中交路橋科技是從事工程檢測(cè)監(jiān)測(cè)、城市安全監(jiān)測(cè)預(yù)警與評(píng)價(jià)、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。
非常高興能夠參加這次大會(huì)的報(bào)告學(xué)習(xí)。我匯報(bào)的題目是《大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與互聯(lián)網(wǎng)+》。因?yàn)榍疤靹倓偨拥酱髸?huì)通知讓我做一個(gè)學(xué)習(xí)匯報(bào)，昨天加班寫(xiě)了一個(gè)匯報(bào)稿，可能不能達(dá)到大家的要求，希望大家能夠原諒。
我們把高層建筑、空間結(jié)構(gòu)、大型橋梁、大型交通樞紐、大壩、長(zhǎng)道隧道都作為大型結(jié)構(gòu)，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)害或人為因素，或者是結(jié)構(gòu)本身的性能、突發(fā)事件屢有發(fā)生，一旦某一個(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。所以說(shuō)如何掌握大型結(jié)構(gòu)，它的健康狀態(tài)與我們每個(gè)人息息相關(guān)，成為各個(gè)領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)。
所以我今天就把大型結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)與互聯(lián)網(wǎng)+做一個(gè)匯報(bào)交流。分三個(gè)方面：一是結(jié)構(gòu)安全保障面臨的問(wèn)題;二是結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)與互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系;三是“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代的結(jié)構(gòu)健康。
因?yàn)榻煌ㄟ\(yùn)輸是國(guó)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(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。我們當(dāng)前從國(guó)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(guó)家“一帶一路”和中國(guó)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(wèn)題就是交通基礎(chǔ)設(shè)施起著相當(dāng)大的作用。
目前，我國(guó)公路交通從建國(guó)初18.74萬(wàn)公里已經(jīng)發(fā)展到現(xiàn)在的370萬(wàn)公里;我國(guó)鐵路由建國(guó)初的2.2萬(wàn)公里發(fā)展到現(xiàn)在的12萬(wàn)公里;而高鐵去年已經(jīng)發(fā)展到1.6萬(wàn)公里，今年年底將達(dá)到1.9萬(wàn)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(guò)6000公里，而且隨著我國(guó)城市建設(shè)的發(fā)展多制式軌道交通也在我國(guó)迅速發(fā)展。
但其中交通基礎(chǔ)設(shè)施的安全保障面臨著問(wèn)題，一個(gè)是建國(guó)后的第一個(gè)高峰期到現(xiàn)在已經(jīng)超過(guò)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(zhǎng)，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，所以說(shuō)事故頻繁發(fā)生。由于這兩個(gè)原因我們交通基礎(chǔ)設(shè)施將迎來(lái)安全期的爆發(fā)期。雖然大家都非常重視，但是如何從根本上解決這個(gè)問(wèn)題現(xiàn)在是需要探索的。
這里面有兩大因素：一是自然災(zāi)害、二是人為因素。自然災(zāi)害是突發(fā)的，人為因素是與我們的思想觀念、素質(zhì)管理、政策法規(guī)相關(guān)。所以這兩個(gè)因素導(dǎo)致我們一些突發(fā)事件的發(fā)生。
那么我們?nèi)绾握瓶亟Y(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)呢?這個(gè)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)現(xiàn)在是什么樣呢?我們?nèi)绾畏乐文?這樣我們就要實(shí)時(shí)了解結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。
從國(guó)家來(lái)說(shuō)，高度重視結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的發(fā)展，從國(guó)家中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃來(lái)說(shuō)制定了多個(gè)措施保證安全狀態(tài)，最關(guān)鍵的是幾個(gè)方面，一個(gè)是在在結(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)。第二個(gè)問(wèn)題是交通部，交通部也在對(duì)各種重大工程結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，這里面的第一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題就是實(shí)時(shí)掌控結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)它的事故隱患，及時(shí)采取措施。包括自然災(zāi)害的立體檢測(cè)、預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)，這塊是交通部近年來(lái)的重大課題。
從鐵道系統(tǒng)，因?yàn)槲覈?guó)鐵道系統(tǒng)發(fā)展迅猛，特別是高速鐵路的迅猛發(fā)展，如何保證整個(gè)全線運(yùn)營(yíng)安全也是當(dāng)今和未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)，這里面主要是對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施的重大工程結(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。第二是在運(yùn)行過(guò)程中事故起件、突發(fā)災(zāi)害的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。比如地震突發(fā)時(shí)如何提前捕捉它的信息，提前導(dǎo)致列車(chē)緊急制動(dòng)。比如日本提前15秒獲得地震信息提前緊急制動(dòng)避免生命財(cái)產(chǎn)的損失，所以說(shuō)這塊也是我們研發(fā)的重點(diǎn)。
工信部在中長(zhǎng)期和十二五以來(lái)對(duì)信息的感知、信息傳輸、信息處理、信息安全方面開(kāi)展行動(dòng)，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)。目前信息化、工業(yè)化兩化的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。
對(duì)一個(gè)大型工程結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，從它的設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營(yíng)到損傷、老化是全壽命的，全壽命過(guò)程中如何保障它的安全性，我們采取了在使用過(guò)程中的監(jiān)測(cè)，在運(yùn)用過(guò)程中的連續(xù)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)掌握它的健康狀態(tài)。從測(cè)試分析到結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估，對(duì)結(jié)構(gòu)的維護(hù)形成完整的全壽命過(guò)程的保障，就像醫(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)。
我們一般分成三大部分，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(zhǎng)期、準(zhǔn)確、連續(xù)地獲得信息;二是信息的處理與傳輸部分，這部分保證對(duì)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)維修進(jìn)行修護(hù)，這就構(gòu)成我們結(jié)構(gòu)的安全系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)涉及到多學(xué)科，既包含對(duì)結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)人員，也涉及到計(jì)算機(jī)信息處理的人員，這塊健康結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)與互聯(lián)網(wǎng)就結(jié)合起來(lái)了。
這樣的話依據(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(yíng)的檢測(cè)、養(yǎng)護(hù)和管理水平，降低全壽命期運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)安全使用壽命意義重大。一個(gè)工程結(jié)構(gòu)我們百年設(shè)計(jì)，如何在百年過(guò)程中保障安全，延長(zhǎng)使用壽命就是我們當(dāng)前所需要做的重要工作。
從國(guó)外來(lái)說(shuō)，高度重視大型結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)，從上個(gè)世紀(jì)一路走在我們國(guó)家的前面，比如這是從美國(guó)、法國(guó)、日本、丹麥等國(guó)建的一些特大橋梁的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，來(lái)實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)運(yùn)行的安全狀態(tài)，實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)自然災(zāi)害突發(fā)后對(duì)結(jié)構(gòu)的影響確保它的運(yùn)營(yíng)安全。
我們國(guó)家從上個(gè)世紀(jì)末也開(kāi)始開(kāi)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(guó)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(yíng)安全成為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的任務(wù)。
健康系統(tǒng)的主要有四個(gè)方面：一是為結(jié)構(gòu)長(zhǎng)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(zhǎng)期的數(shù)字化和信息化檔案。過(guò)去是人為管理，對(duì)結(jié)構(gòu)不了解、不掌握;
二是盡早發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)自身或者行車(chē)過(guò)程中的危險(xiǎn)狀態(tài)，在結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)萌芽階段時(shí)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(zhǎng)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(yíng)期在的運(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)：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(lái)說(shuō)，健康檢測(cè)系統(tǒng)是具備足夠的船干測(cè)試能力;二是具備數(shù)據(jù)采集和傳輸能力，這就與互聯(lián)網(wǎng)相關(guān);三是需要對(duì)結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估與健康診斷，首先是對(duì)結(jié)構(gòu)模型的修正與分析，對(duì)損傷的模型定位，損傷發(fā)生在什么地方，對(duì)結(jié)構(gòu)將來(lái)有什么影響，同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性發(fā)出實(shí)時(shí)預(yù)警預(yù)報(bào)。這就是健康監(jiān)測(cè)的任務(wù)。
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)，將涉及到土木工程、動(dòng)力學(xué)、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)等等，所以結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展以致于通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展緊密相關(guān)。
我校在健康監(jiān)測(cè)中的研究對(duì)大型工程結(jié)構(gòu)建立了相應(yīng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。比如這是結(jié)合我國(guó)蕪湖長(zhǎng)江大橋、武漢長(zhǎng)江大橋等建立了一套監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)，一個(gè)是小集中式分測(cè)系統(tǒng)二是遠(yuǎn)范圍的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，掌握它的運(yùn)行狀態(tài)和每一個(gè)結(jié)構(gòu)的健康狀況?？梢赃m用于多個(gè)工程結(jié)構(gòu)，滿足不同規(guī)模、不同類(lèi)型的健康監(jiān)測(cè)內(nèi)容，從而很好地解決了結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的問(wèn)題。
比如這是蕪湖長(zhǎng)江大橋系統(tǒng)，這是我國(guó)第一個(gè)大跨矮塔長(zhǎng)江大橋，為了保證結(jié)構(gòu)安全建立了長(zhǎng)期的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，現(xiàn)在已經(jīng)建立了15年，當(dāng)時(shí)是30個(gè)人員配備，現(xiàn)在減到15個(gè)人。武漢長(zhǎng)江大橋是50年代建設(shè)的一座50多年的老橋，發(fā)行了11次大型船舶撞擊事故，每次都會(huì)進(jìn)行封橋進(jìn)行監(jiān)測(cè)，建立了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以后2011年有一個(gè)萬(wàn)噸級(jí)撞擊到七好柱，在撞擊過(guò)程中實(shí)時(shí)掌握結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)，發(fā)生預(yù)警，對(duì)整個(gè)橋梁維護(hù)和運(yùn)營(yíng)起到了保障作用。
同時(shí)，對(duì)一些長(zhǎng)大隧道的施工過(guò)程和運(yùn)營(yíng)安全也建立了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。對(duì)我國(guó)第一條大型的秦皇島到大秦的大秦線進(jìn)行了廣域監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)東北世界第一條哈大鐵路進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)路基狀態(tài)進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為運(yùn)行安全提供安全保障。對(duì)青藏鐵路是我國(guó)建立的第一條高寒高原鐵路，在海拔4000米以上，有550公里的凍土區(qū)，人工監(jiān)測(cè)是不可能的，我們?cè)诟吆咴辖⒘说谝粭l長(zhǎng)期自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，人民日?qǐng)?bào)報(bào)道為青藏鐵路安裝了千里眼，為青藏鐵路的運(yùn)營(yíng)安全提供了技術(shù)保障。
通過(guò)上述的研究，我們現(xiàn)在分成兩代，一是大型的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，現(xiàn)在總結(jié)起來(lái)擴(kuò)展性差，施工復(fù)雜性和建設(shè)費(fèi)用高，基于互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，基于現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，我們發(fā)展了復(fù)合網(wǎng)的模式，面向廣域范圍的結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以考慮可靠性的多通信制式支持，遠(yuǎn)程化，智能化信號(hào)與信息處理，這也是今后發(fā)展的重點(diǎn)方向。
所以未來(lái)的目標(biāo)是以結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)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(zhuān)業(yè)化的海量數(shù)據(jù)計(jì)算服務(wù)為平臺(tái)，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)。現(xiàn)在的養(yǎng)護(hù)與維修是定期式的，運(yùn)行過(guò)程中每個(gè)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量不一樣，管理不一樣有提前損壞的也有延遲損壞的，不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有了這個(gè)方案以后我們就可以實(shí)時(shí)掌控它的狀態(tài)，及時(shí)維護(hù)維修，我們叫按需維修，這就節(jié)省了投入。
健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與平臺(tái)的新特征與能力是什么呢?主要有四個(gè)方面：一是隨著結(jié)構(gòu)建設(shè)規(guī)模的越來(lái)越大，結(jié)構(gòu)建筑物數(shù)量的越來(lái)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(chē)輛的檢測(cè)對(duì)階段數(shù)據(jù)類(lèi)型不斷豐富將出現(xiàn)大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，也就是說(shuō)我們將會(huì)長(zhǎng)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(wèn)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(shuō)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(yíng)時(shí)的荷載與響應(yīng)是否與設(shè)計(jì)相一致。過(guò)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?，都是我們的?shí)驗(yàn)實(shí)體，都是我們的研究對(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(zhǎng)，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(zhuān)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)展為這樣的監(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)特性更為顯著，使未來(lái)的智慧城市成為可能。
這是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)+互聯(lián)網(wǎng)的特征更加顯現(xiàn)。
目前我們正在構(gòu)建以京滬高速鐵路橋梁群為重點(diǎn)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，二是以朔黃重載鐵路多區(qū)段鐵路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也正在建立，三是河北山區(qū)高速公路以榮烏等路段建立長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
互聯(lián)網(wǎng)+的未來(lái)大有可能，以京津冀城市群智能交通體系為代表的構(gòu)建實(shí)時(shí)掌控路網(wǎng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài);二是基于數(shù)字化、信息化市政管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建，同時(shí)信息技術(shù)在大型交通工程中的選線、勘察、設(shè)計(jì)、維護(hù)、運(yùn)營(yíng)、管理全壽命的周期進(jìn)行管理;包括對(duì)防災(zāi)監(jiān)控構(gòu)建。也就是說(shuō)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(lái)的安全性、可靠性將起到很好的作用。
