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中国工程院院士杜彦良:需高度重视交通基础设施健康监测
2017-09-06 74
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 来源:轨道交通网

 

由于自然灾害、人为因素或者是结构本身的性能问题,交通安全突发事件屡有发生,一旦某一个结构损毁,会造成经济损失,甚至危及生命财产安全。那么,应该如何应对自然灾害对交通基础设施重大工程结构寿命的影响,并提高基础设施在长期“服役”中的安全性、适用性、耐久性和灾后自康复性呢?

 

 

 

作为一种新兴智能技术,结构健康监测最大的特点是将以往离线、静态、人工的检测,转变为了在线、动态、自动的监测,就像一名智能“医生”,能够实时对结构作出诊断,精确掌握结构的健康状态,这样一来为实现结构健康的智能化管理提供了有效手段,对于保障全寿命周期结构安全,提升结构的运用维护效率,发挥着重要作用。

 

结构健康监测近年来在各行业发展迅速,为不同结构的安全性和高效自动化运行提供了重要保障。中国轨道交通的快速发展,对结构健康监测技术的应用需求也日益旺盛。目前,中国铁路运营里程超过12万公里,其中高铁运营里程超过2万公里,位居世界首位,高速列车保有量超过2300列,到2020年,高铁的运营里程将突破3万公里。同时,中国30多个城市建成了4000多公里的轨道交通线路,预计2020年将达到6000公里,结构健康监测技术在轨道交通领域大有用武之地

 

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。

 

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。经过30多年的建设,我国交通基础设施发展迅速、规模大,技术水平高。中国工程院院士杜彦良介绍,我国多条高铁线路达到“世界第一”:寒冷地区第一条高铁——哈大高铁,第一条穿越沙漠地区的高铁——兰新高铁,湿热地区第一条高铁——海南东环高铁。

 

在修建交通基础设施重大工程结构的过程中,需要适应复杂多变的自然环境。以铁路为例,高速铁路需要适应黄土、冻土、软土、膨胀土等复杂的地质条件,以及高寒、高温、高湿、强风等多变的地理环境。

 

由于自然灾害、人为因素或者是结构本身的性能问题,交通安全突发事件屡有发生,一旦某一个结构损毁,会造成经济损失,甚至危及生命财产安全。”杜彦良解释,突发的自然灾害,如洪水、泥石流、滑坡等,可能导致工程结构意外损毁增多,使用寿命下降。另外,在复杂的自然环境下,风、雪、地震等因素的长期作用也会导致工程结构承载力和耐久性下降,基础设施性能退化。

 

那么,应该如何应对自然灾害对交通基础设施重大工程结构寿命的影响,并提高基础设施在长期“服役”中的安全性、适用性、耐久性和灾后自康复性呢?杜彦良表示,对重大工程结构的健康监测是实现预防性维护,保障重大结构安全、高效、经济运行的关键环节,也是现在国内外的研究重点。

 

健康监测是指实时掌控工程结构的健康状态,及时发现结构工程的事故隐患,并及时采取措施,其中包括自然灾害的立体监测、预报预测等。“结构健康监测系统采用先进的传感、数据采集、通信和智能识别等技术,实现荷载与结构反应采集、传输、存储、分析、评价、预警预报于一体的自动化、网络化、智能化综合系统。”杜彦良说。

 

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。

 

在国际上,大型结构的健康监测一直受到高度重视,美国、法国、日本、丹麦等国家在一些特大桥梁上建立的监测系统,可以实时预报结构运行的安全状态,并实时预测自然灾害突发后对结构的影响,确保交通基础设施运营安全。

 

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。

 

近些年,杜彦良的研究团队也在从事相关研究,已建设了一批有代表性和影响力的安全保障平台。如,在青藏铁路多年冻土区铁路路基上建立了长期、远程、自动监测与安全评价系统,包含12384个测点、86个现场测站;针对多个大型桥梁,建立了长期远程状态监测、安全评价与预报预警系统。

 

同时,其他科研院所也贡献了一批具有世界影响力的健康监测系统和区域综合信息平台,例如在214国道、青海木里及周边地区建立了包括气象观测、公路典型监测断面、生态环境信息、冻土路基信息、寒区隧道围岩热状况等在内的冻土区公路建设与养护数据中心。

 

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,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。

 

对于推进未来重大工程结构安全保障技术,杜彦良说:“未来,将开展基于信息技术与重大结构状态监测、性能评估、风险预警和性能保持相结合的新理论、新技术、新装备的研究,建立新型结构信息支持系统,保持复杂环境下交通基础设施的长期安全运营。”而这其中,气象部门可以更广泛地参与其中,提供气象基础数据,并进一步提高交通预报的精准性。

 

 

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