基于物联网的智慧高速桥梁健康监测系统研究

引言

桥梁作为高速公路的重要组成部分，其结构安全、运行状态与耐久性直接关系到交通安全与社会经济发展。然而，传统桥梁健康监测多依赖定期人工检测、离散现场巡检、经验判断，其周期长且难以实现故障早期识别。随着物联网、传感器技术与无线通信的成熟，将实时传感设备部署于桥梁结构，实现 24 小时实时状态监测，已成为智慧交通与桥梁管理领域的技术趋势。智慧高速桥梁健康监测系统通过采集桥面、主梁、桥墩等结构的多源信号，结合 AI 算法进行趋势分析与风险评估，可将潜在结构病害预警时间从数月提前至数小时乃至分钟级。本文旨在系统研究物联网平台构建、传感网络部署、数据融合分析与智能诊断机制，并通过工程案例与效益评估揭示其实际价值，为未来桥梁智慧养护提供理论支撑与实施路径。

一、智慧桥梁健康监测系统的体系结构与核心技术

以 IoT 为基础的桥梁健康监测系统主要由传感层、网络传输层、边缘计算层、云平台与应用层构成。传感层采用应变计、加速度计、温湿度传感器、裂缝位移传感器与倾斜传感器等部署于不同桥梁受力部位。网络传输层则选用 NB-IoT、LoRaWAN 或5G 边缘通信技术，确保监测节点的数据低功耗、广覆盖、实时可达。边缘计算节点负责实时数据预处理与异常检测，并实现本地报警机制以应对网络中断情况。云平台承担数据存储、模型训练、历史趋势分析与决策支持，应用层提供可视化界面及桥梁状态报告功能。关键技术包含传感器布设优化、数据采集频率设定、时空同步算法、特征提取与模型训练算法、损伤诊断与寿命预测模型。系统强调模块化设计与开放性接口，以便于未来与其他交通系统或智慧城市框架集成。

二、结构监测数据融合与智能诊断机制

桥梁结构往往存在温度敏感性、荷载变化与早期微损伤等因素，因此平台需要融合多个传感来源的信息。数据融合采用时间戳同步与传感器数据多维联合分析方法，如将温度数据与应变数据耦合提取温度效应与结构变形关系，通过统计模型或机器学习方法提炼多模态特征。智能诊断机制采用异常检测模型（如基于孤立森林、LSTM时序模型）识别结构状态变化，并结合结构健康指数（SHM Index）评估整体健康水平。损伤位置可通过震动信号模态参数与结构固有频率特征变化定位。平台设有预警门限机制，当结构状态指数下降至预设阈值时，系统自动发送预警，并可联动桥梁维护人员进行现场复核。

三、案例应用与效益评估分析

在我国某省际高速三座关键梁桥开展的智慧桥梁物联网系统试点部署中，取得了显著成效。系统通过在桥面和关键结构部位布设振动传感器、应变计、裂缝监测仪及温湿度感应器，实现对桥梁结构运行状态的 7×24 小时实时监测。试点运行一年内，累计发送预警信息 28 次，成功提前识别出包括主跨裂缝扩展、结构振动异常及冻融损伤等问题，有效避免了可能引发的重大结构安全事故。平台投入运营后，通过替代传统人工巡检、减少突发性维修任务及延长桥梁服役寿命，整体运营维护成本下降约 35% ，系统回报周期评估为三至五年。同时，平台所采集的高频数据也为区域桥梁管理部门提供了详实的结构运行档案与趋势分析支持，助力桥梁养护由经验主导向数据驱动转变，推动管理标准化、维护周期化。该试点案例充分验证了智慧桥梁系统在提升安全性、节约成本、推动交通基础设施绿色智能升级等方面的综合价值，具备广泛推广前景。

四、应用挑战与改进建议

尽管系统试点取得成效，但在推广中面临传感器可靠性与长期运行稳定性不足、初期部署成本高、数据标准及接口缺乏统一、专业人才短缺、安全隐私防护不足等挑战。建议从四个方面推进改进：一是加强多源传感器设备的可靠性测试与维护体系建设；二是推动标准制定与跨区域数据交换协议制定；三是建立培训与跨学科复合人才培养机制；四是完善平台数据加密与权限控制机制，确保结构健康数据合法合规。此外，可借助数字孪生技术构建虚拟结构模型，实现更精准的结构行为预测与可视化模拟；探索无人机与地面机器人辅助巡检，为系统提供更丰富的数据支撑。

五、未来发展方向与技术前景

展望未来，智慧高速桥梁健康监测系统将走向更加智能、全面与生态融合的发展方向。边缘 AI 推理将在传感节点实现初步诊断，减少网络传输延迟；数字孪生与云平台将形成结构状态与环境变化的实时映射与模拟；无人搭载巡检设备与 AR/VR 技术将辅助在现场实现结构可视化检测与维护；车路协同技术将使行驶车辆成为移动检测节点，进一步丰富监测视角。此外，系统也将与智慧交通、智慧城市应急管理体系深度融合，成为城市安全基础设施的重要组成部分。在国家智慧交通与基础设施现代化背景下，此类系统将推动推动桥梁运营管理由“经验维护”走向“数据驱动”时代，为智慧高速体系建设提供坚实基础。

结论：

综上所述，基于物联网的智慧高速桥梁健康监测系统通过多源数据融合、智能诊断机制与云边协同架构，实现对桥梁结构状态的实时感知与精准管控。研究表明，该系统在提升桥梁安全可靠性、延长使用寿命、降低运维成本与促进桥梁养护智能化方面具有显著优势。尽管在部署成本、技术标准与人才培养方面存在挑战，但通过加强标准制定、技术迭代、人才培训与平台治理机制建设，可推动系统在更广泛高速工程中普及。未来在数字孪生、边缘智能、车路协同等技术融合下，该体系将成为保障桥梁结构安全与智慧运营的重要支撑平台。本文研究可为交通主管部门、桥梁运营方与科研机构提供理论与实践参考，助力智慧桥梁建设向更高水平发展。

参考文献：

[1] 洪 继 东 , 刘 应 玲 , 刘 涛 声 . 智 慧 新 脉 动 成 都 更 精 彩 [N]. 中 国 交 通报,2024-06-28(006).DOI:10.28099/n.cnki.ncjtb.2024.001165.

[2] 刘国栋,黄劲,朱铁汉,等.广州地方道路智慧交通数智化转型升级研究[J].广东公路交通,2024,50(03):61-65.DOI:10.19776/j.gdgljt.2024-03-0061-05.

[3] 蔡 日 升 , 侯文 韬 .5G 技 术 在 智 慧 交 通构 建 中 的应 用 [J]. 运 输 经理 世界,2024,(23):79-81.

[4] 黄俊松,雷斌,金宇,等.数字孪生在智慧交通领域的应用分析[J].山东交通科技,2024,(04):94-99.