橋梁輕量化監(jiān)測(cè)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(yùn)營(yíng)成為了至關(guān)重要的任務(wù)。橋梁輕量化監(jiān)測(cè)設(shè)備及技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，為橋梁的健康監(jiān)測(cè)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(cè)技術(shù)概述

橋梁輕量化監(jiān)測(cè)技術(shù)旨在以較低的成本和資源投入，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的有效監(jiān)測(cè)。它有別于傳統(tǒng)的大型橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)追求全面深入的監(jiān)測(cè)理念，更側(cè)重于針對(duì)常規(guī)橋梁，尤其是中小橋梁的重點(diǎn)結(jié)構(gòu)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與報(bào)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(dòng)化的監(jiān)測(cè)體系。

輕量化監(jiān)測(cè)設(shè)備類型與原理

撞擊感知元裝備

針對(duì)車船撞擊橋梁這一風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)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(shí)，裝備能夠迅速捕獲撞擊信號(hào)，并通過內(nèi)置的分析算法判斷撞擊的強(qiáng)度與位置，及時(shí)發(fā)出報(bào)警信息。其工作原理基于傳感器對(duì)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(hào)，經(jīng)過采集與處理后傳輸至監(jiān)測(cè)平臺(tái)。

視覺圖像位移傳感器

在大件運(yùn)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(shí)時(shí)解算橋梁撓度變化。該設(shè)備利用機(jī)器視覺技術(shù)，對(duì)橋梁特定部位進(jìn)行圖像采集，然后通過對(duì)不同時(shí)刻圖像的對(duì)比分析，精確計(jì)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(bào)警，并同時(shí)啟動(dòng)視頻記錄功能，對(duì)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(shí)的數(shù)據(jù)與圖像資料。

傾角加速度計(jì)

傾角加速度計(jì)是一種一機(jī)多能的監(jiān)測(cè)設(shè)備，在不增加額外設(shè)備的情況下，可同時(shí)輸出加速度值和傾角值。在橋梁監(jiān)測(cè)中，它主要用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)墩柱的傾斜情況。其工作原理基于慣性測(cè)量技術(shù)，當(dāng)墩柱發(fā)生傾斜時(shí)，設(shè)備內(nèi)部的敏感元件會(huì)感知到加速度的變化，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的電信號(hào)輸出。通過設(shè)置合理的報(bào)警等級(jí)和報(bào)警閾值，一旦墩柱傾斜超過設(shè)定范圍，即可及時(shí)觸發(fā)報(bào)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(cè)要求。它通過攝取橋梁主梁的圖像信號(hào)，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(duì)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主梁變形，一旦變形數(shù)據(jù)達(dá)到預(yù)設(shè)的報(bào)警等級(jí)和閾值，便立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)，為橋梁主梁結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測(cè)提供可靠依據(jù)。

AI 攝像頭

AI 攝像頭集成了AI 邊緣計(jì)算終端以及專門針對(duì)橋梁監(jiān)測(cè)的 BridgeGuard AI 模型。它能夠?qū)ΡO(jiān)控畫面進(jìn)行實(shí)時(shí)解析和智能判斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁多種災(zāi)害事件的監(jiān)測(cè)。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(cè)、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(shí)別系統(tǒng)，AI 攝像頭可以實(shí)時(shí)監(jiān)控橋梁狀況，智能識(shí)別諸如橋梁坍塌、異物掉落、車輛碰撞等異常情況，并自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警。同時(shí)，它還具備數(shù)據(jù)記錄功能，可將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，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(cè)場(chǎng)景。

橋梁輕量化監(jiān)測(cè)設(shè)備的優(yōu)勢(shì)

成本效益顯著

輕量化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)大型橋梁健康監(jiān)測(cè)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(cè)項(xiàng)目中，僅需少量傳感器和采集設(shè)備，就能完成對(duì)橋梁關(guān)鍵部位的監(jiān)測(cè)，實(shí)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(duì)更大規(guī)模橋梁群的監(jiān)測(cè)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(cè)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(duì)橋梁正常運(yùn)營(yíng)的影響。同時(shí)，設(shè)備的維護(hù)工作也相對(duì)簡(jiǎn)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(duì)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(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)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(zhǎng)期跟蹤觀測(cè)服務(wù)。管理部門可以依據(jù)這些數(shù)據(jù)，及時(shí)了解橋梁結(jié)構(gòu)的響應(yīng)與演化情況，進(jìn)行分級(jí)預(yù)警，實(shí)現(xiàn)多層次、多功能管理。同時(shí)，基于歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)能夠智能識(shí)別和跟蹤早期病害，輔助制定精準(zhǔn)的養(yǎng)護(hù)計(jì)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(shí)景增強(qiáng)技術(shù)搭建的系統(tǒng)平臺(tái)，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(tái)如同親臨現(xiàn)場(chǎng)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(shí)景視頻上，點(diǎn)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(shí)發(fā)現(xiàn)問題并采取相應(yīng)措施。

橋梁輕量化監(jiān)測(cè)設(shè)備的應(yīng)用案例

江蘇中小橋梁監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

江蘇省積極推進(jìn)中小橋梁的輕量化監(jiān)測(cè)工作，目前已有近 700 座國(guó)省道、農(nóng)路橋梁安裝了輕量化監(jiān)測(cè)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(xiàng)目中，針對(duì)不同的風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景應(yīng)用了多種輕量化監(jiān)測(cè)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(duì)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(shí)現(xiàn)了對(duì)橋梁重點(diǎn)結(jié)構(gòu)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與報(bào)警，有效提升了中小橋梁的安全保障水平。同時(shí)，江蘇省發(fā)布了《江蘇省普通國(guó)省道橋梁輕量化監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)試點(diǎn)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(cè)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(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的更高速、穩(wěn)定傳輸，提升系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(cè)橋梁病害發(fā)展趨勢(shì)，實(shí)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(cè)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(shí)，跨領(lǐng)域的技術(shù)融合也將為橋梁輕量化監(jiān)測(cè)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(cè)的全面性與準(zhǔn)確性。橋梁輕量化監(jiān)測(cè)設(shè)備及技術(shù)必將在保障橋梁安全、延長(zhǎng)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(jiǎn)稱中地恒達(dá)，英文縮寫ZDHD)，是依托中國(guó)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(cè)設(shè)備，衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)及設(shè)備，工程監(jiān)測(cè)儀器，工程監(jiān)測(cè)軟件，自動(dòng)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(duì)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(cè)斜儀、雙軸傾角計(jì)、無線低功耗傾角計(jì)、無線傾角加速度計(jì)、危巖體崩塌計(jì)、無線裂縫監(jiān)測(cè)一體機(jī)、地下水位監(jiān)測(cè)一體機(jī)、降雨量監(jiān)測(cè)站、數(shù)字信號(hào)采集儀、振弦信號(hào)采集儀、輸油氣管道應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、防護(hù)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、高支模監(jiān)測(cè)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(cè)云、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)、大壩安全監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)、橋梁安全監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)、露天礦山安全監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)、監(jiān)測(cè)APP軟件、監(jiān)測(cè)小站(微信小程序)、垂直度檢測(cè)APP軟件等。