2019年5月28日检师学社公众号发表了一篇文章《如何理解桥梁结构健康监测系统的“结构”》，对桥梁结构健康监测系统组成结构进行了简单介绍。最近笔者审查了多个桥梁监测系统类项目，对系统组成结构的划分可谓五花八门；此外笔者参与审查了几部监测类标准规范，也查阅了一些发布的标准规范，发现规范中对监测系统组成结构也未有较为明确的规定。为此，我们重新提提这个问题，以引起各方面的足够的重视。
之所以要提监测系统组成结构，有几方面的原因：
（1）有个大家共识的通用的系统组成架构体系，便于技术交流。如果没有统一的架构，无论是技术审查还是技术研讨，颇有各说各话，弄不好还得中途打断问问那个子系统是做啥的来着。
（2）利于监测系统设计的标准化。如果系统结构划分合理，设计文件阐述的体系上也会比较有条理，而且在编制预算中也比较利于工程量的统计。
（3）利于系统的大规模拓展。目前全国桥梁监测系统大规模建设，如果对系统组成结构理解到位，能够在此基础上进行系统的各种类型的改进和扩展。
Part 1.桥梁结构健康监测系统组成结构
下图1是香港昂船洲大桥（包括其他几座桥梁）在桥梁结构健康监测系统设计中标准的系统结构层次划分，
图1 香港昂船洲桥监测系统结构划分
系统分为四个部分：
• Sensor System（SS）传感器系统
• Data Acquisition andTransmission System(DATS)数据采集与传输系统
• Data Processing and ControllingSystem(DPCS)数据处理与控制系统
• Structural Health EvaluationSystem(SHES)结构健康评估系统
• Portable Inspection andMaintenance system(PIMS)便携检测和维护系统
我们在学习前人经验基础上，对系统结构划分做了简单的改变和修正。基于对整个系统的理解，我们认为数据控制与采集更为接近，都是通过采集系统来实现其控制（改变采集设定的参数以及对传感器的远程诊断等）功能，所以与采集合并为“采集与控制子系统”，而将数据传输单列出来。于是我们给出的桥梁结构健康监测系统结构层次划分如下：
• Sensor System（SS）传感器系统
• Data Acquisition andControlling System（DACS）数据采集与控制系统
• Data Transmission System(DTS) 数据传输系统
• Data Processing and (DPCS)数据处理与管理系统
• Structural Health EvaluationSystem(SHES)结构健康评估系统
上述系统是从系统“纵向”来看，也就是说给定一种监测参数，比如加速度，那么加速度计就是传感器，采集加速度计的设备就是“采集系统”，对加速度最大值分析、时程数据显示以及简单的时频变换等就是“数据处理”，存入数据库系统或者从数据库系统取出以及存储策略等就是“数据管理”，通过加速度测量数据分析结构模态或者更深入分析结构损伤等就是“结构评估”。从横向来看，会有不同的监测参数，请见图2。这种结构划分也比较符合信号—数据—模型—知识的信息处理流程。
图2 结构监测系统构成示意图
（1）传感器子系统
根据系统设计中不同的监测参数选择对应的传感器，传感器子系统中不包括软件，在设计中往往需要绘制传感器布点图，通过布点图能够审查布点位置和数量的合理性，同时能够精准统计传感器数量和型号。
（2）数据采集与控制子系统
数据采集能够把传感器获取的没有任何物理意义的模拟信号（电压、电流和光信号等）转换成数字化信号，同时信号转变成有物理意义的数据，如应变，振动等。不同传感器应用不同的采集设备进行数据采集，这部分需要设计传感器与采集设备之间的拓扑关系。对采集行为的控制，包括诊断，采集频率调整，时钟同步性设计等也通过采集设备来实现。数据采集与控制子系统包括硬件，也包括采集与控制和诊断等软件。
根据桥梁空间位置，在桥梁上布设多个采集站，DAU （Data AcquisitionUnit ）。每个采集站可包含不同类型不同数量采集设备，同时配备共用的配电、数据汇线和往远端传输的交换机等。采集站只是具有不同采集设备在一个地点的位置意义，不能作为独立的子系统来看待。
有的传感器是无线传感器，无线传感器往往是把数字量向外传输。此类传感器内部集成了数据采集模块和无线发射模块，从系统结构上仍然与上述监测系统结构划分相符合。
（3）数据传输子系统
数据传输子系统包括各种数据传输线路和相关的交换机等设备。传输网络包括几种:从传感器到DAU传输网络，暂且称呼为局部传输网络；从DAU到桥梁交换机的传输网络，暂且称为二级传输网络；从桥头交换机到监控中心交换机的传输网络，暂且称为“骨干传输网络”。和监控中心的布线等。
随着通信技术的发展，之前从桥位到监控中心往往使用光纤，目前来看可以采用无线传输网络，比如4G网络。以往从DAU到桥头交换机也采用光纤传输，目前甚至可以直接从DAU将数据传输到监控中心，甚至直接上传到云端。
（4）数据处理与管理子系统
桥梁结构健康监测系统建设目的是获取数据，对数据进行处理，为桥梁安全评估和养护提供支持。数据处理包括两个层面，第一层面是计算机能够自动实现的，这部分工作划分在数据处理与管理子系统，第二层面是需要专业知识和专业软件，需要专业人士通过人机交互才能完成的，划分在结构健康评估子系统中。
数据处理与管理子系统主要包括：
• 能够自动实现的数据处理，如最大值统计，频谱变换，雨流统计，轴载统计等等。
• 数据显示与展示。
• 数据库，包括自建数据库还是把数据传到云端进行管理。
• 数据共享等策略和管理等。
（5）结构健康评估系统
结构评估系统不单单指桥梁承载能力评估，凡是需要知识模型，需要人工进行分析的计算统称为桥梁评估系统的应有功能。比如基于加速度数据的结构模态识别分析、结构损伤识别分析、汽车荷载模型统计分析、风荷载统计分析以及桥梁承载能力评估等，这些评估分析往往需要购买或者开发相应的专业软件。
Part 2.桥梁结构健康监测系统体系结构的拓展
鉴于目前全国范围内大规模建设桥梁结构健康监测系统，一些新的概念也出来了，比如桥梁集群监测系统，省级数据平台，部级数据平台等等。这里我们简单谈谈上述桥梁结构健康监测系统体系结构的拓展性。
1.数据采集运维平台系统
以某省份为例，120座桥梁监测系统，假设每座桥梁8台采集设备，全部下来有近1000台采集设备；假设每座桥梁150支传感器，全部下来有近20000万支传感器。这么庞大数量的硬件，靠传统的人工运维是很难管起来的。可以借鉴数据中心服务器运维模式，在采集设备之上布设数据采集运维平台系统，图3，对这些硬件的状态进行监控，及时发现损害的设备以及时更换维修。
图3 拓展1：数据运维平台系统
2.数据平台
交通运输部《公路长大桥梁结构健康监测系统建设实施方案》中明确提出了各省须建设面向省内所有桥梁监测系统的省级数据平台，简称“省级平台”。就我们了解来看，各个地区如何建设省级平台还都不太明晰，有的省份把之前集群桥梁监测系统的监测数据平台改吧改吧就变成了省级数据平台。
省级“数据平台”可以考虑将结构健康监测系统中的“数据库”抽取出来，建设各个业主共用的数据平台，图4。在共用的省级数据平台上考虑数据监管、管理、安全、共享策略等工作。该平台只针对数据的管理，可以布设在云端，或建设私有云，相当于Data+Cloud，而各个业主的监测平台负责数据管理分析挖掘和展示，相当于SaaS。
图4拓展2：省级数据平台
3.分布式监测
我们在第三代桥梁结构健康监测综合解决方案中提出了“分布式监测”的概念，比如比较难度大的结构模态监测委托于比较专业的技术团队，该团队负责传感器和采集设备安装，所有桥梁模态分析等专项监测服务。
图5 拓展3：分布式监测
4.分布式数据分析
与桥梁监测相关的深入数据挖掘往往大学和科研院所做的多，从整个监测系统体系设计上应该为高校等研究机构提供数据接口，使得这些研究成果能够用于桥梁监测的工程实践，更好的指导桥梁评估和养护决策。
图6拓展4：分布式数据挖掘
通过桥梁监测系统体系结构的拓展分析，我们可以发现，将传统的监测系统体系结构中某部分拿出来进行功能拓展，就可以满足目前大规模桥梁监测系统建设。如果体系结构划分不清，那么在系统拓展中难以做到逻辑自洽性，甚至造成系统总体架构的混乱。
Part3. 大型桥梁数字化管养系统
桥梁监测数据和人工检测数据的融合是行业共识，甚至不夸张地说，绝大部分桥梁养护管理决策依靠人工检测数据。桥梁健康管理大数据系统的数据之大不在于传感器收集数据之多，而在于能够应用于大数据分析方法。从投入产出比来看，在此次大规模桥梁监测系统建设之际，拿出一小部分经费，在这些大型桥梁上开发数字化桥梁管养系统，针对人工检测数据和监测数据融合分析，其效益远远高于监测系统本身。
有的监测系统设计中设计了人工巡检系统，但是担忧交通运输部因为这个不属于监测系统建设范畴而将补贴经费取消。监测系统建设目的不是为了炒概念，而是为了桥梁更好的进行养护管理，为此我们建议相关主管部门不必拘泥于概念成立与否，凡是利于大桥养护的投入都值得支持。但是值得一提的是，目前的巡检系统都是信息化系统，跟数字化系统有本质的区别，而我们更加提倡的是数字化系统。
2022年1月24日
转载来源：检师学社
