中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預(yù)警與評價(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)。
近年來，橋梁事故屢見不鮮，或虛驚一場，或人財(cái)兩失，嚴(yán)重程度大相徑庭。
就在近日，相隔不到半個月的時(shí)間里，接連發(fā)生了兩起橋梁事故。
4月26日，武漢鸚鵡洲長江大橋橋體出現(xiàn)波浪般的晃動。此后，該橋管養(yǎng)單位武漢市城投集團(tuán)公司回應(yīng)稱，此次橋梁異常振動系特定風(fēng)況引起，振幅在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi);橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)行正常，安全有保障。
5月6日下午，主跨888米的虎門大橋橋面出現(xiàn)了幅度明顯的“抖動”，橋中間的隔離帶上的指示牌也隨之上下?lián)u晃，甚至直到第二天凌晨仍在振動。
懸索橋振動模型
好在兩起事件都沒有造成人員傷亡，但也因此引起了業(yè)界廣泛的關(guān)注。尤其后者，以各種“姿勢”出現(xiàn)在各大平臺的熱搜榜上，引得社會各界人士紛紛站在自己的角度對此次事件發(fā)表了自己的“看法”：
而在各界或質(zhì)疑、或猜測、或調(diào)侃、或借勢推銷的聲浪中，網(wǎng)友們也探討起了“虎門大橋”是否是豆腐渣工程。就此我們采訪了業(yè)界專家：
5月10日，最新發(fā)布的報(bào)告對此作出了回應(yīng)，它確實(shí)不是豆腐渣工程!
從虎門大橋“呼吸”事件說起，我們怎么看結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測?
虎門大橋作為一座具有標(biāo)桿意義的大橋，此次“呼吸”事件的發(fā)生也給我們現(xiàn)實(shí)生活帶來了巨大的借鑒意義：
預(yù)防已有橋梁事故發(fā)生的必要性，通過采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，提高發(fā)現(xiàn)類似情況的速度，從而能夠及時(shí)采取交通管制的措施;
發(fā)生突發(fā)事件后的評估為應(yīng)急響應(yīng)提供輔助決策;
給后續(xù)同類型橋梁設(shè)計(jì)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，來源于真實(shí)的場景的數(shù)據(jù)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有更高的參考價(jià)值。
在這些借鑒意義的背后，是數(shù)據(jù)，是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，也是基于兩者而做出的事故提前預(yù)警。
如果說虎門大橋事件離大部分人的生活不夠近，那不妨從更加接近我們生活的地方聊起。
其實(shí)在我們的日常生活中，通過佩戴智能手環(huán)、智能手表等監(jiān)測設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測心率、步數(shù)、環(huán)境噪聲等，再借助收集而來的數(shù)據(jù)分析人體的健康狀況，比如通過Apple Watch監(jiān)測并輸出專業(yè)水平的心電圖、糖尿病呼患者隨身佩戴血糖監(jiān)測儀器以有效預(yù)防風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生等，這些都已經(jīng)不是什么新鮮事了。
那么，如果把橋梁比作人體，則橋上安裝的監(jiān)測系統(tǒng)相當(dāng)于功能豐富的智能監(jiān)測設(shè)備，它們可實(shí)時(shí)收集各類環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)再對橋梁狀況進(jìn)行分析。同人體監(jiān)測設(shè)備存在的目的一樣，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的存在也是如此：
一方面，通過長期的結(jié)構(gòu)監(jiān)測獲得結(jié)構(gòu)響應(yīng)的變化，這些數(shù)據(jù)具有長期性、累積性的及統(tǒng)計(jì)性的特征，有著獨(dú)特的、不可替代的價(jià)值。
另一方面，對于一些已經(jīng)存在的或者潛在的問題，監(jiān)測系統(tǒng)也能夠跟蹤其變化發(fā)展趨勢，為結(jié)構(gòu)性能變化以及損傷推演提供支持。
說了這么多，何為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測?
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(structural health monitoring，SHM)利用現(xiàn)場的傳感設(shè)備獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)感知、監(jiān)測、識別、評定和預(yù)警結(jié)構(gòu)荷載與環(huán)境作用、結(jié)構(gòu)響應(yīng)、結(jié)構(gòu)性能、結(jié)構(gòu)狀態(tài)與安全水平。它高度集成了土木工程、信息科學(xué)、通信科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)據(jù)科學(xué)等多個專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)，是保障結(jié)構(gòu)全壽命服役安全的有效方法和手段。
再來說說，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測發(fā)展過程中三個重要的時(shí)間節(jié)點(diǎn)：
即是監(jiān)控系統(tǒng)，那到底能監(jiān)控哪些關(guān)鍵指標(biāo)想必也是大家都關(guān)心的內(nèi)容。對于大型橋梁來說，一個全面的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下三個方面：
第一：實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測，如車輛載荷、船舶撞擊、風(fēng)速風(fēng)向、風(fēng)壓、地震、溫濕度、余量和視頻監(jiān)控等;
第二：實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)，能監(jiān)測到振動、變形、位移和轉(zhuǎn)角;
第三：實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)局部響應(yīng)監(jiān)測，包括應(yīng)力應(yīng)變、裂縫及索力。
總體來說，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)主要發(fā)揮著監(jiān)測及預(yù)警的作用。
結(jié)構(gòu)專家如何進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)?
人在健康的情況下尚且要長期進(jìn)行監(jiān)測，作為在交通事業(yè)承擔(dān)了舉足輕重的作用的橋梁也是如此。那些表面看似穩(wěn)固的橋梁，或許存在著嚴(yán)重的安全隱患。突發(fā)異常變化的橋梁也不能武斷地認(rèn)定是設(shè)計(jì)、施工存在問題，而是需要依賴土木結(jié)構(gòu)專業(yè)知識，并結(jié)合長期歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行推論。
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟
在確定結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的目標(biāo)后，結(jié)合被監(jiān)測結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工圖紙資料以及歷年的檢測報(bào)告等，我們會對結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析，了解結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為規(guī)律，掌握起關(guān)鍵部位、荷載及理論響應(yīng)，對監(jiān)測方案的結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行概念設(shè)計(jì)?；谝陨戏治霾拍苓M(jìn)一步對監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器選型、布設(shè)方式、傳輸策略、數(shù)據(jù)存儲管理方式等進(jìn)行細(xì)化技術(shù)設(shè)計(jì)。
在這個系統(tǒng)中，每一個傳感器都有自己的一塊手表(時(shí)基)，但由于晶振特性漂移，一段時(shí)間后手表的讀數(shù)相互出現(xiàn)了差異，因此需要定期對這些“手表”進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)整(引入時(shí)間同步機(jī)制)。否則在模態(tài)識別過程中就會引起模態(tài)振型相位角的改變，進(jìn)而導(dǎo)致解算出的模態(tài)振型錯誤，監(jiān)測系統(tǒng)將發(fā)生大量的誤報(bào)和漏報(bào)。目前，相關(guān)行業(yè)規(guī)范要求不同監(jiān)測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集時(shí)間同步誤差宜小于0.1ms，但目前相當(dāng)數(shù)量的設(shè)備實(shí)際指標(biāo)達(dá)不到該標(biāo)準(zhǔn)要求。
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)意義在哪里?能提供什么價(jià)值?
虎門大橋“呼吸”事件的發(fā)生，讓我們明白了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的核心價(jià)值體現(xiàn)在對數(shù)據(jù)的應(yīng)用上，因?yàn)楸O(jiān)測設(shè)備采集的數(shù)據(jù)零散而又片面，并不能獨(dú)立提供價(jià)值。只有結(jié)合結(jié)構(gòu)專家對被測對象結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的專業(yè)知識，對監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)解析和利用，才能讓數(shù)據(jù)的價(jià)值發(fā)揮到極致。提到監(jiān)測數(shù)據(jù)的應(yīng)用，或許還可以用另外一個發(fā)生不久的案例進(jìn)一步佐證。
該案例的主角是四川瀘州橋隧群，該橋隧群監(jiān)測項(xiàng)目是全國范圍內(nèi)首個完全采用無線傳感技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測的橋隧群項(xiàng)目，其建設(shè)工期為90個自然日，布設(shè)了近4000個傳感設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了對全市30座橋梁、3座隧道的全天候?qū)崟r(shí)自動狀況監(jiān)測。2019年6月18日宜賓地震，監(jiān)測系統(tǒng)1小時(shí)內(nèi)即形成應(yīng)急響應(yīng)函，并在24小時(shí)內(nèi)生成應(yīng)急分析報(bào)告，為橋隧安全運(yùn)行提供了科學(xué)依據(jù)。該系統(tǒng)的建立標(biāo)志著瀘州公路交通管養(yǎng)模式向預(yù)防性、主動性轉(zhuǎn)變。
在這個案例中，正是通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析、應(yīng)用才能及時(shí)響應(yīng)并快速生成分析報(bào)告，化被動為主動。該案例的服務(wù)提供方為北京源清慧虹信息科技有限公司，是一家國家級高新企業(yè)，也是由清華大學(xué)孵化的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)整體解決方案代表企業(yè)及行業(yè)規(guī)范起草單位。
值得一提的是源清慧虹已連續(xù)5年服務(wù)于交通部索承體系橋梁國檢項(xiàng)目，在其方案中表現(xiàn)出了眾多的亮點(diǎn)：
(1) 快速無損布設(shè)、超長免維護(hù)期
(2) 災(zāi)害全程記錄，提供完善的結(jié)構(gòu)響應(yīng)原始數(shù)據(jù)
(3) 感知端人工智能、百倍信息密度提升
(4) 關(guān)鍵芯片和協(xié)議自主可控
(5) 組網(wǎng)自適應(yīng)、排查“零延誤”
(6) 高精度授時(shí)、微秒級偏差
當(dāng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測遇上新基建......
我國交通建設(shè)投資不斷增加，未來橋梁建仍會保持上升的趨勢，再加上由于我國早前建設(shè)的橋梁大部分還沒有加裝結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，因此對于橋梁監(jiān)測來說，這是增量與存量并存的藍(lán)海市場。
同時(shí)，“新基建”政策的出臺為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測市場“再添一把火”，帶來了更多的市場機(jī)會。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測具有由重設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)橹胤?wù)的特點(diǎn)，長期可靠的服務(wù)是客戶價(jià)值所在，這一點(diǎn)與新基建不謀而合。新基建可利用先進(jìn)技術(shù)(無線傳感網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析、人工智能)解決基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和養(yǎng)護(hù)問題，這是無疑也是智慧城市的目標(biāo)，而說到底結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測也是實(shí)現(xiàn)智慧城市安全有保障的手段之一。
在這樣的情況下，新基建也將成為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測未來可拓展的市場方向。
