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，提高了預測評估的可靠性?；贕PRS網(wǎng)絡的橋隧結(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公司為該橋設計了一個多達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、吊桿和索夾的應力;橋面箱梁的加速度、應力、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，提高了預測評估的可靠性?；贕PRS網(wǎng)絡的橋隧結(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)、計算機技術(shù)及現(xiàn)代網(wǎng)絡通信技術(shù)，是一個分布式、網(wǎng)絡化和全開放的監(jiān)控系統(tǒng)。由于傳統(tǒng)橋梁養(yǎng)護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)展狀況

一、國外橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展狀況

在國外，20世紀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公司為該橋設計了一個多達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、吊桿和索夾的應力;橋面箱梁的加速度、應力、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)展狀況

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)綜合了現(xiàn)代傳感技術(shù)、網(wǎng)絡通訊技術(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，提高了預測評估的可靠性?；贕PRS網(wǎng)絡的橋隧結(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)、計算機技術(shù)及現(xiàn)代網(wǎng)絡通信技術(shù)，是一個分布式、網(wǎng)絡化和全開放的監(jiān)控系統(tǒng)。

由于傳統(tǒng)橋梁養(yǎng)護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備自動化的發(fā)展，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)往往過分強調(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)制定了詳細人工檢查策略和項目，如表1所示。從現(xiàn)實情況來看，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)濟或技術(shù)角度來說，單純依靠自動監(jiān)測手段難以實現(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，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、通信設備和工作站等，這些設備無疑使監(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)的硬件建設存在盲目性和隨意性，相當一部分硬件設備并未真正發(fā)揮作用，造成浪費。另外，面對橋梁惡劣的工作環(huán)境，愈發(fā)龐大的硬件設備規(guī)模也增加了系統(tǒng)集成和維護管理的難度，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際結(jié)構(gòu)的復雜性，目前系統(tǒng)在海量數(shù)據(jù)處理與有效信息提取、實時預警、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)在分析中強調(diào)損傷識別的比例超過70%，而強調(diào)承載能力和疲勞壽命評估的比例僅25%左右。現(xiàn)實情況是，由于測點有限、環(huán)境噪聲和結(jié)構(gòu)復雜性等原因，目前在結(jié)構(gòu)復雜的大跨度橋梁中較難實現(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)鍵設計指標掛鉤。因此，分析系統(tǒng)的薄弱導致橋梁健康監(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、維修與管理決策提供足夠的依據(jù)和指導。其次，對于軟件層面，在交互界面的設計上往往不夠重視，導致監(jiān)測信息顯示不直觀、圖形界面不友好，軟件可擴展性差，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行設計，兩者具有一一對應的關(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，存在以下兩點不足：一是單體式監(jiān)測需建立一一對應的“監(jiān)測中心”，重復投資的結(jié)果是造成資源浪費;二是單體式監(jiān)測覆蓋面有限且系統(tǒng)之間相互獨立，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，橋梁的安全運營和日常維護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)進行管理，這種方式存在被動、間斷、效率低等缺點。隨著SHM的發(fā)展，其自動監(jiān)測所具備的特點可以很好彌補傳統(tǒng)BMS的缺陷，并與人工檢查一起成為實現(xiàn)科學管養(yǎng)的重要手段。SHM應包含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。在這個觀點下，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)應考慮在線自動監(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)預警與評估系統(tǒng)中，供進一步分析與評估。定期人工檢查作為實時自動監(jiān)測的有效補充，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)進行預警與評估，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，應堅持目標與功能主導的原則，根據(jù)監(jiān)測級別(全效型、實用型、經(jīng)濟型)合理確定監(jiān)測項目的規(guī)模以及所采用的傳感器、采集儀和通信設備等，在確保達到預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，重點對數(shù)據(jù)處理、實時預警、損傷識別、健康評估等算法進行研究，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，進而評估橋梁的整體健康狀況。然而，由于測點有限以及環(huán)境噪聲和結(jié)構(gòu)復雜性等因素的影響，目前在橋梁結(jié)構(gòu)中仍較難實現(xiàn)全面的損傷識別。此外，損傷識別結(jié)果也未能與關(guān)鍵設計指標掛鉤，僅對橋梁進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，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)將很難被工程界接受。因此，從實用性角度出發(fā)，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)應著眼工程實際并貼近現(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)安全性的基本設計指標。在監(jiān)測數(shù)據(jù)超過閾值時，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)預警并進入評估階段，此時一方面應重新確定橋梁構(gòu)件目標可靠指標，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)由于重復投資和“信息孤島”效應，難以實現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)的橋梁進行統(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。該平臺前端由布設在多座橋梁現(xiàn)場的傳感器系統(tǒng)以及對應的嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，中端通過3G/4G通信網(wǎng)絡實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸與共享，后端由并行計算機集群、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，避免重復建設多個單體式監(jiān)測中心，可以有效節(jié)約投資，實現(xiàn)資源整合、信息共享等目標。

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)濟的快速發(fā)展，國內(nèi)的交通網(wǎng)絡在不斷的豐富、完善，橋梁建設迎來了建設的黃金時代。橋梁不僅在公路交通運輸中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，而且在高鐵架設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的國際地位。因為國內(nèi)橋梁現(xiàn)代化建設起步時間較晚，因而大部分橋梁結(jié)構(gòu)強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)量預測

預計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3910套。

圖表：2023-2028年中國橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)量預測(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，基于重點細分市場領(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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