5G+ 物联网技术驱动的桥梁结构健康实时监测系统设计

作为公路运输的关键节点，大桥在中国交通网中的地位举足轻重，但是，桥梁结构的状况越来越受到车辆超载、环境腐蚀和结构老化的影响，传统的桥梁检测方式，大多依靠人工定时巡视，很难做到实时动态监控桥梁结构。近年来，为桥梁结构健康监测提供了新的技术手段，如物联网、5G 等新一代信息技术不断发展。在桥梁监控中应用 5G 和物联网技术，可以使监控效率和数据传输能力得到很大提升，实现全面实时感知桥梁架构。文章将探讨5G+物联网技术在桥梁结构健康监控方面的应用优势，并基于该技术提出实时监控系统设计方案。

1 5G+物联网技术在桥梁结构健康监测中的优势

1.1 实时且高效

桥梁检测的传统方式主要依靠人工定时巡检，存在工作强度大，时效差等问题，限于人力成本，难以持续动态监测桥梁结构错过结构变化的关键时间窗口，延误发现和处置病害的时机，这是一方面的工作重点。采用5G 和 IoT 技术，在桥梁关键部位布设传感器，全天候收集多源监测数据，包括应力、应变和振动等，实现实时高效监控桥梁结构。5G 网络能够满足海量监控数据实时回传的需求，使数据在毫秒级延时内到达监控平台，再通过算法实现准实时的数据分析和状态评估，这得益于它的高速率、低时延等特点。基于5G 的无线监控，相比传统的人工巡检和有线传输方式，能够大幅缩短数据采集和分析的时延，实现对桥梁结构健康监控的全面提速，实现发现更预警更维护更及时，切实延长桥梁的安全使用寿命。

1.2 全面监测优势

桥体结构的性能受多种因素影响，需要综合力学性能、材料特性、环境条件等多方面因素，才能对其健康状态进行评估。传统的桥梁监测往往局限于测量单一的局部结构物理量，所获取的数据维度单一，代表性不足，难以对桥梁运动总体健康状况进行全面反映，而5G 与IoT 技术的融合应用，则提供了一个强大的工具，实现对桥体结构的全面监控。可通过5G 网络灵活部署海量物联传感，全方位、多参数、立体式监控桥梁，例如，可设置高精度光纤光栅应变计、加速度计等，在主梁、拱肋、索塔等关键受力部位实时获得受力、应变、振动的动态变化。同时，在桥位周围还设置了环境监测传感器，可以对桥体的影响进行风速、温湿度等环境参数的采集和评估，对海量多源异构监测数据的稳定回传，保证了5G 网络的大带宽、广连接特性。

2 5G+物联网技术驱动的桥梁结构健康实时监测系统设计

2.1 感知层设计

桥梁结构健康监测系统的感知层负责多源监测数据的现场采集，是反映桥梁状态的基础。感知层设计需要结合桥型特点和监测需求，合理配置各类传感器。对于梁式桥，重点是主梁的应变、振动监测，可在跨中和支点处布置光纤光栅应变计、振弦式应变计，采集梁体的动静态应变数据。对于拱桥，除了主拱的受力监测外，还需重点关注拱脚、拱座等部位的位移变化，可布置高精度位移传感器，索塔、吊杆处可布置倾角仪，监测索塔倾斜和吊杆张力变化[1]。考虑到线缆在吊索桥中的重要作用，还可集成光纤光栅式索力计，实时监测索力变化。桥面铺装、伸缩缝等非结构构件的监测，可通过结构光扫描、激光雷达等方式获取表面形貌数据。汇聚节点采用 5G 智能网关，负责数据的多协议接入、边缘处理和安全加密，并通过 5G 网络回传数据。现场供电可采用太阳能、市电等多种方式，保障设备可靠运行，同时还需统筹规划传感器布设位置，尽量减少对桥梁受力的影响。

2.2 网络层设计

实现实时监控是监控系统网络层将数据传输的高速通道架在了桥梁现场与云端监控平台之间，采用5G 专网作为专用传输网络进行监测数据，不仅可以避免公网带来的数据安全隐患，而且在速率、时延、连接等方面，5G 网络的性能优势也将得到最大的发挥[2]。在5G 专网架构设计上，核心网采用了对控制面和用户面进行解耦的 SA 方案，对监控业务的差异化需求进行了灵活支持。同时，在桥梁附近规划设置多个 5G 边缘计算节点，通过 UPF 下沉、各监测终端通过 5G 网关直接接入 5G 专网，将采集到的数据就近上传到边缘节点，就近分流处理流量，降低时延，节省回传带宽。在专网基站覆盖不到的盲区，利用中继节点快速构建局域覆盖，可以灵活部署 5G 自组网方案，考虑到大桥工地的入网需求，在前期通过扩频实现深度覆盖的 5G 专网中，可预留700M，对上传到边缘节点的监测数据，通过专网 UPF 与监测平台进行清洗、压缩、聚合后的专线互联互通，使传输的安

全性、可靠性进一步提高。

2.3 平台层设计

对监控平台的计算和存储能力要求很高的是海量监控数据的汇聚处理，平台层采用可灵活适应数据规模和业务负载动态变化的分布式云原生架构，支持弹性扩展和微业务部署。数据处理流程采用 Lambda 架构，实时与离线相结合，通过暴风、Flink 等流处理引擎，实时数据在秒级延迟内完成清洗、关联、聚合等操作，再基于Drools 等规则引擎实现阈值判断预警；离线数据则汇总后存入分布式文件系统 HDFS 中，并通过 Spark、Hive等定期进行批量分析与建模。

采用 Hadoop、HBase、InfluxDB 等多种大数据、时序数据库产品，针对结构化数据建立统一的存储底座，以保证数据的高可用性和易分析。在数据治理上，遵循数据全生命周期管理理念，构建数据湖泊体系，通过数据标准、元数据等手段，实现监测数据的自动分类、质量校验、血亲追踪等[3]。通过数据标准、元数据等手段，建立数据湖泊体系，在数据分析层面，融合机器学习等AI 技术，构建包括部件级、单桥级、桥群级等在内的桥梁结构多尺度健康评价模型，实现从局部到整体的全局评价，从单一时间点到时间序列的全面评价。

2.4 应用层设计

应用层应秉承以用户为中心的理念，在功能设计上力求便捷、友好、安全，作为桥梁管理部门的直接服务接口。作为系统的核心功能之一，监测数据可视化宜采用Vue、React 等时下流行的前端框架进行开发，通过网页浏览器、手机 APP 等多种方式为用户提供灵活的访问渠道。平台应围绕桥梁检测、评估、维护、决策等关键业务场景，提供涵盖异常自动检测预警、结构状态评分及趋势预测、维护方案智能丰富智能的数据分析功能[4]。此类分析工作不能操之过急，应给工作人员设定具有个性化的定制途径，许可用户凭借拖拽之类可视化手段，灵活组织分析流程。平台于后台调配数据与算法方面的资源，自动产出分析报告。智能巡检 APP 对现场作业效率的提升效果显著，借助扫码等简便的交互方式，能够快速采集、录入以及比对各类检测数据。将工单派发、故障诊断、远程指挥、知识库等协同性功能整合到APP 里，可给予一线养护人员全流程的移动作业支持。

3 5G+物联网技术驱动的桥梁结构健康实时监测系统集成与测试

评估由5G 加物联网带动的桥梁结构健康监测系统的性能，得认认真真开展集成测试跟验证。在桥梁的主梁、桥墩这些关键地方，布设应变、振动、位移这类传感器，通过 5G 网关，稳稳地接入离得近的边缘计算节点，与此同时在管理平台，搭建测试环境，模拟各种各样的业务操作跟负载压力。测试过程中，重点关注数据采集准不准、传输稳不稳、分析及不及时这些指标，通过对比传感器采的样数据和人工检测的数据，评估感知层的监测精度。同时，还得测试平台的各项功能，像阈值警告灵不灵、健康评估模型准不准、养护决策合不合理这些。通过严严实实的测试论证，完全发挥5G 加物联网的技术优势，打造出一套性能特别好的桥梁结构智能监测系统，给保障桥梁安全运行，提供有力支撑。

结束语

文章研究了5G 与物联网技术在桥梁结构健康监测中的应用，设计了一种基于5G 专网传输，集感知、传输、存储、分析、服务为一体的实时监测系统。展望未来，还可进一步引入北斗高精度定位、AI 视觉识别等技术，不断拓展监测范围和应用场景。5G+物联网将成为新型智慧桥梁监测体系的核心技术，对提升桥梁运维管理水平具有重要意义。

参考文献：

[1]马志才.桥梁健康监测与实时检测技术融合方案[J].广东建材,2025,41(02):167-170.

[2] 龚 伟 , 吴 慧 , 鞠 鹏 飞 , 等 . 基 于 物 联 网 的 桥 梁 健 康 监 控 系 统 设 计 研 究 [J]. 山 西 建

筑,2023,49(03):147-149+154.

[3] 徐 钽, 王龙 林, 庞春 俊, 等 .5G 专网 在桥梁 健康 监测系 统中的 应用 研究 [J]. 中国新 通

信,2022,24(22):75-77.

[4]刘鱼行.基于物联网的某连续刚构桥施工监控与健康监测研究[D].南华大学,2021.