1总体思路

基于公路桥梁健康监测在实际工程应用中存在的终端布设困难、采集方式与传输方式较为落后等问题，本文采取“前端优化、后端升级”的模式进行优化研究，轻量化公路桥梁结构健康监测系统的应用，系统性缓解公路桥梁安全运营问题。通过融合前端新一代公路桥梁智能监测仪器、升级后端以云平台为核心的公路桥梁健康监测与安全预警系统，搭建形成集公路桥梁 AIoT 开放平台（PaaS）、公路桥梁健康监测与安全预警系统（SaaS）于一体的新型公路桥梁健康监测与安全预警云平台，以全面保障公路桥梁的安全运行。

 图 1 系统优化思路示意图

1.1 前端优化

在终端布设优化层面，新一代公路桥梁智能监测仪器属于一体化小型机，3～5 分钟极简安装，即装即用，上电即上云，可极大缩短施工时间和减轻维护量。同时，单款智能监测仪器集成 10 多项结构体征健康监测指标，相较于传统单款单指标监测方式，亦可减少终端布设数量。

在数据采集层面，新一代公路桥梁智能监测仪器作为超级边缘终端，可将多维感知、自主算法、边缘计算、数据存储、储能、国产加密、北斗卫星结合于一体，原始数据不必回传云端，可提高弹性并减少网络负载，利用多自由度微振动诊断算法和多维度结构健康无损识别等核心专利技术，多层次分析发现桥梁结构早期损伤与隐患。

在数据传输层面，新一代公路桥梁智能监测仪器传输策略与传统电缆传输方式相比，基于 4G/5G 通信可提供灵活的数据传输方式，也可快速安装并独立对各采样数据进行分批预处理。同时，智能监测仪器可以单台或是组群方式，结合自主算法、边缘计算、天文授时、EOS 底层系统、北斗卫星、国产加密和数据存储能力使 10 多项结构体征监测原始数据本地处理（不必传回云端），提取的特征值数据经过加密后利用4G/5G 推送至云端服务器。

1.2 后端升级

从现阶段公路桥梁管养工作实际现状来看，公路桥梁管养任务比较繁重，为了解决上述问题，本文通过搭建形成集公路桥梁 AIoT 开放平台（PaaS）、公路桥梁健康监测与安全预警系统（SaaS）于一体的新型公路桥梁健康监测与安全预警云平台。基于云平台的强大运算、存储和兼容能力支撑，实现网络化、集约化管理，全面监测桥梁结构运营状态，准确识别桥梁各构件的损伤情况，从而及时准确地发现公路桥梁病害，并对潜在安全隐患进行预警，辅助公路管理人员评估桥梁结构安全性。

2系统设计

传统的桥梁健康监测终端采集方式、传输方式相对比较落后，数据采集多基于电缆进行传输，传输策略耗费时间且安装费用昂贵，同时存在一个单点桥梁监测采用上百个传感器的情况，其数据量庞大，导致桥梁健康监测系统往往难以获得理想的监测结果，对突发事件的反应不及时，给交通安全带来了不小的威胁。

 图 2 传统公路桥梁监测系统图

 图 3 新一代公路桥梁监测系统图 

 图 4 新型公路桥梁健康监测与安全预警云平台架构

本文基于新一代公路桥梁智能监测仪器在布设配置、数据采集、数据传输等方面的优势，研发设计了由公路桥梁 AIoT 开放平台（PaaS）、公路桥梁健康监测与安全预警系统（SaaS）组成的新型云平台系统，可高效提供公路桥梁运行体征监测数据和秒级预警信息，并有力支撑公路桥梁高效运行和突发事件快速智能响应。

2.1 智能监测仪器配置

新一代公路桥梁智能监测仪器布设将根据公路桥梁长度和资金预算，选择变形大、具有代表性的截面，以间隔 0.05～0.1km 原则进行桥梁两侧对称布设。

同时，新一代公路桥梁智能监测仪器主要应用于大桥和其他一般性桥梁，若要应用于公路特大桥，则需要根据桥梁监测要求搭配裂缝针、拉绳式位移传感器、振弦式应变传感器、三向超声风速仪等其他监测设备进行组合性监测。

（1）创新性集成 10 多项结构体征健康监测指标，更全面感知动态变化

（2）即装即用，部署和运维成本均下降 95%

（3）超级边缘终端，提高弹性并减少网络负载

（4）具备 1.5 毫米级北斗高精度定位能力

2.2 云端平台系统设计

采用云平台方式建立新型公路桥梁健康监测与安全预警系统，不仅能够有效降低系统建设成本，还能够显著提高后期系统运维、管理效率，更有利于为客户提供优质服务。同时，基于大数据架构的新型公路桥梁健康监测与安全预警系统设计能够解决大量无线智能监测仪器高频信号的并发采集处理、海量数据存储与分析等关键技术问题。

图 5 云端平台系统总体框架示意图

如图 5 所示，新型公路桥梁健康监测与安全预警云平台主要由公路桥梁 AIoT 开放平台（PaaS）、公路桥梁健康监测与安全预警系统（SaaS）组成。

（1）公路桥梁 AIoT 开放平台（PaaS）

公路桥梁 AIoT 开放平台重点在于提供 PaaS 应用。平台可实时解算毫米级卫星定位、挠度、索力、伸缩缝、船撞报警，并可定时监测电子罗盘（朝向）、海拔高度以及提供北斗高精度定位、天文授时等服务。平台支持多云部署，平台 API 或智能终端底层协议接入能力，“云-端-边”架构高效协同，极简接入，设备上电即上云。具备设备管理、数据计算、事务规则和模型算法等智能引擎能力，提供态势感知实时预警、数据汇聚分析、能力开放服务的优质联接体验。平台支持第三方平台软件通过 API 接口，获得高精度数据差分处理服务和结构动态健康诊断指数，同时支持第三方平台 API 接口数据共享（例如气象数据、环境数据、视频数据、车辆荷载等）。

（2）公路桥梁健康监测与安全预警系统（SaaS）

公路桥梁健康监测与安全预警系统重点在于提供 SaaS 应用。系统可即时推送监测的安全预警信息，可通过 PC 端、APP 端和 IOC 公路指挥中心大屏等多端方式，展示公路桥梁结构健康预警信息和历史运行数据。通过及时提供公路桥梁运行体征监测数据和预警信息，支撑公路桥梁高效运行和突发事件快速智能响应。系统可提供实时数据采集、趋势分析和异常预警，运用大数据处理能力、健康评价方法和桥梁养护方法对桥梁进行结构健康运行状况评级，可提高对公路桥梁突发事件的应对能力，提升公路桥梁安全保障水平。系统支持公路桥梁静态响应分析、动态响应分析、意外震动分析、交通荷载统计分析、扰度分析和模态分析等，可实现公路桥梁养护管理工作的数字化和智能化，有效降低结构管理养护成本和提高结构物耐久性，延长公路桥梁的使用寿命。

3应用效果

3.1 预期成效

基于新一代公路桥梁智能监测仪器在布设配置、数据采集、数据传输等方面的优势，新型公路桥梁健康监测与安全预警云平台可达到如下预期成效：

（1）便捷的安装施工和运维能力

（2）实时的北斗高精度定位能力

（3）领先的结构健康诊断识别技术

（4）高效的桥梁实时智能监测水平

3.2 应用案例

平和县桥梁群结构健康监测系统是新一代公路桥梁智能监测仪器以及公路桥梁健康监测与安全预警云平台的典型应用案例。通过在桥梁结构关键位置布设新一代公路桥梁智能监测仪器、气象环境和视频监控等感知终端，实时采集平和县域内桥梁所处的静态、动态、环境、载荷等信息，为公路桥梁安全预警、安全分析评估提供数据依据，及时了解公路桥梁结构缺陷与损伤，并评估分析其在所处环境条件下的可能发展态势及其对结构安全运营造成的潜在风险，实现对公路桥梁结构全生命周期的监测和管理。

通过打造平和县桥梁群结构健康监测系统，为县域内 5 座重要公路桥梁提供安全监测，并已成功预警 8 起大型车辆非法上桥，为桥梁运维单位提供 12 处桥梁维修建议，在一定程度上提升了平和县 5 座重要公路桥梁安全耐久水平，服务惠及 253km2 辖区面积与27 万人民群众。