大數(shù)據(jù)時(shí)代結(jié)構(gòu)工程發(fā)展新趨勢(shì)的幾點(diǎn)思考

霍林生

(大連理工大學(xué)，大連 116024)

大數(shù)據(jù)時(shí)代結(jié)構(gòu)工程發(fā)展新趨勢(shì)的幾點(diǎn)思考

霍林生

(大連理工大學(xué)，大連 116024)

土木工程支撐著基礎(chǔ)設(shè)施及公共和民眾住房的建設(shè)，土木工程的建設(shè)和服役過程中都會(huì)產(chǎn)生大數(shù)據(jù)。如何有效利用這些大數(shù)據(jù)，為土木工程的學(xué)科發(fā)展和工程決策提供依據(jù)，這是工程師和科學(xué)家都在思考的問題。本文從著重針對(duì)土木工程中的大數(shù)據(jù)如何影響結(jié)構(gòu)工程的問題，結(jié)構(gòu)的荷載估算、結(jié)構(gòu)承載能力與破壞準(zhǔn)則、震害調(diào)查、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、云計(jì)算等幾個(gè)方面，提出了幾點(diǎn)思考。

大數(shù)據(jù)； 結(jié)構(gòu)工程； 震害調(diào)查； 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)； 云計(jì)算

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.05.22

1 引言

大數(shù)據(jù)(big data)，或稱巨量資料，指的是所涉及的資料量規(guī)模巨大到無法通過目前主流軟件工具來分析、并且無法在合理時(shí)間內(nèi)達(dá)到擷取、管理、處理、并整理成為提供決策的信息。大數(shù)據(jù)也指不用隨機(jī)分析法(抽樣調(diào)查)這樣的捷徑，而采用所有數(shù)據(jù)的方法。大數(shù)據(jù)具有4V的特點(diǎn)，即：Volume(大量)、Velocity(高速)、Variety(多樣)、Value(價(jià)值)[1]。大數(shù)據(jù)技術(shù)的戰(zhàn)略意義不在于掌握龐大的數(shù)據(jù)信息，而在于對(duì)這些含有意義的數(shù)據(jù)進(jìn)行專業(yè)化處理。換言之，如果把大數(shù)據(jù)比作一種產(chǎn)業(yè)，那么這種產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)盈利的關(guān)鍵，在于提高對(duì)數(shù)據(jù)的“加工能力”，通過“加工”實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的“增值”。

在科學(xué)研究和工程實(shí)踐中，人們還主要是依賴抽樣數(shù)據(jù)、局部數(shù)據(jù)和片面數(shù)據(jù)，甚至在無法獲得實(shí)證數(shù)據(jù)的時(shí)候純粹依賴經(jīng)驗(yàn)、理論、假設(shè)和價(jià)值觀去發(fā)現(xiàn)未知領(lǐng)域的規(guī)律。因此，對(duì)于問題本質(zhì)的認(rèn)識(shí)是表面的、膚淺的、簡(jiǎn)單的、扭曲的或者是無知的。大數(shù)據(jù)時(shí)代使人類第一次有機(jī)會(huì)和條件，在非常多的領(lǐng)域和非常深入的層次獲得和使用全面數(shù)據(jù)、完整數(shù)據(jù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)，深入探索現(xiàn)實(shí)世界的規(guī)律，獲取過去不可能獲取的知識(shí)，得出過去無法得出的結(jié)論。

大數(shù)據(jù)時(shí)代給人們?cè)跀?shù)據(jù)理念上帶來三大轉(zhuǎn)變：要全體不要抽樣，要效率不要絕對(duì)精確，要相關(guān)不要因果。大數(shù)據(jù)將逐漸成為現(xiàn)代社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施的一部分，就像公路、鐵路、港口、水電和通信網(wǎng)絡(luò)一樣不可或缺。大數(shù)據(jù)時(shí)代的許多科學(xué)門類都會(huì)發(fā)生巨大甚至是本質(zhì)上的變化和發(fā)展，進(jìn)而影響人類的價(jià)值體系、知識(shí)體系和思維方式。大數(shù)據(jù)時(shí)代對(duì)于土木工程尤其是結(jié)構(gòu)工程學(xué)科會(huì)帶來怎樣的影響？作者對(duì)此進(jìn)行了如下思考。

2 大數(shù)據(jù)時(shí)代的荷載估算方法

《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中對(duì)于活荷載的取值，是基于在抽樣調(diào)查和統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上得出來的[2]。如《工業(yè)與民用建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》TJ9-74修訂時(shí)，對(duì)4個(gè)城市(北京、蘭州、成都和廣州)的606間住宅和3個(gè)城市(北京、蘭州和廣州)的258間辦公室的實(shí)際荷載作了測(cè)定。在1977年以后的三年里，曾對(duì)全國某些城市的辦公室、住宅和商店的活荷載情況進(jìn)行了調(diào)查，其中，在全國25個(gè)城市實(shí)測(cè)了133棟辦公樓共2 201間辦公室，總面積為63 700m2，同時(shí)調(diào)查了317棟用戶的搬遷情況； 對(duì)全國10個(gè)城市的住宅實(shí)測(cè)了556間，總為7 000m2，同時(shí)調(diào)查了229戶的搬遷情況； 在全國10個(gè)城市實(shí)測(cè)了21家百貨商店共214個(gè)柜臺(tái)，總面積為23 700m2。

從樣本數(shù)量來看，這些調(diào)查數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于總體數(shù)量。從調(diào)查時(shí)間來看，大部分統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)還是上個(gè)世紀(jì)的數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)不能體現(xiàn)出現(xiàn)代社會(huì)中荷載的變化規(guī)律(如建筑中新的設(shè)備、荷載的分布方式、人流的運(yùn)動(dòng)方式等)。傳統(tǒng)的荷載調(diào)查統(tǒng)計(jì)由于需要入戶填寫調(diào)查問卷，效率低、樣本不夠隨機(jī)，且經(jīng)常因住戶不愿意配合而得不到有效數(shù)據(jù)，因此操作起來比較困難。

大數(shù)據(jù)時(shí)代，可以利用攝像頭監(jiān)控記錄、貨物出入樓房登記等數(shù)據(jù)，來對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)際荷載進(jìn)行估算。出于安全監(jiān)控的目的，很多的建筑物各樓層都會(huì)安裝攝像頭。根據(jù)攝像頭的圖像資料，基于視頻處理技術(shù)，可以更為精確地得出現(xiàn)代社會(huì)中建筑物活荷載的活動(dòng)規(guī)律和分布方式，從而為規(guī)范編制提供更為可靠的依據(jù)。同樣，對(duì)于橋梁等其他工程結(jié)構(gòu)，也可以采取同樣的方式來估算荷載分布規(guī)律。

文獻(xiàn)[3]探究了對(duì)交通樞紐綜合體中的人員疏散荷載進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的方法，提出了基于圖像處理技術(shù)的交通樞紐綜合體人員荷載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)架(如圖1所示)。該系統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架建立，通過對(duì)多路視頻監(jiān)控錄像中視頻圖像的處理和分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)被監(jiān)測(cè)區(qū)域的人員荷載的監(jiān)測(cè)。在大數(shù)據(jù)時(shí)代，類似的技術(shù)將會(huì)在建筑結(jié)構(gòu)荷載估算時(shí)得到更多的應(yīng)用。

圖1 區(qū)域人員荷載動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[3]

3 大數(shù)據(jù)時(shí)代結(jié)構(gòu)承載能力與破壞準(zhǔn)則研究

對(duì)于土木工程結(jié)構(gòu)而言，結(jié)構(gòu)的承載能力與破壞準(zhǔn)則，是進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析的基礎(chǔ)。然而，由于土木工程材料，尤其是混凝土材料的變異性很大，其破壞特性的研究一直是熱點(diǎn)問題。然而此問題至今尚未得到很好的解決，盡管已經(jīng)提出了許多類型的本構(gòu)模型和恢復(fù)力關(guān)系，試圖在材料層次和構(gòu)件層次上給出結(jié)構(gòu)的破壞準(zhǔn)則，但是這些數(shù)學(xué)模型只能與特定的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，對(duì)于其他大多數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果則差異較大。

如果能夠獲得足夠多的樣本數(shù)據(jù)，對(duì)于結(jié)構(gòu)承載能力與破壞準(zhǔn)則的認(rèn)識(shí)將更為清晰。然而，在科學(xué)研究中，由于經(jīng)費(fèi)、時(shí)間等原因，所獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本相對(duì)于總體來說極少。而且，由于各單位對(duì)數(shù)據(jù)的保密性，大多數(shù)的原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)工況是無法公開獲取的。事實(shí)上，除了用于科研的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)踐中還有很多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)未能得到收集與整理。如，教學(xué)性的實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，質(zhì)檢站對(duì)實(shí)際工程抽查試驗(yàn)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，質(zhì)量檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)建筑物進(jìn)行安全鑒定時(shí)生產(chǎn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。把這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集起來，將會(huì)形成很大的一個(gè)樣本數(shù)據(jù)，從而對(duì)于結(jié)構(gòu)承載能力與破壞準(zhǔn)則有新的認(rèn)識(shí)。大數(shù)據(jù)時(shí)代，能夠獲取大量的可用數(shù)據(jù)是最為關(guān)鍵的，建議相關(guān)的職能機(jī)構(gòu)能夠加強(qiáng)數(shù)據(jù)的管理和收集工作。

4 大數(shù)據(jù)時(shí)代的震害調(diào)查研究

地震發(fā)生后，我們迫切需要建筑物的破壞情況進(jìn)行迅速和準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)，以確定烈度和救災(zāi)方案。傳統(tǒng)的震害調(diào)查需要對(duì)震害現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行抽樣、調(diào)查和訪問，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且結(jié)果不夠精確。現(xiàn)代智能手機(jī)的普及，讓很多人在震害現(xiàn)場(chǎng)會(huì)拍照并共享照片。大數(shù)據(jù)時(shí)代，基于圖像分析方法，對(duì)于大量照片進(jìn)行分析，可以快速確定建筑物的破壞情況，得出建筑物的破壞規(guī)律，并確定地震烈度。

作者曾提出基于圖像識(shí)別技術(shù)的震損結(jié)構(gòu)殘余變形檢測(cè)方法，通過分析震損結(jié)構(gòu)的圖片，得到構(gòu)件間的夾角，從而確定殘余變形[4]。針對(duì)實(shí)際獲得的圖片與被測(cè)平面之間通常都會(huì)存在一定角度、以至無法從斜拍圖像直接測(cè)量變形的問題，提出了基于射影幾何原理的直線矯正方法，結(jié)合變形檢測(cè)的需要，在人工參與選取特征點(diǎn)的前提下，運(yùn)用canny邊緣檢測(cè)法和主成分分析方法，檢測(cè)目標(biāo)直線，進(jìn)而應(yīng)用直線矯正方法對(duì)目標(biāo)直線進(jìn)行矯正和角度計(jì)算。結(jié)果表明，所提出的方法對(duì)于變形檢測(cè)的精度較高，能夠適用于震損結(jié)構(gòu)殘余變形的快速檢測(cè)中。

文獻(xiàn)[5]提出了應(yīng)用圖像三維重建法對(duì)震損結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)體建模的方法。在圍繞目標(biāo)物體從不同角度進(jìn)行一系列圖像采集后，提取每張圖像的特征點(diǎn)并兩兩匹配，由此對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，進(jìn)而建立二維圖像和三維空間位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系，產(chǎn)生稀疏三維點(diǎn)云。然后，運(yùn)用多視圖立體視覺方法，生成密集三維點(diǎn)云，并根據(jù)已知信息對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行尺度變換； 最后，運(yùn)用泊松表面重建算法對(duì)密集三維點(diǎn)云進(jìn)行表面重建，并利用三維點(diǎn)與原二維圖像的對(duì)應(yīng)關(guān)系應(yīng)用紋理映射方法對(duì)重建出的三維表面進(jìn)行紋理貼圖，生成真實(shí)感強(qiáng)的三維模型。

圖2 基于二維圖片的三維結(jié)構(gòu)模型重建

5 大數(shù)據(jù)時(shí)代的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是通過對(duì)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)性能進(jìn)行無損監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)控結(jié)構(gòu)的整體行為，對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷位置和程度進(jìn)行診斷，對(duì)結(jié)構(gòu)的服役情況、可靠性、耐久性和承載能力進(jìn)行智能評(píng)估，為結(jié)構(gòu)在突發(fā)事件下或結(jié)構(gòu)使用狀況嚴(yán)重異常時(shí)觸發(fā)預(yù)警信號(hào)，為結(jié)構(gòu)的維修、養(yǎng)護(hù)與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)是一個(gè)多領(lǐng)域跨學(xué)科的綜合性技術(shù)，它涉及土木工程、動(dòng)力學(xué)、材料學(xué)、傳感技術(shù)、測(cè)試技術(shù)、信號(hào)分析、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊通信技術(shù)、模式識(shí)別等多個(gè)研究方向。隨著結(jié)構(gòu)健康技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，許多建筑物都會(huì)安裝傳感器，這些傳感器會(huì)采集到大量的數(shù)據(jù)，但是如何有效利用這些數(shù)據(jù)，卻是一個(gè)問題。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法是基于因果判定的方法，大數(shù)據(jù)時(shí)代應(yīng)該發(fā)展基于相關(guān)關(guān)系的方法，即將研究重點(diǎn)從破壞機(jī)理轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)與破壞模式之間的關(guān)系上。

傳統(tǒng)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已日臻成熟，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展可能為吊裝監(jiān)測(cè)提供一種解決方案，但其需要昂貴的傳感系統(tǒng)、復(fù)雜的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)以及專業(yè)人員的操作。開發(fā)一種適用于普通群眾參與的快捷、方便、簡(jiǎn)單、解決現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問題的監(jiān)測(cè)方式很有必要。智能手機(jī)作為最普遍的工具，內(nèi)置傳感、網(wǎng)絡(luò)通訊、計(jì)算分析及存儲(chǔ)等功能，為其在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用提供了可能。文獻(xiàn)[6]-[8]提出基于智能手機(jī)的結(jié)構(gòu)健康云監(jiān)測(cè)方法，并開展了系統(tǒng)的研究。首次將智能手機(jī)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中，證實(shí)了其可行性與有效性(如圖3所示)。可以預(yù)見，大數(shù)據(jù)時(shí)代，智能手機(jī)將會(huì)在結(jié)構(gòu)健康領(lǐng)域有著更廣泛的應(yīng)用。

(a)控制端主界面 (b)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面圖3 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)手機(jī)控制端[7]

圖4 云計(jì)算界面[10]

6 大數(shù)所時(shí)代的結(jié)構(gòu)分析的云計(jì)算平臺(tái)

由于數(shù)據(jù)越來越多、越來越復(fù)雜、越來越實(shí)時(shí)，要實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，傳統(tǒng)的單機(jī)計(jì)算已經(jīng)無法實(shí)現(xiàn)，需要發(fā)展有效的云計(jì)算平臺(tái)。云計(jì)算是大數(shù)據(jù)的技術(shù)基礎(chǔ)，是大數(shù)據(jù)成長的驅(qū)動(dòng)力。未來的數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)分析，應(yīng)在云平臺(tái)上進(jìn)行。因此，針對(duì)結(jié)構(gòu)工程學(xué)科特色，發(fā)展高效的云計(jì)算平臺(tái)成為必然[9]。

文獻(xiàn)[10]采用了云計(jì)算的三層架構(gòu)和服務(wù)封裝的思想，將有限元分析仿真系統(tǒng)的功能需求劃分成服務(wù)，設(shè)計(jì)了有限元分析仿真系統(tǒng)架構(gòu)和云計(jì)算環(huán)境下有限元分析仿真系統(tǒng)的服務(wù)模式及服務(wù)流程； 采用應(yīng)用虛擬化技術(shù)，將有限元分析軟件在云計(jì)算環(huán)境的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行集中部署和管理，實(shí)現(xiàn)有限元分析軟件的靈活交付及計(jì)算資源的多用戶共享； 搭建了集群系統(tǒng)以管理OpenSees 并行的有限元計(jì)算作業(yè)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了有限元分析仿真系統(tǒng)作業(yè)管理和作業(yè)結(jié)果數(shù)據(jù)管理功能，從而更加有效地利用系統(tǒng)資源、平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、提高系統(tǒng)整體性能。這是土木工程中云計(jì)算理念在有限元方法中的初步嘗試，大數(shù)據(jù)時(shí)代，土木工程中的數(shù)值計(jì)算軟件與云計(jì)算結(jié)合的需求將會(huì)越來越多。

7 結(jié)論

本文根據(jù)大數(shù)據(jù)及大數(shù)據(jù)技術(shù)的相關(guān)概念和特征，結(jié)合結(jié)構(gòu)工程學(xué)科的特點(diǎn)，從結(jié)構(gòu)的荷載估算、結(jié)構(gòu)承載能力與破壞準(zhǔn)則、震害調(diào)查、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、云計(jì)算幾個(gè)方面，對(duì)大數(shù)據(jù)技術(shù)如何影響結(jié)構(gòu)工程進(jìn)行了思考，對(duì)大數(shù)據(jù)時(shí)代土木工程新的發(fā)展趨勢(shì)提出了展望。

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Several Considerations about the Development Trend of Structural Engineering in the Big Data Time

Huo Linsheng

(DalianUniversityofTechnology，Dalian116024，China)

The civil engineering supports the construction of the basic facility and public and civil housing.The construction and service of civil structures will result in big data.It is the question considering by engineers and scientists that how to effectively use the big data to provide the basis for the subject development of civil engineering and decision making in practical engineering.This paper proposed several considerations about how the big data will affect the structural engineering from the evaluation of load，the bearing capacity and failure criterion of structures，seismic damage investigation，structural health monitoring and cloud computing.

Big Data； Structural Engineering； Seismic Damage Investigation； Structural Health Monitoring； Cloud Computing

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(DUT16TD03)

霍林生(1975-)，男，副教授。長期從事土木工程抗震與減振控制的研究。

TP311

A

1674-7461(2016)05-0111-04