賦能智慧橋梁
——記同濟大學橋梁工程系教授淡丹輝及其團隊

范德強

淡丹輝

中國既是當今世界交通基礎設施建設速度最快的國家，又是交通需求增長最快的國家。近年來，港珠澳大橋、東海大橋、杭州灣大橋等橋梁的建設成就舉世矚目。智慧賦能橋梁成為大勢所趨。

同濟大學橋梁工程系教授淡丹輝和他的團隊成員就是用智慧科技“妙筆繪彩虹”的科學工作者。可以說，在他們的智慧賦能之下，橋梁不僅有了見微知著的“千里眼”和“順風耳”，而且有了可以洞察一切的“透視眼”，可以精準地感知橋梁的狀態(tài)。

智能把脈橋梁健康

20世紀末，在電子科技大學從事工民建專業(yè)教學工作的淡丹輝在職考入西南交通大學土木工程學院橋梁專業(yè)攻讀博士學位，一邊上課一邊教書的他在一次非常基礎的專業(yè)課上，發(fā)現有學生在專業(yè)課本下放著一本C語言計算機編程的書在自學。“能不能把IT學科的知識或者技術和土木工程結合起來，既能吸引學生的注意力，也能拓展一個新的方向？”淡丹輝當時沒想到，這個念頭竟然開啟了此后20多年他一直深耕的研究方向。

通過認真“琢磨”，淡丹輝想到把傳感器技術和IT技術放在橋梁結構內部形成一種智能化的橋梁結構加以研究。當時，這個想法很超前，在博士導師何廣漢先生的信任和鼓勵下，最終，他完成了國內第一篇關于智能土木/橋梁結構方面的博士學位論文。

2002年，獲博士學位的淡丹輝進入同濟大學土木工程博士后流動站從事橋梁結構健康監(jiān)測及智能土木/橋梁結構的研究。從此，他扎根同濟大學，再也沒有離開過這一研究領域。

初入同濟大學，淡丹輝就有機會參與到我國第一個真正意義上的智慧橋梁建設項目——東海大橋的健康監(jiān)測系統(tǒng)工程建設中。從項目前期的規(guī)劃設計，到最后實施運營管理，淡丹輝全程作為技術負責人參與了東海大橋的健康監(jiān)測系統(tǒng)研究和建設。2006年，這套分布著478個傳感器的橋梁“感知”系統(tǒng)正式運作，成為當時國內最先進、最復雜的監(jiān)測系統(tǒng)之一。

繼完成東海大橋項目后，淡丹輝和團隊受邀做了許多類似重大項目的咨詢工作。也是從那個時候開始，他開啟了理論方面的探索。親眼目睹和親身經歷了橋梁結構監(jiān)測系統(tǒng)從最初的傳統(tǒng)操作到在線工作，從實現采集數據和處理數據同步進行再到智慧系統(tǒng)的演變過程，更加堅定了他將橋梁結構監(jiān)測做成“一種像智能生命一樣的信息產生、信息加工、信息傳輸、信息利用的全鏈條自動化系統(tǒng)”的信念。

于是，從2013年開始，淡丹輝帶領團隊開始攻克行業(yè)內高難度的橋梁問題，包括大跨懸索橋渦振事件的智慧監(jiān)測、感知和實時報警，復雜索纜結構的高精度實時索力識別和疲勞狀態(tài)智能感知，基于機器視覺和動態(tài)稱重系統(tǒng)融合的橋梁全橋面交通流荷載監(jiān)測，基于數字孿生模型的路網橋梁群監(jiān)測，以及裝配式混凝土多梁橋的云監(jiān)測診斷工作等，數年間在相關領域有了突飛猛進的進展。

2020年5月以來，鸚鵡洲大橋、虎門大橋和西堠門大橋先后出現的渦振事件，引起了廣泛的社會關注和國家各級政府部門的重視。立足對懸索橋渦振研究的緊迫需求，近年來，淡丹輝帶領團隊從橋梁健康監(jiān)測角度，提出了一套基于振動加速度監(jiān)測的大跨懸索橋渦振事件的智慧監(jiān)測、感知和實時報警技術。在這個基礎上，他們又進一步開發(fā)了基于Python和IE環(huán)境的實時監(jiān)測與智慧感知程序，以某橋實測渦振加速度振動監(jiān)測數據，驗證上述方法和程序的有效性和精確性。可以確定的是，以這些技術和軟件為基礎，將有助于發(fā)展一套更為實用化、功能更為齊全的智慧化無人值守的渦振監(jiān)測預警系統(tǒng)。目前，團隊已經受舟山大橋管理有限公司的委托，開展該技術在西堠門大橋上的應用工作。

不僅是大型橋梁，淡丹輝和團隊在裝配式梁橋等中小跨徑橋梁的智慧監(jiān)測實踐中也有諸多創(chuàng)新貢獻。作為中小跨度橋梁經典方案之一，裝配式混凝土多梁橋最常見病害是鉸縫開裂導致的滲水病害，這種病害會危及橋梁結構體系的橫向協同工作性能，進而誘發(fā)其他伴生的病害，如主梁開裂及配筋銹蝕進一步加速體系承載力下降等。為解決這一關鍵性難題，淡丹輝帶領團隊做了很多努力，首先引入裝配式混凝土多梁橋的幾個可考慮縱、橫向協同工作性能表征能力的簡化多梁模型，基于該系列模型，定義4個系列的創(chuàng)新監(jiān)測指標，用于表征這類橋梁結構橫向協同性能和縱向協同工作性能，并通過實橋監(jiān)測數據及現場勘驗證明了指標的有效性。他們還進一步根據這類橋梁的地理分布特點和監(jiān)測實施條件，提出面向路網橋梁群的云端智慧監(jiān)測系統(tǒng)方案，并以幾個裝配式梁橋監(jiān)測系統(tǒng)實施案例，對該系統(tǒng)采集的監(jiān)測數據進行短期及長期分析，最終實現了裝配式梁橋縱、橫向協同工作性能的智慧監(jiān)測與感知。

和學生一起在紅河特大橋現場進行懸索橋監(jiān)測技術試驗

立足國需共繪藍圖

回顧來時路，20年來，淡丹輝參與了許多大橋橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)和中小跨網級橋梁群健康監(jiān)測系統(tǒng)研究和建設。他作為負責人和技術骨干參與了以東海大橋為代表的20余座大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究和建設，以及上海、溫州、河北、寧波、紹興、武漢等地的路網橋梁群智慧監(jiān)測系統(tǒng)的建設與科研工作，科研成果在近100座單體橋梁上得以應用。

“在實踐中出真知，在項目中出成果”，是淡丹輝科研工作的真實寫照。如今，他已發(fā)表論文140余篇，其中SCI論文64篇（一作或通訊62篇），EI論文25篇。獲發(fā)明專利10項，實用新型專利20項，獲得軟件著作權5項；主編上海市地方規(guī)范《橋梁結構監(jiān)測系統(tǒng)技術規(guī)程》一部，著有《橋梁工程結構智慧監(jiān)測——理論與實踐》一書。與此同時，他還獲得7項國家級、省部級和行業(yè)協會的獎勵和成果。

在領域內深耕20年，淡丹輝所帶出來的學生也陸續(xù)進入行業(yè)，成為十分活躍的中堅力量。曾經有人這樣總結他帶學生的風格——把學生放在一條船上，然后給學生立一個燈塔，放手任由一個個小舵手自行朝著目標方向前行。

淡丹輝覺得，從本科到研究生有一個轉折點。本科期間，學生是知識的學習者；研究生期間，學生就轉變角色了，成為知識的生產者。為此，進入研究生階段以后，在學生向前進一步的時候，淡丹輝都會給他們做非常詳細的路線規(guī)劃。“基本上研究生還沒進學校，我就開始在暑假期間帶他們涉及這方面的工作了。比如，給他們留個小課題去做研究。然后，在研一和研二的時候，這個工作做完以后，他們就已經有比較好的成果出來，也已經發(fā)表論文了。”

其實，在30歲至40歲之間接觸過大量工程的經歷，讓淡丹輝清楚地意識到在智慧橋梁、結構監(jiān)測相關學科方向，科學研究與實踐工作的聯系十分緊密，因而指導學生選題朝著工程上最急需、最有意義的方向鉆研，也不斷鼓勵學生努力去做對現實工程有最直接支撐意義的研究。

淡丹輝常常感慨，自己的謀生手段正是興趣所在，“這是多么幸運且幸福的一件事”。熟悉淡丹輝的人都知道，每當談起橋梁、看到橋梁，尤其是一些非常態(tài)的新穎橋梁時，抑制不住的興奮都會浮現在他的臉上。淡丹輝說，港珠澳大橋開通后，他還專門乘車走了一趟。“行駛在橋上，看著窗外，真的好壯觀！我就想，我們國家真是了不起，這座橋就是我國制造業(yè)的一張名片啊！”

未來，淡丹輝和團隊以及他們所打造的“千里眼”、“順風耳”和“透視眼”，將不斷賦能智慧橋梁，助力我國從橋梁大國向橋梁強國邁進！而他們所繪制的藍圖，也必將在不久的將來成為現實！