桥梁健康监测管理系统设计方案

2023年12月12日发(作者：关于中国的作文)

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桥梁健康监测管理系统设计方案

为进一步提升我区设施部门对桥梁及智能化监管能力，同时响应考核要求，在建设市政综合监管平台的同时，同步完善綦江区桥梁健康监测管理系统的建设。桥梁健康监测系统与智慧市政平台实现数据与统计结果的对接，一下为桥梁健康监测系统的详细情况：

第一章 系统功能架构

根据桥梁监测系统的目的，本项目设计分为自动化传感监测子系统、数据存储与管理子系统、基于监测结果的综合预警和安全评估子系统、用户界面子系统4部分，分别为：

1.自动化传感监测子系统

本系统包含以下三个模块：

(1)传感器模块：传感器是指能感受规定的被测物理量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，其基本功能是检测信号和信号转换，通过传感器将各类监测信号转换为电(光)信号。传感器处于监测系统的最前端，用于获取监测信号，其性能将直接影响整个健康监测系统，对测量精确度起着决定性作用。

(2)数据采集与传输模块：将监测信号转换为数字信号并完成远程传输。

(3)数据处理与控制模块：将监测信号进行预处理以及二次处理以向其它子系统提供有效的信息源或力学指标，根据需要设定程序控制监测参数的采集。

2.数据存储与管理子系统

将监测信号进行预处理以及二次处理以向其它子系统提供有效的信息源或力学指标，根据需要设定程序控制监测参数的采集。通过该子系统可实现整个健康监测所有数据的平台管理工作，完成数据的归档、查询、存储等操作，在系统

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全寿命期内统一组织与管理数据信息，为系统维护与管理提供便利，也为各应用子系统提供可靠的分布式数据交换与存储平台，方便开发与使用。

3.基于监测结果的综合预警和安全评估子系统

通过该子系统实现根据监测数据进行结构状态与损伤识别，并综合识别的结果对结构的安全使用状况进行预警评估。具体为：能够对监测及识别的结果进行趋势对比、分析与预测；对结构变形等监测参数建立明确的预警指标，能够对监测结果进行分级预警；通过人工干预综合各种监测数据、定期测量信息、内力状态信息对结构进行综合评估。

4.用户界面子系统

该模块是各子系统数据的支撑系统，将各种数据向用户展示，并且接受用户对系统的控制与输入。

5.巡检养护子系统

该模块主要是指主桥可以到达结构部位的巡检养护管理子系统，包含了桥梁的日常管养。

第二章 系统监测的范围

根据桥梁的结构形式、桥址环境、行车环境等特点，本监测方案拟针对两桥的环境风速风向、环境温湿度、应力、索力、结构温度、空间变位、主梁扰度、纵向位移、振动特性等参数以及高清视频附加项进行监测。

第三章 监测项目

基于本项目桥梁受力特性与构造特点，结合监测的目的，本系统监测项目如下：

(1)风速风向

(2)大气温湿度监测

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(3)结构应力

(4)结构温度

(5)空间变位

(6)主梁挠度

(7)梁体位移

(8)振动

(9)墩顶倾斜

(10)箱内湿度

(11)高清视频

3.1 风速风向监测

风荷载包括风速、风向，从结构危险性分析来看，风荷载主要影响本结构的空气动力稳定性，此外运营期系统监测到的风荷载数据以及对应结构的响应直接决定着桥梁的运维状态，是安全评估子系统中保证桥梁安全的一个重要预警指标。

3.2 大气温湿度、箱梁内温湿度监测

温湿度监测是桥梁工作环境分析和设计验证的重要依据。

3.3 应力监测

应力变化的监测分为动应力监测和静应力监测。通过对各控制部位断面进行应力的监测，了解桥梁在各种荷载作用下的受力情况，分析其应力水平然后与各种荷载组合下的设计值进行比对。对构件应变的监测可以分析求解出测点的应力状况。结构的应力指标是运营期间安全性预警的重要信息，也是结构状态分析的参考信息。

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3.4 结构温度监测

温度变化在某些情况下会在桥梁中产生不可忽视的内力作用，另一方面温度变化也影响应力测试结果，结构应力测试结果必须进行温度修正，因此在桥梁所有应力测点位置均同时设置结构温度测试点。

3.5 空间变位监测

同时实时监测大桥关键位置的三维位移，确定大桥的变形状况，为研究结构位移与环境变化的关系。

3.6 挠度监测

主梁直接承受来自车辆的荷载作用，主梁的变形受到自身截面几何尺寸、构造形式、材料特性的影响，挠度值不仅反映了梁体局部刚度的大小，也是桥梁结构整体工作性能的最直观表现，是结构安全预警的重要指标，必须进行监测。

3.7 梁体位移监测

主梁体系温差以及风致振动的影响下，沿纵向将产生一定的位移值，为保证纵桥向能量的释放避免产生过大的次内力，同时考虑桥面体系的连续性，须释放梁端支座的纵向约束并在桥面布设伸缩缝装置。而在桥梁运营期间，主梁和支座在荷载作用下可视为沿纵桥向协调变形，其纵桥向位移值能够反映出伸缩缝和支座处于正常工作状态，因此应对梁体的纵向位移(伸缩缝位移)进行监测。

3.8 振动监测

振动监测桥梁主体结构的振动特性，是反映系统动力特性的关键性指标。、

3.9 墩顶倾斜

高敦在长期外在荷载作用下，可能导致桥墩柔性变形，墩顶出现偏移，影响结构安全。

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3.10 高清视频监测

本系统拟定再两线桥安装视频监测点，监测桥面表观状态及行车状况。

第四章 监测点的布设方案

表5.1大桥监测点布置表

序号 监测项目 测点数量 单位

1

2

大气温湿度

风速风向

1

1

个

个

测点位置

主跨1/2处截面

主跨1/2处截面

两边跨1/2截面、主跨1/2截面，1#敦截3 结构应变 48 个 面、2#敦截面，共5各截面，各截面梁体布置8个应变计。

4 结构温度 48 个 与应力监测点一致。

两边跨1/2截面、主跨1/2截面梁体，各5 振动 12 个 布设2个竖向振动监测点，2个横向振动监测点。

6 空间变位 2 个 主跨1/2处截面，桥头设置基点1个

两边跨1/2截面、主跨1/2截面梁体，各7 挠度 16 个 布设4个挠度监测点，另布设4个基准点。

0号桥台、3#桥台，各布设4个梁体纵向8 伸缩缝位移 20 个

位移监测点；1#敦、2# 敦各布设4个梁体纵向位移监测点，2个梁体横向位移监测点。

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9 墩顶倾斜 4 个 1#、2# 墩顶

两边跨1/2截面、主跨1/2截面，箱内各箱室各1个。

桥面适当位置布设

10 箱内温湿度 12

11

视频

合计

2

166

个

个

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图5.1大桥监测点布置图

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第五章 传感器模块

传感器的主要目的是为结构状态预警和评估以及判断桥梁结构参数变化趋势采集所需的数据，应具备以下功能：

1）能够向综合预警安全评估子系统提供数量和精度都满足要求的监测数据；

2）能够实现参量的同步监测；

3）能够满足实时监测的需要；

4）满足长期稳定监测的需要。

传感子系统将各类传感器采集到的数据信号通过专用线缆传送至采集站，是整个结构安全监测系统的关键部分，事关监测数据的准确性和可靠性，为后续的数据分析和安全评估提供数据支持，是关系到系统成败的关键。以技术先进、经济合理、性能可靠、长期稳定、满足监测要求的目的确定传感器的类型，本系统元器件、仪器设备的选型满足以下原则：

（1）先进性原则：根据监测要求，选用技术成熟、性能先进的传感器；

（2）可靠性原则：保证系统在桥梁服役环境下安全可靠运行，经济实用；

（3）耐久性原则：选用耐久性好、抗干扰强的传感器；

（4）可维护、可扩展原则：传感器易于维护和更换；

（5）监测频率适中原则：监测频率太低则小跨度桥梁的响应数据难于捕捉；监测频率过高对通信线路和数据存储、分析服务器的要求更高，造成资源浪费。

表5.2大桥传感器表（常规选型）

序号

1

监测项目

大气温湿度

压差式静力水准仪

超声波风速风向仪

测点数量

1

单位

台

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2

3

4

5

6

8

9

10

11

12

风速风向

结构应变

结构温度

振动

空间变位

挠度

伸缩缝位移

墩顶倾斜

箱内温湿度

视频

合计

大气温湿度计

光纤光栅应变计

光纤光栅温度计

光纤光栅加速度计

GNSS

压差式静力水准仪

磁致伸缩位移计

倾角计

温湿度计

高清球机

1

48

48

12

2

16

20

4

12

2

166

台

台

台

台

台

台

台

台

台

台

第六章 数据采集与传输模块

数据采集与传输子系统由分布在大桥的外场数据采集传输站和互联网网络组成，设备采用先进的成熟产品，以确保系统的稳定性、耐久性。

数据采集与传输子系统负责将传感器监测的数据采集回来，转换成数字信号，并传输到监控中心服务器，因此需要由稳定的通信网络和220V交流电源供应，建议向运营商申请专用的商业光纤，电源提请业主就近接驳。子系统实现如下功能：

1）应能在无人职守条件下24小时连续运行，满足数据长期稳定采集传输的要求，满足数据实时采集传输的需要；

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2）能将采集到的光/电信号转换成数字信号；

3）具有断电电重启功能、断网后自动连接功能以及必要时自动重启功能；

4）数据采集软件具有采集和管理功能，能对现场数据进行基本的统计运算；

5）具有远程通信和远程管理功能，系统管理员可以通过远程操作对子系统采样频率、传输频率等参数进行调整；

6）系统软件操作权限分为多级。只有系统管理员具有调整参数的操作权限，而一般的普通管理员不应被赋予上述操作权限，以保证系统安全；

7）为了与其它基于TCP/IP的设备和网络相协调，综合数据采集站信号传输网络应基于TCP/IP标准；

8）外场采集站与监控中心之间通过专用互联网传输线路实现远程通信。

6.1 数据采集模块

数据采集模块应具有两大功能，即信号处理及采集与控制。

(1)信号处理

信号处理主要包括：信号放大、信号过滤和信号转换，实现信号随机采样、触发采样、定时采样，采样时实时观察波形变化；低通，高通，带通，带阻滤波；幅域统计：描述信号的幅域特征；时域、频域分析：可对动态信号进行时域、频域范围的不同类型分析，可进行不同点数的FFT分析、相关分析。其工作原理与流程图如下：

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图5.2信号处理模块工作原理图

(2)数据采集与控制

数据采集与控制功能通过嵌入式软件实现，该软件嵌入到到前端设备或工控机中，负责数据采集（从信号处理装置中读取数字信息）、数据存储（在定时传输前暂时存储、在传输网络故障时暂时存储）、数据预处理（包括最大值、最小值、平均值、有效值、均方值、方差、标准差等值、采集控制（接受监控中心人员发出的远程指令，进行定制采集，如：改变采集频率等）。

本项目数据采集策略是：

光纤解调仪采集光纤类传感器数据，通过内部有线网络传输到工控机；

震动传感器通过强震仪采集数据或传输到工控机；

GNSS监测点和基准点数据通过无线网络传输到工控机，在工控机上运行其准用解算软件计算出测点三维空间变位数据。

视频通过光纤传输到前端硬盘刻录机，并连接工控机控制。

其它监测设备主要信号为R485/R232，主要通过串口服务器或通用的信号采集设备采集，链接现场工控机控制。

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图5.3 采集与控制工作流程图

6.2 数据传输模块

现场采集设备通过有线或无线的方式传输到现场总控制设备（工控机），前端数据整理后，统一通过有线的方式传输到后端云平台。

本项目现场主要采集传输设备清单如下：

表5.3主要采集传输设备清单

设备名称

光纤解调仪

数据综合采集仪

工业计算机

工业交换机

工业路由器

专用商业光纤

单位

台

台

台

台

台

条

数量

1

2

2

1

1

1

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野外机柜 个 1

第七章 监控中心

监控中心是监测系统的枢纽，负责接收现场监测数据，调控现场数据采集传输模块，运行数据存储与管理软件、综合报警与结构安全评估软件、用户界面软件、支持用户通过互联网访问。此次监控中心建设设备由业主提供，基本要求清单及参数如下：

表5.4监控中心主要设备清单

设备名称

服务器

工业交换机

工业路由器

专用商业光纤

室内机柜

单位

台

台

台

条

个

表5.5服务器主要技术指标

技术参数

处理器

内存

硬盘

技术指标

1个英特尔®至强®处理器E5-2630(八核2.0 GHz)

16GB

数据库服务器不小于2TB SAS

数量

2

1

1

1

1

第八章 数据存储与管理子系统

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结构监测系统中存在各个子系统、子模块的配置信息、桥梁数字化信息以及采集处理的数据，桥梁全寿命期内数据量、图形量庞大，信息的种类繁多，有多个子系统共享并互相调用数据信息，同时要支持分布式的处理与访问，也要支持多并发用户的操作，因此数据的安全性极为重要。通过建立系统的中心数据库子系统，统一管理与组织数据信息，给系统的维护与管理提供便利，也为各应用子系统提供可靠的分布式数据交换与存储平台，方便开发与使用。

数据库子系统原始信息的来源为传感器系统的监测数据。这类数据经预处理、二次预处理和后处理后进行数据压缩、信息提取和融合，可得到结构特性及荷载响应特性等实时结果，并可在此基础上建立结构“基准健康”状态数据库(包括基准值、界限值和参数相关性模型。

中心数据库子系统要求能够保障数据存储安全，系统能够长期不间断稳定工作，能够同时处理结构化及非结构化数据，能够完成数据的高速查询及视图的快速生成，支持网络分布式数据管理，支持WEB数据访问，满足开放式数据库协议等。

系统需要完成原始数据的处理并入库的功能，保存到数据库中的数据包含了某段时间监测数据的特征值，保存特征值可以方便我们对长期存储数据的统计与分析。统计报表需要对保存下的数据进行进一步的处理，剔除异常点并将处理后的数据保存到数据库中。

根据系统存储和管理海量数据和不同形式数据的需求，数据库层使用两种数据库，都是基于目前最新的nosql大数据设计理念的分布式数据库，分别为mongodb和hba，mongodb用来存储用户配置以及管养等半结构化数据，hba用于存储海量的实时监测数据。

数据备份和灾难恢复策略方面，监测系统需要长期稳定的保存各种数据，数据库管理员需要制定合理的备份数据库、恢复数据库、收缩数据日志、转移数据库的策略，以保证数据的完整及安全。

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完整和及时的数据备份是当遇有事故发生后拯救数据的最关键手段，因此也是保证数据安全的重要环节。对数据备份重视不够，数据备份设备不完好，不经常检查和定期更新数据备份介质，都可能产出无效的数据备份。

从制度措施上来说，对数据库数据备份没有健全的规章制度，数据备份策略制定的不合理，没有对数据备份介质进行可靠的存放，也会给数据安全带来隐患。

数据库管理员要经常性对数据库进行备份以保证可以实现灾难恢复，可以通过刻录光盘保存和通过大容量移动存储设备来保存。一旦监控中心服务器发生灾难性事故，便可以通过异地的数据库备份来恢复数据，减小损失。

第九章 综合预警和安全评估子系统

对结构物进行监测的目的是通过对监测数据的分析，从而进行结构安全综合预警、状态评估，进一步进行模态分析、相关性分析等，为专家远程诊断和管养决策提供可靠的数据依据。

第十章 数据分析

（1）数据异常分析

监测数据中的异常值，是指明显不符合所监测设施受力状态的监测值。处理这样的数据要借助对监测数据的平滑处理来实现，在进行异常数据的识别时，其所采用的样本点需要的时间较长，一般情况下需要可分为3天、7天、15天和30天这几个时间段。

当对这些时间段的数据进行平滑处理后，计算监测值与平滑后的数值的差值，然后对这些差值采用统计学中剔除粗差的方法进行异常数据识别：监测数据列中异常数据的识别标准有主要有三种：3σ准则、肖维准则、格拉布斯准则。鉴于肖维准则、格拉布斯准则在计算上的复杂性，再考虑到3σ准则在监测异常数据识

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别上已足够，因而，桥结构监测异常数据识别采用3σ准则进行。对于议程数据不参与预警与结构状态评估。

（2）数据统计对比分析

对于监测数据的统计对比分析主要包括两方面：一是对监测数据从统计的角度计算最大值、最小值、平均值、均方值、方差、标准差等值；二是进行对比分析：历史同期数据对比、环比、与预警阀值的对比、不同位置类似构件监测数据的对比（如左右幅应力和位移、上下游索力等）

（3）趋势分析

趋势分析需要应用统计学的回归分析理论进行，为具体应用的便利，在此进行说明。趋势模型法是根据时间序列的变化趋势，建立一个适合的数学方程来模拟时间的趋势变动，推算各时期的趋势值。长期趋势有直线型和曲线型之分。若各个时期的变化量大体相同，即各时期的增长似于一个常数时，则趋势近似于一条直线，这时可拟合于一条直线，这时可拟直线趋势方程。若各个时期的二级增长量大体相同，即各个时期的逐期增长量的增近似于一个常数，则趋势线近似于一条抛物线，可以配合抛物线方程。若现象各年(环比：现在的统计周期和上一个统计周期比较增长速度)增长速度大体相同，则近似于一条指数曲线，可以配合指数曲线方程。抛物线和指数曲线或其他曲线，都是曲线型。现实的监测中，现象发展呈曲线型是大量存在，简单的直线上升或者简单的下降的 情况则比较少见。长期趋势变动曲线可以通过建立数学模型嵌入到计算机软件中实现。

（4）重载车上桥专项分析

动态称重系统、车牌识别仪、视频和结构监测传感器联动，当重车上桥时捕捉动态数据的变化，评价不同吨位重载车对桥梁结构的影响，评价结构的承载能力和损伤。

（5）桥梁整体空间位移专项分析

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本次监测的三座桥梁都大跨度拱桥，分析桥梁整体空间变位，关注其三向位移。

第十一章 数据超限预警

当结构监测数据超过预警阀值时，系统将自动进行预警。按照《建筑与桥梁结构监测技术规范》（GB50982-2014）条文说明第三章基本规定与《公路桥梁结构安全监测系统技术规程》（JT/T1037-2016）第八章数据分析与安全预警及评估的要求，结合结构实际情况，制定本项目预警方案，主要包括预警阀值的确定、预警策略、预警形式、预警级别及对策。

（1）预警阀值的确定

预警阀值是指对结构运营环境、结构构件可能出现的不同程度异常或危险，所设定的各监测点设备的监测参数警戒值。阈值确定的基本依据：a.规范、规程的有关规定；b.细化的大型有限元参数分析结果；c.已有研究成果和专家经验。

图5.4预警阀值确定流程图

如上图：对于理论计算阈值，如仅根据设计图纸建立的有限元模型将无法准确地计算桥梁的实际响应，必须根据桥梁实测值对有限元模型进行修正。结合通用有限元程序和优化软件提出了一种模型修正方法，可方便简单地实现大型结构的模型修正。假设当参数变动较小时模型计算值对参数的灵敏度不变，研究在该假设前提下将原优化问题转化为一系列非线性优化问题的理论依据。转化后，在

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问题的反复迭代求解过程中不需重新计算灵敏度。这样不但大大降低了计算工作量，而且可结合有限元程序和数学软件对优化问题进行求解，轻松实现大型结构的模型修正。阈值的确定是一个动态过程，需要一年左右才能完全稳定。初期的阈值将根据理论计算值和规范限值确定，在运营半年左右，阈值的确定将根据理论计算值、规范限值和长期统计值确定，承建单位应根据实际情况予以更新。

（2）预警策略

为了避免频繁的错误报警。在对数据统计分析的基础上，指定嘞 综合预警策略：

报错：单个传感器数据达到预警阀值时报错，半小时以上无数据时报错；

截面预警：一个截面两个及以上传感器达到预警阀值则进行报警；

类别预警：一类传感器两个及以上传感器达到预警阀值则进行报警。

综合报警：在截面报警和类别报警同时发生时进行综合报警。

（3）预警形式

预警形式采取用户界提示、发送预警短信、形成预警记录三种形式：

1）用户界面显示

在用户界面各测点以绿、黄、红颜色显示，对应测点处于正常、二级预警、以及预警状态，点击显示数据趋势线及数据列表。

2）发送预警短信

不同级别预警信息向设定的不同人员发送预警短信（指定人员电话在系统管理功能中可以设置及调整），短信内容包括：报警传感器类型、编号、位置、异常指标及数据、发生的时间，处理建议。

截面预警和类别预警、综合预警信息报送给业主单位、管养单位指定人员。

单个传感器报错信息报送给设备维修保养单位指定技术人员，进行排查。

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3）预警记录

系统自动生成预警历史记录以供长期查询，内容包括：报警传感器类型、编号、位置、异常指标及数据、发生的时间，处理建议，处理结果，已发送短信的手机号码，报警功能的暂停及推送按钮。

（4）预警级别及应对

预警分为三级：达到预警阀值的70%、100%分别进行黄色预警和红色预警，低于预警阀值的70%时不报警。预警阀值在系统管理功能中可进行设置和调整。三级预警指标如下表。

表5.6预警阀值分级表

序号

1

2

3

评判标准

Sm70%SSLS

70%SSLSSm100%SSLS

状态

绿色

黄色

红色

预警级别

不预警

二级预警

一级预警

100%SSLSSm

当监测数据处于正常状态时不预警，正常巡视即可；

当监测数据处于黄色预警状态时，应加强关注，结合人工巡检资料对照分析，查找问题；

当监测数据处于红色预警状态时，需要密切关注，人工复核数据，必要时进行专项检查。

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图5.5预警响应工作流程图

第十二章 结构状态评估

（1）桥梁结构状态评估方法

结构状态评估是监测系统的最终成果体现，也是结构安全监测中技术难度最大的部分，既需要熟悉对大桥结构特性，也需要对传感器测试数据有深刻的认识。目前主要使用的分析方法包括：模型对比法；统计分析趋势评估法；基于结构振动的评估方法；变权层次分析法等。

我单位在长期的监测实践项目中积累了大量的经验，并开展了多种技术的深入研究，逐步建立了一套以监测数据及结构力学模型分析为基础，以变权综合层次分析法为核心的较成熟的评估方法和思路。变权层次分析方法的主要思路是：参考桥梁检测构建评分的方法，首先通过对结构的解析确定评估内容和层次，构造评估模型；第二根据专家意见和经验在评估模型输入评估项进行综合，从而得到结构各指标在整体评估中所占的比重，以确定权重；最后将指标评分和指标权重输入到变权综合模式中进行整体结构的安全评估。

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图5.6变权层次分析法工作流程图

（2）桥梁结构状态评估报告

桥梁结构状态评估报告分为在线评估报告和离线评估报告。在线评估报告根据上述评估办法，编制评估软件，按期自动生成评估报告，对桥梁构件进行评分，从而得到桥梁的总体评分。

离线评估报告分为正常状态评估报告和突发事件状态评估报告，由桥梁专业人员根据监测数据，结合人工巡检、定期检测、特殊检测资料，并进行实地勘察调研得出，分别评估系统的可靠性、桥梁结构的安全性和耐久性。离线评估报告暂时不包含在本项目中。

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