大型結構健康監測與“互聯網

2015-07-27 09:20:49 大云網　點擊量：評論 (0)

中國工程院院士杜彥良信息通信技術的運用，為今后大型工程結構監測和其他發展創造了很好的基礎。互聯網+結構的健康監測對整個大型結構未來的安全性、可靠性將起到很好的作用。高層建筑、空間結構、大型橋梁

中國工程院院士杜彥良

信息通信技術的運用，為今后大型工程結構監測和其他發展創造了很好的基礎。互聯網+結構的健康監測對整個大型結構未來的安全性、可靠性將起到很好的作用。

高層建筑、空間結構、大型橋梁、大型交通樞紐、大壩、長道隧道都是大型結構，這些大型結構的安全性、可靠性與我們每個人密切相關。由于自然災害、人為因素，或者是結構本身的性能、突發事件屢有發生，一旦某個結構造成損毀會造成經濟損失，會產生對生命財產的損失。因此大型結構的健康狀態與我們每個人息息相關，也將成為各個領域關注的重點。

結構安全保障面臨的問題

交通運輸是國民經濟的基礎產業，是經濟發展的大動脈，在當今的經濟社會發展過程中起著至關重要的作用。當前，從國家提出的發展戰略就是以京津冀城市群為代表的五大城市群建設，包括國家“一帶一路”和中國高鐵“走出去”的發展戰略，在這里面提的至關重要的問題就是交通基礎設施起著相當大的作用。

目前，我國公路交通從建國初18.74萬公里已發展到現在的370萬公里。鐵路由建國初的2.2萬公里發展到現在12萬公里，其中，高鐵今年年底將達到1.9萬公里，軌道交通在22個城市建成95條，達到3173公里，到2020年預計達到超過6000公里，而且隨著我國城市建設的發展多制式軌道交通也在我國迅速發展。

但交通基礎設施的安全保障面臨著問題。建國后的第一個高峰期到現在已經超過50多年，到上世紀90年代是第二個建設的高峰期，雖然年限不長，但是由于施工速度快，不合理的工期、不合理的質量、不合理的合同，造成一些工程質量的短缺，所以事故頻繁發生，我國交通基礎設施將迎來安全期的爆發期。如何從根本上解決這個問題是現在需要探索的。

我國高度重視結構健康狀態的發展，從國家中長期發展規劃層面制定了多個措施保證安全狀態。一是在結構安全期的狀態如何保障。二是如何進行監測和預報，包括技術理論和裝備的研發。

從鐵道系統，因為我國鐵道系統發展迅猛，特別是高速鐵路，如何保證整個全線運營安全也是當前和未來發展的重點，這里面主要是對交通基礎設施重大工程結構的健康狀態的安全性和發展進行實時掌控。其次是在運行過程中事故起件、突發災害的狀態進行監控，以保障全線運營安全。

工業和信息化部對信息感知、信息傳輸、信息處理、信息安全方面開展的各項行動為今后大型工程結構監測和發展創造了很好的基礎。兩化融合為大型交通基礎設施、為大型交通工程的安全性進一步提供了保障。

健康結構監測與互聯網結合

對一個大型工程結構來說，從它的設計、建造、運營到損傷、老化是全壽命周期過程，為保障其安全性，我們采取了在使用過程中監測，在運用過程中連續監測，實時掌握其健康狀態。從測試分析到結構安全評估，對結構的維護形成完整的全壽命過程的保障，如同醫生給人看病一樣，我們對結構也建立了健康監測系統。

這個系統分為四部分，一是監測系統，采用什么樣的傳感技術能夠完整、長期、準確、連續地獲得信息；二是信息的處理與傳輸部分，這部分保證信息實時、快速傳到監控中心；三是對數據的分析處理，對它的損傷程度、損傷位置進行識別，做出判斷；四是養護維修。這很好地體現了健康結構監測與互聯網的結合。

依據結構養護的需求以及當今科技手段，實現結構狀態數字化和信息化，推動主動式養護與管理進步，有效提高和保障結構運營的檢測、養護和管理水平，降低全壽命期運營安全風險，延長安全使用壽命意義重大。

我國高度重視大型結構的健康監測，從上個世紀末開始便開展健康監測系統的研究，雖然時間短，但是發展快，隨著我國大批大型工程建設，大型交通基礎設施的建設如何保證結構的質量，如何保證運營安全成為結構健康監測的任務。

健康監測系統有四個方面：一是為結構長期科學有序的監測、巡檢、養護、管理提供一個數據平臺，建立結構長期的數字化和信息化檔案；

二是盡早發現結構自身或行車過程中的危險狀態，在結構危險萌芽階段提前預警，確保安全，特別是鐵路，要實時提前發現事故隱患，提前排除確保安全；

三是有效掌控運行期間結構的局部或整體長期使用狀態和發展趨勢，為養護決策提供數據與信息支持；

四是有效掌握交通基礎設施運營期的運行狀態，為突發狀態時提供數據保障。

從宏觀上，結構健康監測系統的主要目標是為結構安全、設計校核、養護維修和監測技術發展提供服務。從技術細節和實現要求來說，健康檢測系統首先要具備足夠的傳感測試能力。其次要具備數據采集和傳輸能力，這就與互聯網相關。三要對結構的安全評估與健康診斷。健康監測的任務包括了對結構模型的修正與分析，對損傷的模型定位，對結構將來的影響，同時要對結構的安全性發出實時預警預報。

實時健康監測是跨學科、多領域的綜合技術，涉及到土木工程、材料學、傳感技術、測試技術、信號分析、計算機技術以及網絡通信技術等，所以結構健康監測系統的發展和通信及網絡技術的發展緊密相關。

“互聯網+”時代的結構健康

未來我們的目標是以結構運營安全與維護為服務對象，以現代化監測全息、泛在、智能為要求，以結構物聯網為基礎，以提供專業化的海量數據計算服務為平臺，這是對現有結構健康監測系統的拓展，以促進建設形態與養護模式的創新與改進。有了這個方案后我們就可以實時掌控大型結構的狀態并按需維修，這也大大減少了投入。

“互聯網+”下的結構監測系統特征將明顯，主要表現在四個方面。

一是隨著結構建設規模的越來越大，結構建筑物數量越來越多，組成監測系統傳感網絡的采集、傳輸的數據量接近海量，同時新型機動車輛的檢測對階段數據類型不斷豐富將出現大數據的特點，也就是說我們將會長期、完整地獲取各結構的信息，對信息的處理成為今后面對的問題。

二是在健康監測領域管理者最關注的是及時掌握結構的異常狀態、安全狀態，必要的時候要對它進行維護和管理，根本就是基于對于數據規律的挖掘，有助于充分利用數據價值，所以說大數據和互聯網將為科學研究提供新一步的途徑。這是我們今后研究和發展的重點。

三是設計和研究者將關注與結構運營時的荷載與響應是否與設計相一致。過去研究是在實驗室建立的小模型，現在如果有了實時的對結構的監測，我們每一個結構物都是我們的實驗模型、實驗實體、研究對象，這就可以及時提升結構設計的安全性，而且結構與經濟的平衡更好，保證結構壽命更長，找到平衡點。

四是在多結構健康監測數據分析需求形成規模時，專業數據分析中心的云計算系統提供的數據分析與共享服務將會質優而價廉。隨著信息系統和互聯網的發展，為監測系統提供廉價的服務成為可能，基于數據的服務業更具針對性和準確性，智能化和智慧化系統特性將更為顯著，使未來的智慧城市成為可能。

“互聯網+”的未來大有可能，互聯網+結構的健康監測將對整個大型結構未來的安全性、可靠性將起到很好的作用。

（以上內容系根據杜彥良院士在“2015中國互聯網+創新大會·河北峰會”上的演講整理而成）