在政府“看得见的手”的推动下，公路和城市桥梁健康监测系统建设呈现出爆发式增长的势头。
上一篇文章（桥梁健康监测系统发展的三个阶段）中把桥梁监测当前发展划分到第三阶段，为了市场分析的需要，我们建立了观察行业现象的技术性框架，发布了《第三代桥梁健康监测系统：模式、架构和生态》网络白皮书。这篇文章中我们以“第三代”的视角，来谈谈目前桥梁监测系统发展现状和可能探索出来的新模式、新方向和新技术。
一、当前阶段桥梁监测系统行业发展现状
相关部委政策推动和补贴资金的加持，桥梁监测系统的需求被急速拉升起来：之前想做监测系统的业主加速了项目上马的进程；之前处于观望的业主积极行动起来；甚至对监测系统不太上心的单位也开始不甘人后。
需求拉动供给，从供给端来看，除了交通领域现有的从事桥梁监测业务的机构外，业主单位下属企业和以往做桥梁检测业务的公司也开始纷纷入局，更有甚者行业外拥有超强技术人才储备的软件开发和系统集成类公司跨界而入。可谓供需两旺！
公路行业业主借助着此次监测系统大建设时机，大多数把项目委托给了自己的下属企业，辅助下属企业打造新的业务增长点。尤其是各省拥有监测系统建设任务较多的高速集团，如广东、贵州、湖北和浙江等地区。
这些高速集团均有自己下属检测公司，这些检测公司拥有检测甲级资质，有的之前做过桥梁监测类项目，或者接手过上级集团公司移交过来委托其负责运维的监测系统。拥有较强监测系统实施能力和经验的公司以及系统集成和软件开发类公司往往采取与业主下属企业合作的方式来获取相关业务。
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》附录名单中桥梁数量较多的是浙江、贵州、广东、湖北、四川、重庆和云南等地区。
就此次桥梁监测系统建设，各个地区业主项目管理模式彼此之间各有不同。
有的地区直接委托下属企业实施；有的地区按桥梁数量划分标段，招标几家单位共同实施；有的地区软件招一家，运维招一家，设备打包招标几家供应。有些项目管理模式下桥梁监测系统建设质量责任主体不清，管理复杂性大，大有可能影响最终系统建设质量。
从主管部委角度，系统实施技术层面力争统一，而管理层面和产业生态层面考虑偏少。即便有些地区业主根据本地区特殊情况考虑，想积极尝试探索新的设计理念和项目管理方式，往往碍于违反下达的文件精神而只好选择了较为保守的策略。我们审查过很多设计文件，绝大多数监测系统设计四平八稳。
难得一遇的在桥梁监测系统领域如此大规模经费投入，其实本可以鼓励探索，鼓励创新的。
城市桥梁健康监测系统大多数是属于智慧城市、城市安全大脑或者城市生命线工程监测系统的一部分。
项目实施主体往往是本地规模较大实力较强的信息化类公司，如海尔在青岛，华为在深圳，以及辰安科技在安徽各大城市等。
当然也有单独的规模较大的城市桥梁监测系统项目，如武汉，已经开始第三期招标，金额1.1亿，总的规划是全市800多座桥梁监测全部覆盖。西部地区有些城市如乌鲁木齐，包头等也都做了些试点性项目。
大规模城市桥梁监测系统设计理念与物联网思维相关性大，系统大体上分成感知层、数据层和业务层，一方面给桥梁监测领域带来了软件平台设计的新思维，另一方面对获取的监测数据分析和深度挖掘工作欠缺。
有些系统实施以获取数据和“攻城略地”式地占领市场为主要出发点，传感器布点设计以及后续基于行业知识的数据分析与传统做监测系统公司的做法差异性较大。
有些公路桥梁监测系统属于智慧高速中的一部分，而往往冠以智慧桥梁的名义来实施。智慧高速中的桥梁监测在整个项目中占比不高，且以中小桥梁为多。有些实施单位向我们咨询的时候，我们建议与其做不伦不类的监测系统倒不如扎扎实实把全线桥梁（智慧）管养系统做好。
基于对行业目前发展现状的观察，并基于对以往桥梁监测系统工程实践方面的经验教训，同时通过对现有与桥梁监测系统相关新技术发展的了解，我们提出了第三代桥梁监测系统的新模式，供行业参考！
二、桥梁监测系统可能的发展（第三代的视角）
第三代桥梁监测系统模式主要有四个特点：
①大规模。适合于大规模桥梁监测系统建设。比如某地区100多座公路长大桥梁监测系统，某城市全市桥梁监测系统等。
②技术赋能。通过对业主下属企业或本地区相关企业进行技术赋能，使其成为系统建设和运维的责任主体。
③分布式监测。分布式监测是在行业需求快速跃升而行业供给难以短时期内跟得上的条件下，可以把设备供应商转型为专项监测服务商，挖掘行业技术潜能。
④数字化。我们提倡借助此次大规模桥梁监测系统建设的契机，拿出少量经费把这些特大桥数字化管理系统建设起来，以点带面为今后桥梁养护数字化做出示范。
第三代桥梁监测系统力争解决好工程实践中现存的问题，要点包括：
①解决缺乏系统长期运维主体，系统建成后因缺乏运维而很快瘫痪的痛点。
②数据要得到有效挖掘，数据要支撑桥梁管理的决策过程。
③系统设计借鉴第一阶段的做法，要有设计理念指导。
④实施分布式监测，充分利用行业内的既有的专业实施能力，提高系统建设水平。
⑤高度重视桥梁数字化管养系统建设。
⑥建立长期思维，项目模式向数据服务模式转型。
⑦充分利用现有国内外新的桥梁监测新技术。
⑧建立开放式的系统，参与系统建设的各家专业主体长期服务跟踪。
1.监测系统长期运维机制
我们经过对多座桥梁监测系统调研后得出结论是，桥梁监测系统建设中至今未能很好地解决好长期运维的工作机制问题。
从预算角度，新建桥梁的监测系统在建设期列支预算，建设经费获取容易；大桥移交之后或运营期的桥梁，监测系统运维费用往往难以得到有效保障。
从责任主体角度，桥梁监测系统实施单位将监测系统建成移交后不太重视后续的服务和质量跟踪，甚至有些花费巨额资金建设的桥梁监测系统建成后没有运维。桥梁监测系统是长期使用的，短则五六年长则十年二十年，系统长期运维最好由当地企业承担，尤其是业主下属的企业来承担。
比如我们走访过的某省交通设计院为省高速集团下属企业，当地几十年建设的桥梁大部分由该设计院设计，所以重点桥梁的监测系统由该省院运维并负责数据分析，发现桥梁问题后及时处理，是比较合理的合作安排。
另外一个省份高速集团把监测系统建设任务委托给了一家公司，建成后系统移交给了集团自己下属企业，没有任何运维经费，集团下属企业只配备了一位工作人员，我们对这类系统长期运维的工作质量是担忧的。
有的省份，全省之内没有做过桥梁监测系统的公司，这种情况下，桥梁监测系统集成商在实施监测系统时候找一家当地企业，将其纳入监测系统实施过程中，必要的情况下对当地企业进行培训和经验输出，使其快速提升具备运维桥梁监测系统的能力。
对于城市桥梁监测系统，桥梁养护单位应该是最好的可供打造的运维主体，只要是把养护单位能力培养出来了，预算很容易在下一年度养护预算中加以考虑。
2.如何解决数据挖掘和分析的问题
桥梁监测系统集成商除了少数以外，大部分不具备数据深入挖掘和分析能力，尤其是由传感器供应商转换而来的集成商，数据分析环节更为薄弱。数据挖掘和分析是高校科研院所的强项，然而高校往往去市场中做工程项目，造成市场不同行为主体之间各自发挥劣势。
比如同济大学淡教授在索力监测方面做了很多研究工作，成果卓著，无论是长索还是短索通过他们的算法都能够测的比较准。如果淡教授自己做工程，该成果应用有限；如果团队专职于数据挖掘和分析，该成果就可以很快应用到所有安装了监测系统的斜拉桥上去。
监测系统首先不是挣钱不挣钱的问题，而应该通过系统建设，构建良性技术合作生态，各自发挥优势。系统建设和运维单位共同保障系统建设质量，维护系统较长时间的使用寿命；高校科研院所以理论和算法对数据进行深入分析和挖掘，使得监测系统发挥更大的功效，同时研究机构的成果也有了应用的渠道和载体。
我们建议系统建设的初期方案阶段应该引入高校以理论指导系统设计，尤其是传感器布点设计。
3.系统设计要有设计理念指导
第一代桥梁监测系统设计中有些理想化的追求，比如，通过精确模态监测数据基础上进行损伤分析，或者通过反分析和模式辨识来识别桥梁损伤；基于汽车荷载监测数据建立桥梁所在路线上的精准汽车荷载模型；建立桥梁三维精细化有限元模型进行结构安全评估等等。
但是鉴于理论发展的限度，这些理想化的追求在工程上往往都未能很好地得到实现。所以到了第二代监测系统设计中对这些理想化的追求采取了淡化的做法。系统设计往往是选择几个参数，监测其极大值，交给业主的是各种参数的监测曲线，给业主使用这些监测结果时候造成极大的困惑。
桥梁监测理论与工程实践脱节的原因一方面可能是理论难以用于指导实践，另一方面也可能是系统设计和实施质量不高，数据难以拿来做较为深入的理论分析。我们通过对百余座桥梁监测系统设计文件的研究，发现大多数系统实施周期短，致使设计人员只能照本（规范）宣科。
传感器种类繁多但是每类传感器布点设计都不伦不类，注定了获取的数据难以做高质量挖掘分析。
4.分布式监测
以往桥梁监测系统往往由一家承包商来进行全过程实施，除此之外其他配合单位都是供应商。我在做某斜拉桥监测系统方案的过程中，有家专业做模态软件的公司提出能否让他们技术人员参与进来，承担从传感器到数据采集到数据分析的桥梁动力特性监测全部专项工作；
另一家做声发射设备的公司认为声发射数据分析需要有大样本的数据经验，如果承包商仅仅就某一座或少量几座桥梁声发射数据进行分析，远不如他们分析得准确，也希望参与到系统建设中来。
于是经过与他们当面多次交流，形成了“分布式监测”的系统设计理念，尤其适合大规模桥梁监测系统建设，能够大大提高系统建设质量和运维质量。
“分布式监测”是实现开源模式非常关键的环节。“分布式监测”能够将设备供应商的专业能力纳入系统实施和运维中来，挖掘行业潜能，发挥分工优势。“分布式监测”要求系统总体架构做相应的调整，使得监测经验能够在不同桥梁之间进行彼此共享，发挥技术分工优势。
图1 分布式监测示意图
5.数字化桥梁管养系统
截止到2021年末，全国建成的公路桥梁96.11万座，安装监测系统的桥梁总数至多0.11万座，其他96万座桥梁养护数据来源主要靠人工检测。基于人工检测数据的数字化管养系统解决从数据到决策的最后一公里问题。
数字化管养系统需要内嵌各种分析模型才能实现数字化养护决策的预定功能。我们建议在此次大规模监测系统建设同时，拿出少部分经费，用于开发大桥数字化管养系统，系统建成初期虽然做不到养护决策，但是随着数据的不断积累，其功效终将发挥出来。
但是从我们观察来看，因为有交通运输部补贴，可能因为数字化管养系统不属于补贴的科目范围，所以我们见到的系统设计中往往没有重视数字化建设。
桥梁数字化管养系统与信息化系统差别很大，数字化系统不仅仅要有各种分析模型，同时要做好数据获取生态建设和系统使用者合作生态建设，非短时间能功成。有些大型桥梁开发了信息化层面的BIM管养系统，此类系是数字化系统吗？
我们认为，物理模型映射到数学空间，为数字化；物理模型映射到BIM模型空间是数字孪生；BIM模型空间映射到数学空间也是数字化。也就是说，养护数字化可以有BIM，也可以没有BIM，核心不在于BIM而在于是否映射到数学空间，对数据进行定理化可证明的逻辑自洽式的加工。
这里需要说明的是，BIM仅仅是一种组织数据的方式，BIM代替不了养护分析模型，但是对于特大型复杂结构桥梁我们建议开发基于BIM的数字化管养系统，利于数据的管理和展示。
6.桥梁监测系统的建设模式和项目管理
我们总结出了桥梁监测系统的三种建设模式：
①建设-移交模式，系统承包单位把系统建设完成后，直接移交给业主，业主自己运维。
②建设-移交-运维模式，系统建设单位把系统建设完成后，移交给业主，获得系统建设工程款，属于一次性费用。此外，业主每年向建设单位给付一定额度的系统运维费，实施单位为业主提供系统运维服务。
③投资-建设-运维模式，系统由实施单位投资建设，不移交给业主，而是通过向业主提供监测服务，每年从业主赚取服务费。
针对大规模监测系统建设，我们认为模式3是较为可行的选择。系统实施单位可以构建桥梁监测系统的开源社群，共同向业主提供监测服务，业主每年向实施单位付费。
在这个模式下，可以约束系统实施单位提供高质量的监测系统，因为数据服务模式下，服务期间系统任何的损坏均由实施单位负责维修甚至更换设备。
模式3管理难度较大，业主单位没有相关管理经验，我们建议采用国际工程惯例，聘请业主咨询方，对项目进行全过程管理咨询。
有某地区，近1600万城市桥梁监测系统建设，就模式3匿名地跟我们咨询了几句就把招标文件发出来了，招标条件设置不合理，风险在甲乙双方之间分配不合理，最终以流标而收场。
影响桥梁监测系统建设质量最大的因素反倒不是承包商的水平，而是业主对此类项目的管理水平。桥梁业主单位对于桥梁监测类项目管理经验普遍性匿乏，无论是项目管理过程，标段划分，合同结构设计，以及项目风险分担等等环节均需有较大的提升。
至今为止，无论是城市级几百座桥梁的监测系统项目，还是公路几十座桥梁监测系统项目，都没有一个标杆式的业主方管理经验总结得出来。我们建议业主聘请咨询顾问方，我们也曾经毛遂自荐就某地区大规模桥梁监测系统建设初步提出来较为系统化的项目管理方案，最终未被采纳。
当然有些大规模桥梁监测系统建设多多少少会受到行政权力的干预，面对这种情况，我们给业主方提议整个监测系统要进行三个设计，技术设计，项目管理设计和利益相关方设计。从管理角度，只有这三个设计彼此环环相扣形成一个完备的体系，大规模桥梁监测系统建设质量才能有本质性的提升。
7.监测新技术的应用
桥梁监测系统往往是设备导向的，有什么监测手段便会有什么样的系统设计。就我们观察来看，最近几年桥梁监测系统所选用的设备大多比较常规，从而大多数监测系统设计水平几乎没有本质性提高。
在传统项目模式下，集成商往往采用自己熟悉且常用的监测设备，新技术的引进将会给集成商带来修改对应软件的额外工作负担。而在开源模式下，无论是新的监测技术，还是新的数据分析方法，都能够很容易地被系统建设所采纳，开源模式的监测系统可进化性较高。
8.系统的开放性和可升级性
在开源模式下，第三代桥梁监测系统不仅仅能够解决前文提到的8大痛点问题，同时能够适合任何规模的桥梁集群监测系统建设，系统是开放而不断进步的，国内外先进的研究成果随时可以在系统数据分析中加以应用。
更为重要的是，开源模式在短时间内将业主下属企业实施能力培养起来，为业主提供长期的运维服务。开源式桥梁监测系统跟传统封闭式监测系统的对比如下表1。
图2 开源模式下系统监测及运维服务合作体系图
三、技术和产业环境
目前桥梁监测领域的技术和产业环境能否支持前面对桥梁监测系统未来可能发展的展望呢？从现实性看，国内技术产业能力足以能够实现桥梁监测系统向第三代模式转型；从可能性来看，最终取决于业主对桥梁监测系统的预期、目标诉求和管理能力。
从硬件设备角度来看，桥梁监测领域已经基本实现了硬件设备的国产化替代，随着国产设备技术不断升级，监测领域国外设备越来越少见。最近几年也出现了几种全新的监测技术和相关设备，值得业内给予关注。
第一种是光纤阵列传感器，在光纤制备成型过程中刻入光栅，每根光纤可以刻入10000支光栅。这类传感器集成了分布式光纤传感器和布拉格光栅传感器的各自优点，且安装非常便利。这类传感器实现了结构大数据全域性监测，可能带来桥梁监测系统设计方面的巨大变革。
第二类是节点化类型的“传感器”，在一个节点node中安装几种类型传感器，输出某类或某积累参数。
如某新型监测传感器：①在一个“节点”内集成多种传感器，包括高精度三轴加速度计、磁力计和倾角仪；②节点之间串联，大大方便安装和拆卸；③根据桥梁长度和跨度选择不同节点数，应用灵活；④可以监测桥梁振动特性、动挠度和静挠度；⑤动挠度精度可达3-5mm，采样速率100hz以上；⑥静挠度精度可达0.1mm；⑦可以识别桥梁前7-9阶振动特性，包括频率、振型和阻尼比。
国产某加速度计，也是节点中内置了几个MEMS芯片，同时内置陀螺仪，从而能够实现多自由度参量输出。监测技术不同，必然会引起桥梁监测系统设计理念和设计技术的较大变化。希望有此类监测类项目的尝试和探索，为行业提供宝贵的先发性经验。
图3 节点型传感器示意图
从软件角度来看。中台技术被引进了桥梁监测软件开发中来，有些软件提供商把监测系统平台按硬件中台、数据中台和业务中台进行了模块化开发。
基于中台技术的监测软件在大规模监测系统建设中优势十分明显，有利于监测硬件的运维和状态监控，有利于数据的专业化预处理、清洗、压缩和管理，有利于监测数据分析的专业化分工，同时非常利于跟《公路长大桥梁结构健康监测系统建设实施方案》中省级数据平台进行协同架构设计。
可以说基于中台技术的监测软件与第三代模式的桥梁监测系统切合度非常高，是第三代监测系统的具体实现和软件技术支撑。
随着桥梁监测系统建设规模的扩大，必然带来行业分工的深化。目前已经出现了定位于业主咨询的咨询团队，并且已经在有些地区开始尝试。
这可以大大弥补业主在桥梁监测类项目管理上经验的不足。有些创业型中小规模的公司，由于市场开发能力上所处的劣势，开始改变市场定位，以开发的新技术和软件支撑行业内检测公司，共同实施桥梁监测类项目。
由于海尔、华为、中国移动和电信等大型公司的进入，这些公司利用自身雄厚的资金实力，开始尝试第三种建设模式，也就是承包方出资建设系统，长期运维，跟业主收取服务费的项目模式。
四、对同济大学陈艾荣教授观点的呼应
2022年10月9日，同济大学陈艾荣教授在桥梁视界公众号上发表了一篇文章《关于大跨径桥梁健康监测系统建设、应用和行业发展的思考》，引起了行业的热烈讨论。我们基于前面的观察和思考，对陈艾荣教授的文章提出了六点呼应，以验证彼此的观点。由于篇幅所限，我们在这里不再引用陈教授原文章的文字。
（1）我们也认为在开展大规模桥梁结构健康监测系统建设之初应该对以往经验教训进行总结，以在下一步系统建设中改进提升。
2020年应急管理部在国内做过23座跨江跨河大桥的调研，对桥梁监测系统的调研结论值得相关部门参考而不该刻意回避。2021年初笔者曾经发表文章《桥梁监测系统不是混乱吗？那就来一场运动吧！》，对目前桥梁监测系统建设表达过技术层面的担忧。
（2）就桥梁监测系统相关规范的使用上，我们通过百余座桥梁监测系统方案的研读，确实发现设计者照（规范）本宣科者多，很少如陈教授提议“一桥一策”，真正摸透桥梁结构特性及所处特殊环境及使用条件而设计。
我们也曾经做过总结，认为第二代桥梁监测系统设计理念性差，看不出设计者的设计意图。这一点值得规范编制单位引起重视。
（3）我们发现系统设计最大的问题是没有设计理念指导，同时未能从数据分析角度反推传感器选择及布点。结果是传感器种类很多（从规范中参考而来），但是每类参量监测都很难获得高质量数据，所以我们提倡预算有限的前提下，先把有限参量监测做扎实胜过布设很多种类华而不实的传感器。
（4）桥梁结构健康监测系统是获取桥梁养护数据的方式之一，图3。从“实时性”和“检测精度”两个维度来看，桥梁结构健康监测系统实时性好，发现病害的精度低；人工检测实时性差，发现病害的精度高；快速检测技术从实时性和检测精度介于两者之间。
图4 桥梁养护数据的不同获取方式
最近几年，行业研究绝大多数定位在B点，各种先进的检测设备层出不穷，如图像识别类检测设备（裂缝和位移），微波雷达，敲击扫描式桥梁检测车，以及无人机检测等。
客观来讲，桥梁养护所需要的数据99%以上来自于定期人工检测，所以人工检测手段以及基于人工检测数据的数字化决策应该是值得关注的重点。
我们也提倡业主应该降低对桥梁监测系统实际功效的期待，截止2021年底全国公路桥梁96.11万座，其中不到0.11万座安装了监测系统，即便是安装监测系统的桥梁人工检测仍然不可或缺。
值得注意的是，国内仍然缺乏从养护决策角度反过来指导桥梁监测系统建设和人工检测数据的获取，从而无法对于监测系统投入水平以及各种检测手段之间的相互替代给予理论性指导。
（5）我们在《第三代桥梁结构健康监测系统：模式、架构和生态》中建议大规模桥梁监测系统采取开源模式，建议为业主下属企业或者项目所在当地企业进行技术赋能，使其牵头和参与项目建设，承担桥梁监测系统长期缺乏有效运维致使系统瘫痪的行业痛点。
我们提倡行业分工的深化，推荐选用基于中台（硬件中台、数据中台和业务中台）技术的监测软件。
我们认为，桥梁监测数据分析能力往往集中于高校科研院所，系统建设需要设计把这些机构分析能力纳入系统长期运维的利益机制。我们建议把设备供应商专项技术服务能力挖掘出来，使其从设备供应商向专项监测技术服务商转型。
（6）最后我们提醒，桥梁监测系统不是找个软件接上传感器那么简单，而是一个系统化的工程。我们发现决定系统最终建设质量和运维质量的很大程度上取决于业主的管理水平，然而遗憾的是业主在桥梁监测类项目管理上经验相对较为欠缺。
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