中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預警與評價、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復合型高新技術集團企業(yè)。
非常高興能夠參加這次大會的報告學習。我匯報的題目是《大型結構健康監(jiān)測與互聯(lián)網+》。因為前天剛剛接到大會通知讓我做一個學習匯報，昨天加班寫了一個匯報稿，可能不能達到大家的要求，希望大家能夠原諒。
我們把高層建筑、空間結構、大型橋梁、大型交通樞紐、大壩、長道隧道都作為大型結構，大型結構的安全性、可靠性與我們每個人密切相關。由于自然災害或人為因素，或者是結構本身的性能、突發(fā)事件屢有發(fā)生，一旦某一個結構造成損毀會造成經濟損失，會產生對生命財產的損失。所以說如何掌握大型結構，它的健康狀態(tài)與我們每個人息息相關，成為各個領域關注的重點。
所以我今天就把大型結構健康狀態(tài)與互聯(lián)網+做一個匯報交流。分三個方面：一是結構安全保障面臨的問題;二是結構健康狀態(tài)與互聯(lián)網的關系;三是“互聯(lián)網+”時代的結構健康。
因為交通運輸是國民經濟的基礎產業(yè)，是經濟發(fā)展的大動脈，在當今的經濟社會發(fā)展過程中起著至關重要的作用。我們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18.74萬公里已經發(fā)展到現(xiàn)在的370萬公里;我國鐵路由建國初的2.2萬公里發(fā)展到現(xiàn)在的12萬公里;而高鐵去年已經發(fā)展到1.6萬公里，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。
但其中交通基礎設施的安全保障面臨著問題，一個是建國后的第一個高峰期到現(xiàn)在已經超過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、不合理的質量、不合理的合同，造成一些工程質量的短缺，所以說事故頻繁發(fā)生。由于這兩個原因我們交通基礎設施將迎來安全期的爆發(fā)期。雖然大家都非常重視，但是如何從根本上解決這個問題現(xiàn)在是需要探索的。
這里面有兩大因素：一是自然災害、二是人為因素。自然災害是突發(fā)的，人為因素是與我們的思想觀念、素質管理、政策法規(guī)相關。所以這兩個因素導致我們一些突發(fā)事件的發(fā)生。
那么我們如何掌控結構的安全狀態(tài)呢?這個結構的系統(tǒng)現(xiàn)在是什么樣呢?我們如何防治呢?這樣我們就要實時了解結構的健康狀態(tài)。
從國家來說，高度重視結構健康狀態(tài)的發(fā)展，從國家中長期發(fā)展規(guī)劃來說制定了多個措施保證安全狀態(tài)，最關鍵的是幾個方面，一個是在在結構安全期的狀態(tài)如何保障;二是如何進行監(jiān)測和預報，包括技術理論和裝備的研發(fā)。第二個問題是交通部，交通部也在對各種重大工程結構方面進行技術攻關，這里面的第一個關鍵問題就是實時掌控結構的健康狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)它的事故隱患，及時采取措施。包括自然災害的立體檢測、預報預測，這塊是交通部近年來的重大課題。
從鐵道系統(tǒng)，因為我國鐵道系統(tǒng)發(fā)展迅猛，特別是高速鐵路的迅猛發(fā)展，如何保證整個全線運營安全也是當今和未來發(fā)展的重點，這里面主要是對交通基礎設施的重大工程結構的健康狀態(tài)的安全性和發(fā)展進行實時掌控。第二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。比如地震突發(fā)時如何提前捕捉它的信息，提前導致列車緊急制動。比如日本提前15秒獲得地震信息提前緊急制動避免生命財產的損失，所以說這塊也是我們研發(fā)的重點。
工信部在中長期和十二五以來對信息的感知、信息傳輸、信息處理、信息安全方面開展行動，為今后大型工程結構監(jiān)測和其他發(fā)展創(chuàng)造了很好的基礎。目前信息化、工業(yè)化兩化的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。
對一個大型工程結構來說，從它的設計、建造、運營到損傷、老化是全壽命的，全壽命過程中如何保障它的安全性，我們采取了在使用過程中的監(jiān)測，在運用過程中的連續(xù)監(jiān)測，實時掌握它的健康狀態(tài)。從測試分析到結構的安全評估，對結構的維護形成完整的全壽命過程的保障，就像醫(yī)生給人看病一樣，我們對結構也建立了健康監(jiān)測系統(tǒng)。
我們一般分成三大部分，一是監(jiān)測系統(tǒng)，采用什么樣的傳感技術能夠完整、長期、準確、連續(xù)地獲得信息;二是信息的處理與傳輸部分，這部分保證對信息實時、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)護維修進行修護，這就構成我們結構的安全系統(tǒng)，這個系統(tǒng)涉及到多學科，既包含對結構專業(yè)人員，也涉及到計算機信息處理的人員，這塊健康結構的監(jiān)測與互聯(lián)網就結合起來了。
這樣的話依據(jù)結構養(yǎng)護的需求以及當今科技手段，實現(xiàn)結構狀態(tài)數(shù)字化和信息化，推動主動式養(yǎng)護與管理進步，有效提高和保障結構運營的檢測、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。一個工程結構我們百年設計，如何在百年過程中保障安全，延長使用壽命就是我們當前所需要做的重要工作。
從國外來說，高度重視大型結構的健康監(jiān)測，從上個世紀一路走在我們國家的前面，比如這是從美國、法國、日本、丹麥等國建的一些特大橋梁的監(jiān)測系統(tǒng)，來實時預報結構運行的安全狀態(tài)，實時預測自然災害突發(fā)后對結構的影響確保它的運營安全。
我們國家從上個世紀末也開始開展健康監(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構的質量，如何保證運營安全成為結構健康監(jiān)測的任務。
健康系統(tǒng)的主要有四個方面：一是為結構長期科學有序的監(jiān)測、巡檢、養(yǎng)護、管理提供一個數(shù)據(jù)平臺，建立結構長期的數(shù)字化和信息化檔案。過去是人為管理，對結構不了解、不掌握;
二是盡早發(fā)現(xiàn)結構自身或者行車過程中的危險狀態(tài)，在結構危險萌芽階段時提前預警，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構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在的運行狀態(tài)，為突發(fā)狀態(tài)時提供數(shù)據(jù)保障。
從宏觀上結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的主要目標：為結構安全、設計校核、養(yǎng)護維修和監(jiān)測技術發(fā)展提供服務;從技術細節(jié)和實現(xiàn)要求來說，健康檢測系統(tǒng)是具備足夠的船干測試能力;二是具備數(shù)據(jù)采集和傳輸能力，這就與互聯(lián)網相關;三是需要對結構的安全評估與健康診斷，首先是對結構模型的修正與分析，對損傷的模型定位，損傷發(fā)生在什么地方，對結構將來有什么影響，同時對結構的安全性發(fā)出實時預警預報。這就是健康監(jiān)測的任務。
實時健康監(jiān)測是跨學科、多領域的綜合技術，將涉及到土木工程、動力學、材料學、傳感技術、測試技術、信號分析、計算機技術以及網絡通信技術等等，所以結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展以致于通信與網絡技術的發(fā)展緊密相關。
我校在健康監(jiān)測中的研究對大型工程結構建立了相應的監(jiān)測系統(tǒng)。比如這是結合我國蕪湖長江大橋、武漢長江大橋等建立了一套監(jiān)測分析系統(tǒng)，一個是小集中式分測系統(tǒng)二是遠范圍的實時監(jiān)測，掌握它的運行狀態(tài)和每一個結構的健康狀況?？梢赃m用于多個工程結構，滿足不同規(guī)模、不同類型的健康監(jiān)測內容，從而很好地解決了結構監(jiān)測的問題。
比如這是蕪湖長江大橋系統(tǒng)，這是我國第一個大跨矮塔長江大橋，為了保證結構安全建立了長期的實時監(jiān)控系統(tǒng)，現(xiàn)在已經建立了15年，當時是30個人員配備，現(xiàn)在減到15個人。武漢長江大橋是50年代建設的一座50多年的老橋，發(fā)行了11次大型船舶撞擊事故，每次都會進行封橋進行監(jiān)測，建立了監(jiān)測系統(tǒng)以后2011年有一個萬噸級撞擊到七好柱，在撞擊過程中實時掌握結構損傷狀態(tài)，發(fā)生預警，對整個橋梁維護和運營起到了保障作用。
同時，對一些長大隧道的施工過程和運營安全也建立了實時監(jiān)測系統(tǒng)。對我國第一條大型的秦皇島到大秦的大秦線進行了廣域監(jiān)測系統(tǒng)，進行實時監(jiān)測。同時東北世界第一條哈大鐵路進行監(jiān)控，對路基狀態(tài)進行了實時監(jiān)測系統(tǒng)，為運行安全提供安全保障。對青藏鐵路是我國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)測是不可能的，我們在高寒高原上建立了第一條長期自動檢測系統(tǒng)，人民日報報道為青藏鐵路安裝了千里眼，為青藏鐵路的運營安全提供了技術保障。
通過上述的研究，我們現(xiàn)在分成兩代，一是大型的實時監(jiān)測，現(xiàn)在總結起來擴展性差，施工復雜性和建設費用高，基于互聯(lián)網的發(fā)展，基于現(xiàn)代信息技術的發(fā)展，我們發(fā)展了復合網的模式，面向廣域范圍的結構實時監(jiān)測，可以考慮可靠性的多通信制式支持，遠程化，智能化信號與信息處理，這也是今后發(fā)展的重點方向。
所以未來的目標是以結構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，以結構物聯(lián)網為基礎，以提供專業(yè)化的海量數(shù)據(jù)計算服務為平臺，是對現(xiàn)有結構健康監(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?，F(xiàn)在的養(yǎng)護與維修是定期式的，運行過程中每個結構的質量不一樣，管理不一樣有提前損壞的也有延遲損壞的，不能實時監(jiān)測，有了這個方案以后我們就可以實時掌控它的狀態(tài)，及時維護維修，我們叫按需維修，這就節(jié)省了投入。
健康監(jiān)測系統(tǒng)與平臺的新特征與能力是什么呢?主要有四個方面：一是隨著結構建設規(guī)模的越來越大，結構建筑物數(shù)量的越來越多，組成監(jiān)測系統(tǒng)傳感網絡的采集、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、完整地獲取各結構的信息，對信息的處理成為今后面對的問題。
二是在健康監(jiān)測領域管理者最關注的是及時掌握結構的異常狀態(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注與結構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構的監(jiān)測，我們每一個結構物都是我們的實驗模型，都是我們的實驗實體，都是我們的研究對象，這就可以及時提升結構設計的安全性，而且結構與經濟的平衡更好，保證結構壽命更長，找到平衡點。
四是在多結構健康監(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優(yōu)而價廉。隨著信息系統(tǒng)和互聯(lián)網的發(fā)展為這樣的監(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)特性更為顯著，使未來的智慧城市成為可能。
這是整個監(jiān)測系統(tǒng)+互聯(lián)網的特征更加顯現(xiàn)。
目前我們正在構建以京滬高速鐵路橋梁群為重點的監(jiān)測系統(tǒng)，二是以朔黃重載鐵路多區(qū)段鐵路監(jiān)測系統(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期的監(jiān)測系統(tǒng)。
互聯(lián)網+的未來大有可能，以京津冀城市群智能交通體系為代表的構建實時掌控路網的實時動態(tài);二是基于數(shù)字化、信息化市政管網監(jiān)控系統(tǒng)的構建，同時信息技術在大型交通工程中的選線、勘察、設計、維護、運營、管理全壽命的周期進行管理;包括對防災監(jiān)控構建。也就是說互聯(lián)網+結構的健康監(jiān)測對整個大型結構未來的安全性、可靠性將起到很好的作用。
