桥梁轻量化监测技术的探索与实践

桥梁轻量化监测技术的探索与实践随着我国交通基础设施进入“建养并重”的发展阶段，桥梁作为路网枢纽的核心组成部分，其安全运维水平直接关系到人民群众出行安全与区域交通畅通。截至2024年，全国公路桥梁中84%为中小跨径桥梁（约88万座），其中80%已服役超20年，进入病害高发期，但监测覆盖率仅为0.57%[4]。传统结构健康监测系统（SHM）虽在特大跨径桥梁中成效显著，却存在成本高昂、部署复杂、能耗较大、运维困难等短板，难以适配数量庞大、养护资源有限的常规桥梁[1]。在此背景下，桥梁轻量化监测技术作为一种聚焦风险、精简高效、性价比突出的新型监测路径，逐步成为破解中小桥梁监测难题、推动桥梁智慧养护普及的核心方向，其探索与实践对落实“交通强国”战略、完善城市生命线安全工程具有重要现实意义。一、桥梁轻量化监测技术的核心内涵与定位桥梁轻量化监测并非对传统SHM系统的简单缩减，而是一次监测范式的根本性转变——从“全面感知、精细评估”转向“风险导向、异常报警”[1]。其核心内涵可概括为：面向桥梁重点风险场景与关键安全指标，通过布设低功耗、易安装、高集成的感知设备，实现结构异常的实时预警与长期性能趋势跟踪，以最低的资源投入，为桥梁运营养护决策提供精准、高效的数据支撑[5]。与传统监测系统相比，轻量化监测具有三大核心转变：一是目标转变，从全面掌握结构状态转向精准识别特定风险事件（如撞击、位移超限、结构垮塌等）；二是对象转变，从全桥覆盖转向聚焦关键部位（如主梁跨中、墩台支座、伸缩缝等）；三是交付转变，从单纯的系统交付转向全周期的数据服务[1]。这种“少而精、轻而准”的定位，使其能够完美适配中小跨径梁桥、独柱墩桥、弯坡桥等常规桥梁的监测需求，填补了传统监测技术的应用空白[3]。二、桥梁轻量化监测技术的核心探索（一）系统架构轻量化：云边协同的两级架构设计轻量化监测系统摒弃了传统SHM“传感器–采集站–工控机–平台”的三级复杂架构，采用去中心化、边缘智能、云边协同的两级架构，大幅降低现场部署难度与运维成本[1]。感知终端层作为架构的核心前端，实现了传感、采集、计算、通信功能的高度集成，典型设备包括梁体偏位报警器、多元垮塌感知终端、视觉船舶识别终端、声纹伸缩缝诊断仪等[1]。这类终端具有低成本、低功耗、易安装的特点，例如梁体偏位报警器采用机械触发+LoRa通信模式，成本仅为传统位移计的1/10；多元垮塌感知终端集成三轴震动、双轴倾角、温度传感器，可在无电无网环境下待机72小时，事件触发后自动上报数据[1]。边缘智能网关作为现场数据汇聚与预处理节点，支持多协议接入，可运行轻量级AI异常检测模型，实现本地声光报警与数据压缩上传，同时支持自组网功能，有效解决偏远桥梁或城市峡谷区域的信号盲区问题[1]。云平台层则提供统一的管理入口，实现设备状态监控、报警规则配置、数据可视化分析，还可与省级、部级监管平台对接，满足三级监管要求[1]。（二）感知技术轻量化：低成本高精度的多技术融合感知技术的创新是实现监测轻量化的核心支撑，目前已形成“接触式+非接触式”融合、“高精度+低成本”兼顾的技术体系，重点突破了变形测量、多源信号识别等关键技术[2]。在变形测量方面，针对中小桥梁毫米级变形监测需求，研发了多种低成本替代方案，打破了传统GNSS技术成本高昂的局限[1]。其中，倾角仪+改进辛普森积分方案，通过优化积分步长与边界条件，将挠度测量精度控制在±0.5mm，单点成本低于5000元，适用于大多数梁桥的挠度与转角监测；视觉测量技术基于改进YOLOv5模型，结合AI算法实现大范围位移与船撞监测，精度可达±1–2mm，且部署成本低廉[1]。此外，非接触式的光电挠度仪、北斗沉降观测系统等装备，无需与桥梁结构直接接触，可实现高精度数据采集，尤其适合检修困难的桥梁场景[5]。在多源信号应用方面，视觉信号与声音信号的创新应用显著提升了监测的智能化水平[1]。视觉信号主要用于船舶撞击预警，通过多尺度目标检测、干扰抑制、轨迹预测等技术，可实现500米外船舶检测，提前30秒预警碰撞风险，在崇启长江大桥的应用中，两年内成功识别50余次高风险事件，准确率超过95%[1]。声音信号则用于伸缩缝病害诊断，通过声纹-视频融合切片、无监督学习模型，可自动识别钢梁断裂等早期病害，已在江阴大桥成功检出相关隐患[1]。此外，5G-A通感一体技术的探索为轻量化监测提供了颠覆性方向[1]。该技术利用5G-A基站发射的毫米波信号，通过解析信道状态信息（CSI）反演结构变形，无需额外部署硬件，具备全域覆盖潜力，初步测试显示最大误差约5%，适用于密集城区桥梁群监测[1]。（三）数据处理轻量化：边缘智能与高效压缩技术轻量化监测系统采用“边缘预处理+云端聚合分析”的两级数据处理模式，有效降低数据传输能耗与存储压力[2]。在边缘端，通过轻量级AI模型（如LSTM异常检测模型）对采集的数据进行实时预处理，筛选有效信息、压缩冗余数据，仅将异常数据与关键特征数据上传至云端，大幅减少数据传输量[1]。在云端，通过多源数据融合算法，整合振动、位移、声纹、视觉等各类数据，实现桥梁结构状态的精准评估与趋势预测[2]。同时，针对监测数据误报率较高的问题，正在探索基于时间序列相关性的报警算法（如“五度指标法”），通过多参数关联分析，提升异常识别的准确性，避免无效预警[1]。三、桥梁轻量化监测技术的工程实践应用近年来，随着政策推动与技术成熟，桥梁轻量化监测技术已在全国多个地区、多种场景下实现规模化应用，形成了可复制、可推广的实施流程与实践经验，覆盖高速桥梁群、国省道中小桥梁、乡村桥梁等多种类型[4]。（一）许广高速桥梁群轻量化监测实践G0421许广高速潭衡西段桥梁群车流密集、服役环境复杂，为提升安全管控能力，相关单位采用“少而精、轻而准”的轻量化监测方案，构建了完善的监测体系[3]。该项目重点布设主梁挠度、支座位移等关键指标，采用集成化、低功耗监测设备，将数据采集、处理与通信功能集成于一体，避免了传统监测的大规模布线与复杂施工，单桥部署时间不超过1个工作日[3]。监测数据实时接入智能监测云平台，通过AI算法实现异常识别与三级预警，系统可第一时间向养护管理部门推送告警信息，同步提供异常点位与处置指引，不仅释放了人工巡检压力，还为养护计划制定提供了科学依据[3]。（二）多地区中小桥梁规模化试点应用在政策驱动下，江苏、湖北、重庆等多地已开启中小桥梁轻量化监测试点，形成了各具特色的应用模式[4]。江苏省2023年发布全国首个地方标准《桥梁轻量化监测系统建设规范》，截至2025年已完成600余座常规桥梁的监测部署，重点解决长三角重载交通下桥梁疲劳损伤问题[1][4]；湖北省2024年启动185座中小桥梁试点，创新“一桥群一方案”，针对山区桥梁地质灾害风险，搭配北斗定位与振动监测设备[4]；重庆市城市桥隧智慧监管覆盖率达70%，24座跨江中小桥梁通过轻量化系统实现7×24小时振动监测，预警响应时间缩短至10分钟内[4]。（三）桥梁加固期间的伴随监测实践轻量化监测技术还广泛应用于桥梁加固施工期间的安全监测，为施工安全提供实时保障[6]。某三跨连续箱梁桥梁加固项目中，监测团队重点监测跨中截面动态应变、裂缝开合情况与动态挠度三个核心参数，采用无线动态应变传感器、图像位移计等轻量化设备，安装简便、数据稳定，可实时捕捉过车带来的结构应力变化，确保加固施工与桥梁运营安全[6]。（四）工程实施的标准化流程经过多年实践，已形成标准化的轻量化监测实施流程：一是风险场景识别，基于历史事故、结构形式、交通组成确定监测重点；二是设备选型与布点，按“少而精”原则选择终端类型与安装位置；三是工厂预集成，所有线缆、接口、固件在出厂前完成调试；四是现场快速安装，单杆安装时间小于2小时，无需大型机具；五是平台接入与标定，远程配置报警阈值，完成初始数据校验[1]。四、桥梁轻量化监测技术面临的挑战与未来展望（一）当前面临的主要挑战尽管轻量化监测技术已取得显著进展，但在规模化应用中仍面临诸多瓶颈[1]。一是测点稀疏下的误报控制难题，现有算法难以完全避免单一参数超限导致的无效预警，需进一步优化多参数关联分析模型；二是能源长期可靠性不足，阴雨天气下太阳能供电稳定性有待提升，偏远地区设备续航与维护仍存在困难；三是多源数据融合深度不够，视觉、声音、震动等数据尚未实现高效联合推理，结构状态评估的全面性有待提升；四是商业模式转型滞后，目前仍以“卖设备”为主，“按年订阅预警服务”等新型服务模式需进一步培育。（二）未来发展展望结合技术发展趋势与工程实际需求，桥梁轻量化监测技术将朝着“更智能、更高效、更普惠”的方向发展[1]。一是构建超低功耗广域传感网络（ULP-WASN），实现区域桥梁群的协同监测，提升监测覆盖面与效率；二是研发声-光-震多模态融合AI模型，优化异常事件识别算法，降低误报率，提升监测精度；三是推广嵌入式操作系统（如ZephyrRTOS）在感知终端中的应用，提升软件可维护性与设备兼容性；四是完善多端互动平台，支持手机APP、微信小程序等轻量化访问，打通“监测-预警-处置”闭环；五是推动行业标准完善，加快交通运输部相关行业标准出台，规范设备性能、安装流程与数据接口，促进技术规模化普及[1][4]。五、结语桥梁轻量化监测技术的探索与实践，是我国桥梁智慧养护从“高端定制”走向“普惠可用”的关键一步，它并非技术降级，而是在资源约束条件下对