大型结构健康监测与“互联网＋”

　　信息通信技术的运用，为今后大型工程结构监测和其他发展创造了很好的基础。互联网+结构的健康监测对整个大型结构未来的安全性、可靠性将起到很好的作用。

　　高层建筑、空间结构、大型桥梁、大型交通枢纽、大坝、长道隧道都是大型结构，这些大型结构的安全性、可靠性与我们每个人密切相关。由于自然灾害、人为因素，或者是结构本身的性能、突发事件屡有发生，一旦某个结构造成损毁会造成经济损失，会产生对生命财产的损失。因此大型结构的健康状态与我们每个人息息相关，也将成为各个领域关注的重点。

　　结构安全保障面临的问题

　　交通运输是国民经济的基础产业，是经济发展的大动脉，在当今的经济社会发展过程中起着至关重要的作用。当前，从国家提出的发展战略就是以京津冀城市群为代表的五大城市群建设，包括国家“一带一路”和中国高铁“走出去”的发展战略，在这里面提的至关重要的问题就是交通基础设施起着相当大的作用。

　　目前，我国公路交通从建国初18.74万公里已发展到现在的370万公里。铁路由建国初的2.2万公里发展到现在12万公里，其中，高铁今年年底将达到1.9万公里，轨道交通在22个城市建成95条，达到3173公里，到2020年预计达到超过6000公里，而且随着我国城市建设的发展多制式轨道交通也在我国迅速发展。

　　但交通基础设施的安全保障面临着问题。建国后的第一个高峰期到现在已经超过50多年，到上世纪90年代是第二个建设的高峰期，虽然年限不长，但是由于施工速度快，不合理的工期、不合理的质量、不合理的合同，造成一些工程质量的短缺，所以事故频繁发生，我国交通基础设施将迎来安全期的爆发期。如何从根本上解决这个问题是现在需要探索的。

　　我国高度重视结构健康状态的发展，从国家中长期发展规划层面制定了多个措施保证安全状态。一是在结构安全期的状态如何保障。二是如何进行监测和预报，包括技术理论和装备的研发。

　　从铁道系统，因为我国铁道系统发展迅猛，特别是高速铁路，如何保证整个全线运营安全也是当前和未来发展的重点，这里面主要是对交通基础设施重大工程结构的健康状态的安全性和发展进行实时掌控。其次是在运行过程中事故起件、突发灾害的状态进行监控，以保障全线运营安全。

　　工业和信息化部对信息感知、信息传输、信息处理、信息安全方面开展的各项行动为今后大型工程结构监测和发展创造了很好的基础。两化融合为大型交通基础设施、为大型交通工程的安全性进一步提供了保障。

　　健康结构监测与互联网结合

　　对一个大型工程结构来说，从它的设计、建造、运营到损伤、老化是全寿命周期过程，为保障其安全性，我们采取了在使用过程中监测，在运用过程中连续监测，实时掌握其健康状态。从测试分析到结构安全评估，对结构的维护形成完整的全寿命过程的保障，如同医生给人看病一样，我们对结构也建立了健康监测系统。

　　这个系统分为四部分，一是监测系统，采用什么样的传感技术能够完整、长期、准确、连续地获得信息；二是信息的处理与传输部分，这部分保证信息实时、快速传到监控中心；三是对数据的分析处理，对它的损伤程度、损伤位置进行识别，做出判断；四是养护维修。这很好地体现了健康结构监测与互联网的结合。

　　依据结构养护的需求以及当今科技手段，实现结构状态数字化和信息化，推动主动式养护与管理进步，有效提高和保障结构运营的检测、养护和管理水平，降低全寿命期运营安全风险，延长安全使用寿命意义重大。

　　我国高度重视大型结构的健康监测，从上个世纪末开始便开展健康监测系统的研究，虽然时间短，但是发展快，随着我国大批大型工程建设，大型交通基础设施的建设如何保证结构的质量，如何保证运营安全成为结构健康监测的任务。

　　健康监测系统有四个方面：一是为结构长期科学有序的监测、巡检、养护、管理提供一个数据平台，建立结构长期的数字化和信息化档案；

　　二是尽早发现结构自身或行车过程中的危险状态，在结构危险萌芽阶段提前预警，确保安全，特别是铁路，要实时提前发现事故隐患，提前排除确保安全；

　　三是有效掌控运行期间结构的局部或整体长期使用状态和发展趋势，为养护决策提供数据与信息支持；

　　四是有效掌握交通基础设施运营期的运行状态，为突发状态时提供数据保障。

　　从宏观上，结构健康监测系统的主要目标是为结构安全、设计校核、养护维修和监测技术发展提供服务。从技术细节和实现要求来说，健康检测系统首先要具备足够的传感测试能力。其次要具备数据采集和传输能力，这就与互联网相关。三要对结构的安全评估与健康诊断。健康监测的任务包括了对结构模型的修正与分析，对损伤的模型定位，对结构将来的影响，同时要对结构的安全性发出实时预警预报。

　　实时健康监测是跨学科、多领域的综合技术，涉及到土木工程、材料学、传感技术、测试技术、信号分析、计算机技术以及网络通信技术等，所以结构健康监测系统的发展和通信及网络技术的发展紧密相关。

　　“互联网+”时代的结构健康

　　未来我们的目标是以结构运营安全与维护为服务对象，以现代化监测全息、泛在、智能为要求，以结构物联网为基础，以提供专业化的海量数据计算服务为平台，这是对现有结构健康监测系统的拓展，以促进建设形态与养护模式的创新与改进。有了这个方案后我们就可以实时掌控大型结构的状态并按需维修，这也大大减少了投入。

　　“互联网+”下的结构监测系统特征将明显，主要表现在四个方面。

　　一是随着结构建设规模的越来越大，结构建筑物数量越来越多，组成监测系统传感网络的采集、传输的数据量接近海量，同时新型机动车辆的检测对阶段数据类型不断丰富将出现大数据的特点，也就是说我们将会长期、完整地获取各结构的信息，对信息的处理成为今后面对的问题。

　　二是在健康监测领域管理者最关注的是及时掌握结构的异常状态、安全状态，必要的时候要对它进行维护和管理，根本就是基于对于数据规律的挖掘，有助于充分利用数据价值，所以说大数据和互联网将为科学研究提供新一步的途径。这是我们今后研究和发展的重点。

　　三是设计和研究者将关注与结构运营时的荷载与响应是否与设计相一致。过去研究是在实验室建立的小模型，现在如果有了实时的对结构的监测，我们每一个结构物都是我们的实验模型、实验实体、研究对象，这就可以及时提升结构设计的安全性，而且结构与经济的平衡更好，保证结构寿命更长，找到平衡点。

　　四是在多结构健康监测数据分析需求形成规模时，专业数据分析中心的云计算系统提供的数据分析与共享服务将会质优而价廉。随着信息系统和互联网的发展，为监测系统提供廉价的服务成为可能，基于数据的服务业更具针对性和准确性，智能化和智慧化系统特性将更为显著，使未来的智慧城市成为可能。

　　“互联网+”的未来大有可能，互联网+结构的健康监测将对整个大型结构未来的安全性、可靠性将起到很好的作用。

　　（以上内容系根据杜彦良院士在“2015中国互联网+创新大会·河北峰会”上的演讲整理而成）

　　中国工程院院士 杜彦良

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