桥梁轻量化监测的需求背景、顶层设计、已有探索和未来展望

编者按：2025年10月30日，北京智能交通协会与赛文交通网联合举办 “交通基础设施公路数字化转型升级 (智慧养护)” 线上研讨会。苏交科集团股份有限公司首席工程师，长大桥梁安全长寿与健康运维全国重点实验室副主任张宇峰，以《桥梁轻量化监测的探索与实践》为题分享核心成果。

结构监测是传统人工检测方法的重要补充，利用结构监测技术，构建桥梁神经系统，有助于早期发现结构损伤与隐患，保障桥梁的安全与健康。近年来，桥梁结构监测技术发展迅速，但应用于量大面广的常规桥梁时，传统结构监测体系表现出明显的不适应性，在此背景下，近年来轻量化监测的理念被提出，并得到了一些探索性应用。

本报告主要介绍了桥梁轻量化监测的需求背景、顶层设计、已有探索和未来展望。重点介绍了相比于传统结构监测系统，轻量化监测技术在定位上的差异、功能上的特点、监测指标与技术手段上的变化，以及近年来已形成的一些技术成果和得到的工程应用情况。

非常高兴有机会参加交通基础设施公路数字化转型升级线上研讨会，今天我将围绕“桥梁轻量化监测的探索与实践” 这一主题，从需求背景、顶层设计、已有探索和总结展望四个方面与大家进行交流。

 需求背景 

结构监测技术自上世纪八九十年代从机械、航空等领域引入大土木领域后，发展迅速。通过在桥梁等基础设施上安装各类传感器，感知环境、结构响应及自身特性数据，经传输网络传回后端计算机平台，结合预设程序进行数据分析，能够辅助专业人员评判桥梁技术状况，这套系统相当于为桥梁构建了一套神经系统。借助该系统，可提升突发性损伤或异常事件的发现速度，使累积性损伤的趋势推演成为可能，实现对人难以到达部位及隐蔽部位的特性观测，同时有助于验证设计并指导今后类似桥梁的设计。如今，结构监测技术已成为常规检测的必要补充，是感知桥梁状态、保障安全与健康的重要手段。

从国家政策层面来看，党和国家领导人高度关注桥梁监测预警工作，陕西柞水大桥事件后，习近平总书记专门作出指示，要求“加强监测预警”。《交通强国建设纲要》《加强自然灾害综合风险公路水路承载体普查成果应用的指导意见》《十四五交通领域科技创新规划》等重要文件，均对监测工作提出明确要求。2013 年起，交通运输部、住建部等部门的相关文件也强调要加强监测系统建设，2021 年交通运输部明确要求建设部、省、桥三级监测平台，当时需完成 401 座长大桥监测系统构建，2022 年该清单增至 644 座，2024 年进一步提出 458 座长大桥建设要求及约 2600 座桥梁的轻量化监测任务。

技术标准方面，近年来结构监测领域出台了大量技术标准，反映出该技术逐步走向成熟。2023 年，江苏省发布了全国首个桥梁轻量化监测省级标准《桥梁轻量化监测系统建设规范》，由我主编起草。

工程应用层面，我带领团队已完成包括16 座长江大桥在内的 120 多座特大型桥梁监测系统建设，常规桥梁轻量化监测也广泛开展，2024 年已完成400 多座，2025 年预计突破600 座。相关技术还拓展应用于隧道、边坡、船闸、体育场馆、钻井平台等交通基础设施及大型公用设施，不仅覆盖国内多个项目，还涉及海外项目。

在这样的发展背景下，轻量化监测的提出具有重要现实意义。常规桥在桥梁总量中占比远高于特大跨桥梁，且运营期垮塌桥梁主要集中在常规桥，将结构监测技术从长大桥延伸至常规桥的需求极为迫切。但传统常规监测系统难以直接应用于常规桥，存在多方面技术架构体系差异。传统监测系统架构是为管理数百上千个传感器的高频采集而设计，前端传感器、采集设备、工控机、通讯设备等构成的后端支撑系统，在监测点数量大幅减少的常规桥应用中性价比过低；常规桥现场供电和有线通讯条件难以保障，传统系统对这两方面要求较高，若为常规桥拉电、铺设有线光缆，成本和难度极大；常规桥的测量精度要求更高，如小跨径常规桥梁的结构变形量多在厘米级，甚至毫米级，部分场景变形监测精度需达到0.1 或 0.2 毫米，常规技术手段难以满足；传统监测系统以工控机为采集核心，系统庞大，故障风险较高，常规桥分布范围广，难以进行集中维护，后期维护成本居高不下。而近年来传感和通信技术的发展，为桥梁监测系统向轻量化转型提供了可能，轻量化监测也得到了交通运输部的政策支持，江苏省在此方面也开展了诸多有益探索，已成为落实数字交通、保障基础设施运营安全的重要手段。

 顶层设计 

江苏省地方标准中对轻量化监测作出定义：桥梁轻量化监测是一种面向桥梁重点风险场景特定参数，通过布设低功耗、易安装、高集成的感知设备，实现实时数据异常报警和长期数据跟踪观测，服务桥梁运营养护的多学科交叉融合技术。这一定义揭示了轻量化监测的本质变化，即从长大桥的全面监测转变为面向风险场景的典型重点指标检测，监测工作围绕场景需求展开，例如针对车船撞击风险，仅需部署相关传感器实现报警预警即可。

轻量化监测的总体技术特点可概括为少指标、小成本、高集成、低功耗、足精度、平台化、易安装和简维护。针对这些特点，对应的技术思路是将传统监测系统的三级架构简化为两级，把传感采集、AD 转换、通讯功能进行高度集成，将原本大量的现场集成工作转移至工厂完成，这一转变也带来了行业生态的一系列变化。一方面，现场集成工作大幅简化，传统监测系统现场系统集成的技术难度降低，相关从业单位需向平台提供商转型，提供技术平台，将设备接入系统后直接交付客户使用；另一方面，行业观念需从以销售系统为主，逐步转向以提供数据服务等方式为主。

 已有探索 

苏交科是最早投身轻量化监测研究的单位之一，2011 年在江苏省交通运输厅重大专项的子项目中，便开展了相关研究，当时称为简易型状态监测系统，后续曾使用简易型监测、轻型化监测等名称，2022 年后正式定义为轻量化监测。2013 年完成顶层设计，2013 年后主要开展技术研发工作，2016 年后进入大规模工程应用阶段。

在传感装置方面，首要目标是实现低成本。以梁体偏位检测为例，独柱墩、弯线上高桥等桥梁的梁体偏位是重要监测指标，传统采用位移计测量的方式成本过高，而管理单位核心需求仅是位移超阈值时的报警提示，基于此，我们研发了集触发装置、控制芯片、通讯模块于一体的梁体报警设备，相比传统方式成本下降一个数量级。同时，传感装置需满足足精度要求，以倾角仪测挠度为例，传统GNSS、连通管等方式在常规桥应用效果不佳，我们提出改进辛普森积分算法，通过在桥面布设倾角仪，结合算法提升测量精度，且布点更灵活。变形测量方面，光电挠度仪等设备的应用需解决靶标图像低分辨率、光影变化下精准匹配、相机温漂和抖动导致数据漂移等问题，全国重点实验室已开发相关装置，并应用于南京秦淮河大桥等项目，还实现了位移测量与车牌抓拍的联动。

在高集成和低功耗实现方面，一体化车船撞击震动触发报警装置极具代表性。该装置将传感、采集、通讯、短期存储、边缘计算功能集成于一体，采用低功耗设计降低系统功耗，基于DeepMesh 自主网和自适应频段技术实现感知设备即装即用，通过自学习智能检测算法开发边缘智能网关，提供双向数据传输通道，提升报警时效，已在大量车撞、船撞监测场景中应用。在此基础上，针对陕西柞水桥垮塌后提出的无电无网环境下桥梁垮塌第一时间发现、上报并通知驾乘人员的需求，我们开发了集震动、倾角、温度感知于一体的多元感知终端，在 2023 年交通运输部监测预警应用示范的桥梁简易感知设备揭榜挂帅技术评审中排名第一，目前已在 130 多项工程中应用，投入设备超 1000 套。

新型信号应用方面，视觉信号和声音信号的探索成效显著。视觉信号应用于船撞报警时，传统激光雷达、AIS 避障等技术成本较高，我们基于摄像头视频数据实现报警预警，采用 YOLOV5 改进网络模型消除水波纹、飞鸟等干扰，通过多尺度目标跟踪技术、构建多船型样本库，解决远距离船舶低像素识别问题，运用卡尔曼滤波和贝塞尔曲线的船舶轨迹跟踪预测技术实现轨迹准确预测，该技术应用于崇启长江大桥等项目后，两年内发现50 余次风险事件，船舶检测和轨迹追踪准确率超 95%，夜间及风雨天气可实现 500 米以上预警距离。声音信号主要用于桥梁伸缩缝早期病害探测，我们提出基于声纹和视频融合的有效声纹片段自动化切割方法，解决了传统方法效率低、实用性差的问题；针对损伤伸缩缝声纹样本少的现状，提出基于多特征融合的损伤最优化特征向量识别构造技术和无监督学习模型训练方法，实现分车型、分车道伸缩缝运营状态异常诊断，已应用于江阴大桥、G204 盐城大桥等项目，成功发现伸缩缝钢梁断裂等严重问题。

此外，颠覆性技术也在逐步突破，例如我们与华为合作开展基于5G-A 通感一体的结构变形测量，利用 5G 基站信号实现结构变形监测，与传统光电脑度仪相比，最大变形测量误差约 5%。

采集系统方面，轻量化监测呈现出去工控机化、分布式和采集终端智能化的变化趋势，众多研究单位和厂家积极开展相关测试，如东华测试的分布式数据采集系统、中铁桥科院的智能化物联网采集盒，我们则将工控机替换为综合采集站，大幅降低设备成本、施工成本和调试成本。

报警和评估方面，由于轻量化系统测点稀疏，系统冗余度大幅降低，传统多指标测点相关性分析方法难以适用，为此我们提出五度指标法、标准常法等基于同传感器时间序列相关性分析的报警方法。软件平台方面，多端平台互动成为主要变化方向，目前交通运输部及各省市正出台大量轻量化监测相关技术标准和管理性标准文件，将有效指导公路和城市桥梁轻量化监测系统的建设与运维。

 总结展望 

交通强国、平安交通、智慧交通、智慧城市及城市生命线工程的安全监测，对常规桥梁监测提出了大量需求。传统结构监测技术体系难以满足量大面广的常规桥梁监测需求，在此背景下，轻量化监测技术被提出并得到广泛推广应用。

轻量化监测的本质是面向场景需求的重点指标检测。近年来，传感、通讯和人工智能技术的发展，为轻量化监测提供了成熟的技术基础。轻量化监测具备少指标、小成本、高集成、低功耗、高精度、平台化、易安装、简维护的总体技术特点。当前，仍需围绕场景需求加快监测装备开发。未来，低成本、低功耗、分布式的区域传感技术，图像、声音等新型信号源，无线传输中低成本一体化同步性问题的解决，以及嵌入式系统和多端互动平台化，将成为轻量化监测技术的主要发展趋势。