一、前言

　　隨著東海大橋、杭州灣大橋、青島海灣大橋和港珠澳大橋等跨海大橋的建成運(yùn)營，我國海洋橋梁建設(shè)不斷從常規(guī)橋型向離岸深海長聯(lián)大型發(fā)展。但由于海洋橋梁工程所處海域水深、流急、流向紊亂、潮汐影響頻繁，施工水文、地質(zhì)等條件復(fù)雜，強(qiáng)風(fēng)、地震、波浪力等環(huán)境荷載作用遠(yuǎn)高于內(nèi)陸橋梁，導(dǎo)致其在全壽命期內(nèi)風(fēng)險(xiǎn)極高；同時(shí)海洋橋梁工程跨度大且遠(yuǎn)離陸地，測量距離長，現(xiàn)有地面測量基準(zhǔn)難以直接利用，高精度測量定位易受惡劣環(huán)境制約；此外，在高溫、高濕、鹽害、凍融及海霧等極端自然環(huán)境與交通荷載的共同作用下，橋梁結(jié)構(gòu)性能退化更早、更快、更嚴(yán)重。海洋橋梁工程在勘察、設(shè)計(jì)、施工與運(yùn)營全壽命管理維護(hù)中都面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

　　海洋橋梁工程生命周期內(nèi)的管理與維護(hù)面臨的主要難題有：

　　（1）亟需解決實(shí)時(shí)在線和長期可靠的海洋橋梁健康監(jiān)測技術(shù)難題。近年來，越來越多的橋梁結(jié)構(gòu)安裝了長期健康監(jiān)測系統(tǒng)，對橋梁結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)進(jìn)行損傷識別，對可能出現(xiàn)的損傷和災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測、評估，但對橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行長期可靠的檢測仍然難以實(shí)現(xiàn)[1]。

　　（2）亟需解決實(shí)時(shí)、快速和精確的海洋橋梁工程測量技術(shù)難題。工程測量中許多常規(guī)技術(shù)和方法不能滿足海洋橋梁工程實(shí)時(shí)、快速和精確的需求，亟需一種連續(xù)、動態(tài)、同步、實(shí)時(shí)、自動化的監(jiān)測手段。

　　（3）亟需解決海洋橋梁工程自動化巡檢技術(shù)難題。橋梁工程巡檢主要針對內(nèi)陸橋梁工程，巡檢以人工為主，輔以機(jī)械化設(shè)備實(shí)施，工作效率較低，且受到各種條件的制約，檢查范圍有限[2]。

　　（4）亟需解決海洋橋梁工程全壽命管理維護(hù)平臺難題。目前，國內(nèi)外橋梁管理系統(tǒng)為獨(dú)立開發(fā)的單系統(tǒng)，且彼此不兼容，橋梁信息管理系統(tǒng)之間無法共享數(shù)據(jù)，難以做出科學(xué)合理的管理維護(hù)決策。國內(nèi)外的風(fēng)險(xiǎn)影響研究主要針對內(nèi)陸大型橋梁，現(xiàn)行風(fēng)險(xiǎn)評估體系對海洋橋梁開展評估需進(jìn)一步完善[3]。針對上述難題，利用時(shí)代前沿技術(shù)，重點(diǎn)發(fā)展光纖傳感、衛(wèi)星導(dǎo)航定位、自動化巡檢等新技術(shù)與裝備，提出多參量、高可靠、大容量、長距離的光纖傳感健康監(jiān)測、“天 – 空 – 地 – 海”一體化測量、自動化巡檢和智能化管理維護(hù)平臺等技術(shù)及其發(fā)展要點(diǎn)，研究其重點(diǎn)難點(diǎn)問題和發(fā)展方向，探討海洋橋梁工程全壽命管理維護(hù)技術(shù)的發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)和建議。以實(shí)現(xiàn)海洋橋梁工程管理維護(hù)的自動化、信息化和智能化，確保海洋橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營安全，延長海洋橋梁結(jié)構(gòu)服役壽命。

　　二、 海洋橋梁工程全壽命管理維護(hù)研究戰(zhàn)略發(fā)展要點(diǎn)

　　（一）基于光纖傳感的海洋橋梁工程健康監(jiān)測技術(shù)

　　1. 重點(diǎn)難點(diǎn)問題

　　橋梁工程健康監(jiān)測技術(shù)從最原始目測發(fā)展到電測（電阻應(yīng)變計(jì)、鋼弦式應(yīng)變傳感技術(shù)和電磁類測試），對橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行長期可靠的檢測仍然難以實(shí)現(xiàn)，光纖傳感技術(shù)的發(fā)展實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測的實(shí)時(shí)在線并提高了長期可靠性[4]。綜合國內(nèi)外橋梁工程健康監(jiān)測技術(shù)的研究現(xiàn)狀，海洋橋梁工程健康監(jiān)測技術(shù)目前主要存在如下問題：①海洋橋梁工程全壽命健康監(jiān)測系統(tǒng)的長壽、可靠性；②技術(shù)條件的局限性導(dǎo)致必要測量參數(shù)不全面；③監(jiān)測大數(shù)據(jù)的有效利用和預(yù)警。

　　2. 技術(shù)發(fā)展方向

　　（1）滿足海洋環(huán)境的長壽命光纖傳感技術(shù)

　　海洋惡劣環(huán)境對傳感器提出了高強(qiáng)度、耐腐蝕和適應(yīng)大溫差傳感特性等耐久性要求，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、建設(shè)周期長的海洋橋梁，其在線監(jiān)測設(shè)備更換難度大，要求傳感器具有更長的壽命周期[5]。因此，海洋橋梁工程長壽命特種光纖的研究要點(diǎn)有：①特種光纖結(jié)構(gòu)與組分設(shè)計(jì)；②特種光纖預(yù)制棒生產(chǎn)工藝；③特種光纖的拉絲工藝；④特種光纖的涂層制備及涂覆工藝；⑤特種光纖的光纖光柵制備技術(shù)；⑥特種光纖光柵在線制備裝備集成。

　　（2）多參量、高可靠、大容量、長距離光纖傳感元件研發(fā)

　　光纖傳感容量大，適合海洋橋梁監(jiān)測參量和監(jiān)測點(diǎn)多的特點(diǎn)。多參量監(jiān)測需要傳感器種類繁多，安裝空間狹小需要傳感器體積小，從而對狹小空間里光柵的布設(shè)、黏貼與保護(hù)以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)里多光柵的走線與安裝提出了技術(shù)要求。針對海洋橋梁及其建造裝備對溫度、應(yīng)變與振動等物理參量的超高精度測試需求，研究復(fù)雜物理場與光纖導(dǎo)波場高效耦合相關(guān)問題、傳感器增敏機(jī)理、多物理量交叉敏感機(jī)理。采用對特定參量敏感的材料以及借助 3D 打印技術(shù)，設(shè)計(jì)微型光纖傳感器封裝結(jié)構(gòu)，優(yōu)化傳感器的響應(yīng)度，實(shí)現(xiàn)溫度、應(yīng)變與振動等物理量的高精度測量。

　　（3）海洋環(huán)境全方位、多尺度監(jiān)測技術(shù)

　　由于海洋橋梁在建設(shè)技術(shù)上的超前性和結(jié)構(gòu)體系上的復(fù)雜性，其對健康監(jiān)測的全面性也提出了更高的要求，包括海洋地理環(huán)境、海風(fēng)、海浪、溫度、波浪力和運(yùn)營期結(jié)構(gòu)信息變化等。為能更加準(zhǔn)確判斷海洋橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀況，搜集的信息須全面且準(zhǔn)確，包括結(jié)構(gòu)的荷載靜力響應(yīng)、動力特性以及結(jié)構(gòu)在運(yùn)營期出現(xiàn)各種結(jié)構(gòu)變化信息等[1]。同時(shí)，橋梁不同部位的監(jiān)測尺度也不盡相同，有的要求局部密集化網(wǎng)格化監(jiān)測，如纜索等部位應(yīng)力；有的要求全局化整體監(jiān)測，如主梁線形與主塔偏移[6]。因此，針對海洋橋梁結(jié)構(gòu)不同的監(jiān)測需求，需要開展全方位、多尺度的監(jiān)測。

　　（4）海洋橋梁工程健康監(jiān)測系統(tǒng)

　　由于材料老化、環(huán)境腐蝕、自然災(zāi)害等原因，海洋橋梁結(jié)構(gòu)在服役過程中會受到不同程度的損傷，對橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和使用壽命造成威脅。因此有必要在現(xiàn)有技術(shù)水平的基礎(chǔ)上，將健康在線監(jiān)測技術(shù)與自動化巡檢技術(shù)等相結(jié)合，構(gòu)建一個(gè)綜合系統(tǒng)工程，集結(jié)構(gòu)計(jì)算分析、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感技術(shù)以及信息分析處理評判等高新技術(shù)于一體，使得海洋橋梁工程全壽命管理維護(hù)能夠真正滿足安全運(yùn)營和維護(hù)管理的需要[2]。

　　（二）海洋橋梁工程“天 - 空 - 地 - 海”一體化測量技術(shù)

　　1. 重點(diǎn)難點(diǎn)問題

　　海洋橋梁工程通常具有規(guī)模大型化、結(jié)構(gòu)新穎化、地理位置特殊化等特點(diǎn)，工程測量中許多常規(guī)測量技術(shù)與方法已經(jīng)不能滿足海洋橋梁工程實(shí)時(shí)、快速和精確的需求，衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢成為一種必然趨勢，但其在勘測設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營管理階段仍然有很多工程測量問題需要解決[7]。

　　2. 技術(shù)發(fā)展方向

　　（1）海洋橋梁工程勘測設(shè)計(jì)階段的測繪技術(shù)

　　以我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為主體，全球定位系統(tǒng)（GPS）和俄羅斯全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GLONASS）等衛(wèi)星定位系統(tǒng)為輔助的多模全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）技術(shù)，在橋梁勘測設(shè)計(jì)階段建立控制網(wǎng)方面具有高度自動化、全天候、高精度、實(shí)時(shí)性、布點(diǎn)靈活和操作方便等優(yōu)點(diǎn)，能夠克服單衛(wèi)星系統(tǒng)容易受到局部信號遮擋所造成的定位衛(wèi)星不足、影響定位性能的缺陷。GNSS 技術(shù)輔助達(dá)到厘米級甚至更高精度的水下地形測量，需要在海洋橋梁工程 GNSS 垂直基準(zhǔn)建立及轉(zhuǎn)換技術(shù)方面開展研究[8]。同時(shí)，開展無人機(jī)技術(shù)，突破海洋地形對傳統(tǒng)測圖方法的限制，將極大提高工作效率和自動化程度。

　　（2）海洋橋梁工程施工階段的測繪技術(shù)

　　基于 GNSS 的海洋橋梁施工定位技術(shù)具有全天候、高精度、兼容廣、易管理等優(yōu)勢，能提供直觀、準(zhǔn)確、連續(xù)的船位、航向和施工區(qū)概況，還為船舶施工提供連續(xù)的三班作業(yè)和全天候施工作業(yè)。同時(shí)，三維激光掃描技術(shù)在橋梁施工中可實(shí)現(xiàn)自動化核查構(gòu)件尺寸的正確性、預(yù)先模擬拼裝過程、檢查施工質(zhì)量和評價(jià)施工精度；無人機(jī)巡查技術(shù)可實(shí)時(shí)掌握施工狀態(tài)，與通信、地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)相結(jié)合可實(shí)現(xiàn)對施工進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和實(shí)時(shí)調(diào)度。

　　（3）海洋橋梁工程運(yùn)營管理階段的測繪技術(shù)

　　將多模 GNSS 技術(shù)同網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器融合技術(shù)以及當(dāng)前最前沿的物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等其他信息技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)海洋橋梁三維變形監(jiān)測的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，可顯著提高海洋橋梁運(yùn)營管理水平和安全預(yù)警能力。在 GNSS 測量不到的關(guān)鍵部位，將 GNSS 與測量機(jī)器人綜合應(yīng)用則可實(shí)現(xiàn)全面的橋梁監(jiān)測。此外，三維激光掃描技術(shù)又是作為 GNSS 自動化變形監(jiān)測的有力補(bǔ)充，其可利用掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，獲取成片的監(jiān)測點(diǎn)信息，獲取密度更大的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，這是其他監(jiān)測手段所無法比擬的。大力發(fā)展機(jī)載、移動式三維激光掃描應(yīng)用，并與 GNSS 監(jiān)測技術(shù)、測量機(jī)器人監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行綜合運(yùn)用，有利于形成點(diǎn)面結(jié)合的海洋橋梁三維變形監(jiān)測技術(shù)體系。

　?。ㄈ┖Ｑ髽蛄汗こ套詣踊矙z技術(shù)

　　1. 重點(diǎn)難點(diǎn)問題

　　通過海洋橋梁技術(shù)狀況檢查，可得到橋梁結(jié)構(gòu)的損傷類型、程度和位置等，并可評估海洋橋梁的技術(shù)狀況，為制定養(yǎng)護(hù)策略提供可靠的技術(shù)參數(shù)，而技術(shù)狀況檢查目前主要存在以下兩個(gè)問題：①缺乏針對海洋橋梁工程的巡檢技術(shù)體系；②海洋橋梁工程巡檢裝備自動化程度低。

　　2. 技術(shù)發(fā)展方向

　　（1）建立海洋橋梁工程自動化巡檢技術(shù)體系針對海洋橋梁工程高溫、高濕、鹽害、凍融、以及海霧等極端環(huán)境和交通荷載作用，基于現(xiàn)有的內(nèi)陸橋梁巡檢技術(shù)方案與規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、指南等，確定海洋橋梁工程的經(jīng)常檢查、定期檢查和特殊檢查的內(nèi)容、頻率及指標(biāo)等，開展適用于海洋橋梁工程的巡檢技術(shù)體系研究，確保巡檢技術(shù)方案的合理性、及時(shí)性和專業(yè)性。

　　（2）海洋橋梁工程自動化巡檢設(shè)備

　　研發(fā)海洋橋梁工程纜索智能檢測機(jī)器人、梁底自動檢測機(jī)器人、無人機(jī)等自動化巡檢裝備以及智能移動終端移動，提高海洋橋梁工程巡檢的安全性、全面性、可靠性和及時(shí)性[9]。

　?。ㄋ模┖Ｑ髽蛄汗こ倘珘勖芾砭S護(hù)平臺

　　1. 重點(diǎn)難點(diǎn)問題

　　海洋橋梁工程項(xiàng)目的生命周期是指從項(xiàng)目勘測階段目標(biāo)的產(chǎn)生到項(xiàng)目實(shí)施階段工程的竣工驗(yàn)收再到項(xiàng)目運(yùn)營階段整個(gè)過程。目前，我國的建設(shè)工程項(xiàng)目管理模式遵循傳統(tǒng)的分階段管理模式，各階段相對獨(dú)立的管理理論不能滿足海洋橋梁重大工程項(xiàng)目實(shí)施的需要[10]。

　　（1）海洋橋梁工程管理維護(hù)平臺開放性不足，不夠規(guī)范化，網(wǎng)絡(luò)化與移動化程度不充分，缺乏橋梁狀態(tài)預(yù)測評估。

　　（2）海洋橋梁工程風(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)有研究多偏向于理論與主觀因素，現(xiàn)有風(fēng)險(xiǎn)防范措施難以及時(shí)有效地確定具有針對性的避險(xiǎn)策略。

　　（3）由于海洋橋梁工程的特殊性、所處環(huán)境的惡劣和復(fù)雜多變性，現(xiàn)有的養(yǎng)護(hù)技術(shù)方案難以完全適用于海洋橋梁工程。

　　2. 技術(shù)發(fā)展方向

　　（1）構(gòu)建海洋橋梁工程全壽命管理維護(hù)平臺海洋橋梁管理維護(hù)平臺是融合橋梁基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)資料、施工信息、監(jiān)測數(shù)據(jù)，基于云技術(shù)的大型信息系統(tǒng)，用于狀態(tài)評估、結(jié)構(gòu)退化預(yù)測、維護(hù)對策和計(jì)劃等，將海量多維信息深度挖掘分析后儲存于大型數(shù)據(jù)庫中，確定橋梁的當(dāng)前狀態(tài)及維修對策，并對結(jié)構(gòu)的未來狀況發(fā)展進(jìn)行預(yù)測分析。

　　（2）海洋橋梁工程全壽命風(fēng)險(xiǎn)識別與評估體系海洋橋梁工程風(fēng)險(xiǎn)源具有客觀性、普遍性和必然性?，F(xiàn)有橋梁工程風(fēng)險(xiǎn)識別和評估系統(tǒng)難以滿足海洋橋梁工程動態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估需求，以構(gòu)架系統(tǒng)完整的海洋橋梁風(fēng)險(xiǎn)評估體系為目標(biāo)，提出適用于海洋橋梁工程的全壽命風(fēng)險(xiǎn)識別評估體系，基于海量監(jiān)測數(shù)據(jù)以及云技術(shù)的深度挖掘分析，確定及時(shí)有效的避險(xiǎn)策略[11]。

　　（3）海洋橋梁工程養(yǎng)護(hù)與維修技術(shù)體系預(yù)防性養(yǎng)護(hù)是一種事前、主動的養(yǎng)護(hù)方式，能夠有效推遲中修和大修的期限、延長海洋橋梁工程的服役壽命。目前，海洋橋梁工程的養(yǎng)護(hù)與維修技術(shù)還沒有形成完善的技術(shù)體系，發(fā)展適應(yīng)于海洋橋梁的養(yǎng)護(hù)與維修技術(shù)，提高養(yǎng)護(hù)維修人員的專業(yè)水平，基于人工智能與大數(shù)據(jù)技術(shù)的海洋橋梁工程養(yǎng)護(hù)與維修決策將為橋梁管理維護(hù)決策提供專業(yè)的數(shù)據(jù)支撐。

　　（4）海洋橋梁工程管理維護(hù)云技術(shù)

　　作為分布式計(jì)算的一種特殊形式，云技術(shù)引入了效用模型來遠(yuǎn)程供給可測量和可擴(kuò)展的資源，能夠完美應(yīng)對海洋橋梁工程大數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn)[12]。因此，大力發(fā)展云技術(shù)是確保海洋橋梁工程實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)快速處理與深度挖掘的有力保障，能夠加速推動海洋橋梁管理維護(hù)實(shí)現(xiàn)信息化與智能化。

　　三、 海洋橋梁工程全壽命管理維護(hù)研究戰(zhàn)略目標(biāo)

　　本課題重點(diǎn)圍繞海洋橋梁工程全壽命管理維護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)難題，通過廣泛資料查閱與現(xiàn)場調(diào)研，經(jīng)過不斷地研討分析與多次專家咨詢論證，提出海洋橋梁工程全壽命管理維護(hù)技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略重點(diǎn)。

　　（1）基于光纖傳感技術(shù)、衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)、自動化巡檢技術(shù)以及智能移動終端等，大力發(fā)展海洋橋梁工程健康監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)及裝備。

　　（2）著力研發(fā)適用于海洋環(huán)境的長壽命特種光纖傳感技術(shù)與多參量、高可靠、大容量、長距離的光纖傳感元件，以及全方位、多尺度監(jiān)測技術(shù)。

　　（3）建立以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位為主、其他衛(wèi)星導(dǎo)航定位為輔的多模衛(wèi)星融合定位機(jī)制，靈活運(yùn)用測量機(jī)器人、三維激光掃描、無人機(jī)航攝測繪等多種現(xiàn)代化測量手段，形成面向海洋橋梁工程多手段集成、數(shù)據(jù)融合處理的施工測量體系，研發(fā)“天 – 空 – 地 – 海”海洋橋梁工程一體化空間信息集成技術(shù)。

　　（4）建立海洋橋梁工程全壽命管理和維護(hù)智能決策體系，構(gòu)建以大數(shù)據(jù)為支撐的信息化、智能化管理維護(hù)平臺，推動我國海洋橋梁工程全壽命管理維護(hù)自動化、信息化與智能化，實(shí)現(xiàn)海洋橋梁智能管養(yǎng)。

　　四、 海洋橋梁工程全壽命管理維護(hù)研究戰(zhàn)略發(fā)展建議

　　大力開發(fā)適用于海洋橋梁工程管理維護(hù)的新技術(shù)、新設(shè)備、新材料、新工藝等，引領(lǐng)高校、科研院所以及企業(yè)等相關(guān)機(jī)構(gòu)加強(qiáng)全壽命管理維護(hù)技術(shù)研究與推廣應(yīng)用，在相關(guān)重要科技領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)突破，促進(jìn)海洋橋梁工程管理維護(hù)跨越式發(fā)展，包含：①著力發(fā)展光纖傳感技術(shù)在海洋橋梁工程健康監(jiān)測中的應(yīng)用，研發(fā)適用于海洋環(huán)境的特種光纖，建立全方位、多尺度的海洋橋梁工程健康檢測技術(shù)；②重點(diǎn)發(fā)展以北斗導(dǎo)航定位為主、其他衛(wèi)星導(dǎo)航定位為輔的多模衛(wèi)星融合定位技術(shù)，構(gòu)建“天 – 空 –地 – 海”海洋橋梁工程一體化空間信息集成技術(shù)；③建立以“海洋橋梁工程大數(shù)據(jù)中心”為支撐的“物聯(lián)網(wǎng)”海洋橋梁平臺，推動海洋橋梁工程全壽命管理維護(hù)自動化、信息化與智能化，實(shí)現(xiàn)“智慧海洋橋梁”。

　　五、結(jié)語

　　針對海洋橋梁工程所處環(huán)境的嚴(yán)酷性與復(fù)雜多變性，在海洋橋梁工程勘察、設(shè)計(jì)、施工與運(yùn)營整個(gè)生命周期中，基于全壽命期海洋橋梁結(jié)構(gòu)安全與長壽耐久需求，以光纖傳感技術(shù)、衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)為主，結(jié)合自動化巡檢與智能移動終端等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)海洋橋梁工程的健康監(jiān)測與全天候、高精度空間定位，通過構(gòu)建信息化與智能化海洋橋梁工程管理維護(hù)平臺，開展海洋橋梁工程健康監(jiān)測、養(yǎng)護(hù)維修、風(fēng)險(xiǎn)管理等研究，并與信息技術(shù)深度融合，實(shí)現(xiàn)海洋橋梁智能管養(yǎng)，達(dá)到海洋橋梁工程自動化、信息化與智能化管理維護(hù)的目的，確保海洋橋梁工程全壽命期安全可靠與長壽耐久。