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大型结构健康监测与互联网+
日期:2017-8-21 10:06:07 作者:佚名 来源:本站原创
新闻中心

   非常高兴能够参加这次大会的报告学习。我汇报的题目是《大型结构健康监测与互联网+》。因为前天刚刚接到大会通知让我做一个学习汇报,昨天加班写了一个汇报稿,可能不能达到大家的要求,希望大家能够原谅。

  我们把高层建筑、空间结构、大型桥梁、大型交通枢纽、大坝、长道隧道都作为大型结构,大型结构的安全性、可靠性与我们每个人密切相关。由于自然灾害或人为因素,或者是结构本身的性能、突发事件屡有发生,一旦某一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。所以说如何掌握大型结构,它的健康状态与我们每个人息息相关,成为各个领域关注的重点。

  所以我今天就把大型结构健康状态与互联网+做一个汇报交流。分三个方面:一是结构安全保障面临的问题;二是结构健康状态与互联网的关系;三是“互联网+”时代的结构健康。

  因为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。我们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18.74万公里已经发展到现在的370万公里;我国铁路由建国初的2.2万公里发展到现在的12万公里;而高铁去年已经发展到1.6万公里,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。

  但其中交通基础设施的安全保障面临着问题,一个是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,所以说事故频繁发生。由于这两个原因我们交通基础设施将迎来安全期的爆发期。虽然大家都非常重视,但是如何从根本上解决这个问题现在是需要探索的。

  这里面有两大因素:一是自然灾害、二是人为因素。自然灾害是突发的,人为因素是与我们的思想观念、素质管理、政策法规相关。所以这两个因素导致我们一些突发事件的发生。

  那么我们如何掌控结构的安全状态呢?这个结构的系统现在是什么样呢?我们如何防治呢?这样我们就要实时了解结构的健康状态。

  从国家来说,高度重视结构健康状态的发展,从国家中长期发展规划来说制定了多个措施保证安全状态,最关键的是几个方面,一个是在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。第二个问题是交通部,交通部也在对各种重大工程结构方面进行技术攻关,这里面的第一个关键问题就是实时掌控结构的健康状态,及时发现它的事故隐患,及时采取措施。包括自然灾害的立体检测、预报预测,这块是交通部近年来的重大课题。

  从铁道系统,因为我国铁道系统发展迅猛,特别是高速铁路的迅猛发展,如何保证整个全线运营安全也是当今和未来发展的重点,这里面主要是对交通基础设施的重大工程结构的健康状态的安全性和发展进行实时掌控。第二是在运行过程中事故起件、突发灾害的状态进行监控。比如地震突发时如何提前捕捉它的信息,提前导致列车紧急制动。比如日本提前15秒获得地震信息提前紧急制动避免生命财产的损失,所以说这块也是我们研发的重点。

  工信部在中长期和十二五以来对信息的感知、信息传输、信息处理、信息安全方面开展行动,为今后大型工程结构监测和其他发展创造了很好的基础。目前信息化、工业化两化的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。

  对一个大型工程结构来说,从它的设计、建造、运营到损伤、老化是全寿命的,全寿命过程中如何保障它的安全性,我们采取了在使用过程中的监测,在运用过程中的连续监测,实时掌握它的健康状态。从测试分析到结构的安全评估,对结构的维护形成完整的全寿命过程的保障,就像医生给人看病一样,我们对结构也建立了健康监测系统。

  我们一般分成三大部分,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,这部分保证对信息实时、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;四是养护维修进行修护,这就构成我们结构的安全系统,这个系统涉及到多学科,既包含对结构专业人员,也涉及到计算机信息处理的人员,这块健康结构的监测与互联网就结合起来了。

  这样的话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。一个工程结构我们百年设计,如何在百年过程中保障安全,延长使用寿命就是我们当前所需要做的重要工作。

  从国外来说,高度重视大型结构的健康监测,从上个世纪一路走在我们国家的前面,比如这是从美国、法国、日本、丹麦等国建的一些特大桥梁的监测系统,来实时预报结构运行的安全状态,实时预测自然灾害突发后对结构的影响确保它的运营安全。

  我们国家从上个世纪末也开始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。

  健康系统的主要有四个方面: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。过去是人为管理,对结构不了解、不掌握;

  二是尽早发现结构自身或者行车过程中的危险状态,在结构危险萌芽阶段时提前预警,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在的运行状态,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: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,健康检测系统是具备足够的船干测试能力;二是具备数据采集和传输能力,这就与互联网相关;三是需要对结构的安全评估与健康诊断,首先是对结构模型的修正与分析,对损伤的模型定位,损伤发生在什么地方,对结构将来有什么影响,同时对结构的安全性发出实时预警预报。这就是健康监测的任务。

  实时健康监测是跨学科、多领域的综合技术,将涉及到土木工程、动力学、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等,所以结构健康监测系统的发展以致于通信与网络技术的发展紧密相关。

  我校在健康监测中的研究对大型工程结构建立了相应的监测系统。比如这是结合我国芜湖长江大桥、武汉长江大桥等建立了一套监测分析系统,一个是小集中式分测系统二是远范围的实时监测,掌握它的运行状态和每一个结构的健康状况。可以适用于多个工程结构,满足不同规模、不同类型的健康监测内容,从而很好地解决了结构监测的问题。

  比如这是芜湖长江大桥系统,这是我国第一个大跨矮塔长江大桥,为了保证结构安全建立了长期的实时监控系统,现在已经建立了15年,当时是30个人员配备,现在减到15个人。武汉长江大桥是50年代建设的一座50多年的老桥,发行了11次大型船舶撞击事故,每次都会进行封桥进行监测,建立了监测系统以后2011年有一个万吨级撞击到七好柱,在撞击过程中实时掌握结构损伤状态,发生预警,对整个桥梁维护和运营起到了保障作用。

  同时,对一些长大隧道的施工过程和运营安全也建立了实时监测系统。对我国第一条大型的秦皇岛到大秦的大秦线进行了广域监测系统,进行实时监测。同时东北世界第一条哈大铁路进行监控,对路基状态进行了实时监测系统,为运行安全提供安全保障。对青藏铁路是我国建立的第一条高寒高原铁路,在海拔4000米以上,有550公里的冻土区,人工监测是不可能的,我们在高寒高原上建立了第一条长期自动检测系统,人民日报报道为青藏铁路安装了千里眼,为青藏铁路的运营安全提供了技术保障。

  通过上述的研究,我们现在分成两代,一是大型的实时监测,现在总结起来扩展性差,施工复杂性和建设费用高,基于互联网的发展,基于现代信息技术的发展,我们发展了复合网的模式,面向广域范围的结构实时监测,可以考虑可靠性的多通信制式支持,远程化,智能化信号与信息处理,这也是今后发展的重点方向。

  所以未来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,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。现在的养护与维修是定期式的,运行过程中每个结构的质量不一样,管理不一样有提前损坏的也有延迟损坏的,不能实时监测,有了这个方案以后我们就可以实时掌控它的状态,及时维护维修,我们叫按需维修,这就节省了投入。

  健康监测系统与平台的新特征与能力是什么呢?主要有四个方面:一是随着结构建设规模的越来越大,结构建筑物数量的越来越多,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,都是我们的实验实体,都是我们的研究对象,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这样的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更为显著,使未来的智慧城市成为可能。

  这是整个监测系统+互联网的特征更加显现。

  目前我们正在构建以京沪高速铁路桥梁群为重点的监测系统,二是以朔黄重载铁路多区段铁路监测系统也正在建立,三是河北山区高速公路以荣乌等路段建立长期的监测系统。

  互联网+的未来大有可能,以京津冀城市群智能交通体系为代表的构建实时掌控路网的实时动态;二是基于数字化、信息化市政管网监控系统的构建,同时信息技术在大型交通工程中的选线、勘察、设计、维护、运营、管理全寿命的周期进行管理;包括对防灾监控构建。也就是说互联网+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。


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