桥梁智能监测技术

一、方案概况

本方案以北斗高精度定位和无线智能传感技术和装备为手段，以天启卫星物联网、地面4G/5G等天地融合通信网络为纽带，以大数据、人工智能等技术为支撑，搭建桥梁健康管养大数据云平台，建立整个数据融合诊断的桥梁智慧监管体系。实现桥梁信息全面汇集和多维可视化展示；并对桥梁全天候、全天时、全方位的信息化监测预警；实现多职能部门信息共享，打通应急联动渠道，实现高效的应急反应和联动处置。为我国桥梁安全高效运营提供技术保障。

二、需求背景

随着我国城镇化建设加速推进，城市桥隧数量不断增多，老旧病危桥隧的安全隐患越发显现，桥隧管理难点痛点日益突出。党的“十九大”报告提出了“生命至上、安全第一”的安全发展理念，要坚决遏制重特大安全事故，提升防灾减灾救灾能力；2021年交通运输部办公厅发布了《公路长大桥梁结构健康监测系统建设实施方案》，提出了2023年底，建成长大桥梁数据平台、监测平台和全国统一标准的系统。

而面对“海量”桥梁，传统的监测、养护管理方法尚存在较多难点痛点，主要包括：一、仅依靠目前人工排查安全隐患为主的方法，不能实现安全隐患全覆盖实时感知和早发现、早处理，安全隐患排查及病害发现不及时；二、现有桥梁管养与应急处置方法不及时，各部门难以互通互联，应急反应较慢；三、桥梁管理的信息化、智能化水平较低，工作效率低下，效果不佳，养护管理成本较高。

三、技术可行性

本方案构建了从“桥梁状态感知技术”到“数据高效采集传输手段”再到“结构分析评估预警和智能管养平台”三大核心为一体的桥梁智能监测体系。解决了从算法理论到工程应用全链条技术难题，为我国桥梁智能监测和安全高效运营提供了技术保障。

（一）星-地物联的桥梁状态感知新技术，解决了桥梁结构状态感知长效精准可靠的难题

（1）高集成低功耗的北斗位移监测设备

实现了新型监测型北斗接收机采样率达到20Hz（准实时）、长期存活率提升50%、体积减少50%、功耗降低48%、成本降低60%。

图1 高集成低功耗的北斗监测型接收机

（2）高精度的北斗边缘融合解算算法

使位移监测测量精度达mm级，复杂环境下结果抗干扰能力大幅提高、可支持10000个监测点同时解算。

图2 北斗位移监测增强算法

（3）桥梁分布式无线智能组网感知技术

实现了传感设备快速安装、简易维护、功耗低（待机功耗0，工作功耗0.06W）、续航时间长（≥5年）的功能；实现了短接线（≤5cm）、远传输（≥5km）、数据同步采集等功能。

图3  分布式无线智能组网感知网络与感知终端设计

（二）卫星物联网+5G的采集传输一体化技术，解决了复杂多样环境下桥梁监测通信保障的难题

（1）桥梁监测卫星物联网通信保障系统

实现了终端功耗＜1W、成本降低50%以上、复杂环境接入成功率＞90%、自组网、自恢复、高抗毁、支持双向语音视频应急通信等功能，补齐地面物联网“盲区”。

图4  天启卫星物联网星座和终端

（2）基于5G的大容量高效监测信息传输技术

实现了毫秒级的监测信息高效传输技术，并通过通讯协议的优化对接与匹配，实现了多种类多型号的监测传感仪器快速接入。 

图5  5G数据综合采集仪

（三）AI驱动的桥梁评估预警和智慧管养体系，提高了桥梁评估预警的可靠度，解决了缺乏监管养一体智慧管控平台的难题

（1）AI-力学模型融合的桥梁损伤诊断分析技术和桥梁结构状态评估预警技术

实现了桥梁力学模型的高精度模拟和损伤程度的智能识别，极大提高了大规模桥梁结构的异常状态分析计算效率，结构状态识别精度平均可达92.1%；构建了四级预警体系，可实现精准、高效、多渠道风险预警。

图6  联合深度神经网络的桥梁结构状态评估

（2）桥梁健康管养大数据云平台

搭建了在线可视、可控、可服务的桥梁监管养一体化的智能管控大数据云平台，实现了桥梁巡检养护、病害检测、健康监测等多源异构信息的统一融合，突破了桥梁全寿命一体化信息的“孤岛化”问题。

图7 桥梁健康管养大数据云平台

应用可行性证明材料：

（1） 猴子石大桥应急监测项目在线监测画面

（2）三汊矶大桥应急监测项目在线监测画面

（3）龙洲湾隧道PPP项目渝南立交桥等5座桥梁运营期安全监测项目应用证明

（4）南通市通州区东沙大桥主桥安全运营监测项目应用证明

四、应用效果

截至2021年3月，本技术已在南通市东沙大桥、盐城市南环大桥、炎汝高速下黄垄桥、武靖高速十里铺高架桥、望城区沩水大桥、龙洲湾渝南立交等全国9个省份的80余座桥梁上得到成功应用，应用范围涉及高速公路、国省干线等领域的多类桥梁，并在桥梁施工建设、运营维护、应急抢险中多次成功预警。

在智慧城市建设中，本技术可对桥梁管养数据进行系统性的管理，显著提升了桥梁养护管理数字化和智能化；一定程度上提前发现结构的安全隐患，以尽量避免安全事故的发生，提高了桥梁多维监测和应急处突能力，最大程度减轻灾害损失；可实现桥梁数据的精细化、智慧化管理，大幅降低了桥梁维护管养费用，已产生直接经济效益1.2亿元，间接经济效益逾20亿元，有力地保障了桥梁安全高效运营，社会经济效益显著。

图8  桥梁智能监测推广应用项目

五、特色亮点

本方案解决了行业内从算法理论到工程应用全链条技术难题，解决了桥梁结构状态感知长效精准可靠的难题，实现桥梁结构全寿命实时监管的数据基础；实现桥梁多要素、全过程立体监测数据有效传输和实时通信的保障；以大数据、人工智能等技术为支撑，建立整个数据融合诊断的桥梁智慧监管体系。

针对长沙市内桥梁管养问题，可建立一个桥梁综合管理平台，全面汇集长沙市区域桥梁的基础信息、安全隐患、业务管理等数据打造“一桥一档”、“一隧一档”，实现信息全面汇集和精细化管养；对长沙市区域内重点关注桥隧设施安全运行状态构建技术先进的智能感知网络和智慧分析平台，实现全天候、全天时、全方位的信息化监测预警；实现纵向汇聚、横向融通的数据共享模式，打通各部门应急联动渠道，实现高效的应急反应和联动处置，进一步提升桥梁安全事件的应急处置效能。

六、企业简介

湖南联智科技股份有限公司（以下简称“联智科技”） 是一家聚焦结构安全，以“让基础设施更安全”为企业使命，致力于基础设施质量检测与智能安全监测的高新技术企业。先后创建了“基础设施数字化监测与智慧管控湖南省工程研究中心”等6个科研平台;共承担重要科研项目22项，其中国家级科研项目1项，省部级科研项目19项；共拥有授权专利318项，其中发明专利68项;主持或参与编写标准16项，其中主持编写国家标准1项；科研成果获得省市级重要奖项总计17项;核心技术研究成果“北斗+安全智能监测预警云平台”、“北斗高精度接收机”、“张拉与压浆智能化成套技术及远程监控技术”、“隧道智慧照明控制系统集成GR系列产品”等转化为产品和服务，产业化成果突出，同时被相关行业主管部门发文列入推广目录在市场上推荐使用。