当下大规模桥梁健康监测系统建设获取海量数据能否用于养护决策?

国内桥梁监测系统已进入大规模建设的新时代。从交通运输部近几年的重要政策性文件可知，总体建设节奏为2021年至2025年，将长大桥梁系统建设完毕；2026年至2030年，进入中小桥梁监测系统大规模建设时代，其中城市生命线监测中的城市桥梁监测系统也作为重点建设项目。

既然桥梁监测系统建设规模近乎所有桥梁全覆盖，在下一步的中小跨径桥梁监测系统大规模建设之前，需要重新考虑监测系统的功能目标所能达到的层面。

不同等级的桥梁监测系统功能目标不同，针对长大桥梁监测系统，其目标是设计验证、损伤识别承载能力评估，以及某些参数最大值预警。而对于中小跨径桥梁，其设计理论比较成熟，损伤识别所需的传感器种类和数量不够，有些整体性的参数监测可用于评估，如车载数据作为整体量可用于承载能力评估，但不是全部所有桥梁都覆盖，应按需安装。

由于桥梁养护数字化是针对所有的桥梁，针对每座桥梁的整个生命周期，而安装大量的桥梁监测系统获取的数据能够指向桥梁养护数字化便成了系统建设内生性和必然性的功能目标诉求。

养护数字化是用可获得的数据做出科学养护决策，解决有限的资源如何在不同桥梁之间的分配。桥梁养护数字化通过有限资源的科学分配实现两个核心养护目标，即在整个路网层面降低桥梁安全风险，同时实现桥梁生命周期维修成本的最优化。美国将所有的精力放在基于人工的监测养护数字化上，而中国则将精力放在了健康监测上，这是两种不同的路径选择。

1、桥梁监测系统发展历程

第三代桥梁监测系统并不意味着技术比第一代、第二代更加先进，而是根据不同的技术特点所提出的。

第一阶段的桥梁监测系统（SHMS1.0）最早起源于香港青马等桥梁，后集大成于香港昂船洲桥。大陆许多单位曾经去香港取经学习。2000年代以后，大型桥梁在设初期基本都安装了监测系统，第一阶段的监测系统主要有以下特点：以单桥为主，重硬件系统集成；各个监测科目的采集软件比较独立；追求各种算法，模态识别、损伤识别等，颇有理想色彩或科研探索的特点；使用有线传输，组成局部数据网络；单个系统造价高。

总体来说，监测系统建成后运维无法跟上或没有运维，造成部分巨额经费建成的系统很快瘫痪。

第二阶段的桥梁监测系统（SHMS2.0）。这个阶段最大的进步是软件平台化，软件集成度很高。

其特点为：单桥监测转向了桥梁集群监测；设计理念为特定物理参数的最大值；重软件系统集成，轻硬件集成；软件适配性很高，可兼容各类的传感器，也可以使用无线传输；但系统的长期运营机制仍然没有很好的被解决，如一个大规模系统建设期花了两个亿，但其运维经费等于零，此类系统预算分配还比较常见；同时，在这个阶段标准规范制定工作得到了快速提升，但规范化也带来了照本宣科的效果，大量的桥梁监测系统设计得千篇一律。

2021年，交通运输部出台《公路长大桥梁结构健康监测系统实施方案》，推动了大规模的桥梁监测系统建设。从这时开始，桥梁监测系统正式划为第三代。到第三代后，不但总体规模变大，单个项目的规模也更大，由此也带来了几点疑问：

（1）大规模桥梁监测系统与小规模项目模式是否一样？

（2）硬件加软件就等于系统吗？

（3）一个实施单位能否包打天下？（该健康监测系统学科交叉较强，一个单位实施起来难度较大）

（4）几个实施主体同质化叠加，能否提升系统质量？

（5）围绕项目建设和运维的技术生态如何？——生态指的是大规模系统后续是谁来开发和运维，谁来使用和分析此类数据？

（6）大规模系统的项目管理如何？是否能出现一个标杆性的项目？

2021年，我们提出了第三代监测系统的概念与模式，6月底到各省区交流，得到了很好的反馈，如某交通运输厅的124座桥梁要搭建该系统，建设规模较大，就此提出了很多问题。2022年1月底，我们设计出了体系架构方案，并基于某省高速集团的反馈和交流，将第三代系统打磨到可落地实施的层面。

曾经调研某高速集团100座桥梁监测系统，该项目业主下属公司负责施工图设计，桥上设备安装分成5个包分别招标。我们也得出几点疑问：

（1）布点图都只是针对桥梁上硬件，不等于系统，整个项目体系架构该如何搭建以及如何进行管理？

（2）系统建设和长期运维是谁作为责任主体？

（3）在分别招标的方式下，软件平台使用谁家的？

（4）后续运维经费从哪里来？

（5）如此大规模系统，从设计、项目管理到数据分析，能否使得监测系统有技术上实质性的提升？

2、第三代桥梁监测系统

（1）关于模式和技术生态。首先第三代针对大规模系统建设，从方式上看，首先要提倡技术分工深化，要充分利用行业技术潜能。其次，专项数据的集聚会形成数据经验，这是隐性的知识，如某个单位只做模态，其必然有隐性知识，这是无法学来的。同时，围绕大规模项目号召起来庞大的技术生态，系统规模越大则生态越庞大，项目才能够真正用的好、建的好。

此外，系统具有很强的弹性，规模越大效率越高。由此带来一个想法：如果进行社会分工，是否能提升效率和质量？如果波音787都可以采取这种方式来进行制造，桥梁监测系统建设是否也能基于这种模式？

（2）关于体系架构。如果实现上述模式，项目不同业主需求不同合作主体不同，系统体系架构则会发生变化。体系架构可调，是根据项目实际情况而设计，体系架构支撑技术生态，如某省高速集团桥梁最多，可以将企业内部的监测数据中台搭建到省平台上，并将所有省内数据映射到部平台中；而另一个省除了高速集团以外的业主桥较少，其他业主则可以将桥梁监测委托给省高速集团，这两种体系架构不同。

此外，还有一个项目，某城市桥梁监测项目针对全市450座桥梁，业主把桥梁监测系统分成15个标，每标段30座桥梁。业主要求所有数据必须使用智慧大脑分析，但智慧大脑平台中没有桥梁知识。

为此，我们提出了另一个体系架构，15家实施单位都有自家的监测软件，每家都不一样，因此可将智慧大脑当成数据底座，从而形成分布式监测，纳入所有标段承包方对数据的挖掘能力，而不是只用智慧大脑统一性解决。

某央企集团投资运营的高速里程为4000-4500公里，包括4000-5000座高速桥梁。首批项目规模为4座桥梁监测系统，我们设计了如下的体系架构。在桥梁监测系统设计中，将各地区桥梁监测数据传输到项目所在省份的桥监测省级数据平台，同时将数据存入集团总部服务器中，这样来看其体系架构与各省高速集团又不一样。总体来说，第三代监测系统的体系架构可按项目需要可调。

（3）项目管理。有个案例，某高速集团计划投资1.4亿元，建设70座桥梁的监测系统，并交给了业主下属单位，但下属单位是很难管理好如此大的项目，因此，我们为其提供了一个系统化的建议，并列出了需要解决和分析的问题（如下图），只有把这些问题一一解决好，才有可能将项目管理好。

（4）关于技术特点。第三代模式有几项技术特点：首先是赋能，我们希望找到能够承担项目的业主下属单位，或以当地企业为主导，辅助当地企业从无到有打造起桥梁监测业务，监测系统归当地企业所有，并为业主提供监测服务，最终完成对运维生态的建设。

其次是生态，所谓的生态就是专业单位做专业的事情，实现专业分工深化，通过模式创新解决以往监测系统中存在的各种问题，并整合业内优势技术资源实现监测系统技术水平的显著提升。

此外，第三代适合大规模桥梁健康监测系统建设，体系架构弹性很大。最后是数字化，以桥梁监测系统建设为契机，以清单中桥梁为应用示范，建立面向全部桥梁的数字化管养系统，构建桥梁养护管理的数字化体系。

（5）几点结论。第三代桥梁健康监测系统的出发点是在现有的产业和技术条件下，通过项目模式的重新设计，把大规模桥梁监测系统尽量做得好一些，但还不能从根本上解决数据有用性（效益大于产出）。目前的长大桥梁监测系统还未能指向养护数字化，大桥主要是对整体量的监测，数据分析结果往承载能力评价层面应用。

1、养护数字化

科学养护决策本质上是养护数字化，但决策不是科学，而是一套自洽的逻辑过程，这个逻辑自洽性应在定理层面被证明，最好的选择是指向数学方法。

科学科研决策有两个层面：一个是决策方法的选择，另一个是数学表达的物理模型。通过这两个层面加工数据，得到维修行动的集合并进行养护决策，被执行的维修活动作用到桥梁中，桥梁模型得到改变，再回到数据获取的循环起点。其中，养护决策的两个核心目标为：在路网层面降低桥梁安全风险，同时实现桥梁生命周期维修成本的优化。

1990年代初，美国走向了数字化管理的体系，在积累了20年数据基础上，开发出了数字化桥梁管理系统Pontis，1992年投入使用，并基于该系统建立了全国范围内的数字化桥梁养护管理体系。中国也是从90年代初期就开始走信息化的发展路径，这两个是不同的技术体系。

2、信息化&数字化

数字化和信息化总体来说有8个方面的不同：

（1）信息化针对“人”工作的优化，数字化是对“物”的优化，物就是桥。

（2）信息化用截面数据，数字化用时程数据。

（3）信息化系统没有模型，数字化需要大量的算法模型。

（4）数据颗粒度的要求也不一致，体现于桥梁构建分类的粗细程度。

（5）信息化是对养护规范的遵守，数字化是对原有技术体系的重构。

（6）信息化能够提高人的工作效率，这是由于数字化难度较大，会降低人的工作效率。

（7）信息化实施成本低，但数字化实施成本高，这是因为两者的效益方式不同，桥梁生命周期维修成本优化得靠养护数字化。那么一个系统到底是不是信息化或数字化？可以查看系统中有没有technical manual，即技术报告，技术报告中记录了所有模型的来源、使用的算法以及实现的功能，如果没有，那么该系统属于信息化的概率更大一些。

从国内的产业端来看，系统桥梁管养相关的系统绝大部分是信息化系统，包括互联网大厂系统集成公司、信息化类的公司、创业型小公司以及传统做桥梁管养类的公司。但也不能认定信息化系统不好，二者只是功能定位不同而已。

3、养护数字化的问题体系

养护数字化是通过解答问题体系来实现目标，包括“维修”和“检测”两个方面的优化。（1）什么时候维修？每次维修采取什么策略？优化目标为成本最小化，保证维修好的情况下，成本达到最小化，这属于桥梁维修层面。（2）在检测方面，什么时候检测？每次使用什么检测方法？这里的检测属于宽泛意义上的概念，如桥梁监测、快速检测和常规检测，其优化目标是效益最大化。这是总的问题体系。

解决问题体系需要几个层面的努力：一是数学方法论层面，选择什么样的数学工具？这是决策方法的锚。二是抽象层面的解决，要打通所有的逻辑环节，建立一个逻辑自洽的流程和框架。三是现实层面上要解决数学算法上的取舍，因为越到现实层面，其数学难度越大，必须要进行取舍和折中。四是在产品层面要有一套数字化的桥梁管理系统，目前来看所有系统都是信息化系统。

此外，围绕它的生态也要解决，包括数据获取、用户生态、标准规范以及外围技术合作生态等。只有解决了这些问题，才算是实现了真正意义上的桥梁养护数字化转型。

4、基于贝叶斯方法的一个可行方案

我们基于贝叶斯方法提出了一个可行的方案，但由于投入资源不足，目前还未能实现落地。

（1）在认知框架方面，为基于不充分信息的贝叶斯决策，以贝叶斯决策理论为指导，构建桥梁养护管理过程中的动态优化决策流程。数字化桥梁管养系统是通过对人工检测数据的分析挖掘，以每个桥梁构件为单位，在全路网范围内进行维修优化，从而为每座桥梁制定下一年度最优的维修策略、维修方案及预算。

（2）在系统功能实现方面，要有各类核心分析模型。桥梁健康管理大数据系统要内嵌各种数学分析模型，系统功能通过这些分析模型来实现。同时，决策方法即数据加工流程，采用桥梁检修优化的贝叶斯预后验决策分析模型，该决策方法属于通用算法模型，适用于任何交通基础设施资产的养护管理决策。

（3）在产品层面，构建数字化桥梁养护管理系统。数字化系统不能如信息化系统那样以项目形式实施，而应该以提供数据服务的方式实施。一个SaaS平台，包含各个不同的主体，如同生态一般，但仅凭一个信息化软件无法实现数字化。

（4）在产业技术合作生态方面，对于桥梁检测数据的获取，也有很大的提升空间。关于数字化平台的用户合作生态，一般业主无法使用该系统，应由业主的下属公司来进行开发。

其次是持续研发的高校合作生态，北京模型和上海模型不同，西藏模型和广东模型也不一致，需要有一个算法，使得数据互相融合、共生发展，只有做到如此精细化层面，才能够实现养护数字化的转型。

（5）最后是标准规范，数字化需要的标准规范体系较为复杂，不能仅用一个桥梁规范包打天下，需要行业协会组织制定相应的标准规范。

5、概念1：检测的收益计算

如下图所示，对于一个结构，在实现基于现有先验信息的退化，可认为在T2时需要修理，在获取信息后，通过退化模型分析可知应当在T3时进行修理，在T2就算是修早了，而修早会带来资源的浪费；但若是修理时间过晚，则会增加桥梁垮塌的风险。

因此，检测获得数据对退化模型进行更新（update），退化模型越精确越能做出合理的决策。但检测有成本，检测的收益来自于对两类损失的降低，而贝叶斯预后验决策理论能够提供可行的计算方法。

6、养护数字化的动态优化过程

在数字化养护的动态过程上，一个检测是不断随着生命周期退化，这是通过现有信息总结的规律，但却并不一定在这个时间点进行维修，因为时间可能还没到，把时间往前推，不断地检测，模型也会发生变化，使得第一次维修时间点也在不断变化，一直到计算检测的效益不如成本高的时间点，此时退化规律给出来的第一次维修，才是真正选择的维修时间，然后再进行动态的优化，继续回到过程中来。

7、几点结论

从抽象层面上，有几点结论如下：

第一，任何决策都是基于现有信息的决策，按既有信息决策执行？还是进一步获取信息？需经计算而定。

第二，信息越充分，进一步获取信息在决策中的边际效应越小。

第三，桥梁生命周期维修成本是每次被执行了的“第一次维修”的成本加和，只有当桥梁寿终正寝拆迁重建的时候，寿命周期成本才能被精确得知，所以有时站在时间的起点，把所有费用加在一起求最小化，从逻辑上站不住脚，因为这是一个动态过程。

第四，桥梁寿命不可预测，有的单位说可以预测桥梁寿命，但严格来说什么时候拆除重建也是经过动态优化的结果。

1.养护数字化是事关桥梁养护的全局性问题。伴随桥梁整个的生命周期，是所有桥梁需要面临的问题。如此大体量的中小桥梁监测系统建设，其数据能否指向养护数字化？这是第三个问题。

养护数字化有两个极端性的假设：第一是信息充分性假设，站在当前时间点，将桥梁的生命周期计算出来，能够进准决定哪年需要维修，明确每次采取的维修策略，那么就不用检测。

另一个是养护资金充分性建设，在资金充分性假设的前提下养护数字化没有任何意义。但事实情况是养护资源不足，如最近有篇文章写道：中国公路养护的挑战是每年缺3000亿元，养护数字化是在给定资源条件下，研究分配效率问题，是穷人的游戏，越是缺钱的业主，越应该把有限的资源放在刀刃上，才能降低安全风险。

2.概念2：概率“统计边界”。第一个视角，概率是规律，是没有被充分解释的规律，概率模型是在对事物的行为规律描述过程中，信息不充分条件下的大概率的统计性描述。

第二个视角，概率分布的模型与“信息”边界有关系，信息边界不同，概率分布的模型也不同，如对车载统计，不分车型时总重的分布是一个双峰分布或是三峰分布，如果加入车型的概念，每个车型都服从正态分布和对数分布，加入车型后缩小了统计边界，相应的概率分布也不一样。因此，在做统计分析时一定要对统计边界的概念了然于胸。

第三个视角，概率分布与信息边界有关，信息越充分模型越精确，但在现实世界中获取信息存在一定的成本。第四个视角，现实世界获取统计模型，从技术上对统计边界进行丈量，宽窄都不好，从经济上是对获取信息的成本和效益进行评估。

3.概念3：网络级优化和项目级优化。这个概念在国内一直被长期误解，即用于单桥的管理系统是项目级管理系统，用于多桥的管理系统是网络级管理系统。

但其实应该是网格级优化和项目级优化，网格级优化针对桥梁构件，项目级优化针对单个的桥梁。无法统计桥梁本身的退化规律，但是基于大数据能够针对一个构件的状态统计出规律性，并在整个路网层面对其进行生命周期的维修和优化。将网络层面构建维修优化的策略放到单桥上，进行养护资源的分配。这是数学统计的边界概念。

4.概念4：桥梁评估的层次性。桥梁评估的一种方式是根据所有桥梁的打分，选出一些值得关注的桥梁，也称遴选型评估，目前各国都在进行这项工作。

在评估的第二个层面，强调承载能力评估，即承载安全性评估，大桥监测系统可以在此方面发力。承载能力评估针对大中桥梁，这在美国法律规定中是必须进行的一项内容，此外，还有选定桥梁进行加固设计时，做详细评估是为了选择维修加固方案。

5、概念5：无监督学习。无监督学习指的是不看桥梁，只看数据，基于实测数据，统计出数据的模式，并以数据模式来表达桥梁。假设一开始有88个状态特征，通过统计后发现要使用95个状态特征才能表达出整座桥梁的状态，这属于信息熵的增加，即桥梁体系变得更加复杂，这也是无监督学习的概念。

6、概念6：桥梁监测&构件监测。某研究人工智能识别的业内人士曾针对桥梁监测提出了一个问题：做桥梁监测的时候为何不针对构件？假如只针对一类构件，使用一个监测模式获得大量的标准化优质数据，这些数据对于训练模型、微调模型十分有用，可以得出较好的结论。

听君一言，豁然开朗。养护数字化也是需要从精细化的构件分类来进行推导，因此，我们找到了桥梁监测系统与养护数字化衔接的入口。但这个概念到底是桥梁监测还是构件监测？如果是中小桥梁的构件监测，则人工智能模型微调和训练有可能解决桥梁构件层面的病害识别。若是构件监测，能够给出构件的评价，那么就有可能指向桥梁养护数字化。

此外，整体性的监测数据比如车载，对中小桥来说，要指向承载能力评估层面，即评估成型问题。

如果这么思考，我们似乎找到了桥梁监测系统与养护数字化衔接的技术入口，但只能是可能性，还不一定可以实现。

7、课题策划：验证性研究。我们设计了一个科研课题以探讨中小跨径桥梁的第三代桥梁监测系统设计及关键技术研究。一方面要验证人工智能算法在桥梁构件评价或损伤识别上的适应性。另一方面要验证各类传感器与算法的适配性。通过这两个层面搭建一个实验环境，并给出一个中小跨径桥梁新的设计理念，与原来的轻量化有一定区别。

其中，包含了5个子课题，即第三代桥梁监测系统设计方法研究、基于中台技术的桥梁监测软件架构研究、无监督学习算法用于桥梁监测数据分析的验证研究、基于实测数据的桥梁评估用汽车荷载模型研究以及中小跨径桥梁监测技术研究及监测系统设计。验证的监测设备有高精度微波雷达、高密度加速度计布点以及光纤阵列等。

1、政策动向。我国11个省份中，有特大桥梁471座，中小桥梁2200座。交通运输部发布相关意见，要求在2024-2025年完成清单桥梁监测系统实施， 2025年底之前出台中小跨径桥梁监测系统标准，2026-2030年中小跨径桥梁监测系统全面建设。

而针对重要交通监测系统，在启动大规模建设之前，是否需要进行系统化研究？还是原有模式的照搬？我们建议11个省份，每个省都要进行独立的探索，避免产生11个省份试点都是一样的局面。

2、努力的方向。在第三代的项目模式下，核心技术突破中小跨径桥梁监测系统，最终实现中小跨径桥梁监测与养护数字化的技术衔接，共同推动桥梁养护数字化转型。可分为三个阶段来实现：第一阶段是第三代模式+现有技术，只是模式的变化，努力将监测系统质量再提高一点点，主要针对长大桥梁。

第二阶段是第三代模式+核心技术突破，即指向人工智能算法和网络数字化，针对中小型桥梁的监测提出一个全新的设计理念。第三阶段是彻底实现107.9万座公路桥梁、城市桥梁以及铁路桥梁的养护数字化转型。