

就在近日，相隔不到半個月的時間里，接連發生了兩起橋梁事故。

• 4月26日，武漢鸚鵡洲長江大橋橋體出現波浪般的晃動。此后，該橋管養單位武漢市城投集團公司回應稱，此次橋梁異常振動系特定風況引起，振幅在設計允許范圍內;橋梁結構運行正常，安全有保障。

• 5月6日下午，主跨888米的虎門大橋橋面出現了幅度明顯的“抖動”，橋中間的隔離帶上的指示牌也隨之上下搖晃，甚至直到第二天凌晨仍在振動。

　　懸索橋振動模型

好在兩起事件都沒有造成人員傷亡，但也因此引起了業界廣泛的關注。尤其后者，以各種“姿勢”出現在各大平臺的熱搜榜上，引得社會各界人士紛紛站在自己的角度對此次事件發表了自己的“看法”：

 

而在各界或質疑、或猜測、或調侃、或借勢推銷的聲浪中，網友們也探討起了“虎門大橋”是否是豆腐渣工程。就此我們采訪了業界專家：

5月10日，最新發布的報告對此作出了回應，它確實不是豆腐渣工程!

從虎門大橋“呼吸”事件說起，我們怎么看結構健康監測?

• 虎門大橋作為一座具有標桿意義的大橋，此次“呼吸”事件的發生也給我們現實生活帶來了巨大的借鑒意義：

• 預防已有橋梁事故發生的必要性，通過采用物聯網技術實現結構健康監測，提高發現類似情況的速度，從而能夠及時采取交通管制的措施;

• 發生突發事件后的評估為應急響應提供輔助決策;

給后續同類型橋梁設計優化提供數據和經驗，來源于真實的場景的數據比實驗數據有更高的參考價值。在這些借鑒意義的背后，是數據，是結構健康監測，也是基于兩者而做出的事故提前預警。

如果說虎門大橋事件離大部分人的生活不夠近，那不妨從更加接近我們生活的地方聊起。

其實在我們的日常生活中，通過佩戴智能手環、智能手表等監測設備，實時監測心率、步數、環境噪聲等，再借助收集而來的數據分析人體的健康狀況，比如通過Apple Watch監測并輸出專業水平的心電圖、糖尿病呼患者隨身佩戴血糖監測儀器以有效預防風險的發生等，這些都已經不是什么新鮮事了。

那么，如果把橋梁比作人體，則橋上安裝的監測系統相當于功能豐富的智能監測設備，它們可實時收集各類環境監測數據，通過這些數據再對橋梁狀況進行分析。同人體監測設備存在的目的一樣，結構健康監測系統的存在也是如此：

• 一方面，通過長期的結構監測獲得結構響應的變化，這些數據具有長期性、累積性的及統計性的特征，有著獨特的、不可替代的價值。

• 另一方面，對于一些已經存在的或者潛在的問題，監測系統也能夠跟蹤其變化發展趨勢，為結構性能變化以及損傷推演提供支持。

說了這么多，何為結構健康監測?

　　結構健康監測(structural health monitoring，SHM)利用現場的傳感設備獲取相關數據，實時感知、監測、識別、評定和預警結構荷載與環境作用、結構響應、結構性能、結構狀態與安全水平。它高度集成了土木工程、信息科學、通信科學、計算機科學、數據科學等多個專業領域的技術，是保障結構全壽命服役安全的有效方法和手段。

　　再來說說，結構健康監測發展過程中三個重要的時間節點：

　　即是監控系統，那到底能監控哪些關鍵指標想必也是大家都關心的內容。對于大型橋梁來說，一個全面的結構健康監測系統可實現以下三個方面：

　　第一：實現環境監測，如車輛載荷、船舶撞擊、風速風向、風壓、地震、溫濕度、余量和視頻監控等;

　　第二：實現結構整體響應，能監測到振動、變形、位移和轉角;

　　第三：實現結構局部響應監測，包括應力應變、裂縫及索力?？傮w來說，結構健康監測系統主要發揮著監測及預警的作用。

　　結構專家如何進行橋梁結構監測系統設計?

　　人在健康的情況下尚且要長期進行監測，作為在交通事業承擔了舉足輕重的作用的橋梁也是如此。那些表面看似穩固的橋梁，或許存在著嚴重的安全隱患。突發異常變化的橋梁也不能武斷地認定是設計、施工存在問題，而是需要依賴土木結構專業知識，并結合長期歷史數據進行推論。

　　結構健康監測系統設計步驟

　　在確定結構健康監測系統的目標后，結合被監測結構的設計、施工圖紙資料以及歷年的檢測報告等，我們會對結構進行深入分析，了解結構的力學行為規律，掌握起關鍵部位、荷載及理論響應，對監測方案的結構部分進行概念設計?；谝陨戏治霾拍苓M一步對監測系統的傳感器選型、布設方式、傳輸策略、數據存儲管理方式等進行細化技術設計。

　　在這個系統中，每一個傳感器都有自己的一塊手表(時基)，但由于晶振特性漂移，一段時間后手表的讀數相互出現了差異，因此需要定期對這些“手表”進行統一調整(引入時間同步機制)。否則在模態識別過程中就會引起模態振型相位角的改變，進而導致解算出的模態振型錯誤，監測系統將發生大量的誤報和漏報。目前，相關行業規范要求不同監測數據的數據采集時間同步誤差宜小于0.1ms，但目前相當數量的設備實際指標達不到該標準要求。

　　結構健康監測系統建設意義在哪里?能提供什么價值?

　　虎門大橋“呼吸”事件的發生，讓我們明白了結構健康監測系統的核心價值體現在對數據的應用上，因為監測設備采集的數據零散而又片面，并不能獨立提供價值。只有結合結構專家對被測對象結構特點的專業知識，對監測得到的數據解析和利用，才能讓數據的價值發揮到極致。提到監測數據的應用，或許還可以用另外一個發生不久的案例進一步佐證。

　　該案例的主角是四川瀘州橋隧群，該橋隧群監測項目是全國范圍內首個完全采用無線傳感技術進行結構安全監測的橋隧群項目，其建設工期為90個自然日，布設了近4000個傳感設備，實現了對全市30座橋梁、3座隧道的全天候實時自動狀況監測。2019年6月18日宜賓地震，監測系統1小時內即形成應急響應函，并在24小時內生成應急分析報告，為橋隧安全運行提供了科學依據。該系統的建立標志著瀘州公路交通管養模式向預防性、主動性轉變。

　　在這個案例中，正是通過對監測數據的分析、應用才能及時響應并快速生成分析報告，化被動為主動。該案例的服務提供方為北京源清慧虹信息科技有限公司，是一家國家級高新企業，也是由清華大學孵化的工業互聯網整體解決方案代表企業及行業規范起草單位。

　　值得一提的是源清慧虹已連續5年服務于交通部索承體系橋梁國檢項目，在其方案中表現出了眾多的亮點：

　　(1) 快速無損布設、超長免維護期

　　(2) 災害全程記錄，提供完善的結構響應原始數據

　　(3) 感知端人工智能、百倍信息密度提升

　　(4) 關鍵芯片和協議自主可控

　　(5) 組網自適應、排查“零延誤”

　　(6) 高精度授時、微秒級偏差

　　當結構健康監測遇上新基建......

　　我國交通建設投資不斷增加，未來橋梁建仍會保持上升的趨勢，再加上由于我國早前建設的橋梁大部分還沒有加裝結構健康監測系統，因此對于橋梁監測來說，這是增量與存量并存的藍海市場。

　　同時，“新基建”政策的出臺為結構健康監測市場“再添一把火”，帶來了更多的市場機會。結構健康監測具有由重設備轉變為重服務的特點，長期可靠的服務是客戶價值所在，這一點與新基建不謀而合。新基建可利用先進技術(無線傳感網、大數據分析、人工智能)解決基礎設施的建設和養護問題，這是無疑也是智慧城市的目標，而說到底結構健康監測也是實現智慧城市安全有保障的手段之一。

　　在這樣的情況下，新基建也將成為結構健康監測未來可拓展的市場方向。

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