土木工程結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究狀況與進展

0 引言

土木工程在現(xiàn)代社會發(fā)展中扮演著十分關鍵的角色，其建設質量和可靠性與人們的生活、生產活動有重要聯(lián)系。尤其是如今社會經濟進一步發(fā)展的背景下，各類土木工程的建設規(guī)模越來越大、結構越來越復雜，不僅對施工技術的先進性提出了更高的要求，也使人們對工程結構的狀態(tài)及安全性給予了極大關注。隨著現(xiàn)代計算機軟件、通信網絡乃至智能化技術的全面發(fā)展，針對土木工程結構健康性進行監(jiān)測的系統(tǒng)被研究出來，并且取得了不錯的應用效果。顯然，無論是在土木工程的建設和施工中，還是投入使用之后，都需要對其結構健康保持密切監(jiān)測。因此，有必要結合現(xiàn)代土木工程結構健康監(jiān)測的相關需求，對土木工程結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和趨勢進行進一步探究。

1 土木工程結構健康監(jiān)測系統(tǒng)概述

1.1 基本概念

土木工程結構健康監(jiān)測系統(tǒng)主要是利用計算機軟件技術、微機技術、傳感器技術等，對土木工程的結構狀態(tài)、安全性進行監(jiān)測、診斷、分析的綜合性技術系統(tǒng)，在如今的土木工程施工及維護管理中有重要應用。

在實際應用中，結構健康監(jiān)測系統(tǒng)主要應用于兩個方面：其一，在土木工程建造施工階段，對已建結構部分的各項力學指標、安全系數進行監(jiān)測，以保證施工現(xiàn)場的安全性，同時便于技術人員評估施工質量

。其二，針對投入使用的土木工程結構，對其結構狀態(tài)進行長期監(jiān)測，以便及時發(fā)現(xiàn)因外力因素或結構老化出現(xiàn)的損傷、失穩(wěn)、變形等隱患，為工程使用、維護管理人員提供重要的參考依據。理想狀態(tài)下，土木工程結構健康監(jiān)測系統(tǒng)應當是一種全自動、不間斷的監(jiān)測系統(tǒng)，通過傳感器對土木工程結構各項參數進行監(jiān)測，同時識別各種反映結構風險的信號。由微機系統(tǒng)或中央控制系統(tǒng)對接收到的信息進行分析，評估工程結構健康狀態(tài)，同時綜合大數據動態(tài)化分析，識別結構安全風險。

1.2 重要性

眾所周知，土木工程作為大型人造物體，其結構的穩(wěn)定性和可靠性是非常重要的。尤其是如今土木工程呈現(xiàn)體量規(guī)模化、結構復雜化的情況下，其整體及局部結構的穩(wěn)定性和可靠性，將對人們的生命財產安全產生直接影響。傳統(tǒng)技術條件下，無論是土木工程的施工環(huán)節(jié)，還是工程建成投入使用之后，針對結構的安全性監(jiān)測和評估都依靠技術人員進行現(xiàn)場檢測和分析，不僅對相關人員的專業(yè)知識儲備、技術水平、從業(yè)經驗有非常高的要求，還需要其有效應對不同工程結構存在的各種問題。

顯然，以人為主的監(jiān)測方式一方面無法有效保持對結構健康狀況的不間斷實時監(jiān)測，另一方面也無法杜絕人為失誤造成的監(jiān)測誤差或錯判風險。而土木工程結構健康監(jiān)測系統(tǒng)則憑借對現(xiàn)代科技的全面應用，可以實現(xiàn)半自動化乃至全智能化的結構健康監(jiān)測工作

。首先，基于傳感器的監(jiān)測方式具有更好的精確性，能夠對土木工程結構的細微損傷、力學數值變化進行捕捉。其次，通過長期不間斷監(jiān)測以及對監(jiān)測數據的動態(tài)化分析，可以判斷土木工程結構的狀態(tài)變化趨勢，為結構安全風險防治及加固保養(yǎng)工作提供參考。另外，土木工程結構健康監(jiān)測系統(tǒng)可以在提高監(jiān)測準確性的基礎上，減少結構安全管理及維護工作的資金花費，具有很好的經濟價值。最后，土木工程結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的應用，可以為土木工程結構設計及施工技術研究提供足夠豐富的真實數據，有助于形成相關行業(yè)的大數據庫，為推動行業(yè)發(fā)展而做出重要貢獻。

2 土木工程結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的基本構成及研究現(xiàn)狀

（一）在目前國內絕大多數高校中，專業(yè)教師在教學過程中，已然形成了一種思維定式，教師強調知識的傳授，與學生缺乏思想和情感的交流，下課后更是難有接觸。另外一方面是絕大多數高校對目前的這種現(xiàn)狀更是一種“默許”的現(xiàn)狀，如何改變專業(yè)教師的觀念、注入協(xié)同育人的理念，如何加強高校對專業(yè)教師與思想政治教育工作者協(xié)同育人的重視將會是本課題研究的重點難點，任何舉措和制度都應得到專業(yè)教師的認可和接受才能接地氣，才能真正有所改變。

2.1 傳感器系統(tǒng)

在土木工程結構健康監(jiān)測系統(tǒng)中，傳感器系統(tǒng)是以傳感器為主的硬件系統(tǒng)，其主要功能是通過安裝在土木工程結構關鍵監(jiān)測部位，感知、識別、采集反映結構荷載、效應、位移、溫度等信息，并將采集到的信息以光、聲、熱、電等物理量形式進行傳輸。傳感器系統(tǒng)是土木工程結構健康監(jiān)測系統(tǒng)最前端的子系統(tǒng)，是獲取監(jiān)測分析所需信息的關鍵所在

。目前在土木工程結構健康監(jiān)測系統(tǒng)技術領域中，傳感器系統(tǒng)主要有以下兩類：

2.1.1 局部監(jiān)測傳感系統(tǒng)

在數據處理方面，主要是能夠從采集到的大量數據中抓取有價值的數據，再通過有效處理進一步放大其實用性

。比如，在土木工程施工中，現(xiàn)場存在大量的噪聲，此時需要系統(tǒng)對采集到的信號進行放大、去除噪聲處理，才能得到反映損傷情況的關鍵信息。目前業(yè)界用于數據處理的技術包括分析幾何技術、數字濾波技術、模糊技術等。

風景園林的審批、規(guī)劃設計、施工、管理環(huán)節(jié)是一個完整而系統(tǒng)的過程，具有一定的廣度與深度。為實現(xiàn)對整個過程的監(jiān)督與管理，每個過程都要具備相應的法規(guī)標準，滿足行業(yè)整個生命周期各環(huán)節(jié)的管理與技術要求。目前，風景園林行業(yè)在綜合管理、規(guī)劃設計編制與審批管理、規(guī)劃設計實施管理等方面都具有相應的法規(guī)標準。

損傷識別及安全評定預警系統(tǒng)需要做到對土木工程結構損傷的實時化、動態(tài)化監(jiān)測，以便于項目施工及使用管理單位能夠及時對其進行有效處置，避免造成嚴重后果。關于該系統(tǒng)的研發(fā)和應用，目前業(yè)界比較常用的方法、理論、技術包括模型修正、動力指紋分析、系統(tǒng)識別法、神經網絡、遺傳算法等。其中，神經網絡是目前被廣泛看好的新型技術，其主要是基于生物神經系統(tǒng)的相關研究成果，在物理機制上模擬人腦的信息感知、處理方式，所形成的一套高度智能的技術系統(tǒng)

。例如，在我國香港汲水門大橋的損傷監(jiān)測中，使用了誤差反向傳播神經網絡系統(tǒng)，通過損傷預警、損傷程度判定、損傷定位等方式，實現(xiàn)對工程結構損傷的精確感知。

2.1.2 全面監(jiān)測傳感系統(tǒng)

全面監(jiān)測傳感器主要是從相對宏觀的角度，對土木工程結構健康狀況進行監(jiān)測。用到的儀器、設備主要包括全站儀、測量機器人、GPS 接收器等。尤其是在如今GPS 技術越來越先進的情況下，通過該技術中的動態(tài)實時差分技術，可以對土木工程結構各個監(jiān)測點的變化情況進行精準監(jiān)測。目前采用該技術可以實現(xiàn)高達10mm 級別的平面監(jiān)測精度，同時其監(jiān)測效率也非常高。例如，在我國香港青馬大橋的結構監(jiān)測中，按照10次/s 的采樣頻率，能夠提供RTK 厘米級點位解算結果，檢測過程的延遲被控制在0.05s 以下。

2.2 數據采集、處理、傳輸系統(tǒng)

當傳感器檢測到相關信號之后，需要用到采集、處理與傳輸系統(tǒng)，對相關信號進行處理，以挖掘其利用價值。該系統(tǒng)一般由硬件和軟件兩個部分構成，硬件部分主要由數據轉換模塊、傳輸線纜組成，軟件部分常用到的平臺有Delphi、LabVIEW 以及VC++等。在土木工程結構健康監(jiān)測系統(tǒng)運行過程中，所采集到的數據經過微機裝置進行預處理，然后儲存于數據管理子系統(tǒng)中。

曾浩根據行業(yè)內未登錄詞特點制定擴展規(guī)則，再將經過擴展的復合詞進行詞頻、互信息和鄰接熵等統(tǒng)計特征判別。判別為未登錄詞再繼續(xù)進行相應的擴展和識別[5]。朱峰提出一種改進的知識圖譜語義預測模型。

目前在土木工程結構健康監(jiān)測系統(tǒng)技術領域中，數據采集、處理、傳輸系統(tǒng)的相關研究情況如下：

由極大值原理可知0

0,v>0(Ω),所以u是方程(5)的下解,又因a為方程(5)的上解,則可知θa是方程(5)的唯一正解,由比較原理有u <θa>

為了有效完成對土木工程結構的健康狀況進行監(jiān)測，需要傳感器檢測的信號包括應變、位移、速度、溫度、聲音等。當傳感器監(jiān)測識別到這些信號，需要數據采集、處理系統(tǒng)對信號進行整理、轉化、處理。數據采集方面，目前常用的軟件平臺中，LabWindows、VC++等可以實現(xiàn)可視化結構安全監(jiān)測。其主要是通過對信息的快速處理、圖形轉化、場景模擬，讓使用者可以直觀判斷監(jiān)測對象存在的問題。

W=[WC1×[We11, We12, We13, We14], Wc2×[We21, We22, We23, We24], Wc3×[We31, We32, We33]]=[0.036, 0.138, 0.095, 0.061, 0.214, 0.182, 0.049, 0.085, 0.056, 0.024, 0.060]

目前國內外應用于土木工程結構健康監(jiān)測系統(tǒng)中的傳感器材料、元件類型較多，包括疲勞壽命絲、碳纖維、電阻應變絲、半導體材料等，利用這些材料可以制成埋入式或表面附著式的傳感分布陣列，以實現(xiàn)對相關環(huán)境信號的感知能力。在工程結構監(jiān)測領域中，目前比較常見的傳感器為光纖光柵傳感器，其能夠實現(xiàn)多參數同步監(jiān)測和分布測量，同時具有性能穩(wěn)定、抗干擾能力強的特點。

2.3 損傷識別及安全評定預警系統(tǒng)

損傷識別及安全評定預警系統(tǒng)是土木工程結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分，主要作用是對結構損傷及其他異常情況進行識別分析，同步完成安全評定以及必要的警報功能。在具體應用中，當由損傷識別系統(tǒng)通過分析傳感器采集到信息，判斷存在損傷，模型修正軟件對損傷情況進行分析，再由安全評定軟件進行安全風險分析，最后由預警軟件發(fā)出警報。

第七，河川徑流變化。通過對全國19個重要水文站資料的分析可知，1980年以來，我國江河徑流總體上呈減少的趨勢，北方河流徑流以減少為主，其中海河、黃河中下游、遼河等減少比較明顯。其他河流，呈現(xiàn)弱減少或弱增加趨勢。

目前在土木工程結構健康監(jiān)測系統(tǒng)技術領域中，損傷識別及安全評定預警系統(tǒng)的相關研究情況如下：

如圖1 所示，目前土木工程結構健康監(jiān)測系統(tǒng)主要由傳感器子系統(tǒng)、數據采集與處理系統(tǒng)、傳輸子系統(tǒng)、數據管理系統(tǒng)等構成，數據管理子系統(tǒng)中，發(fā)揮健康監(jiān)測核心功能的是損傷識別、模型修正、安全評定及預警系統(tǒng)。

在我國香港青馬大橋上，用于監(jiān)測橋梁結構安全的傳感器即為光纖光柵傳感器。目前的研究表明，在光纖光柵傳感器中，裝置厚度、彈性模量、長度等，是影響傳感器平均傳遞速率的主要因素。當然，一些實際應用案例表明，光纖光柵傳感器在土木工程結構監(jiān)測中的應用也存在缺陷，包括輔助設備要求高、成本較高等。另外，形狀記憶合金也是目前在土木工程結構健康監(jiān)測系統(tǒng)傳感器中比較常用的材料，其主要是一種有形狀記憶功能的合金材料，具有較好的阻尼效應、超彈性效應及電阻特性。在實際應用中，涉及的形狀記憶合金材料包括Fe 基合金、Ni-Ti 合金等。形狀記憶合金材料傳感器可以適應復雜的土木工程結構監(jiān)測環(huán)境，同時還可以兼顧耗能器的部分功能。當然，目前該類傳感器材料的技術穩(wěn)定性和性價比方面還存在一定欠缺。

另外，基于模型修正的損傷識別技術也比較常用，其主要是通過利用未損結構的有限元模型，通過不斷的數據監(jiān)測和對比，來發(fā)現(xiàn)后天出現(xiàn)的結構損傷問題。這種技術在傳統(tǒng)建筑及部分其他土木工程結構健康監(jiān)測中比較常用，但是現(xiàn)代部分土木工程結構十分復雜，存在大量的干擾信息，同時部分構件邊界模糊，導致有限元模型的構建誤差較大，不利于開展精確的損傷監(jiān)測工作。

2.4 數據管理系統(tǒng)

簡單來講，數據管理系統(tǒng)就是土木工程結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的數據庫，通過相關軟件及模塊，形成相關土木工程項目的結構建設數據、監(jiān)測數據、幾何數據、分析結果數據等。這些數據可以全面反映土木工程結構的健康狀況，同時以時間軸的形式反映其發(fā)展變化情況。一方面，這些數據信息可以為土木工程結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的各項軟件分析功能提供參考依據，另一方面，大數據系統(tǒng)的形成和內容持續(xù)擴充，也是現(xiàn)代土木工程領域實現(xiàn)智能化分析管理的關鍵所在。

土木工程結構健康監(jiān)測系統(tǒng)中，目前業(yè)界關于數據管理系統(tǒng)的研究主要集中于智能化方面。例如，在一些橋梁工程的損傷監(jiān)測系統(tǒng)中，專家系統(tǒng)被廣泛研究和應用。專家系統(tǒng)是一種將專業(yè)知識、常識及實踐經驗結合起來的系統(tǒng)，融合了大量的技術方法

。專家系統(tǒng)立足于真實世界，廣泛捕捉稀缺但重要的專家技術，再將其發(fā)布于整個系統(tǒng)中，用于交流應用。在我國目前的基礎建設及管理領域中，通過研究應用專家系統(tǒng)，可以實現(xiàn)行業(yè)理論及實踐技能研究水平的快速提升，自然在土木工程結構健康監(jiān)測系統(tǒng)中也可以發(fā)揮其極為重要的應用價值。

3 土木工程結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的應用情況

我國雖然關于土木工程結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究起步較晚，但是近年來隨著我國基礎建設水平的不斷提高，相應的監(jiān)測要求越來越高，關于這方面技術的研究和應用也取得了不錯的成效。

為解決手動設定初始值的問題，本文研究并設計了一種基于支持向量機（SVM）的改進型卡爾曼濾波算法。通過采用支持向量機二分類算法[13-14]，智能判斷并選取合法的輸入數據xi作為初始值。工作流程如圖4所示。

例如，在虎門大橋的結構健康監(jiān)測工作中，技術團隊針對性開發(fā)了基于GPS 技術的三維位移動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由基準站、監(jiān)測站、數據通信系統(tǒng)和中央計算機系統(tǒng)構成，其中基準站設置于虎門大橋管理中心頂部，監(jiān)測站共12 個，分別設置于大橋三個位置箱梁兩側以及東西塔頂部。在監(jiān)測點安裝GPS 接收器，使用光纖作為數據傳輸通道。在監(jiān)控分析中心，配置了集線器、分析工作站以及數據服務器等。軟件配置方面，配置了數據采集傳輸控制模塊、數據統(tǒng)計模塊、數據顯示模塊、預警模塊等

。硬件及軟件的協(xié)同運行，對虎門大橋各監(jiān)測點的位置信息進行快速采集、處置、傳輸和分析，模擬該大橋的動態(tài)化三維模型，同步顯示位移變化情況、振動信息等。如圖2 所示，通過對大橋監(jiān)測點位移情況的動態(tài)化分析，可以判斷大橋結構的受力情況，便于及時發(fā)現(xiàn)異常情況。總體來講，在該監(jiān)測系統(tǒng)的配合下，該大橋維護管理單位結合工程建設信息、當地地理信息等，不僅可以對大橋結構安全進行實時監(jiān)測，開展針對性的保養(yǎng)工作，還能在臺風、地震等極端情況下，提前做好相應的防護措施，保證大橋安全

。

4 結語

綜上所述，在如今社會經濟快速發(fā)展的大環(huán)境下，我國基礎建設規(guī)模不斷擴大。在土木工程的建設施工及后期維護管理中，需要對其結構的健康狀況進行實時監(jiān)測，顯然傳統(tǒng)的技術方法不再適用。為此，基于現(xiàn)代計算機、通信網絡、數字化等技術打造的土木工程結構健康監(jiān)測系統(tǒng)可以有效滿足現(xiàn)代工程建設管理需求。目前國內外關于該系統(tǒng)的研究和應用取得了一定成果，為了進一步發(fā)揮土木工程結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的應用價值，推動我國土木工程結構安全管理水平的持續(xù)提升，有必要基于當下的研究成果，對神經網絡、專家系統(tǒng)等新興技術進行深入探究，推動土木工程結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的全面數字化、智能化發(fā)展。

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