《大型結構健康監測與互聯網+》—杜彥良院士

【通信產業網訊】6月13日消息，為期兩天的2015中國互聯網+創新大會?河北峰會今日在石家莊召開。大會主題為：創新改變世界，同期還將舉辦九場互聯網+專場主題峰會，分別是：互聯網+高端制造業高峰對話，互聯網+流通高峰對話，京津冀科技創新高峰對話，互聯網+教育高峰對話，互聯網+創新創業高峰對話，互聯網+健康高峰對話，互聯網+政務高峰對話，互聯網+旅游高峰對話，互聯網+中小企業高峰對話。下面由中國工程院院士杜彥良做題為“結構健康監測與互聯網”的主旨演講。

中國工程院院士 杜彥良

以下為現場文字實錄，未經本人確認。

尊敬的厲以寧先生，尊敬的張省長，各位院士、各位專家，女士們、先生們：下午好。

非常高興能夠參加這次大會的報告學習。我匯報的題目是《大型結構健康監測與互聯網+》。因為前天剛剛接到大會通知讓我做一個學習匯報，昨天加班寫了一個匯報稿，可能不能達到大家的要求，希望大家能夠原諒。

我們把高層建筑、空間結構、大型橋梁、大型交通樞紐、大壩、長道隧道都作為大型結構，大型結構的安全性、可靠性與我們每個人密切相關。由于自然災害或人為因素，或者是結構本身的性能、突發事件屢有發生，一旦某一個結構造成損毀會造成經濟損失，會產生對生命財產的損失。所以說如何掌握大型結構，它的健康狀態與我們每個人息息相關，成為各個領域關注的重點。

所以我今天就把大型結構健康狀態與互聯網+做一個匯報交流。分三個方面：一是結構安全保障面臨的問題;二是結構健康狀態與互聯網的關系;三是“互聯網+”時代的結構健康。

因為交通運輸是國民經濟的基礎產業，是經濟發展的大動脈，在當今的經濟社會發展過程中起著至關重要的作用。我們當前從國家提出的發展戰略就是以京津冀城市群為代表的五大城市群建設，包括國家“一帶一路”和中國高鐵走出去的發展戰略在這里面提的至關重要的問題就是交通基礎設施起著相當大的作用。

目前，我國公路交通從建國初 18.74 萬公里已經發展到現在的 370 萬公里;我國鐵路由建國初的 2.2 萬公里發展到現在的 12 萬公里;而高鐵去年已經發展到 1.6 萬公里，今年年底將達到 1.9 萬公里;軌道交通在 22 個城市建成 95 條，達到 3173 公里，到 2020 年預計達到超過 6000 公里，而且隨著我國城市建設的發展多制式軌道交通也在我國迅速發展。

但其中交通基礎設施的安全保障面臨著問題，一個是建國后的第一個高峰期到現在已經超過 50 多年，到上世紀 90 年代是第二個建設的高峰期，雖然年限不長，但是由于施工速度快，不合理的工期、不合理的質量、不合理的合同，造成一些工程質量的短缺，所以說事故頻繁發生。由于這兩個原因我們交通基礎設施將迎來安全期的爆發期。雖然大家都非常重視，但是如何從根本上解決這個問題現在是需要探索的。

這里面有兩大因素：一是自然災害、二是人為因素。自然災害是突發的，人為因素是與我們的思想觀念、素質管理、政策法規相關。所以這兩個因素導致我們一些突發事件的發生。

那么我們如何掌控結構的安全狀態呢?這個結構的系統現在是什么樣呢?我們如何防治呢?這樣我們就要實時了解結構的健康狀態。

從國家來說，高度重視結構健康狀態的發展，從國家中長期發展規劃來說制定了多個措施保證安全狀態，最關鍵的是幾個方面，一個是在在結構安全期的狀態如何保障;二是如何進行監測和預報，包括技術理論和裝備的研發。第二個問題是交通部，交通部也在對各種重大工程結構方面進行技術攻關，這里面的第一個關鍵問題就是實時掌控結構的健康狀態，及時發現它的事故隱患，及時采取措施。包括自然災害的立體檢測、預報預測，這塊是交通部近年來的重大課題。

從鐵道系統，因為我國鐵道系統發展迅猛，特別是高速鐵路的迅猛發展，如何保證整個全線運營安全也是當今和未來發展的重點，這里面主要是對交通基礎設施的重大工程結構的健康狀態的安全性和發展進行實時掌控。第二是在運行過程中事故起件、突發災害的狀態進行監控。比如地震突發時如何提前捕捉它的信息，提前導致列車緊急制動。比如日本提前 15 秒獲得地震信息提前緊急制動避免生命財產的損失，所以說這塊也是我們研發的重點。

工信部在中長期和十二五以來對信息的感知、信息傳輸、信息處理、信息安全方面開展行動，為今后大型工程結構監測和其他發展創造了很好的基礎。目前信息化、工業化兩化的融合為大型交通基礎設施、為大型交通工程的安全性進一步提供了保障。

對一個大型工程結構來說，從它的設計、建造、運營到損傷、老化是全壽命的，全壽命過程中如何保障它的安全性，我們采取了在使用過程中的監測，在運用過程中的連續監測，實時掌握它的健康狀態。從測試分析到結構的安全評估，對結構的維護形成完整的全壽命過程的保障，就像醫生給人看病一樣，我們對結構也建立了健康監測系統。

我們一般分成三大部分，一是監測系統，采用什么樣的傳感技術能夠完整、長期、準確、連續地獲得信息;二是信息的處理與傳輸部分，這部分保證對信息實時、快速傳到監控中心;三是對數據的分析處理，對它的損傷程度、損傷位置進行識別，做出判斷;四是養護維修進行修護，這就構成我們結構的安全系統，這個系統涉及到多學科，既包含對結構專業人員，也涉及到計算機信息處理的人員，這塊健康結構的監測與互聯網就結合起來了。

健康系統的主要有四個方面：一是為結構長期科學有序的監測、巡檢、養護、管理提供一個數據平臺，建立結構長期的數字化和信息化檔案。過去是人為管理，對結構不了解、不掌握;

二是盡早發現結構自身或者行車過程中的危險狀態，在結構危險萌芽階段時提前預警，確保安全，特別是鐵路，要實時提前發現事故隱患，提前排除確保安全;

三是有效掌控運行期間結構的局部或整體長期使用狀態和發展趨勢，為養護決策提供數據與信息支持。

四是有效掌握交通基礎設施運營期在的運行狀態，為突發狀態時提供數據保障。

從宏觀上結構健康監測系統的主要目標：為結構安全、設計校核、養護維修和監測技術發展提供服務;從技術細節和實現要求來說，健康檢測系統是具備足夠的船干測試能力;二是具備數據采集和傳輸能力，這就與互聯網相關;三是需要對結構的安全評估與健康診斷，首先是對結構模型的修正與分析，對損傷的模型定位，損傷發生在什么地方，對結構將來有什么影響，同時對結構的安全性發出實時預警預報。這就是健康監測的任務。

實時健康監測是跨學科、多領域的綜合技術，將涉及到土木工程、動力學、材料學、傳感技術、測試技術、信號分析、計算機技術以及網絡通信技術等等，所以結構健康監測系統的發展以致于通信與網絡技術的發展緊密相關。

我校在健康監測中的研究對大型工程結構建立了相應的監測系統。比如這是結合我國蕪湖長江大橋、武漢長江大橋等建立了一套監測分析系統，一個是小集中式分測系統二是遠范圍的實時監測，掌握它的運行狀態和每一個結構的健康狀況。可以適用于多個工程結構，滿足不同規模、不同類型的健康監測內容，從而很好地解決了結構監測的問題。

比如這是蕪湖長江大橋系統，這是我國第一個大跨矮塔長江大橋，為了保證結構安全建立了長期的實時監控系統，現在已經建立了 15 年，當時是 30 個人員配備，現在減到 15個人。武漢長江大橋是 50 年代建設的一座 50 多年的老橋，發行了 11 次大型船舶撞擊事故，每次都會進行封橋進行監測，建立了監測系統以后 2011 年有一個萬噸級撞擊到七好柱，在撞擊過程中實時掌握結構損傷狀態，發生預警，對整個橋梁維護和運營起到了保障

作用。

同時，對一些長大隧道的施工過程和運營安全也建立了實時監測系統。對我國第一條大型的秦皇島到大秦的大秦線進行了廣域監測系統，進行實時監測。同時東北世界第一條哈大鐵路進行監控，對路基狀態進行了實時監測系統，為運行安全提供安全保障。對青藏鐵路是我國建立的第一條高寒高原鐵路，在海拔 4000 米以上，有 550 公里的凍土區，人工監測是不可能的，我們在高寒高原上建立了第一條長期自動檢測系統，人民日報報道為青

藏鐵路安裝了千里眼，為青藏鐵路的運營安全提供了技術保障。

通過上述的研究，我們現在分成兩代，一是大型的實時監測，現在總結起來擴展性差，施工復雜性和建設費用高，基于互聯網的發展，基于現代信息技術的發展，我們發展了復合網的模式，面向廣域范圍的結構實時監測，可以考慮可靠性的多通信制式支持，遠程化，智能化信號與信息處理，這也是今后發展的重點方向。

所以未來的目標是以結構運營安全與維護為服務對象，以現代化監測全息、泛在、智能為要求，以結構物聯網為基礎，以提供專業化的海量數據計算服務為平臺，是對現有結構健康監測系統的拓展，以促進建設形態與養護模式的創新與改進。現在的養護與維修是定期式的，運行過程中每個結構的質量不一樣，管理不一樣有提前損壞的也有延遲損壞的，不能實時監測，有了這個方案以后我們就可以實時掌控它的狀態，及時維護維修，我們叫按需維修，這就節省了投入。

健康監測系統與平臺的新特征與能力是什么呢?主要有四個方面：一是隨著結構建設規模的越來越大，結構建筑物數量的越來越多，組成監測系統傳感網絡的采集、傳輸的數據量接近海量，同時新型機動車輛的檢測對階段數據類型不斷豐富將出現大數據的特點，也就是說我們將會長期、完整地獲取各結構的信息，對信息的處理成為今后面對的問題。

二是在健康監測領域管理者最關注的是及時掌握結構的異常狀態、安全狀態，必要的時候要對它進行維護和管理，根本就是基于對于數據規律的挖掘，有助于充分利用數據價值，所以說大數據和互聯網將為科學研究提供新一步的途徑。這是我們今后研究和發展的重點。

三是設計和研究者將關注與結構運營時的荷載與響應是否與設計相一致。過去研究是在實驗室建立的小模型，現在如果有了實時的對結構的監測，我們每一個結構物都是我們的實驗模型，都是我們的實驗實體，都是我們的研究對象，這就可以及時提升結構設計的安全性，而且結構與經濟的平衡更好，保證結構壽命更長，找到平衡點。

四是在多結構健康監測數據分析需求形成規模時，專業數據分析中心的云計算系統提供的數據分析與共享服務將會質優而價廉。隨著信息系統和互聯網的發展為這樣的監測系統提供廉價的服務成為可能，基于數據的服務業更具針對性和準確性，智能化和智慧化系統特性更為顯著，使未來的智慧城市成為可能。

這是整個監測系統+互聯網的特征更加顯現。

目前我們正在構建以京滬高速鐵路橋梁群為重點的監測系統，二是以朔黃重載鐵路多區段鐵路監測系統也正在建立，三是河北山區高速公路以榮烏等路段建立長期的監測系統。

互聯網+的未來大有可能，以京津冀城市群智能交通體系為代表的構建實時掌控路網的實時動態;二是基于數字化、信息化市政管網監控系統的構建，同時信息技術在大型交通工程中的選線、勘察、設計、維護、運營、管理全壽命的周期進行管理;包括對防災監控構建。也就是說互聯網+結構的健康監測對整個大型結構未來的安全性、可靠性將起到很好的作用。

我的匯報完畢，謝謝各位。

2015中國互聯網+創新大會·河北峰會由河北省人民政府、新華社等指導，由河北四方通信設備有限公司和新華網河北頻道具體承辦。河北四方通信設備有限公司是通信產業主導廠商，正在通過實施“互聯網新型高端制造商”和“互聯網建設與運營商”的雙輪驅動戰略，致力于成為中國互聯網+創新引擎。