改革開放40年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)經(jīng)歷了大規(guī)模發(fā)展。這一方面反映了我國改革開放以來取得的巨大成就，另一方面也對我們土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測提出了新的挑戰(zhàn)。在橋梁方面，隨著橋梁建設(shè)的不斷發(fā)展，橋梁結(jié)構(gòu)的形式與功能日趨復(fù)雜，人們對現(xiàn)代橋梁的質(zhì)量和壽命越來越重視。經(jīng)過長期使用，橋梁結(jié)構(gòu)難免會發(fā)生各種各樣的損傷，加上近些年，地震、洪水、暴風(fēng)等自然災(zāi)害也對這些建筑物和結(jié)構(gòu)造成不同程度的損傷，還有一些人為的爆炸等破壞性行為。因此，對橋梁結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行監(jiān)測和診斷，及時(shí)地發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損傷，對可能出現(xiàn)的災(zāi)害提前預(yù)警，評估其安全性己經(jīng)成為未來工程的必然要求，也是土木工程學(xué)科發(fā)展的一個重要領(lǐng)域。
1 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測概述
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（structural health monitoring，SHM）是指利用現(xiàn)場的無損傳感技術(shù)，通過包括結(jié)構(gòu)響應(yīng)在內(nèi)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性分析，達(dá)到檢測結(jié)構(gòu)損傷或退化的目的。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)研究的目的就是通過結(jié)構(gòu)中的傳感器網(wǎng)絡(luò)來實(shí)時(shí)獲取結(jié)構(gòu)對環(huán)境激勵(人為的或自然的)的響應(yīng)，并從中提取結(jié)構(gòu)的損傷和老化信息，為結(jié)構(gòu)的使用和維護(hù)工作提供參考，因而可降低維護(hù)費(fèi)用，預(yù)報(bào)災(zāi)難性事件的發(fā)生，將損失降低至最小。
對于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的關(guān)鍵，就技術(shù)上而言，主要是先進(jìn)傳感器的優(yōu)化布設(shè)和信息的高效傳輸；就理論上而言，主要是結(jié)構(gòu)識別理論和狀態(tài)評估理論的發(fā)展。因此，健康檢測有可能將目前廣泛采用的離線、靜態(tài)、被動的損傷檢測，轉(zhuǎn)變?yōu)樵诰€、動態(tài)、實(shí)時(shí)的監(jiān)測與控制，這將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)工程安全監(jiān)控、減災(zāi)防災(zāi)領(lǐng)域的一場革命?？梢姡Y(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是一門綜合性技術(shù)，涉及到結(jié)構(gòu)動力學(xué)、信息技術(shù)（如信號的傳輸、處理、存貯與管理）、傳感器技術(shù)、優(yōu)化設(shè)計(jì)等多個學(xué)科。一個完善的智能健康檢測專家系統(tǒng)簡單來說可以分為3個部分，即信號采集、信號處理和損傷診斷。其中，損傷診斷是健康監(jiān)測的核心問題，是對結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性評估和維護(hù)決策的基礎(chǔ)。
橋梁健康監(jiān)測其實(shí)是屬于土木結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測的范疇，它是指利用各種類型的傳感器對橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行無損探傷或者監(jiān)測，對橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的整體行為進(jìn)行定時(shí)或不定時(shí)的監(jiān)測，通過數(shù)據(jù)分析進(jìn)而診斷出損傷所發(fā)生的位置和程度。
2 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)發(fā)展
在橋梁方面，國外應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)較早。在80年代中后期開始各種規(guī)模的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的建立。例如，英國在總長522 m的三跨變高度連續(xù)鋼箱梁橋Foyle橋上布設(shè)傳感器，監(jiān)測大橋運(yùn)營階段在車輛與風(fēng)載作用下主粱的振動、撓度和應(yīng)變等響應(yīng)，同時(shí)監(jiān)測環(huán)境風(fēng)和結(jié)構(gòu)溫度場．該系統(tǒng)是最早安裝的較為完整的監(jiān)測系統(tǒng)之一，它實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測、實(shí)時(shí)分析和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)共享。而后還有丹麥的Faroe跨海斜拉大橋、墨西哥的Tampico斜拉橋、美國主跨440m的Sunshine Skyway Bridge斜拉橋等，均建立了橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)。反觀國內(nèi)，雖然起步較晚，但是腳步邁得很快。我國自90年代起也在一些大型重要橋梁上建立了不同規(guī)模的結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)，如香港的青馬大橋、汲水門大橋和汀九大橋，內(nèi)地的上海徐浦大橋以及江陰長江大橋等。東海大橋項(xiàng)目技術(shù)上引進(jìn)美國NI公司的PXI數(shù)據(jù)采集卡，配上相應(yīng)的風(fēng)速計(jì)、加速度等傳感器等對橋梁整體參數(shù)進(jìn)行采集，在方案中還采用了GPS授時(shí)完成數(shù)據(jù)無線同步采集。
3 關(guān)于橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)一些進(jìn)展
3.1 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的橋梁結(jié)構(gòu)健康檢測技術(shù)
伴隨著現(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，人們不斷在倡導(dǎo)智慧結(jié)構(gòu)、智慧城市、智慧地球，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入到結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域也碰撞出了學(xué)科交叉的火花?；谖锫?lián)網(wǎng)的SHM系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：1）測試節(jié)點(diǎn)具有獨(dú)立性（開放性），包含時(shí)間地點(diǎn)等具體信息；2）能夠隨時(shí)被各種系統(tǒng)提取并使用，因而需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，使得測試數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了自動的關(guān)聯(lián)與共享，大大降低了數(shù)據(jù)分析的成本。但是，也存在行政管理制約，信息安全隱患方面的問題。目前，上海市的多座建筑與橋梁已經(jīng)成功運(yùn)用SHM系統(tǒng)進(jìn)行了災(zāi)害監(jiān)測與模擬分析。如上海閔浦二橋的多災(zāi)種監(jiān)測與安全評估系統(tǒng)。
3.2 用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的荷載與響應(yīng)模型
荷載與響應(yīng)模型是進(jìn)行橋梁健康監(jiān)測警報(bào)的重要內(nèi)容。橋梁除了受到正常的交通荷載和環(huán)境荷載外，還有可能受到重車、船撞、大風(fēng)、海浪和其他異常荷載的影響。荷載識別方法的研究成果目前還很難有效應(yīng)用于大型橋梁中，主要困難包括：大型橋梁模型本身比較復(fù)雜，影響因素多；實(shí)測的信號并不單純是移動荷載引起的，還包括溫度、風(fēng)和噪聲的影響；動力學(xué)逆問題求解困難。
3.3 混合監(jiān)測（hybrid monitoring）——監(jiān)測與數(shù)值模擬的結(jié)合
混合監(jiān)測，指的是通過有限元模型和實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)的有機(jī)結(jié)合，來豐富監(jiān)測信息，并以此研究橋梁在正常運(yùn)營狀態(tài)下的各種結(jié)構(gòu)行為和機(jī)理。如圖1所示，將離散的測點(diǎn)數(shù)據(jù)與驚喜的有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行結(jié)合，最終就可以得到完備的結(jié)構(gòu)信息。
圖1 混合監(jiān)測原理
混合監(jiān)測的主要研究課題有以下四點(diǎn)。
1）不同關(guān)注因素下的多尺度建模
不同的因素會在結(jié)構(gòu)不同的尺度層面上產(chǎn)生相應(yīng)，因而單一尺度的建模不能精確地反應(yīng)各因素的影響。多尺度有限元模型指的是對不同區(qū)域或不同尺度層次應(yīng)用不同的物理規(guī)律建立模型，從而能夠反應(yīng)不同因素的影響。此外，由于模型的各節(jié)段尺度不同，因此需要通過不同的約束方程來實(shí)現(xiàn)不同尺度模型之間的變形協(xié)調(diào)。
2）有限元模型修正和模型確認(rèn)
結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)，研究模型的修正策略，從而使有限元模型更接近于實(shí)橋的真實(shí)狀態(tài)。由于每次模型修正都基于某次特定的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行的，因此不具備不確定性。故還需考慮不確定性對模型進(jìn)行進(jìn)一步的修正。
3）荷載及環(huán)境因素
根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)建立交通荷載及溫度的統(tǒng)計(jì)模型，并考慮材料參數(shù)、日照、溫度、風(fēng)速、邊界條件等因素對結(jié)構(gòu)行為進(jìn)行多因素作用的分析。
4）數(shù)據(jù)可視化
選擇合適的數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多終端訪問、共享和互動的數(shù)據(jù)展示。其次，利用可視化技術(shù)中實(shí)現(xiàn)監(jiān)測結(jié)果和有限元模擬結(jié)果的綜合展示，提高健康監(jiān)測系統(tǒng)的效率和易用性。
3.4 健康監(jiān)測大數(shù)據(jù)分析
隨著結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的日益普及，傳感器數(shù)量漸趨增多，數(shù)據(jù)積累速度越來越快。一般認(rèn)為，大數(shù)據(jù)具備4V特征，即數(shù)據(jù)體量大（Volume）、種類多（Variety）、增速快（Velocity）、價(jià)值密度低（Value）。4V特征并沒有明確地限定大數(shù)據(jù)的體量規(guī)模，因而可廣泛適用于各個行業(yè)。目前橋梁長期健康監(jiān)測面臨著傳統(tǒng)的離線監(jiān)測系統(tǒng)無法勝任海量數(shù)據(jù)的存儲、管理和分析等數(shù)據(jù)處理功能，且橋梁損傷識別和模型修正的計(jì)算規(guī)模大且復(fù)雜，因此發(fā)展數(shù)據(jù)處理和計(jì)算的高效的計(jì)算方法進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析收到學(xué)者們的重視。大數(shù)據(jù)分析的流程包括：數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)挖掘（數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)將為、特征提取、模式識別、預(yù)測）、數(shù)據(jù)可視化。具體如圖2所示：
圖2 大數(shù)據(jù)分析流程
大數(shù)據(jù)處理和分析的終極目標(biāo)是借助對數(shù)據(jù)的挖掘，對結(jié)構(gòu)作出合理的預(yù)測和判斷。運(yùn)用大數(shù)據(jù)的“樣本=總體”的全新概念的本質(zhì)功能也是預(yù)測，通過數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)挖掘方法達(dá)到預(yù)測橋梁損傷的目的。隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，橋梁健康監(jiān)測技術(shù)也會有突飛猛進(jìn)的發(fā)展，從而構(gòu)建一個全國性的大中小型橋梁的健康、病害、預(yù)防、診治一體化管理的用于分析、整合、規(guī)范、指導(dǎo)的信息數(shù)據(jù)鏈交互平臺，提供一個可靠、高效、并能夠不斷優(yōu)化服務(wù)的健康與安全保障系統(tǒng)。
3.5 基于平行坐標(biāo)圖的模式識別（PCP）
PCP通過N個平行坐標(biāo)軸將N維數(shù)據(jù)投射到二維空間中，每個數(shù)據(jù)點(diǎn)被表示為PCP中的一條線段，由此原始的高維數(shù)據(jù)集可被表示為一個幾何系統(tǒng)。PCP能夠呈現(xiàn)數(shù)據(jù)間的相關(guān)關(guān)系，因而具有模式識別功能，這也體現(xiàn)了大數(shù)據(jù)“追求相關(guān)關(guān)系而非因果關(guān)系”的思維方式。PCP的模式識別功能由三個重要的可視化特征實(shí)現(xiàn)，分別為以下幾方面：
（1）線段夾角，表明變量間的正負(fù)相關(guān)關(guān)系，圖3（a）中線段交匯于一點(diǎn)，表示兩變量間具有強(qiáng)負(fù)相關(guān)關(guān)系，圖3（c）中線段彼此平行，表示兩個變量間具有強(qiáng)正相關(guān)關(guān)系。
（2）線段交點(diǎn)區(qū)域，表明變量間相關(guān)關(guān)系的強(qiáng)弱，圖3（b）線段交匯于一個區(qū)域，表示兩變量間具有弱負(fù)相關(guān)關(guān)系。
（3）線段分布，表明趨勢模式或異常點(diǎn)模式。趨勢模式對應(yīng)密集區(qū)域的線段，異常點(diǎn)則是稀疏區(qū)域的線段。圖3(d)下方的線段可判斷為趨勢，上方的線段為異常點(diǎn)。
圖3 平行坐標(biāo)圖
在數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法下，橋梁結(jié)構(gòu)損傷或異常識別與狀態(tài)評估大都可歸類于模式識別問題。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)驅(qū)動的分析中，模式識別前一般要先對多通道、多種類的傳感器時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行降維，以提升機(jī)器學(xué)習(xí)方法的效率和準(zhǔn)確性。然而降維存在定階的問題，即需要確定最終的變量個數(shù)，盡可能多地保留原始數(shù)據(jù)中的信息。此外，損傷識別、傳感器故障識別等問題常缺乏足夠的標(biāo)注數(shù)據(jù)，使得有監(jiān)督學(xué)習(xí)方法很難被應(yīng)用；無監(jiān)督學(xué)習(xí)雖不使用標(biāo)注數(shù)據(jù)但對參數(shù)設(shè)定敏感，且很容易陷入局部最優(yōu)解。PCP將人的認(rèn)知能力融入到數(shù)據(jù)分析中，為無法使用有監(jiān)督學(xué)習(xí)及無監(jiān)督學(xué)習(xí)不穩(wěn)定情況下的模式識別提供了新的思路，并可直接對原始高維數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化。
4 結(jié)論
如今現(xiàn)階段橋梁的集中建設(shè)必定將導(dǎo)致某一時(shí)期問題的集中爆發(fā)，對橋梁健康監(jiān)測來說這既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。目前以人工智能為主導(dǎo)的數(shù)據(jù)化、智慧化的工業(yè)4.0時(shí)代正在到來，借助人工智能、云計(jì)算等新技術(shù)的成果，相信在不遠(yuǎn)的將來橋梁健康監(jiān)測技術(shù)將不斷深化和完善，而我們的橋梁結(jié)構(gòu)將得到更好的保護(hù)，為人類造福。
