20世紀80年代末期,我國著名光電專家黃尚廉院士敏銳地看到了橋梁結(jié)構安全監測技術的(de)重要性、先進性、前瞻(zhān)性;高瞻遠矚地指出,該技術具有多學科交叉的包容性、跨學科發展的帶動性、對未來產業的牽引性(xìng),從而在國內率先提出開展該項技術的建議。在黃尚廉院士的倡導與(yǔ)親自組織(zhī)下(xià),重慶大學光電技術研究室在國內率先開展了該前沿領域的艱苦探索。
橋梁結構安全監測的感覺器官、中樞神經、思維大腦這三(sān)大關鍵技術都是典型的信息技術,但其針對的對象卻是典型的結構工程(chéng)技術,因此要實現橋梁結構監測的夢想,就必須使信息技術與結構工程技術有機融合,這就要求信息人必須(xū)首先“跨界”進入土(tǔ)木界,從而了解橋梁結構的(de)特(tè)點、掌握並吃透其難點,發現突破點、找(zhǎo)到解決(jué)方案。
為此,1993年剛從日本留學歸國的陳偉民教授,在爭(zhēng)分(fèn)奪秒研究橋梁(liáng)結構監測的基礎理論與技術,研製特殊傳感(gǎn)器的同(tóng)時,還(hái)擠出時(shí)間虛心向土木工程與橋梁界學習。
長期穿梭於當時的交(jiāo)通(tōng)部重慶公路研究所、重慶大學(xué),向土(tǔ)木工程界虛心學習(xí),並直接(jiē)進入到(dào)楊公橋立(lì)交橋這個當時西南地區最大的立交橋建設工地,從(cóng)挖地基、打樁機、紮鋼筋、做模板等(děng)基礎工藝入手,了解與學習混凝土澆築、保養,結構(gòu)的預應力張拉、施工(gōng)參數測量與控製等,經曆(lì)一年多時間,從(cóng)一(yī)個(gè)橋梁與土(tǔ)木工程的門外漢,逐步進入了橋梁工程的大門,為後續帶領團隊“跨界”科研奠定了堅實的基(jī)礎。
“感覺器官”之(zhī)創新
傳感器係統是橋(qiáo)梁結構安全的感覺器(qì)官,是直接獲取橋(qiáo)梁結構狀態原始信(xìn)息的關鍵,是橋梁結構(gòu)安全監測需要攻克的第一道難關(guān)。
由於橋梁(liáng)是具有拱橋、連續剛構橋、懸索、斜拉橋等多種不同(tóng)形式(shì),且包含墩、梁、塔、杆、索等多個重要構件,並主要由鋼筋與混(hún)凝土以及鋼結構組成的(de)複雜結構。
因此,要對橋梁的結構安全進(jìn)行(háng)監測,就必須麵臨一係列特殊困難。其在(zài)材料上(shàng)具有各向異性的特(tè)點,其在結構內部的受力(lì)方式是超(chāo)靜定結構、其承受的外載荷則是隨機非均勻運動衝(chōng)擊,其(qí)整體尺度動輒就(jiù)是千米級的龐然大(dà)物、建設(shè)的時間往往持續數年。
因此,橋(qiáo)梁結構安全監測的傳感器係統,必(bì)須與橋梁(liáng)的結構與材料具有良好的相容(róng)性,能滿足不同橋型、不同構件(jiàn)、不同環境的監測(cè)要求。它必須要解決三大(dà)難題(tí)。
01是要將其“植入”橋梁結構,獲取橋梁(liáng)結構原始狀態參數信息;
02是傳感器的植入既不能影響橋梁結構的自身性能與安全,又不能影響橋梁(liáng)的施工與維護;
03是傳感器必須要在橋(qiáo)梁(liáng)現場惡劣的野外(wài)現場(chǎng)環境下(xià),長(zhǎng)期、穩定、可靠地工作。而當時的任何傳感器係統,都不可能滿足這些要求,隻能自力更生、自主創新。
為此,陳偉民教授與他的團隊,不怕困難、時(shí)刻攻關,心無旁騖、排除一切幹擾與誘惑,一心要啃(kěn)下這個硬骨頭。他們既大膽創新又嚴謹科學,經10餘年的潛心研究,終於在(zài)橋梁結構安全的“感(gǎn)覺器官”方麵,結出了豐碩的成果。
應(yīng)變是(shì)結構安全監(jiān)測最重要的指標,它反映的是結構局(jú)部(bù)受力的(de)關鍵參數,而(ér)光纖(xiān)傳感器是當時最先進、最具潛力的應(yīng)變傳感器(qì)技術。但(dàn)是(shì)外徑僅0.125毫米的光纖纖細脆弱,其專用測量儀表更(gèng)是尖端昂貴、屬於發達(dá)國(guó)家對我國(guó)封鎖的技術。
團隊經過無數個不(bú)眠之夜,終於取得重大突破,攻克了光纖應變傳感(gǎn)器的保(bǎo)護及溫度補償難題,發明了埋入式光纖法(fǎ)珀應變傳感器、混(hún)凝土專用溫(wēn)度自補償(cháng)型光纖法(fǎ)珀應變傳感器(qì);
解決了光纖法珀應變傳感器的解調與標定難題,發明了光纖法珀應變測(cè)量(liàng)儀、光纖(xiān)傳感器的通用、高速(sù)波導波長掃描解調方法及裝置,以及光纖法珀應變傳感器標定的高精度大範圍微位移工作台,最終形成了實用化(huà)的光纖法珀應變傳感器係統,開創了光纖應變傳感器係統在橋梁上的(de)大規模應(yīng)用先例。
在此基礎上,還深入研究了光纖傳感器的長期穩定性,建立了光(guāng)纖光柵應變傳感器的疲勞衰變模型,提出了光纖傳感器性能蛻變的(de)在線評(píng)價方法、以及性能蛻(tuì)變條件下的數據解調方法(fǎ),填補了行(háng)業空白。
還針對光纖(xiān)應變傳感器現有環氧封裝技術的缺陷,發明了金(jīn)屬化(huà)封(fēng)裝新技術,大幅度(dù)提升了傳(chuán)感器的可靠性,促進了該技術(shù)的發展。
變(biàn)形是結構安全監測的另一個重要(yào)指標,它能(néng)反映結構(gòu)的整(zhěng)體(tǐ)狀況。
雖然光學全站(zhàn)儀(yí)已經廣泛應(yīng)用在橋(qiáo)梁施工過程的質量監控中,但由於它必須(xū)人工操作,且是精密光學(xué)儀器,無法適應現場雨霧與灰塵等惡劣工作環境;
雖然全球衛星定位係統(tǒng)(GPS)正在(zài)興起(qǐ),在全天候工(gōng)作(zuò)等方麵顯示出極大優勢,並已在少(shǎo)數特殊場(chǎng)合得到應用,但卻麵臨價格昂貴、測量精度難以滿足要求、存在技術壟斷等瓶(píng)頸問題。為此,團隊成員另辟蹊徑、大膽創新,攻下了這個山頭。
利用激光投射原理、成像原理、組合光電(diàn)陣(zhèn)列,分別發明了激(jī)光位移測量方法、自標定自編碼(mǎ)成像法多點動態位移測量方法、二維大量程激(jī)光位移測量方法、橋梁撓度對稱式光電自動測量裝置、橋梁(liáng)撓度光電自動(dòng)測量裝置(zhì);
利用光纖(xiān)幹涉與液體平衡反射器原理,發明了光(guāng)纖傾斜傳感(gǎn)器,最終形成(chéng)了適應不(bú)同結構變形監測的大量程、高精度傳感技術係列專利,覆蓋了200~2000毫米的測量範圍,並達到了0.1~3毫米(mǐ)的測量精(jīng)度。
在此基礎上,又進一步將全球衛星地(dì)麵定位係統(GPS)與地基雷達技術結合,發明了三維變形監測(cè)的有源異頻反(fǎn)射雷達係統,開發出了(le)實驗樣機,以極其低廉的成(chéng)本達到了0.02毫米的測(cè)量精度,使結構的變形監測技術更加豐富,並形成了(le)係列產品。
為(wéi)了不影響正常的航(háng)運、突破地理條件(jiàn)的限(xiàn)製,各類纜索承重橋發展迅速,並已成為大(dà)跨徑橋梁的主流技術。而纜索作為纜索承重橋最關鍵(jiàn)的受力部件,對(duì)其(qí)索力進行監測就顯得十分重要。
但由於纜索具(jù)有柔性大、變形大的特點,也一直(zhí)沒有理想的長期監測手段。為此團隊首先在原有拉索固有頻率的手動測量(liàng)方(fāng)法基礎上,利用(yòng)固有頻率各次諧波之間的頻差(chà),通過迭代計(jì)算方法,研製出了斜拉索(suǒ)固有(yǒu)頻率自動監測係統;
其後(hòu),又根據磁芯線圈的磁通原(yuán)理,開發出了磁彈(dàn)性索力監測傳感器;更利用(yòng)拉索的內力分布特性,通過將光纖應變傳(chuán)感器植入纜索內部的方式,攻克了在拉索製造過程中植入傳感器(qì)的世界性難題,研製出了具有索力自感知功能的智能(néng)纜索。在索力監測方(fāng)麵,形成了纜索索力測量的係列(liè)傳感器技術。
這(zhè)一係列創新與突破,使得橋(qiáo)梁結構安全有了“感覺器官”,使橋梁具有“狀態自感知”成為可能(néng)。
“中樞神經”之創(chuàng)新
采集控製與(yǔ)傳輸係統是橋梁結構安(ān)全的“中樞神經”,是將傳感器係(xì)統聯網,並遠程控製其進行數據的自動采集、將數據傳(chuán)輸到管理中心的關(guān)鍵。因此它是橋梁結構安全(quán)監測需要攻克的第二道難關。
由於(yú)橋梁的尺寸(cùn)巨大、結構複雜,因此需要監(jiān)測的部位眾多;而橋梁的受力特(tè)性複雜、結構(gòu)衰變的影響因素與(yǔ)表現形式眾多,因此需要監測的參數類型眾多。一般而言一(yī)座特(tè)大型橋梁,至少需要(yào)采用3~5種、上百個不(bú)同類型的動、靜態傳感器。
由於這些傳感器的種類各不(bú)相同,又(yòu)分布在全橋數(shù)萬平米的範圍上,僅將它們(men)連接起來,就需要數十甚至近百千米的信(xìn)號與電源線。
因此(cǐ)要使它們按照要求準確(què)地工作,就必須解決網絡的架構設計、不同類型傳感器的接口兼容與轉(zhuǎn)換、多傳感器時序的協調控製(zhì)等問題;還要解決微弱的(de)模擬信號長線傳輸的衰減問題、傳感器網絡係統在高速動態情況下的同步采集問題;
更要解決現場線路之間的交叉串擾、電源的浪湧(yǒng)衝擊,以及雷擊的防護等一係列技術難題;還要解決多傳感器的網絡架構優化、有線/無線傳輸係統的優化,以及數據傳輸的可靠性等實際問題,特別是係統的可靠性,因為任何程序或時序的一丁點瑕(xiá)疵(cī)在無人(rén)值機(jī)狀況下都會成為致命的停機(jī)。
通過跨專業的(de)協作,團隊較好地(dì)解決了這些複雜(zá)問(wèn)題(tí),並使每座橋梁上各個孤立的傳感器被聯係在一起,組成一個完整的信息集,構成一個傳感器網絡;還(hái)通過這個中樞(shū)神經,使(shǐ)一座座(zuò)獨立橋(qiáo)梁的信息被匯集在一起,構成一個包羅萬象的(de)橋梁集群(qún)信息集、橋(qiáo)梁結構安全專用(yòng)的“物聯網”,為我國的物聯網技(jì)術做出了開拓性的探索工作。
“思維大腦”之創新
數據分析(xī)與評估(gū)預警係統,是橋梁結構安(ān)全的“思(sī)維大腦”,它要對橋梁結(jié)構的狀態信息進行自動分析,並對結構的(de)安全狀態進行智能評估,當發現事故先兆時自動預警,因而,它是(shì)整個橋梁結構安全監測的最高“決策層”,也成為橋梁(liáng)結構(gòu)安全監測需要(yào)攻克(kè)的第三道難(nán)關。
由於橋(qiáo)梁的結構複雜、測(cè)點眾多,橋梁結構監測係統又必須常年(nián)累月24小時不間斷地連續工作(zuò),因此每座橋梁需要(yào)處理的數據量非常巨大;而由多座橋梁組(zǔ)成的橋梁集群係統的數據量等也是海量數據,因(yīn)此它就是一個初級的“大(dà)數據”係統。
由於傳感器采集到的原始狀態信息(xī)都是一些孤立的、海量的(de)數據,隻有通過大量的數學統計與分析,並(bìng)依靠(kào)橋梁專(zhuān)家的複雜力學計算(suàn)與邏輯(jí)分析,才能對橋梁結構的安全性做出合(hé)理評估(gū),才可能對結構事故隱患(huàn)或(huò)先兆的程度做(zuò)出科(kē)學的評判。
因此這個“思維大腦(nǎo)”必須借助最先進的數(shù)學分析計算工具、並融入大量的(de)專家(jiā)係統,而(ér)且需要分別(bié)從靜態與動態兩個方麵,對結構的局部安全性、整體安全(quán)性分別評估。
但是對於常人而言,這個評估結果依然是一些枯燥的數值、是常人無法讀懂的“天書”,因此(cǐ)必(bì)須要把它轉化為常人易於理解的“通俗讀物”“動畫片”,因此(cǐ)評(píng)估(gū)結果的可視化顯示、係統界麵的人性化設計,也是其非常重要的內容。
當(dāng)橋梁的結構安全性降到一定程度時,係統必須(xū)發出預(yù)警,但是這個預警(jǐng)的閾值確實不能是(shì)一個純理論的(de)計算值,而是一個考慮橋梁使(shǐ)用期限與實際結構(gòu)狀態、交通流量與(yǔ)環境變動的一個非常複雜的動態(tài)量。
因此充(chōng)分考慮橋梁結構的(de)整體複雜性與個體特殊性、考慮橋梁(liáng)安全影響因素的多元性以及交(jiāo)通荷載與環境影響的不可知性,具有結構自適應的特性。
此外,傳感器係(xì)統處於橋梁現場的惡劣工作環境,其采集到的原始狀態信息必然存在各種幹擾與噪聲;而(ér)其長(zhǎng)期使(shǐ)用(yòng)後必然會有一定程度(dù)的的性能蛻化甚至(zhì)部分失效,這都會引(yǐn)起原(yuán)始信息的失真、從而對後(hòu)續的結構安全評(píng)估產生嚴(yán)重影響。
導致對結構安全事故的誤判或漏判,誤導橋梁的維護加固工作、或者(zhě)貽誤最佳的維護加(jiā)固時機,因此在進行數據(jù)分析與評(píng)估之前,必須對原始信息進行數據診斷(duàn),以降低傳感器係統蛻化或幹擾、噪(zào)聲對評估結(jié)果的不利影響。
在此方麵,團隊與土木(mù)工(gōng)程、計算機技(jì)術、自動(dòng)化技(jì)術的專家緊密合作,在橋(qiáo)梁結構安全的“思維大(dà)腦”方麵(miàn),做了大量開拓性的工作。
在原據的預處理方麵,針對數據的失真與失效問題,引入計算機通信中的差錯控製技術(shù),提出(chū)了(le)原始數據失效診(zhěn)斷的方法,並進一步發展,將時間相關、結構相關、參(cān)數相(xiàng)關等多種算法融合(hé),大幅度提高(gāo)了數據診斷的(de)有效性,並(bìng)針對性地提出了失(shī)效數據的修補方案。
在結構分析計算方麵,針對橋梁的(de)動態交通荷載以及靜態(tài)溫度(dù)荷載存在嚴重的隨(suí)機性問題,以橋梁結構響應中的活(huó)載效應和(hé)劣化效應為評價(jià)信息,通過對其相應的曆史數據進行統計分析,以評價量出現不可恢(huī)複的(de)單向變化趨勢為“不安全”特(tè)征,進而(ér)判斷橋梁(liáng)結構(gòu)的安全狀況,在無需結構的(de)精確模型和係統的已知激勵條件下,提出一種基於(yú)統計(jì)理論的橋梁結構安(ān)全評(píng)價體係,並建(jiàn)立了相應的理論框架。
同時進一步將橋梁結構安全評價與環境特性相聯係,深(shēn)入分(fèn)析(xī)了橋梁結構響應及其影響因素的時間多(duō)尺度構(gòu)成特點,利用小波分析理論,通過對結構響應的曆史數據(jù)進行時間多(duō)尺度分析,成功實現了橋(qiáo)梁結構響應的瞬變信息(活載效應(yīng))和緩變信息的有效分離,從而(ér)完成了從激勵未知的結構響應曆(lì)史數據中挖掘並提取反映結構安全情況的活載效應信息和劣化效應信息(xī),解決了橋梁結(jié)構安全評價中一直沒有(yǒu)解決的難(nán)題。
在橋梁結構的安全評估方麵,根據橋梁結構響應活載效應和劣(liè)化效應信息的統計(jì)特點,設計了相應的(de)單變量EWMA控製圖,采用“最(zuì)優(yōu)控製限”的方法,並結合橋梁結(jié)構可靠度(dù)的國家規範,設(shè)置了兩級控製限分別進行初級預警和安全告警,根據統計量在控製限內外的分布判斷橋梁結構的安全(quán)狀況,並模擬(nǐ)了結構損傷後的評(píng)價情況。
在此基礎上,以統(tǒng)計分析(xī)技術為工具,構造了(le)結(jié)構安全評價的兩種統計指標WRI和RSI,進(jìn)一步減小誤發警報和漏發(fā)警報的概(gài)率。
針對橋梁結構力學計算的邊界條件存在嚴重的不確定(dìng)性、材料(liào)初始參數存在極大的分散(sàn)性等問題,提出以(yǐ)D-S證據理論為融合工具,根據橋梁實際情況和各種評(píng)價(jià)方法的(de)特點,構造了評價證據的基本概率分布,並進行信息融合和決策,實現了橋梁結構的綜合評價。
針對(duì)橋(qiáo)梁結構的複雜性,提出了層次分析法,並從橋梁過去的安全狀態評估出發,提出了基於可靠(kào)度理論的橋(qiáo)梁遠程監測評價方法;
從橋梁未來的安全狀態預測(cè)出發(fā),提出了基於係統(tǒng)預測的橋梁遠程監測評價方法;從橋(qiáo)梁當前的安全狀態估計出發,提出了基於有限點監測的全橋狀(zhuàng)態分析方法。從而建立了完整的結構安(ān)全評價體(tǐ)係(xì)。
而在結構(gòu)預警的閾(yù)值方麵,通過引入無量綱化處理、變權重技術、關聯模式識別,以(yǐ)及神經網絡、遺傳算法等現代方法,使得固定閾值變為活動閾值、自適應閾值。
在評估結果(guǒ)的可視化顯(xiǎn)示方麵,采(cǎi)用現代顯示手段,將枯燥的數據結果以圖形為主、三維動畫為主的形式顯示出來,使管理者一目了然(rán)。在該方麵獲得了XXX項專利授權,成為橋梁結構安全“大(dà)數據”的(de)先行者(zhě)。
作者: 陳(chén)偉民 章鵬 劉綱 雷小華(重慶大學)