結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測在土木工程中的研究狀況與進展

唐禮平，曹 益,章蓓蓓，陳 東，周 宇

(1.安徽建筑大學 a.土木工程學院;b.經(jīng)濟與管理學院，安徽 合肥 230601;2.安徽省BIM工程中心，安徽 合肥 230601)

土木工程基礎設施的運營情況直接關系到國民經(jīng)濟的發(fā)展狀況，一旦在建設過程中發(fā)生事故，將會造成極大的經(jīng)濟損失甚至威脅人們的生命安全。因此，如何有效地管理、養(yǎng)護數(shù)量眾多的土木工程基礎設施，實時的監(jiān)測其結(jié)構(gòu)的安全性能并能及時做出安全評估，是支撐國家經(jīng)濟可持續(xù)健康發(fā)展的重要保障之一。

隨著傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)分析等信息技術(shù)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測應運而生，在航空航天、國防、土木工程等領域已成為研究熱點。目前各國均在新建和已服役的重要工程上增設健康監(jiān)測系統(tǒng)[1]。我國的潤揚長江大橋、渤海JZ20-2MUQ平臺結(jié)構(gòu)以及香港的Lantau Fixed Crossing和青馬大橋等重大土木工程結(jié)構(gòu)現(xiàn)也已安裝了健康監(jiān)測系統(tǒng)。

1 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

1.1 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的定義

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(Structural Health Monitoring，以下簡稱SHM)是一種無損的在線監(jiān)測技術(shù)，一般是指利用現(xiàn)場傳感系統(tǒng)和相關分析技術(shù)來監(jiān)測結(jié)構(gòu)的行動和性能(結(jié)構(gòu)可操作性、適用性、安全性和耐久性)[2]。一套完整的SHMS(結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng))的實現(xiàn)流程主要包括SHMS的設計、實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)分析、損傷識別、狀態(tài)評估、安全預警、維護決策等，具體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的實施流程

SHMS能夠?qū)Y(jié)構(gòu)的性能進行監(jiān)測以及健康診斷，一旦被監(jiān)測的工程結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題，系統(tǒng)監(jiān)測平臺便會提示，能夠及時地分析出結(jié)構(gòu)的損傷狀況，預測可能發(fā)生的危害，提前做好應對措施，做到未雨綢繆，進而保障結(jié)構(gòu)的完整性、安全性和耐久性。

1.2 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)組成

SHMS一般由傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)損傷識別與安全評估以及數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)組成，它們之間的關系如圖2所示[3]。

圖2 SHMS各子系統(tǒng)之間的關系

2 傳感器子系統(tǒng)

2.1 傳感監(jiān)測技術(shù)

結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測技術(shù)主要分為局部監(jiān)測與整體監(jiān)測，目前應用于局部監(jiān)測的有光纖傳感器[4-6]、壓電材料[7]、聲發(fā)射[8]等，整體監(jiān)測的有GPS技術(shù)[9-10]、激光準直儀等。

光纖傳感器穩(wěn)定性、靈敏度高、抗干擾能力強、可測多種信號，受到各行業(yè)的關注。其中應用較為廣泛的有分布式光纖[4]、布拉格光纖光柵[5]、布里淵光纖[6]等傳感器。但光纖傳感器的缺點是需要大量的輔助設備、布控較困難以及成本過于昂貴。

壓電材料同時具有傳感和驅(qū)動兩種能力、響應速度快、范圍廣、精確度高等優(yōu)點，在SHM中有很大的潛力。但目前絕大部分的成果還處于理論、試驗階段，在SHM中的應用還在探索中，研究對象多為結(jié)構(gòu)簡單的構(gòu)件(如梁、板等)，缺少對復雜結(jié)構(gòu)的研究。

近年來，GPS技術(shù)在一些大型工程結(jié)構(gòu)的動態(tài)實時監(jiān)測方面優(yōu)勢比較大。朱桂新等[10]在廣東虎門大橋上應用GPS RTK技術(shù)對其在溫度、風荷載、車輛荷載激勵下的三維位移進行動態(tài)實時監(jiān)測，隨著數(shù)據(jù)的不斷積累，為進一步的研究提供了有利條件。Li等[8]提出利用聲發(fā)射傳感器來監(jiān)測橋梁纜索缺陷，成功捕捉了電纜缺陷和斷線產(chǎn)生信號，并且能夠準確定位位置。

2.2 傳感器的優(yōu)化布置

傳感器的選型及其優(yōu)化布置方案是建立SHMS的首要問題，對接下來的數(shù)據(jù)采集與損傷識別有著極其重要的意義。傳感器的選型應本著經(jīng)濟、先進、穩(wěn)定等原則，具備如下性能：①性能好且技術(shù)成熟；②造價低、耐久性好、低功耗，且能夠長時間連續(xù)工作；③體型小，不影響結(jié)構(gòu)的正常使用功能；④易于安裝、維護和更換；⑤較強的抗干擾能力，確保監(jiān)測系統(tǒng)的安全可靠。此外，為得到結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測所需的信息，將傳感器布置在結(jié)構(gòu)的最佳位置并確定合適的數(shù)量，如何布置才能獲得最好的結(jié)果和精確的結(jié)構(gòu)參數(shù)，這些都是傳感器優(yōu)化布置方面亟待解決的關鍵性問題。

在航空航天領域?qū)鞲衅鲀?yōu)化布置的研究比較早，如今土木工程領域也已經(jīng)有很多學者對該問題進行了研究。其中布置方法有模態(tài)動能法、模態(tài)矩陣QR分解法、Guyan縮減法以及改進縮減法(ISR)和連續(xù)接近縮減方法(SAR)等[11]。由于各種優(yōu)化方法都有其自身的優(yōu)缺點，單一的方法難以實現(xiàn)較高的優(yōu)化目標。因此綜合考慮多種方法，并結(jié)合工程實際進行合理地布置，是未來的發(fā)展趨勢[12]。

3 數(shù)據(jù)采集與處理

3.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)是連接SHMS硬件(監(jiān)測設備)和軟件(數(shù)據(jù)處理)的橋梁。對傳感器的信號進行實時地采集并顯示，將其信息數(shù)據(jù)存儲起來并對數(shù)據(jù)采集硬件設備進行及時地設置是數(shù)據(jù)采集軟件應具有的最基本功能。此外還應考慮采集數(shù)據(jù)的時間間隔，測量過程的不確定性及數(shù)據(jù)的標準化問題[13]。郭迅等[14]研制的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)(DAQ-PI-32、VIBAN2.40)，可以實時采集數(shù)據(jù)并對信號的快速瀏覽和簡易快速譜實現(xiàn)在線分析。

3.2 信號處理

采集數(shù)據(jù)的準確性是結(jié)構(gòu)損傷識別和安全評估的首要前提，但由于傳感器所處的環(huán)境和布置位置等一系列不確定性因素和傳感器失效造成數(shù)據(jù)的丟失和錯誤等情況，采集到的原始數(shù)據(jù)中往往存在著一系列誤差或摻雜了與結(jié)構(gòu)無關的噪聲，所以需要對數(shù)據(jù)進行處理和修正。由于傳感器故障將會導致SHMS采集到的振動信號中出現(xiàn)漂移、尖峰、偏轉(zhuǎn)3種類型的數(shù)據(jù)異?，F(xiàn)象，圖3為它們在加速度信號時程圖中的表現(xiàn)形式[15]。為解決上述問題，F(xiàn)u等[16]對3種傳感器故障對信號數(shù)據(jù)分析結(jié)果產(chǎn)生的影響進行了分析，并提出了一種三階段策略，對故障數(shù)據(jù)的恢復十分有效。

(a) 漂移

(b) 尖峰

(c) 偏轉(zhuǎn)圖3 健康監(jiān)測系統(tǒng)的3類傳感器故障[15]

對于信號的降噪處理一般分為濾波和分解重構(gòu)兩種，主要有卡爾曼濾波、數(shù)字濾波技術(shù)、FFT帶通濾波、小波變換法(WT)、希-黃變換(HHT)、經(jīng)驗模態(tài)分解法(EMD)等[17]。對傳統(tǒng)EMD分析方法的改進和與其他算法結(jié)合方面是當前研究的熱點。在傳統(tǒng)EMD算法的基礎上，嚴鵬[18]提出一種綜合了EMD、WT和相關檢測優(yōu)點的改進EMD小波相關降噪算法，該算法可以有效地處理橋梁的健康監(jiān)測信號降噪問題。

4 損傷識別方法

損傷識別一直是SHM領域的熱點研究課題，是SHMS的核心。損傷識別的過程是首先判斷結(jié)構(gòu)是否存在損傷；其次確定損傷的幾何位置；之后對損傷的程度進行量化；最后根據(jù)當前結(jié)構(gòu)的狀況預測損傷的發(fā)展以及評判剩余壽命，常用的損傷識別方法有如下4種。

4.1 動力指紋分析法

結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷時會導致質(zhì)量、剛度等特征參數(shù)發(fā)生變化，相應的動力指紋也隨之改變，通過動力指紋分析法可以較好地解決該問題。該方法的核心首先要建立一個結(jié)構(gòu)正常狀態(tài)下和可能出現(xiàn)的損傷對應的動力指紋庫，把結(jié)構(gòu)的損傷進行全面完整的歸類，把結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷時的動力指紋與數(shù)據(jù)庫中的信息形成對比，進而實現(xiàn)損傷識別的效果。動力指紋分類如圖4所示。目前，常用的指紋參數(shù)有：頻率、振型[19]、振型曲率[20]、頻響函數(shù)[21]、剛度和柔度等。

圖4 常用的動力指紋分類

4.2 模型修正與系統(tǒng)識別

模型修正是將有限元模型和損傷識別相結(jié)合的方法，根據(jù)結(jié)構(gòu)動力測試得到的數(shù)據(jù)，不斷地通過條件進行優(yōu)化約束，使模型與測試得到的結(jié)構(gòu)動態(tài)響應接近吻合，然后根據(jù)模型剛度的變化對結(jié)構(gòu)進行損傷診斷并確定位置。該方法對未損結(jié)構(gòu)的有限元模型的精確程度依賴較高，但是由于邊界條件的不確定性以及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的影響等因素，往往使得模型存在很大的誤差，導致?lián)p傷識別的準確性和精度受到影響。因此建模應盡可能地與實際相同、并且對模型進行合理的剖分，找到最佳監(jiān)測位置，獲取較多且準確的數(shù)據(jù)信息[22]。

4.3 神經(jīng)網(wǎng)絡

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(ANN)擁有很強的自組織、自學習性、魯棒性以及并行計算、聯(lián)想記憶的功能。此外，其高度的非線性映射能力，能夠進行非線性的模式識別與分類，可以有效地避免有限元模型修正基礎上的噪聲干擾問題，使得在損傷識別方面能夠發(fā)揮更大優(yōu)勢。目前BP神經(jīng)網(wǎng)絡在結(jié)構(gòu)損傷識別中的應用最為廣泛，其結(jié)構(gòu)簡單、算法容易實現(xiàn)，目前較為成熟，針對任何非線性映射都可以進行一定程度的近似，但缺點是容易出現(xiàn)收斂到局部最小以及計算收斂的速度過慢等問題。

4.4 小波變換

結(jié)構(gòu)損傷是典型的局部現(xiàn)象，小波變換具有信號放大和聚焦的特點,可以獲取其他損傷識別方法很難獲取的局部損傷信息，小波變換對信號的放大能力能夠很好的得到應用。雖然小波分析方法能夠確定損傷發(fā)生的時間以及結(jié)構(gòu)損傷的位置，但是對于結(jié)構(gòu)損傷的程度，便需將小波分析與其他方法相結(jié)合進行[23]。小波分析結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡的方法，對于結(jié)構(gòu)損傷程度的評估是一個較有前途的研究方向。

5 安全評估

工程結(jié)構(gòu)狀態(tài)的安全評估，分為正常使用狀態(tài)和極限承載力狀態(tài)的安全評定。對于大型復雜工程結(jié)構(gòu)而言，影響其整體結(jié)構(gòu)狀態(tài)的因素眾多，對其結(jié)構(gòu)強度進行分析，評價健康狀態(tài)并預測剩余壽命，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)綜合狀態(tài)的快速診斷與實時評估，才能有目的的進行維護決策。當前，對結(jié)構(gòu)安全性評估的方法理論有可靠度理論[24-25]、模糊綜合評價[26]、神經(jīng)網(wǎng)絡[27-28]以及專家系統(tǒng)等。面對大量SHMS的監(jiān)測數(shù)據(jù)信息，怎樣綜合使用這些評估方法，充分發(fā)揮它們各自的優(yōu)點，對結(jié)構(gòu)的健康狀況進行客觀、準確的評估，依舊是需要進一步研究的問題。

6 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的核心為數(shù)據(jù)庫，存儲和管理工程結(jié)構(gòu)、SHMS所有的軟硬件以及監(jiān)測和分析結(jié)果全過程的信息，承擔著整個SHMS的數(shù)據(jù)管理功能。主要包括工程結(jié)構(gòu)的建造信息、傳感器及數(shù)據(jù)的采集傳輸設備信息、有限元模型、結(jié)構(gòu)外部荷載、監(jiān)測信息、結(jié)構(gòu)安全評估分析結(jié)果等全部數(shù)據(jù)。目前對數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的開發(fā)與應用還不成熟，但是已經(jīng)出現(xiàn)的“NoSQL數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)”能夠面向特定應用。此外，由于土木工程結(jié)構(gòu)中存在的各種不確定性因素，周傲英等[30]提出了多種針對不確定數(shù)據(jù)(Uncertain Data)的數(shù)學模型，并對不確定性數(shù)據(jù)的有效管理技術(shù)進行了綜述，對SHMS的數(shù)據(jù)管理有很大幫助。

7 維護決策

如何根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對工程結(jié)構(gòu)進行養(yǎng)護與檢查、更換或維修，以及管理養(yǎng)護決策的費用評估是SHM要解決的最終目的。利用現(xiàn)有的監(jiān)測信息對結(jié)構(gòu)整體或局部性能進行及時的性能預測，并及早發(fā)現(xiàn)隱患，以便能采取措施消除或盡可能的對其控制或延緩。Frangopol等[31]詳細介紹了結(jié)合監(jiān)測的工程結(jié)構(gòu)養(yǎng)護原理，對諸如生命周期成本計算等問題進行了說明。項貽強等[32]提出了基于性能的橋梁結(jié)構(gòu)養(yǎng)護指標，針對橋梁的實際狀況分別從安全性、適用性、耐久性及可持續(xù)性方面提出相應的養(yǎng)護策略。但目前由于很多關鍵參數(shù)取值的不確定性，維修養(yǎng)護策略的實際效果仍然存疑。

8 問題與展望

雖然土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測已經(jīng)發(fā)展了一段時間，但我國對于SHMS的應用還沒達到理想水平，隨著時代的發(fā)展與進步，盡快形成一套完整合理的SHMS有利于促進我國土木工程領域的發(fā)展。以下為SHM的幾點展望：

1) 傳感技術(shù)的發(fā)展。近年來，已有大量理論和實驗研究在光纖傳感監(jiān)測技術(shù)、GPS技術(shù)、壓電材料等方面取得了顯著的進展，如何在實際SHM中展開長期應用和驗證仍是今后的重點。隨著智能材料結(jié)構(gòu)的研究與發(fā)展，智能傳感技術(shù)在未來SHM領域也是研究熱點。

2) 傳感器的優(yōu)化布置。為獲取各種結(jié)構(gòu)信息，出于經(jīng)濟和效率等因素考慮，怎樣合理地選擇傳感器類型以及利用盡量少的傳感器將其布置在最佳位置，從而獲取更多有用的信息，是未來的研究重點。

3) 損傷識別方面的實際應用。對于復雜結(jié)構(gòu)早期的微小損傷難以檢測，加上噪聲干擾、材料各異等不確定性因素，目前還缺少更加有效的檢測方法。雖然在損傷識別方面已經(jīng)有大量研究，但很多都是局限于簡單實驗模型和有限元模擬。在實際應用中，面對各種復雜多變的環(huán)境影響，難以確保損傷識別的精度和準確性。

4) 安全評估與維護決策。當前，基于SHMS獲得的海量、復雜的監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對復雜結(jié)構(gòu)安全評估以及指導結(jié)構(gòu)的管理養(yǎng)護決策是SHM的最終目的。如何實現(xiàn)智能化的分析處理，建立智能化的安全評估和預警，進行最終的維護決策，對工程實際有著重要意義。