橋梁輕量化監(jiān)測設(shè)備：守護(hù)橋梁安全的科技利器

在現(xiàn)代交通體系中，橋梁作為關(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)施，承擔(dān)著連接區(qū)域、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要使命。隨著橋梁數(shù)量的不斷增加以及部分橋梁逐步進(jìn)入老化期，確保橋梁的結(jié)構(gòu)安全與穩(wěn)定運營成為了至關(guān)重要的任務(wù)。橋梁輕量化監(jiān)測設(shè)備及技術(shù)應(yīng)運而生，為橋梁的健康監(jiān)測提供了高效、精準(zhǔn)且經(jīng)濟(jì)的解決方案。

橋梁輕量化監(jiān)測技術(shù)概述

橋梁輕量化監(jiān)測技術(shù)旨在以較低的成本和資源投入，實現(xiàn)對橋梁關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的有效監(jiān)測。它有別于傳統(tǒng)的大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)追求全面深入的監(jiān)測理念，更側(cè)重于針對常規(guī)橋梁，尤其是中小橋梁的重點結(jié)構(gòu)指標(biāo)進(jìn)行實時監(jiān)控與報警。通過布置低功耗、易安裝、高效率的感知設(shè)備，獲取定量數(shù)據(jù)或定性結(jié)果，為橋梁的建設(shè)、管理與養(yǎng)護(hù)提供有力的數(shù)據(jù)支撐。該技術(shù)融合了傳感技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析以及人工智能等前沿科技，形成了一套智能化、自動化的監(jiān)測體系。

輕量化監(jiān)測設(shè)備類型與原理

撞擊感知元裝備

針對車船撞擊橋梁這一風(fēng)險場景，撞擊感知元裝備發(fā)揮著關(guān)鍵作用。它將傳感、采集、傳輸、供電、分析等功能高度集成于一體，具備 “即裝即用” 的便捷特性。當(dāng)橋梁遭受撞擊時，裝備能夠迅速捕獲撞擊信號，并通過內(nèi)置的分析算法判斷撞擊的強(qiáng)度與位置，及時發(fā)出報警信息。其工作原理基于傳感器對橋梁結(jié)構(gòu)瞬間受力變化的敏銳感知，將機(jī)械應(yīng)力轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過采集與處理后傳輸至監(jiān)測平臺。

視覺圖像位移傳感器

在大件運輸、重載車輛通行頻繁的情況下，橋梁容易出現(xiàn)大變形問題。視覺圖像位移傳感器通過圖像分析算法來實時解算橋梁撓度變化。該設(shè)備利用機(jī)器視覺技術(shù)，對橋梁特定部位進(jìn)行圖像采集，然后通過對不同時刻圖像的對比分析，精確計算出橋梁結(jié)構(gòu)的位移變化。一旦撓度變化超過預(yù)先設(shè)定的閾值，傳感器即刻觸發(fā)報警，并同時啟動視頻記錄功能，對橋面交通狀態(tài)進(jìn)行留存，為后續(xù)的事故分析與責(zé)任追溯提供詳實的數(shù)據(jù)與圖像資料。

傾角加速度計

傾角加速度計是一種一機(jī)多能的監(jiān)測設(shè)備，在不增加額外設(shè)備的情況下，可同時輸出加速度值和傾角值。在橋梁監(jiān)測中，它主要用于實時監(jiān)測墩柱的傾斜情況。其工作原理基于慣性測量技術(shù)，當(dāng)墩柱發(fā)生傾斜時，設(shè)備內(nèi)部的敏感元件會感知到加速度的變化，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的電信號輸出。通過設(shè)置合理的報警等級和報警閾值，一旦墩柱傾斜超過設(shè)定范圍，即可及時觸發(fā)報警，為橋梁結(jié)構(gòu)安全提供多判據(jù)的預(yù)警保障。

光電撓度儀

光電撓度儀采用機(jī)器視覺系統(tǒng)，滿足指南中非接觸式監(jiān)測要求。它通過攝取橋梁主梁的圖像信號，將其傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)。系統(tǒng)依據(jù)像素分布、亮度、顏色等信息，對主梁形態(tài)進(jìn)行數(shù)字化分析，從而精確獲取主梁的變形數(shù)據(jù)。在工作過程中，光電撓度儀實時監(jiān)測主梁變形，一旦變形數(shù)據(jù)達(dá)到預(yù)設(shè)的報警等級和閾值，便立即發(fā)出報警信號，為橋梁主梁結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測提供可靠依據(jù)。

AI 攝像頭

AI 攝像頭集成了AI 邊緣計算終端以及專門針對橋梁監(jiān)測的 BridgeGuard AI 模型。它能夠?qū)ΡO(jiān)控畫面進(jìn)行實時解析和智能判斷，實現(xiàn)對橋梁多種災(zāi)害事件的監(jiān)測。其工作流程包括數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理、特征提取與目標(biāo)檢測、模型訓(xùn)練以及模型部署等環(huán)節(jié)。通過深度學(xué)習(xí)圖像識別系統(tǒng)，AI 攝像頭可以實時監(jiān)控橋梁狀況，智能識別諸如橋梁坍塌、異物掉落、車輛碰撞等異常情況，并自動觸發(fā)報警。同時，它還具備數(shù)據(jù)記錄功能，可將監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，以便后續(xù)分析與查詢，并且具有多用途性，可應(yīng)用于不同類型橋梁和多種監(jiān)測場景。

橋梁輕量化監(jiān)測設(shè)備的優(yōu)勢

成本效益顯著

輕量化監(jiān)測系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)備數(shù)量大幅減少，安裝周期顯著縮短，施工難度降低。例如，在一些中小橋梁監(jiān)測項目中，僅需少量傳感器和采集設(shè)備，就能完成對橋梁關(guān)鍵部位的監(jiān)測，實施成本可降低數(shù)倍甚至更多。這使得在有限的預(yù)算下，能夠?qū)崿F(xiàn)對更大規(guī)模橋梁群的監(jiān)測覆蓋，有效提升了資源利用效率。

安裝與維護(hù)便捷

低功耗、易安裝的設(shè)備特性，使得輕量化監(jiān)測設(shè)備能夠快速部署在各類橋梁上。無需復(fù)雜的布線和大規(guī)模的施工工程，減少了對橋梁正常運營的影響。同時，設(shè)備的維護(hù)工作也相對簡單，部分設(shè)備采用太陽能供電、無線傳輸?shù)燃夹g(shù)，降低了對外部供電和通信線路的依賴，減少了維護(hù)工作量與維護(hù)成本，提高了系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。

智能決策支持

通過物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，輕量化監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r收集、分析橋梁的各類數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果提供智能超限預(yù)警和長期跟蹤觀測服務(wù)。管理部門可以依據(jù)這些數(shù)據(jù)，及時了解橋梁結(jié)構(gòu)的響應(yīng)與演化情況，進(jìn)行分級預(yù)警，實現(xiàn)多層次、多功能管理。同時，基于歷史數(shù)據(jù)和實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)能夠智能識別和跟蹤早期病害，輔助制定精準(zhǔn)的養(yǎng)護(hù)計劃，避免盲目維修和過度養(yǎng)護(hù)，為橋梁管理決策提供直觀、科學(xué)的依據(jù)。

可視化管理

借助 AR 實景增強(qiáng)技術(shù)搭建的系統(tǒng)平臺，能夠以三維可視化形式呈現(xiàn)橋梁狀態(tài)。管理者可以通過平臺如同親臨現(xiàn)場一般，直觀地掌握橋梁的健康狀況。例如，將橋梁的形變、位移、應(yīng)力等數(shù)據(jù)以標(biāo)簽的形式疊加在實景視頻上，點擊標(biāo)簽即可查看詳細(xì)的傳感器數(shù)據(jù)。這種沉浸式的可視化管理方式，極大地提升了養(yǎng)護(hù)維修決策的精準(zhǔn)性與高效性，方便管理人員及時發(fā)現(xiàn)問題并采取相應(yīng)措施。

橋梁輕量化監(jiān)測設(shè)備的應(yīng)用案例

江蘇中小橋梁監(jiān)測項目

江蘇省積極推進(jìn)中小橋梁的輕量化監(jiān)測工作，目前已有近 700 座國省道、農(nóng)路橋梁安裝了輕量化監(jiān)測系統(tǒng)，到 2025 年底這一數(shù)量將增至 900 座。中地恒達(dá)在該項目中，針對不同的風(fēng)險場景應(yīng)用了多種輕量化監(jiān)測設(shè)備。如在可能遭受車船撞擊的橋梁部位安裝撞擊感知元裝備，針對重載交通頻繁路段的橋梁部署視覺圖像位移傳感器。通過這些設(shè)備的應(yīng)用，實現(xiàn)了對橋梁重點結(jié)構(gòu)參數(shù)的實時監(jiān)測與報警，有效提升了中小橋梁的安全保障水平。同時，江蘇省發(fā)布了《江蘇省普通國省道橋梁輕量化監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)指南》，形成了完整的技術(shù)體系，并被部分納入《公路橋梁群監(jiān)測系統(tǒng)試點建設(shè)技術(shù)指南》（征求意見稿）。

未來展望

隨著科技的不斷進(jìn)步，橋梁輕量化監(jiān)測設(shè)備及技術(shù)將迎來更廣闊的發(fā)展空間。一方面，傳感技術(shù)將更加精準(zhǔn)、靈敏，能夠捕捉到橋梁更細(xì)微的結(jié)構(gòu)變化；物聯(lián)網(wǎng)與 5G 通信技術(shù)的普及，將實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的更高速、穩(wěn)定傳輸，提升系統(tǒng)的實時響應(yīng)能力；大數(shù)據(jù)分析與人工智能算法將進(jìn)一步優(yōu)化，能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測橋梁病害發(fā)展趨勢，實現(xiàn)更智能化的預(yù)警與決策支持。另一方面，輕量化監(jiān)測設(shè)備將朝著更高集成度、更低功耗、更便捷安裝與維護(hù)的方向發(fā)展，降低設(shè)備成本，提高系統(tǒng)可靠性。同時，跨領(lǐng)域的技術(shù)融合也將為橋梁輕量化監(jiān)測帶來新的機(jī)遇，如與新材料技術(shù)結(jié)合，開發(fā)出具備自感知功能的橋梁結(jié)構(gòu)材料，進(jìn)一步提升橋梁監(jiān)測的全面性與準(zhǔn)確性。橋梁輕量化監(jiān)測設(shè)備及技術(shù)必將在保障橋梁安全、延長橋梁使用壽命、促進(jìn)交通基礎(chǔ)設(shè)施可持續(xù)發(fā)展等方面發(fā)揮更為重要的作用。

武漢中地恒達(dá)科技有限公司(簡稱中地恒達(dá)，英文縮寫ZDHD)，是依托中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)所屬企業(yè)在科技創(chuàng)新方面取得的豐碩成果及技術(shù)力量組建設(shè)立，公司位于武漢市光谷芯中心，主要從事地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測設(shè)備，衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)及設(shè)備，工程監(jiān)測儀器，工程監(jiān)測軟件，自動控制系統(tǒng)及設(shè)備的研發(fā)、制造、銷售及技術(shù)服務(wù)。公司技術(shù)團(tuán)隊碩士及以上學(xué)歷占比45%(正教授2人，博士2人，碩士6人。

中地恒達(dá)產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域包括地質(zhì)災(zāi)害、能源、電力、交通、水利、市政等。目前擁有自主研發(fā)硬件產(chǎn)品包括北斗GNSS接收機(jī)、導(dǎo)輪式固定測斜儀、雙軸傾角計、無線低功耗傾角計、無線傾角加速度計、危巖體崩塌計、無線裂縫監(jiān)測一體機(jī)、地下水位監(jiān)測一體機(jī)、降雨量監(jiān)測站、數(shù)字信號采集儀、振弦信號采集儀、輸油氣管道應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)、防護(hù)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)、高支模監(jiān)測系統(tǒng)、基坑降水監(jiān)控系統(tǒng)等。軟件產(chǎn)品包括中地恒達(dá)監(jiān)測云、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警平臺、大壩安全監(jiān)測預(yù)警平臺、橋梁安全監(jiān)測預(yù)警平臺、露天礦山安全監(jiān)測預(yù)警平臺、監(jiān)測APP軟件、監(jiān)測小站(微信小程序)、垂直度檢測APP軟件等。