大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與“互聯(lián)網(wǎng)

2015-07-27 09:20:49 大云網(wǎng)　點擊量：評論 (0)

中國工程院院士杜彥良信息通信技術(shù)的運用，為今后大型工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測和其他發(fā)展創(chuàng)造了很好的基礎。互聯(lián)網(wǎng)+結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測對整個大型結(jié)構(gòu)未來的安全性、可靠性將起到很好的作用。高層建筑、空間結(jié)構(gòu)、大型橋梁

大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與“互聯(lián)網(wǎng)

中國工程院院士杜彥良

信息通信技術(shù)的運用，為今后大型工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測和其他發(fā)展創(chuàng)造了很好的基礎。互聯(lián)網(wǎng)+結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測對整個大型結(jié)構(gòu)未來的安全性、可靠性將起到很好的作用。

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

結(jié)構(gòu)安全保障面臨的問題

交通運輸是國民經(jīng)濟的基礎產(chǎn)業(yè)，是經(jīng)濟發(fā)展的大動脈，在當今的經(jīng)濟社會發(fā)展過程中起著至關(guān)重要的作用。當前，從國家提出的發(fā)展戰(zhàn)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(fā)展戰(zhàn)略，在這里面提的至關(guān)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(fā)展到現(xiàn)在的370萬公里。鐵路由建國初的2.2萬公里發(fā)展到現(xiàn)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(fā)展多制式軌道交通也在我國迅速發(fā)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(xiàn)在已經(jīng)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(zhì)量、不合理的合同，造成一些工程質(zhì)量的短缺，所以事故頻繁發(fā)生，我國交通基礎設施將迎來安全期的爆發(fā)期。如何從根本上解決這個問題是現(xiàn)在需要探索的。

我國高度重視結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的發(fā)展，從國家中長期發(fā)展規(guī)劃層面制定了多個措施保證安全狀態(tài)。一是在結(jié)構(gòu)安全期的狀態(tài)如何保障。二是如何進行監(jiān)測和預報，包括技術(shù)理論和裝備的研發(fā)。

從鐵道系統(tǒng)，因為我國鐵道系統(tǒng)發(fā)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(fā)展的重點，這里面主要是對交通基礎設施重大工程結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)的安全性和發(fā)展進行實時掌控。其次是在運行過程中事故起件、突發(fā)災害的狀態(tài)進行監(jiān)控，以保障全線運營安全。

工業(yè)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(jié)構(gòu)監(jiān)測和發(fā)展創(chuàng)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(jié)構(gòu)監(jiān)測與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合

對一個大型工程結(jié)構(gòu)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(jiān)測，在運用過程中連續(xù)監(jiān)測，實時掌握其健康狀態(tài)。從測試分析到結(jié)構(gòu)安全評估，對結(jié)構(gòu)的維護形成完整的全壽命過程的保障，如同醫(yī)生給人看病一樣，我們對結(jié)構(gòu)也建立了健康監(jiān)測系統(tǒng)。

這個系統(tǒng)分為四部分，一是監(jiān)測系統(tǒng)，采用什么樣的傳感技術(shù)能夠完整、長期、準確、連續(xù)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(jiān)控中心；三是對數(shù)據(jù)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(yǎng)護維修。這很好地體現(xiàn)了健康結(jié)構(gòu)監(jiān)測與互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合。

依據(jù)結(jié)構(gòu)養(yǎng)護的需求以及當今科技手段，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)狀態(tài)數(shù)字化和信息化，推動主動式養(yǎng)護與管理進步，有效提高和保障結(jié)構(gòu)運營的檢測、養(yǎng)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(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測，從上個世紀末開始便開展健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究，雖然時間短，但是發(fā)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(jié)構(gòu)的質(zhì)量，如何保證運營安全成為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的任務。

健康監(jiān)測系統(tǒng)有四個方面：一是為結(jié)構(gòu)長期科學有序的監(jiān)測、巡檢、養(yǎng)護、管理提供一個數(shù)據(jù)平臺，建立結(jié)構(gòu)長期的數(shù)字化和信息化檔案；

二是盡早發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)自身或行車過程中的危險狀態(tài)，在結(jié)構(gòu)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(fā)現(xiàn)事故隱患，提前排除確保安全；

三是有效掌控運行期間結(jié)構(gòu)的局部或整體長期使用狀態(tài)和發(fā)展趨勢，為養(yǎng)護決策提供數(shù)據(jù)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(tài)，為突發(fā)狀態(tài)時提供數(shù)據(jù)保障。

從宏觀上，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的主要目標是為結(jié)構(gòu)安全、設計校核、養(yǎng)護維修和監(jiān)測技術(shù)發(fā)展提供服務。從技術(shù)細節(jié)和實現(xiàn)要求來說，健康檢測系統(tǒng)首先要具備足夠的傳感測試能力。其次要具備數(shù)據(jù)采集和傳輸能力，這就與互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)。三要對結(jié)構(gòu)的安全評估與健康診斷。健康監(jiān)測的任務包括了對結(jié)構(gòu)模型的修正與分析，對損傷的模型定位，對結(jié)構(gòu)將來的影響，同時要對結(jié)構(gòu)的安全性發(fā)出實時預警預報。

實時健康監(jiān)測是跨學科、多領(lǐng)域的綜合技術(shù)，涉及到土木工程、材料學、傳感技術(shù)、測試技術(shù)、信號分析、計算機技術(shù)以及網(wǎng)絡通信技術(shù)等，所以結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展和通信及網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展緊密相關(guān)。

“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的結(jié)構(gòu)健康

未來我們的目標是以結(jié)構(gòu)運營安全與維護為服務對象，以現(xiàn)代化監(jiān)測全息、泛在、智能為要求，以結(jié)構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)為基礎，以提供專業(yè)化的海量數(shù)據(jù)計算服務為平臺，這是對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的拓展，以促進建設形態(tài)與養(yǎng)護模式的創(chuàng)新與改進。有了這個方案后我們就可以實時掌控大型結(jié)構(gòu)的狀態(tài)并按需維修，這也大大減少了投入。

“互聯(lián)網(wǎng)+”下的結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)特征將明顯，主要表現(xiàn)在四個方面。

一是隨著結(jié)構(gòu)建設規(guī)模的越來越大，結(jié)構(gòu)建筑物數(shù)量越來越多，組成監(jiān)測系統(tǒng)傳感網(wǎng)絡的采集、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量接近海量，同時新型機動車輛的檢測對階段數(shù)據(jù)類型不斷豐富將出現(xiàn)大數(shù)據(jù)的特點，也就是說我們將會長期、完整地獲取各結(jié)構(gòu)的信息，對信息的處理成為今后面對的問題。

二是在健康監(jiān)測領(lǐng)域管理者最關(guān)注的是及時掌握結(jié)構(gòu)的異常狀態(tài)、安全狀態(tài)，必要的時候要對它進行維護和管理，根本就是基于對于數(shù)據(jù)規(guī)律的挖掘，有助于充分利用數(shù)據(jù)價值，所以說大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)將為科學研究提供新一步的途徑。這是我們今后研究和發(fā)展的重點。

三是設計和研究者將關(guān)注與結(jié)構(gòu)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(xiàn)在如果有了實時的對結(jié)構(gòu)的監(jiān)測，我們每一個結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設計的安全性，而且結(jié)構(gòu)與經(jīng)濟的平衡更好，保證結(jié)構(gòu)壽命更長，找到平衡點。

四是在多結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)分析需求形成規(guī)模時，專業(yè)數(shù)據(jù)分析中心的云計算系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)分析與共享服務將會質(zhì)優(yōu)而價廉。隨著信息系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，為監(jiān)測系統(tǒng)提供廉價的服務成為可能，基于數(shù)據(jù)的服務業(yè)更具針對性和準確性，智能化和智慧化系統(tǒng)特性將更為顯著，使未來的智慧城市成為可能。

“互聯(lián)網(wǎng)+”的未來大有可能，互聯(lián)網(wǎng)+結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測將對整個大型結(jié)構(gòu)未來的安全性、可靠性將起到很好的作用。

（以上內(nèi)容系根據(jù)杜彥良院士在“2015中國互聯(lián)網(wǎng)+創(chuàng)新大會·河北峰會”上的演講整理而成）