如何定義輕量化監(jiān)測，它和傳統(tǒng)健康監(jiān)測有什么區(qū)別？從技術(shù)層面，隨著通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，系統(tǒng)更“輕”，性能更“優(yōu)”、成本更“低”是必然趨勢。可類比當下配備5G通信模塊的輕薄智能筆記本電腦與三十年前依賴固定網(wǎng)線連接、性能落后的臺式計算機。從政策層面，輕量化監(jiān)測是在長大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)部署初步建成后，針對分散廣、數(shù)量多、橋齡長的常規(guī)跨徑橋梁群提出的。因此，輕量化監(jiān)測的目標要求是“精指標”“低成本”“快安裝”“便維護”“重報警”。

一、發(fā)展背景

1.1 政策導向

2023年2月，***印發(fā)《數(shù)字中國建設(shè)整體布局規(guī)劃》，為中國數(shù)字化發(fā)展繪制了清晰的藍圖，明確從多方面推動數(shù)字經(jīng)濟和智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，加速數(shù)字化轉(zhuǎn)型與產(chǎn)業(yè)升級。

2021年10月，交通運輸部發(fā)布《數(shù)字交通“十四五”發(fā)展規(guī)劃》，提出“交通設(shè)施數(shù)字感知，信息網(wǎng)絡(luò)**覆蓋，技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新活躍”等發(fā)展目標。

2024年4月，交通運輸部發(fā)布《關(guān)于進一步推動公路橋梁隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)工作實施方案》（2024—2030年），要求同步開展常規(guī)跨徑橋梁輕量化監(jiān)測系統(tǒng)試點。

2024年6月，交通運輸部印發(fā)《在役公路橋梁隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)2024—2025年建設(shè)清單》，選取全國2651座橋梁作為輕量化結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)試點。

1.2 市場需求

截至2023年末，我國公路橋梁總計107.93萬座，其中特大橋10239座，大橋17.77萬座，中小跨徑橋梁89.14萬座。目前，我國基本完成了首批644座長大橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)，初步構(gòu)建了長大橋梁監(jiān)管體系。而數(shù)量眾多、分布**的中小跨徑橋梁的健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)工作尚處于起步階段。另一方面，我國橋梁老齡化日益嚴重，預(yù)測到2035年，服役年限超30年的橋梁占比將超60%，材料老化、性能退化、帶病工作情況凸顯。與此同時，極端天氣、地質(zhì)災(zāi)害、超限超載、違規(guī)施工等外部風險事件頻發(fā)，嚴重威脅橋梁運行安全，亟待加強保障措施。

1.3 技術(shù)發(fā)展

技術(shù)發(fā)展也推動橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的“輕量化”。傳感器方面，MEMS技術(shù)通過微納加工工藝，將機械結(jié)構(gòu)、傳感器元件、信號處理電路等集成在微小的芯片上，實現(xiàn)設(shè)備的微型化、集成化、高精度、低功耗。集成MCU模塊可以使傳感器具有強大的數(shù)據(jù)處理能力，對采集的原始數(shù)據(jù)予以校準與優(yōu)化。LPWAN技術(shù)以及5G通信技術(shù)促進設(shè)備小型化，減少系統(tǒng)中繼設(shè)備和有線連接。大數(shù)據(jù)技術(shù)可以存儲、管理和分析挖掘海量的健康監(jiān)測數(shù)據(jù)，推動科學決策。人工智能與機器學習算法實現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷自動識別、異常檢測，提高智能化水平。云計算技術(shù)提供強大計算資源，靈活調(diào)整資源分配，減少硬件配置。

二、監(jiān)測方案

根據(jù)《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），輕量化監(jiān)測的對象是橋梁群，有針對性選取監(jiān)測對象、監(jiān)測指標，才能充分發(fā)揮監(jiān)測系統(tǒng)的**價值。輕量化監(jiān)測的應(yīng)用場景可總結(jié)為以下幾種：

①特殊結(jié)構(gòu)

②重載、飽和交通橋梁

③車輛/船舶撞擊風險

④自然災(zāi)害風險高

⑤安全狀況差，運營風險高

⑥加固改造橋梁

監(jiān)測項目及方案應(yīng)根據(jù)橋梁實際情況，遵循“一橋一策”的原則進行制定

三、監(jiān)測系統(tǒng)

3.1 硬件系統(tǒng)

相對于傳統(tǒng)健康系統(tǒng)，輕量化監(jiān)測具有高集成、短鏈路、低功耗的技術(shù)特征。數(shù)據(jù)采集與處理模塊、通信模塊、供電模塊的集成處理，有效降低了系統(tǒng)的冗余度。

1、數(shù)據(jù)采集與處理

在電路板上集成數(shù)據(jù)采集電路（如模數(shù)轉(zhuǎn)換器）和數(shù)據(jù)處理芯片（如微控制器或數(shù)字信號處理器）。數(shù)據(jù)采集電路將傳感器獲取的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，直接在本地的數(shù)據(jù)處理芯片中進行初步的數(shù)據(jù)處理，如濾波、特征提取等操作，無需將大量原始數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠吭O(shè)備進行處理，從而縮短了數(shù)據(jù)鏈路。

2、通信與傳輸

將通信模塊直接集成在傳感器上，相比于傳統(tǒng)監(jiān)測依靠RS-485、以太網(wǎng)等有線方式，輕量化監(jiān)測系統(tǒng)采用藍牙、Wi-Fi 和 4G/5G 等無線傳輸方式，提升系統(tǒng)靈活性，減少系統(tǒng)硬件設(shè)備。

3、供電系統(tǒng)

通過硬件節(jié)能設(shè)計、智能休眠機制、數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化、電源管理策略等途徑，降低系統(tǒng)功耗。除了采用市電、太陽能供電這些傳統(tǒng)方式以外，一些低功耗設(shè)備可直接將電池集成在設(shè)備上，可供設(shè)備工作1～3年，這進一步簡化了系統(tǒng)布線，降低了系統(tǒng)的繁雜程度。

3.2 軟件平臺

軟件平臺具備橋群管理、地圖展示、數(shù)據(jù)展示分析、閾值設(shè)置及報告生成等功能。

1、數(shù)據(jù)共享

具備與外部系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)的能力。與省、部級平臺能實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，在橋梁管養(yǎng)單位會同相關(guān)部門制定措施時，可以實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)及監(jiān)測報告共享。

2、交互便捷

通過采用豐富的可視化展示方式，如地圖、三維模型展示橋梁位置和相關(guān)信息，以及以數(shù)據(jù)曲線、列表等形式展示監(jiān)測數(shù)據(jù)，降低操作門檻。具備強大的數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計功能，查詢結(jié)果以數(shù)據(jù)曲線、數(shù)據(jù)列表和電子地圖相結(jié)合的方式呈現(xiàn)。當監(jiān)測點實時數(shù)據(jù)達到或超過設(shè)定的報警閾值時，平臺能夠通過短信、郵件、APP、現(xiàn)場聲光報警多種方式進行預(yù)警報警。

3、數(shù)據(jù)分析

傳統(tǒng)健康監(jiān)測系統(tǒng)，測點豐富，數(shù)據(jù)冗余度高。可以通過統(tǒng)計分析、機器學習等方法對指標之間的關(guān)系進行深入挖掘。多個指標之間可以相互印證，有助于準確判斷結(jié)構(gòu)物的健康狀態(tài)。而輕量化監(jiān)測測量指標少，數(shù)據(jù)相關(guān)性不足，因此，對監(jiān)測指標、測點選取，數(shù)據(jù)分析方法要求更高，如何通過有限的數(shù)據(jù)量得到有效的結(jié)論是關(guān)鍵問題。