中國工程院院士 杜彥良

 

    信息通信技術(shù)的運(yùn)用，為今后大型工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)和其他發(fā)展創(chuàng)造了很好的基礎(chǔ)。互聯(lián)網(wǎng)+結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)對(duì)整個(gè)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(gè)人密切相關(guān)。由于自然災(zāi)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(gè)結(jié)構(gòu)造成損毀會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失，會(huì)產(chǎn)生對(duì)生命財(cái)產(chǎn)的損失。因此大型結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)與我們每個(gè)人息息相關(guān)，也將成為各個(gè)領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)。

 

結(jié)構(gòu)安全保障面臨的問題

交通運(yùn)輸是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大動(dòng)脈，在當(dāng)今的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展過程中起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)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(shè)，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(chǔ)設(shè)施起著相當(dāng)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(dá)到1.9萬公里，軌道交通在22個(gè)城市建成95條，達(dá)到3173公里，到2020年預(yù)計(jì)達(dá)到超過6000公里，而且隨著我國城市建設(shè)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(chǔ)設(shè)施的安全保障面臨著問題。建國后的第一個(gè)高峰期到現(xiàn)在已經(jīng)超過50多年，到上世紀(jì)90年代是第二個(gè)建設(shè)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(chǔ)設(shè)施將迎來安全期的爆發(fā)期。如何從根本上解決這個(gè)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(gè)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(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)，包括技術(shù)理論和裝備的研發(fā)。

 

從鐵道系統(tǒng)，因?yàn)槲覈F道系統(tǒng)發(fā)展迅猛，特別是高速鐵路，如何保證整個(gè)全線運(yùn)營安全也是當(dāng)前和未來發(fā)展的重點(diǎn)，這里面主要是對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施重大工程結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)的安全性和發(fā)展進(jìn)行實(shí)時(shí)掌控。其次是在運(yùn)行過程中事故起件、突發(fā)災(zāi)害的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，以保障全線運(yùn)營安全。

 

工業(yè)和信息化部對(duì)信息感知、信息傳輸、信息處理、信息安全方面開展的各項(xiàng)行動(dòng)為今后大型工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)和發(fā)展創(chuàng)造了很好的基礎(chǔ)。兩化融合為大型交通基礎(chǔ)設(shè)施、為大型交通工程的安全性進(jìn)一步提供了保障。

 

健康結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合

對(duì)一個(gè)大型工程結(jié)構(gòu)來說，從它的設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)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(cè)，在運(yùn)用過程中連續(xù)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)掌握其健康狀態(tài)。從測(cè)試分析到結(jié)構(gòu)安全評(píng)估，對(duì)結(jié)構(gòu)的維護(hù)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(duì)結(jié)構(gòu)也建立了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

 

這個(gè)系統(tǒng)分為四部分，一是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用什么樣的傳感技術(shù)能夠完整、長期、準(zhǔn)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(shí)時(shí)、快速傳到監(jiān)控中心；三是對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理，對(duì)它的損傷程度、損傷位置進(jìn)行識(shí)別，做出判斷；四是養(yǎng)護(hù)維修。這很好地體現(xiàn)了健康結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)與互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合。

 

依據(jù)結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)的需求以及當(dāng)今科技手段，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)狀態(tài)數(shù)字化和信息化，推動(dòng)主動(dòng)式養(yǎng)護(hù)與管理進(jìn)步，有效提高和保障結(jié)構(gòu)運(yùn)營的檢測(cè)、養(yǎng)護(hù)和管理水平，降低全壽命期運(yùn)營安全風(fēng)險(xiǎn)，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(cè)，從上個(gè)世紀(jì)末開始便開展健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究，雖然時(shí)間短，但是發(fā)展快，隨著我國大批大型工程建設(shè)，大型交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)如何保證結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，如何保證運(yùn)營安全成為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的任務(wù)。

 

健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有四個(gè)方面：一是為結(jié)構(gòu)長期科學(xué)有序的監(jiān)測(cè)、巡檢、養(yǎng)護(hù)、管理提供一個(gè)數(shù)據(jù)平臺(tái)，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(xiǎn)狀態(tài)，在結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)萌芽階段提前預(yù)警，確保安全，特別是鐵路，要實(shí)時(shí)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(yùn)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(shì)，為養(yǎng)護(hù)決策提供數(shù)據(jù)與信息支持；

 

四是有效掌握交通基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營期的運(yùn)行狀態(tài)，為突發(fā)狀態(tài)時(shí)提供數(shù)據(jù)保障。

 

從宏觀上，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要目標(biāo)是為結(jié)構(gòu)安全、設(shè)計(jì)校核、養(yǎng)護(hù)維修和監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展提供服務(wù)。從技術(shù)細(xì)節(jié)和實(shí)現(xiàn)要求來說，健康檢測(cè)系統(tǒng)首先要具備足夠的傳感測(cè)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(duì)結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估與健康診斷。健康監(jiān)測(cè)的任務(wù)包括了對(duì)結(jié)構(gòu)模型的修正與分析，對(duì)損傷的模型定位，對(duì)結(jié)構(gòu)將來的影響，同時(shí)要對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性發(fā)出實(shí)時(shí)預(yù)警預(yù)報(bào)。

 

實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)是跨學(xué)科、多領(lǐng)域的綜合技術(shù)，涉及到土木工程、材料學(xué)、傳感技術(shù)、測(cè)試技術(shù)、信號(hào)分析、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等，所以結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展和通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展緊密相關(guān)。

 

“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代的結(jié)構(gòu)健康

未來我們的目標(biāo)是以結(jié)構(gòu)運(yùn)營安全與維護(hù)為服務(wù)對(duì)象，以現(xiàn)代化監(jiān)測(cè)全息、泛在、智能為要求，以結(jié)構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，以提供專業(yè)化的海量數(shù)據(jù)計(jì)算服務(wù)為平臺(tái)，這是對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的拓展，以促進(jìn)建設(shè)形態(tài)與養(yǎng)護(hù)模式的創(chuàng)新與改進(jìn)。有了這個(gè)方案后我們就可以實(shí)時(shí)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(cè)系統(tǒng)特征將明顯，主要表現(xiàn)在四個(gè)方面。

 

一是隨著結(jié)構(gòu)建設(shè)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(cè)系統(tǒng)傳感網(wǎng)絡(luò)的采集、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量接近海量，同時(shí)新型機(jī)動(dòng)車輛的檢測(cè)對(duì)階段數(shù)據(jù)類型不斷豐富將出現(xiàn)大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，也就是說我們將會(huì)長期、完整地獲取各結(jié)構(gòu)的信息，對(duì)信息的處理成為今后面對(duì)的問題。

 

二是在健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域管理者最關(guān)注的是及時(shí)掌握結(jié)構(gòu)的異常狀態(tài)、安全狀態(tài)，必要的時(shí)候要對(duì)它進(jìn)行維護(hù)和管理，根本就是基于對(duì)于數(shù)據(jù)規(guī)律的挖掘，有助于充分利用數(shù)據(jù)價(jià)值，所以說大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)將為科學(xué)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(diǎn)。

 

三是設(shè)計(jì)和研究者將關(guān)注與結(jié)構(gòu)運(yùn)營時(shí)的荷載與響應(yīng)是否與設(shè)計(jì)相一致。過去研究是在實(shí)驗(yàn)室建立的小模型，現(xiàn)在如果有了實(shí)時(shí)的對(duì)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)，我們每一個(gè)結(jié)構(gòu)物都是我們的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、?shí)驗(yàn)實(shí)體、研究對(duì)象，這就可以及時(shí)提升結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性，而且結(jié)構(gòu)與經(jīng)濟(jì)的平衡更好，保證結(jié)構(gòu)壽命更長，找到平衡點(diǎn)。

 

四是在多結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析需求形成規(guī)模時(shí)，專業(yè)數(shù)據(jù)分析中心的云計(jì)算系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)分析與共享服務(wù)將會(huì)質(zhì)優(yōu)而價(jià)廉。隨著信息系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供廉價(jià)的服務(wù)成為可能，基于數(shù)據(jù)的服務(wù)業(yè)更具針對(duì)性和準(zhǔn)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(cè)將對(duì)整個(gè)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(huì)·河北峰會(huì)”上的演講整理而成）