橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)行業(yè)發(fā)展趨勢與存在問題分析 2023-2028年中國橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)量預(yù)測

• 郭夢 2023年11月1日 來源：互聯(lián)網(wǎng) 1125 72
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橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)綜合了現(xiàn)代傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、信號分析與處理技術(shù)、數(shù)據(jù)管理方法、知識挖掘、預(yù)測技術(shù)及橋梁結(jié)構(gòu)分析理論等多個領(lǐng)域的知識，極大地延拓了橋梁檢測領(lǐng)域，提高了預(yù)測評估的可靠性?；贕PRS網(wǎng)絡(luò)的橋隧結(jié)構(gòu)無線監(jiān)測系統(tǒng)是集現(xiàn)代化傳感技術(shù)、測試技術(shù)

在國外，20世紀(jì)80年代以來，在北美、歐洲和亞洲的一些國家和地區(qū)，相繼發(fā)生了一些橋梁結(jié)構(gòu)的突然性斷裂性事故，使人們意識到對橋梁結(jié)構(gòu)的健康診斷的重要性和迫切性。80年代后期，國外明確提出了橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的新思路和概念，并先后開始在一些重要的大跨度橋梁上建立了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。例如丹麥的GreatBeltEast橋(大帶東橋)。這是一座跨徑布置為535m+1624m+535m的水利。為評估該橋結(jié)構(gòu)整體性、耐久性和可靠性，COWI公司為該橋設(shè)計了一個多達(dá)1000個傳感器的監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)監(jiān)測的內(nèi)容包括主纜、吊桿和索夾的應(yīng)力;橋面箱梁的加速度、應(yīng)力、支撐處的位移;下部結(jié)構(gòu)的腐蝕監(jiān)測、橋梁的傾角、橋塔規(guī)范應(yīng)變;基礎(chǔ)的土質(zhì)監(jiān)測;氣候監(jiān)測等。

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)綜合了現(xiàn)代傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、信號分析與處理技術(shù)、數(shù)據(jù)管理方法、知識挖掘、預(yù)測技術(shù)及橋梁結(jié)構(gòu)分析理論等多個領(lǐng)域的知識，極大地延拓了橋梁檢測領(lǐng)域，提高了預(yù)測評估的可靠性?；贕PRS網(wǎng)絡(luò)的橋隧結(jié)構(gòu)無線監(jiān)測系統(tǒng)是集現(xiàn)代化傳感技術(shù)、測試技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)及現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，是一個分布式、網(wǎng)絡(luò)化和全開放的監(jiān)控系統(tǒng)。由于傳統(tǒng)橋梁養(yǎng)護(hù)管理模式的檢測方法和手段的局限性，很難適合大規(guī)模橋隧結(jié)構(gòu)評定的發(fā)展要求。在20世紀(jì)80年代中后期，歐美一些國家首先明確提出了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測新理念，并先后在一些重要的橋梁安裝健康監(jiān)測系統(tǒng)。

據(jù)中研普華產(chǎn)業(yè)院研究報告《2023-2028年中國橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)行業(yè)發(fā)展趨勢與投資咨詢報告》分析

第三章 中國橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)市場供需分析

第一節(jié) 國內(nèi)外橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r

一、國外橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r

在國外，20世紀(jì)80年代以來，在北美、歐洲和亞洲的一些國家和地區(qū)，相繼發(fā)生了一些橋梁結(jié)構(gòu)的突然性斷裂性事故，使人們意識到對橋梁結(jié)構(gòu)的健康診斷的重要性和迫切性。80年代后期，國外明確提出了橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的新思路和概念，并先后開始在一些重要的大跨度橋梁上建立了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。例如丹麥的GreatBeltEast橋(大帶東橋)。這是一座跨徑布置為535m+1624m+535m的水利。為評估該橋結(jié)構(gòu)整體性、耐久性和可靠性，COWI公司為該橋設(shè)計了一個多達(dá)1000個傳感器的監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)監(jiān)測的內(nèi)容包括主纜、吊桿和索夾的應(yīng)力;橋面箱梁的加速度、應(yīng)力、支撐處的位移;下部結(jié)構(gòu)的腐蝕監(jiān)測、橋梁的傾角、橋塔規(guī)范應(yīng)變;基礎(chǔ)的土質(zhì)監(jiān)測;氣候監(jiān)測等。

二、中國橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)綜合了現(xiàn)代傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、信號分析與處理技術(shù)、數(shù)據(jù)管理方法、知識挖掘、預(yù)測技術(shù)及橋梁結(jié)構(gòu)分析理論等多個領(lǐng)域的知識，極大地延拓了橋梁檢測領(lǐng)域，提高了預(yù)測評估的可靠性?；贕PRS網(wǎng)絡(luò)的橋隧結(jié)構(gòu)無線監(jiān)測系統(tǒng)是集現(xiàn)代化傳感技術(shù)、測試技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)及現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，是一個分布式、網(wǎng)絡(luò)化和全開放的監(jiān)控系統(tǒng)。

由于傳統(tǒng)橋梁養(yǎng)護(hù)管理模式的檢測方法和手段的局限性，很難適合大規(guī)模橋隧結(jié)構(gòu)評定的發(fā)展要求。在20世紀(jì)80年代中后期，歐美一些國家首先明確提出了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測新理念，并先后在一些重要的橋梁安裝健康監(jiān)測系統(tǒng)。我國自20世紀(jì)90年代也在一些大型重要橋梁上建立了不同規(guī)模的長期健康監(jiān)測系統(tǒng)，如香港的Lautau Fixed Crossing和青馬大橋，大陸的虎門大橋、徐浦大橋等。在橋梁上安裝使用實(shí)時健康監(jiān)測系統(tǒng)是未來橋梁監(jiān)測發(fā)展方向和趨勢。

三、橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展存在問題

1)重自動監(jiān)測，輕人工檢查

隨著傳感器智能化和采集設(shè)備自動化的發(fā)展，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)往往過分強(qiáng)調(diào)其自動監(jiān)測功能，忽視了人工檢查的作用。據(jù)不完全統(tǒng)計，在我國橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)初期(1999.2005)，只有20%左右的監(jiān)測系統(tǒng)將人工檢查納入健康監(jiān)測系統(tǒng)，而在近十年(2006.2015)己建成的監(jiān)測系統(tǒng)中，這一比例上升到50%左右，但其中只有不到1/3的監(jiān)測系統(tǒng)制定了詳細(xì)人工檢查策略和項目，如表1所示。從現(xiàn)實(shí)情況來看，單純依靠自動監(jiān)測是不夠的，一是由于投資限制，自動監(jiān)測測點(diǎn)有限，不能覆蓋所有橋梁構(gòu)件，甚至難以覆蓋與結(jié)構(gòu)安全性和耐久性相關(guān)的所有重要部位;二是由于監(jiān)測技術(shù)限制，監(jiān)測項目不全，如混凝土裂縫、鋼構(gòu)件銹蝕、支座老化等耐久性監(jiān)測項目往往難以通過儀器自動監(jiān)測。因此，無論從經(jīng)濟(jì)或技術(shù)角度來說，單純依靠自動監(jiān)測手段難以實(shí)現(xiàn)全面的橋梁健康監(jiān)測，得到的有限監(jiān)測信息不足以支撐后續(xù)的預(yù)警與評估，從而制約了監(jiān)測系統(tǒng)作用的發(fā)揮。

2)重硬件系統(tǒng)，輕分析系統(tǒng)

國內(nèi)的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)普遍重視硬件系統(tǒng)的建設(shè)，許多大跨度橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)配備了數(shù)量眾多、性能良好的傳感器、采集儀、通信設(shè)備和工作站等，這些設(shè)備無疑使監(jiān)測系統(tǒng)的硬件性能更加突出。然而，在需求尚不明確的情況下，一些監(jiān)測系統(tǒng)的硬件建設(shè)存在盲目性和隨意性，相當(dāng)一部分硬件設(shè)備并未真正發(fā)揮作用，造成浪費(fèi)。另外，面對橋梁惡劣的工作環(huán)境，愈發(fā)龐大的硬件設(shè)備規(guī)模也增加了系統(tǒng)集成和維護(hù)管理的難度，降低了監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和耐久性。與硬件系統(tǒng)相比，我國橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)在分析系統(tǒng)(包括算法和軟件兩個層面)的開發(fā)上顯得相對薄弱，沒有體現(xiàn)出與硬件系統(tǒng)相匹配的分析能力。對于算法層面，受制于理論的不完善和實(shí)際結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，目前系統(tǒng)在海量數(shù)據(jù)處理與有效信息提取、實(shí)時預(yù)警、損傷識別、健康狀態(tài)綜合評估、決策與支持等方面的功能都存在缺失或不完善的情況。例如，據(jù)不完全統(tǒng)計，我國橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)在分析中強(qiáng)調(diào)損傷識別的比例超過70%，而強(qiáng)調(diào)承載能力和疲勞壽命評估的比例僅25%左右?，F(xiàn)實(shí)情況是，由于測點(diǎn)有限、環(huán)境噪聲和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性等原因，目前在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大跨度橋梁中較難實(shí)現(xiàn)全面的損傷識別，單純依靠損傷識別結(jié)果也不足以評估其健康狀態(tài)，且無法與關(guān)鍵設(shè)計指標(biāo)掛鉤。因此，分析系統(tǒng)的薄弱導(dǎo)致橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)無法真正把握橋梁的健康狀況，有限的分析結(jié)果也不夠“接地氣”，難以為橋梁維護(hù)、維修與管理決策提供足夠的依據(jù)和指導(dǎo)。其次，對于軟件層面，在交互界面的設(shè)計上往往不夠重視，導(dǎo)致監(jiān)測信息顯示不直觀、圖形界面不友好，軟件可擴(kuò)展性差，難以讓工程人員接受。

3)重單體式監(jiān)測，輕集群式監(jiān)測

目前己建的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)基本屬于單體式監(jiān)測系統(tǒng)，即監(jiān)測系統(tǒng)僅針對某一特定大橋進(jìn)行設(shè)計，兩者具有一一對應(yīng)的關(guān)系，其硬件系統(tǒng)不具備監(jiān)測多座橋梁的能力，而集群式監(jiān)測的工程實(shí)例相對較少。單體式監(jiān)測是橋梁健康監(jiān)測的基本形式，存在以下兩點(diǎn)不足：一是單體式監(jiān)測需建立一一對應(yīng)的“監(jiān)測中心”，重復(fù)投資的結(jié)果是造成資源浪費(fèi);二是單體式監(jiān)測覆蓋面有限且系統(tǒng)之間相互獨(dú)立，缺乏整合和溝通，容易形成“信息孤島”，無法為同一區(qū)域內(nèi)橋梁整體安全及綜合評估提供有效的技術(shù)支持。

四、橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展對策建議

自動監(jiān)測與人工檢查相結(jié)合

在橋梁健康監(jiān)測(Structural Health Monitoring，SHM)概念出現(xiàn)以前，橋梁的安全運(yùn)營和日常維護(hù)主要依靠定期人工檢查的方式并通過橋梁管理系統(tǒng)(Bridge Management System，BMS)進(jìn)行管理，這種方式存在被動、間斷、效率低等缺點(diǎn)。隨著SHM的發(fā)展，其自動監(jiān)測所具備的特點(diǎn)可以很好彌補(bǔ)傳統(tǒng)BMS的缺陷，并與人工檢查一起成為實(shí)現(xiàn)科學(xué)管養(yǎng)的重要手段。SHM應(yīng)包含BMS的概念，并最終向橋梁全壽命管理(Life.cycle Management，LCM)的方向發(fā)展，三者之間的關(guān)系。在這個觀點(diǎn)下，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)考慮在線自動監(jiān)測與定期人工檢查相結(jié)合的原則，將定期人工檢查模塊納入其中，采用所示的系統(tǒng)架構(gòu)。該架構(gòu)以結(jié)構(gòu)預(yù)警與評估系統(tǒng)為核心形成兩條數(shù)據(jù)流，即由傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)組成的在線自動監(jiān)測數(shù)據(jù)流以及由結(jié)構(gòu)構(gòu)件評級系統(tǒng)和人工檢查模塊組成的定期人工檢查數(shù)據(jù)流，這兩條數(shù)據(jù)流分別將自動監(jiān)測信息和人工檢查結(jié)果輸入到結(jié)構(gòu)預(yù)警與評估系統(tǒng)中，供進(jìn)一步分析與評估。定期人工檢查作為實(shí)時自動監(jiān)測的有效補(bǔ)充，將有助于更全面地了解橋梁健康狀況，并可減少系統(tǒng)后期維護(hù)成本和數(shù)據(jù)處理壓力。同時，評估結(jié)果也可反饋調(diào)節(jié)兩條數(shù)據(jù)流中的數(shù)據(jù)流動，使其各自形成完整的數(shù)據(jù)流動循環(huán)。

硬件系統(tǒng)與分析系統(tǒng)相結(jié)合

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的核心功能是對橋梁狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警與評估，這就要求監(jiān)測系統(tǒng)既要有合理的硬件系統(tǒng)，又要具備足夠的分析能力，輕視分析系統(tǒng)而片面追求監(jiān)測項目和硬件設(shè)備的做法將越來越不被橋梁管理者所接受。因此，在硬件系統(tǒng)方面，應(yīng)堅持目標(biāo)與功能主導(dǎo)的原則，根據(jù)監(jiān)測級別(全效型、實(shí)用型、經(jīng)濟(jì)型)合理確定監(jiān)測項目的規(guī)模以及所采用的傳感器、采集儀和通信設(shè)備等，在確保達(dá)到預(yù)期功能要求的同時盡量節(jié)約投資。同時，在分析系統(tǒng)方面，需重視算法和軟件的開發(fā)，投入足夠的人力物力，重點(diǎn)對數(shù)據(jù)處理、實(shí)時預(yù)警、損傷識別、健康評估等算法進(jìn)行研究，編制交互界面友好的軟件并輸出直觀的、易于橋梁管理人員使用的評估結(jié)果。只有硬件系統(tǒng)與分析系統(tǒng)相互匹配，才能最終體現(xiàn)橋梁健康監(jiān)測的價值。

損傷識別與承載能力/疲勞壽命等關(guān)鍵指標(biāo)評估相結(jié)合

結(jié)構(gòu)損傷識別是健康監(jiān)測的重要內(nèi)容，傳統(tǒng)的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)往往強(qiáng)調(diào)通過有限的監(jiān)測信息來判別、定位和定量結(jié)構(gòu)損傷，進(jìn)而評估橋梁的整體健康狀況。然而，由于測點(diǎn)有限以及環(huán)境噪聲和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性等因素的影響，目前在橋梁結(jié)構(gòu)中仍較難實(shí)現(xiàn)全面的損傷識別。此外，損傷識別結(jié)果也未能與關(guān)鍵設(shè)計指標(biāo)掛鉤，僅對橋梁進(jìn)行損傷識別不足以評估其健康狀態(tài)。若過分依賴損傷識別而忽略其他評估指標(biāo)，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)將很難被工程界接受。因此，從實(shí)用性角度出發(fā)，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)著眼工程實(shí)際并貼近現(xiàn)行規(guī)范，在評估階段可側(cè)重考慮構(gòu)件級別的承載能力和剩余疲勞壽命這兩個最能反映結(jié)構(gòu)安全性的基本設(shè)計指標(biāo)。在監(jiān)測數(shù)據(jù)超過閾值時，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)預(yù)警并進(jìn)入評估階段，此時一方面應(yīng)重新確定橋梁構(gòu)件目標(biāo)可靠指標(biāo)，通過構(gòu)件損傷識別結(jié)果或結(jié)構(gòu)退化模型更新結(jié)構(gòu)模型，并根據(jù)荷載監(jiān)測數(shù)據(jù)更新荷載模型，在此基礎(chǔ)上依據(jù)概率極限狀態(tài)設(shè)計原理更新活載和抗力分項系數(shù)，最終全面評估橋梁構(gòu)件的承載能力;另一方面，更新疲勞車輛荷載譜，利用模擬法全面評估橋梁鋼構(gòu)件的剩余疲勞壽命。

單體式監(jiān)測與集群式監(jiān)測相結(jié)合

單體式橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)由于重復(fù)投資和“信息孤島”效應(yīng)，難以實(shí)現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)的橋梁進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)測，發(fā)展面向區(qū)域的集群式橋梁健康監(jiān)測平臺將是解決目前城市橋梁管養(yǎng)工作問題的一個重要技術(shù)手段。該平臺前端由布設(shè)在多座橋梁現(xiàn)場的傳感器系統(tǒng)以及對應(yīng)的嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，中端通過3G/4G通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸與共享，后端由并行計算機(jī)集群、監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲分析平臺以及三維展示平臺組成，實(shí)現(xiàn)集群式監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲、處理、分析和顯示等。集群式橋梁健康監(jiān)測平臺采用無線傳輸技術(shù)建立區(qū)域級監(jiān)測數(shù)據(jù)處理中心，避免重復(fù)建設(shè)多個單體式監(jiān)測中心，可以有效節(jié)約投資，實(shí)現(xiàn)資源整合、信息共享等目標(biāo)。

第二節(jié) 中國橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)市場供給狀況

一、中國橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)量分析

隨著改革開放以來經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國內(nèi)的交通網(wǎng)絡(luò)在不斷的豐富、完善，橋梁建設(shè)迎來了建設(shè)的黃金時代。橋梁不僅在公路交通運(yùn)輸中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，而且在高鐵架設(shè)過程中具有不可替代的地位。伴隨著橋梁的建造技術(shù)的迅猛發(fā)展，近幾年來國內(nèi)涌現(xiàn)出了許多大型，特大型的橋梁，如湖南矮寨大橋，杭州灣跨海大橋等，這些非凡的成就既展現(xiàn)了中國橋梁技術(shù)的騰飛，也大大提升了中國橋梁工程建設(shè)的國際地位。因為國內(nèi)橋梁現(xiàn)代化建設(shè)起步時間較晚，因而大部分橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仍處在合理的范圍內(nèi)，尚未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)疲勞，然而隨著時間的遷移，橋梁結(jié)構(gòu)的健康問題將會凸顯出來。如何做到結(jié)構(gòu)隱患早發(fā)現(xiàn)，早排除，這不僅關(guān)系到人民群眾的生命財產(chǎn)安全，而且還能為業(yè)主挽回巨大的財產(chǎn)損失。由于下游需求的快速上升，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)量迅速增長。

2020-2022年，我國橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)量由2289套上升到2587套。我國橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)行業(yè)市場規(guī)模為33.9億元。

圖表：2020-2022年中國橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)量

數(shù)據(jù)來源：中研普華研究院

二、2023-2028年中國橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)量預(yù)測

預(yù)計2023-2028年我國橋梁健康監(jiān)測產(chǎn)量將保持較快增速，到2028年橋梁監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)量達(dá)3910套。

圖表：2023-2028年中國橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)量預(yù)測(套)

數(shù)據(jù)來源：中研普華研究院

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)行業(yè)研究報告旨在從國家經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略入手，分析橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)未來的政策走向和監(jiān)管體制的發(fā)展趨勢，挖掘橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)行業(yè)的市場潛力，基于重點(diǎn)細(xì)分市場領(lǐng)域的深度研究，提供對產(chǎn)業(yè)規(guī)模、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、區(qū)域結(jié)構(gòu)、市場競爭、產(chǎn)業(yè)盈利水平等多個角度市場變化的生動描繪，清晰發(fā)展方向。

欲了解更多關(guān)于橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)行業(yè)的市場數(shù)據(jù)及未來行業(yè)投資前景，可以點(diǎn)擊查看中研普華產(chǎn)業(yè)院研究報告《2023-2028年中國橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)行業(yè)發(fā)展趨勢與投資咨詢報告》。

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  2023-2028年中國橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)行業(yè)發(fā)展趨勢與投資咨詢報告

  在國外，20世紀(jì)80年代以來，在北美、歐洲和亞洲的一些國家和地區(qū)，相繼發(fā)生了一些橋梁結(jié)構(gòu)的突然性斷裂性事故，使人們意識到對橋梁結(jié)構(gòu)的健康診斷的重要性和迫切性。80年代后期，國外明確提出了...

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