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20世紀(jì)80年代末期，我國著名光電專家黃尚廉院士敏銳地看到了橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測技術(shù)的重要性、先進性、前瞻性；高瞻遠矚地指出，該技術(shù)具有多學(xué)科交叉的包容性、跨學(xué)科發(fā)展的帶動性、對未來產(chǎn)業(yè)的牽引性，從而在國內(nèi)率先提出開展該項技術(shù)的建議。在黃尚廉院士的倡導(dǎo)與親自組織下，重慶大學(xué)光電技術(shù)研究室在國內(nèi)率先開展了該前沿領(lǐng)域的艱苦探索。

橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測的感覺器官、中樞神經(jīng)、思維大腦這三大關(guān)鍵技術(shù)都是典型的信息技術(shù)，但其針對的對象卻是典型的結(jié)構(gòu)工程技術(shù)，因此要實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測的夢想，就必須使信息技術(shù)與結(jié)構(gòu)工程技術(shù)有機融合，這就要求信息人必須首先“跨界”進入土木界，從而了解橋梁結(jié)構(gòu)的特點、掌握并吃透其難點，發(fā)現(xiàn)突破點、找到解決方案。

為此，1993年剛從日本留學(xué)歸國的陳偉民教授，在爭分奪秒研究橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測的基礎(chǔ)理論與技術(shù)，研制特殊傳感器的同時，還擠出時間虛心向土木工程與橋梁界學(xué)習(xí)。

長期穿梭于當(dāng)時的交通部重慶公路研究所、重慶大學(xué)，向土木工程界虛心學(xué)習(xí)，并直接進入到楊公橋立交橋這個當(dāng)時西南地區(qū)最大的立交橋建設(shè)工地，從挖地基、打樁機、扎鋼筋、做模板等基礎(chǔ)工藝入手，了解與學(xué)習(xí)混凝土澆筑、保養(yǎng)，結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力張拉、施工參數(shù)測量與控制等，經(jīng)歷一年多時間，從一個橋梁與土木工程的門外漢，逐步進入了橋梁工程的大門，為后續(xù)帶領(lǐng)團隊“跨界”科研奠定了堅實的基礎(chǔ)。

“感覺器官”之創(chuàng)新

傳感器系統(tǒng)是橋梁結(jié)構(gòu)安全的感覺器官，是直接獲取橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)原始信息的關(guān)鍵，是橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測需要攻克的第一道難關(guān)。

由于橋梁是具有拱橋、連續(xù)剛構(gòu)橋、懸索、斜拉橋等多種不同形式，且包含墩、梁、塔、桿、索等多個重要構(gòu)件，并主要由鋼筋與混凝土以及鋼結(jié)構(gòu)組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

因此，要對橋梁的結(jié)構(gòu)安全進行監(jiān)測，就必須面臨一系列特殊困難。其在材料上具有各向異性的特點，其在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的受力方式是超靜定結(jié)構(gòu)、其承受的外載荷則是隨機非均勻運動沖擊，其整體尺度動輒就是千米級的龐然大物、建設(shè)的時間往往持續(xù)數(shù)年。

因此，橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測的傳感器系統(tǒng)，必須與橋梁的結(jié)構(gòu)與材料具有良好的相容性，能滿足不同橋型、不同構(gòu)件、不同環(huán)境的監(jiān)測要求。它必須要解決三大難題。

01是要將其“植入”橋梁結(jié)構(gòu)，獲取橋梁結(jié)構(gòu)原始狀態(tài)參數(shù)信息；

02是傳感器的植入既不能影響橋梁結(jié)構(gòu)的自身性能與安全，又不能影響橋梁的施工與維護；

03是傳感器必須要在橋梁現(xiàn)場惡劣的野外現(xiàn)場環(huán)境下，長期、穩(wěn)定、可靠地工作。而當(dāng)時的任何傳感器系統(tǒng)，都不可能滿足這些要求，只能自力更生、自主創(chuàng)新。

為此，陳偉民教授與他的團隊，不怕困難、時刻攻關(guān)，心無旁騖、排除一切干擾與誘惑，一心要啃下這個硬骨頭。他們既大膽創(chuàng)新又嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)，經(jīng)10余年的潛心研究，終于在橋梁結(jié)構(gòu)安全的“感覺器官”方面，結(jié)出了豐碩的成果。

應(yīng)變是結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測最重要的指標(biāo)，它反映的是結(jié)構(gòu)局部受力的關(guān)鍵參數(shù)，而光纖傳感器是當(dāng)時最先進、最具潛力的應(yīng)變傳感器技術(shù)。但是外徑僅0.125毫米的光纖纖細(xì)脆弱，其專用測量儀表更是尖端昂貴、屬于發(fā)達國家對我國封鎖的技術(shù)。

團隊經(jīng)過無數(shù)個不眠之夜，終于取得重大突破，攻克了光纖應(yīng)變傳感器的保護及溫度補償難題，發(fā)明了埋入式光纖法珀應(yīng)變傳感器、混凝土專用溫度自補償型光纖法珀應(yīng)變傳感器；

解決了光纖法珀應(yīng)變傳感器的解調(diào)與標(biāo)定難題，發(fā)明了光纖法珀應(yīng)變測量儀、光纖傳感器的通用、高速波導(dǎo)波長掃描解調(diào)方法及裝置，以及光纖法珀應(yīng)變傳感器標(biāo)定的高精度大范圍微位移工作臺，最終形成了實用化的光纖法珀應(yīng)變傳感器系統(tǒng)，開創(chuàng)了光纖應(yīng)變傳感器系統(tǒng)在橋梁上的大規(guī)模應(yīng)用先例。

在此基礎(chǔ)上，還深入研究了光纖傳感器的長期穩(wěn)定性，建立了光纖光柵應(yīng)變傳感器的疲勞衰變模型，提出了光纖傳感器性能蛻變的在線評價方法、以及性能蛻變條件下的數(shù)據(jù)解調(diào)方法，填補了行業(yè)空白。

還針對光纖應(yīng)變傳感器現(xiàn)有環(huán)氧封裝技術(shù)的缺陷，發(fā)明了金屬化封裝新技術(shù)，大幅度提升了傳感器的可靠性，促進了該技術(shù)的發(fā)展。
變形是結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測的另一個重要指標(biāo)，它能反映結(jié)構(gòu)的整體狀況。

雖然光學(xué)全站儀已經(jīng)廣泛應(yīng)用在橋梁施工過程的質(zhì)量監(jiān)控中，但由于它必須人工操作，且是精密光學(xué)儀器，無法適應(yīng)現(xiàn)場雨霧與灰塵等惡劣工作環(huán)境；

雖然全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）正在興起，在全天候工作等方面顯示出極大優(yōu)勢，并已在少數(shù)特殊場合得到應(yīng)用，但卻面臨價格昂貴、測量精度難以滿足要求、存在技術(shù)壟斷等瓶頸問題。為此，團隊成員另辟蹊徑、大膽創(chuàng)新，攻下了這個山頭。

利用激光投射原理、成像原理、組合光電陣列，分別發(fā)明了激光位移測量方法、自標(biāo)定自編碼成像法多點動態(tài)位移測量方法、二維大量程激光位移測量方法、橋梁撓度對稱式光電自動測量裝置、橋梁撓度光電自動測量裝置；

利用光纖干涉與液體平衡反射器原理，發(fā)明了光纖傾斜傳感器，最終形成了適應(yīng)不同結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測的大量程、高精度傳感技術(shù)系列專利，覆蓋了200～2000毫米的測量范圍，并達到了0.1～3毫米的測量精度。

在此基礎(chǔ)上，又進一步將全球衛(wèi)星地面定位系統(tǒng)（GPS）與地基雷達技術(shù)結(jié)合，發(fā)明了三維變形監(jiān)測的有源異頻反射雷達系統(tǒng)，開發(fā)出了實驗樣機，以極其低廉的成本達到了0.02毫米的測量精度，使結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測技術(shù)更加豐富，并形成了系列產(chǎn)品。

為了不影響正常的航運、突破地理條件的限制，各類纜索承重橋發(fā)展迅速，并已成為大跨徑橋梁的主流技術(shù)。而纜索作為纜索承重橋最關(guān)鍵的受力部件，對其索力進行監(jiān)測就顯得十分重要。

但由于纜索具有柔性大、變形大的特點，也一直沒有理想的長期監(jiān)測手段。為此團隊首先在原有拉索固有頻率的手動測量方法基礎(chǔ)上，利用固有頻率各次諧波之間的頻差，通過迭代計算方法，研制出了斜拉索固有頻率自動監(jiān)測系統(tǒng)；

其后，又根據(jù)磁芯線圈的磁通原理，開發(fā)出了磁彈性索力監(jiān)測傳感器；更利用拉索的內(nèi)力分布特性，通過將光纖應(yīng)變傳感器植入纜索內(nèi)部的方式，攻克了在拉索制造過程中植入傳感器的世界性難題，研制出了具有索力自感知功能的智能纜索。在索力監(jiān)測方面，形成了纜索索力測量的系列傳感器技術(shù)。

這一系列創(chuàng)新與突破，使得橋梁結(jié)構(gòu)安全有了“感覺器官”，使橋梁具有“狀態(tài)自感知”成為可能。

“中樞神經(jīng)”之創(chuàng)新

采集控制與傳輸系統(tǒng)是橋梁結(jié)構(gòu)安全的“中樞神經(jīng)”，是將傳感器系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，并遠程控制其進行數(shù)據(jù)的自動采集、將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾碇行牡年P(guān)鍵。因此它是橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測需要攻克的第二道難關(guān)。

由于橋梁的尺寸巨大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此需要監(jiān)測的部位眾多；而橋梁的受力特性復(fù)雜、結(jié)構(gòu)衰變的影響因素與表現(xiàn)形式眾多，因此需要監(jiān)測的參數(shù)類型眾多。一般而言一座特大型橋梁，至少需要采用3～5種、上百個不同類型的動、靜態(tài)傳感器。

由于這些傳感器的種類各不相同，又分布在全橋數(shù)萬平米的范圍上，僅將它們連接起來，就需要數(shù)十甚至近百千米的信號與電源線。

因此要使它們按照要求準(zhǔn)確地工作，就必須解決網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)設(shè)計、不同類型傳感器的接口兼容與轉(zhuǎn)換、多傳感器時序的協(xié)調(diào)控制等問題；還要解決微弱的模擬信號長線傳輸?shù)乃p問題、傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在高速動態(tài)情況下的同步采集問題；

更要解決現(xiàn)場線路之間的交叉串?dāng)_、電源的浪涌沖擊，以及雷擊的防護等一系列技術(shù)難題；還要解決多傳感器的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化、有線/無線傳輸系統(tǒng)的優(yōu)化，以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃缘葘嶋H問題，特別是系統(tǒng)的可靠性，因為任何程序或時序的一丁點瑕疵在無人值機狀況下都會成為致命的停機。

通過跨專業(yè)的協(xié)作，團隊較好地解決了這些復(fù)雜問題，并使每座橋梁上各個孤立的傳感器被聯(lián)系在一起，組成一個完整的信息集，構(gòu)成一個傳感器網(wǎng)絡(luò)；還通過這個中樞神經(jīng)，使一座座獨立橋梁的信息被匯集在一起，構(gòu)成一個包羅萬象的橋梁集群信息集、橋梁結(jié)構(gòu)安全專用的“物聯(lián)網(wǎng)”，為我國的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)做出了開拓性的探索工作。

“思維大腦”之創(chuàng)新

數(shù)據(jù)分析與評估預(yù)警系統(tǒng)，是橋梁結(jié)構(gòu)安全的“思維大腦”，它要對橋梁結(jié)構(gòu)的狀態(tài)信息進行自動分析，并對結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)進行智能評估，當(dāng)發(fā)現(xiàn)事故先兆時自動預(yù)警，因而，它是整個橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測的最高“決策層”，也成為橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測需要攻克的第三道難關(guān)。

由于橋梁的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、測點眾多，橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)又必須常年累月24小時不間斷地連續(xù)工作，因此每座橋梁需要處理的數(shù)據(jù)量非常巨大；而由多座橋梁組成的橋梁集群系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量等也是海量數(shù)據(jù)，因此它就是一個初級的“大數(shù)據(jù)”系統(tǒng)。

由于傳感器采集到的原始狀態(tài)信息都是一些孤立的、海量的數(shù)據(jù)，只有通過大量的數(shù)學(xué)統(tǒng)計與分析，并依靠橋梁專家的復(fù)雜力學(xué)計算與邏輯分析，才能對橋梁結(jié)構(gòu)的安全性做出合理評估，才可能對結(jié)構(gòu)事故隱患或先兆的程度做出科學(xué)的評判。

因此這個“思維大腦”必須借助最先進的數(shù)學(xué)分析計算工具、并融入大量的專家系統(tǒng)，而且需要分別從靜態(tài)與動態(tài)兩個方面，對結(jié)構(gòu)的局部安全性、整體安全性分別評估。

但是對于常人而言，這個評估結(jié)果依然是一些枯燥的數(shù)值、是常人無法讀懂的“天書”，因此必須要把它轉(zhuǎn)化為常人易于理解的“通俗讀物”“動畫片”，因此評估結(jié)果的可視化顯示、系統(tǒng)界面的人性化設(shè)計，也是其非常重要的內(nèi)容。

當(dāng)橋梁的結(jié)構(gòu)安全性降到一定程度時，系統(tǒng)必須發(fā)出預(yù)警，但是這個預(yù)警的閾值確實不能是一個純理論的計算值，而是一個考慮橋梁使用期限與實際結(jié)構(gòu)狀態(tài)、交通流量與環(huán)境變動的一個非常復(fù)雜的動態(tài)量。

因此充分考慮橋梁結(jié)構(gòu)的整體復(fù)雜性與個體特殊性、考慮橋梁安全影響因素的多元性以及交通荷載與環(huán)境影響的不可知性，具有結(jié)構(gòu)自適應(yīng)的特性。

此外，傳感器系統(tǒng)處于橋梁現(xiàn)場的惡劣工作環(huán)境，其采集到的原始狀態(tài)信息必然存在各種干擾與噪聲；而其長期使用后必然會有一定程度的的性能蛻化甚至部分失效，這都會引起原始信息的失真、從而對后續(xù)的結(jié)構(gòu)安全評估產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

導(dǎo)致對結(jié)構(gòu)安全事故的誤判或漏判，誤導(dǎo)橋梁的維護加固工作、或者貽誤最佳的維護加固時機，因此在進行數(shù)據(jù)分析與評估之前，必須對原始信息進行數(shù)據(jù)診斷，以降低傳感器系統(tǒng)蛻化或干擾、噪聲對評估結(jié)果的不利影響。

在此方面，團隊與土木工程、計算機技術(shù)、自動化技術(shù)的專家緊密合作，在橋梁結(jié)構(gòu)安全的“思維大腦”方面，做了大量開拓性的工作。

在原據(jù)的預(yù)處理方面，針對數(shù)據(jù)的失真與失效問題，引入計算機通信中的差錯控制技術(shù)，提出了原始數(shù)據(jù)失效診斷的方法，并進一步發(fā)展，將時間相關(guān)、結(jié)構(gòu)相關(guān)、參數(shù)相關(guān)等多種算法融合，大幅度提高了數(shù)據(jù)診斷的有效性，并針對性地提出了失效數(shù)據(jù)的修補方案。

在結(jié)構(gòu)分析計算方面，針對橋梁的動態(tài)交通荷載以及靜態(tài)溫度荷載存在嚴(yán)重的隨機性問題，以橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)中的活載效應(yīng)和劣化效應(yīng)為評價信息，通過對其相應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，以評價量出現(xiàn)不可恢復(fù)的單向變化趨勢為“不安全”特征，進而判斷橋梁結(jié)構(gòu)的安全狀況，在無需結(jié)構(gòu)的精確模型和系統(tǒng)的已知激勵條件下，提出一種基于統(tǒng)計理論的橋梁結(jié)構(gòu)安全評價體系，并建立了相應(yīng)的理論框架。

同時進一步將橋梁結(jié)構(gòu)安全評價與環(huán)境特性相聯(lián)系，深入分析了橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)及其影響因素的時間多尺度構(gòu)成特點，利用小波分析理論，通過對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)進行時間多尺度分析，成功實現(xiàn)了橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)的瞬變信息（活載效應(yīng)）和緩變信息的有效分離，從而完成了從激勵未知的結(jié)構(gòu)響應(yīng)歷史數(shù)據(jù)中挖掘并提取反映結(jié)構(gòu)安全情況的活載效應(yīng)信息和劣化效應(yīng)信息，解決了橋梁結(jié)構(gòu)安全評價中一直沒有解決的難題。

在橋梁結(jié)構(gòu)的安全評估方面，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)活載效應(yīng)和劣化效應(yīng)信息的統(tǒng)計特點，設(shè)計了相應(yīng)的單變量EWMA控制圖，采用“最優(yōu)控制限”的方法，并結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)可靠度的國家規(guī)范，設(shè)置了兩級控制限分別進行初級預(yù)警和安全告警，根據(jù)統(tǒng)計量在控制限內(nèi)外的分布判斷橋梁結(jié)構(gòu)的安全狀況，并模擬了結(jié)構(gòu)損傷后的評價情況。

在此基礎(chǔ)上，以統(tǒng)計分析技術(shù)為工具，構(gòu)造了結(jié)構(gòu)安全評價的兩種統(tǒng)計指標(biāo)WRI和RSI，進一步減小誤發(fā)警報和漏發(fā)警報的概率。

針對橋梁結(jié)構(gòu)力學(xué)計算的邊界條件存在嚴(yán)重的不確定性、材料初始參數(shù)存在極大的分散性等問題，提出以D-S證據(jù)理論為融合工具，根據(jù)橋梁實際情況和各種評價方法的特點，構(gòu)造了評價證據(jù)的基本概率分布，并進行信息融合和決策，實現(xiàn)了橋梁結(jié)構(gòu)的綜合評價。

針對橋梁結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，提出了層次分析法，并從橋梁過去的安全狀態(tài)評估出發(fā)，提出了基于可靠度理論的橋梁遠程監(jiān)測評價方法；

從橋梁未來的安全狀態(tài)預(yù)測出發(fā)，提出了基于系統(tǒng)預(yù)測的橋梁遠程監(jiān)測評價方法；從橋梁當(dāng)前的安全狀態(tài)估計出發(fā)，提出了基于有限點監(jiān)測的全橋狀態(tài)分析方法。從而建立了完整的結(jié)構(gòu)安全評價體系。

而在結(jié)構(gòu)預(yù)警的閾值方面，通過引入無量綱化處理、變權(quán)重技術(shù)、關(guān)聯(lián)模式識別，以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等現(xiàn)代方法，使得固定閾值變?yōu)榛顒娱撝?、自適應(yīng)閾值。

在評估結(jié)果的可視化顯示方面，采用現(xiàn)代顯示手段，將枯燥的數(shù)據(jù)結(jié)果以圖形為主、三維動畫為主的形式顯示出來，使管理者一目了然。在該方面獲得了XXX項專利授權(quán)，成為橋梁結(jié)構(gòu)安全“大數(shù)據(jù)”的先行者。
作者： 陳偉民  章鵬  劉綱  雷小華（重慶大學(xué)）