鄧 鵬，袁狄平，何存富，肖儀清

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，深圳518055；2.深圳市城市公共安全技術(shù)研究院有限公司，深圳518046；3.北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京100124)

公共安全是指社會(huì)和公眾進(jìn)行正常的生活、工作、學(xué)習(xí)、娛樂(lè)等活動(dòng)所需的穩(wěn)定的外部環(huán)境和秩序，是指多數(shù)人的生命、健康和公私財(cái)產(chǎn)的安全[1]。根據(jù)《中華人民共和國(guó)突發(fā)事件應(yīng)對(duì)法》的規(guī)定，公共安全中的突發(fā)事件涉及自然災(zāi)害、事故災(zāi)難、公共衛(wèi)生事件和社會(huì)安全事件等4個(gè)類別。

在國(guó)際社會(huì)上，公共安全同樣是各國(guó)政府和相關(guān)組織的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象[2]。尤其是美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，相關(guān)研究起步較早，其突發(fā)事件管理和應(yīng)對(duì)手段更加豐富，法律政策和體制機(jī)制相對(duì)完善。

公共安全突發(fā)事件應(yīng)急管理正在經(jīng)歷從單純的災(zāi)害救援到綜合防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)的過(guò)程，圍繞相關(guān)問(wèn)題及技術(shù)，我國(guó)的專家學(xué)者進(jìn)行了深入研究[3-4]。公共安全與應(yīng)急管理離不開(kāi)現(xiàn)代科技的支撐，2016年開(kāi)始啟動(dòng)實(shí)施的國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“公共安全風(fēng)險(xiǎn)防控與應(yīng)急技術(shù)裝備”重點(diǎn)專項(xiàng)，就是國(guó)家相關(guān)部門(mén)圍繞公共安全科技發(fā)展進(jìn)行的頂層規(guī)劃，目前已經(jīng)在裝備、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、軟件平臺(tái)等方面取得了多項(xiàng)成果。

從廣義上來(lái)講，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是直接服務(wù)于城市公共安全的。城市中的生命線工程、重大基礎(chǔ)設(shè)施、特種設(shè)備的安全運(yùn)行，都離不開(kāi)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的保駕護(hù)航[5]。在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“公共安全風(fēng)險(xiǎn)防控與應(yīng)急技術(shù)裝備”重點(diǎn)專項(xiàng)過(guò)去幾年所設(shè)立的項(xiàng)目中，就包含了化工裝置及設(shè)施、油氣長(zhǎng)輸管道及儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施、城市地下綜合管廊、區(qū)域綜合交通基礎(chǔ)設(shè)施、承壓類及機(jī)電類特種設(shè)備的安全狀況檢驗(yàn)評(píng)價(jià)技術(shù)研究等。

筆者簡(jiǎn)要介紹了無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，分類闡述了無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在城市公共安全領(lǐng)域的應(yīng)用，并探討了未來(lái)的發(fā)展方向，以期為公共安全和無(wú)損檢測(cè)相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者提供參考，使更多先進(jìn)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)服務(wù)于城市公共安全。

1 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)最早為工業(yè)應(yīng)用而生，目前已廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、石油化工、汽車、航空航天等領(lǐng)域。無(wú)損檢測(cè)是利用物質(zhì)的聲、光、磁和電等特性，在不損害或不影響被檢測(cè)對(duì)象使用性能的前提下，判斷其是否存在缺陷并給出缺陷的大小、位置、性質(zhì)和數(shù)量等信息。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)最大的特點(diǎn)就是非破壞性，因此可以對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行全面和全過(guò)程檢測(cè)。除了針對(duì)物體缺陷的檢測(cè)外，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)還常常用于材料力學(xué)性能、氣體濃度、物體厚度及長(zhǎng)度、距離、溫度等物理量的測(cè)量。

常規(guī)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)包括超聲檢測(cè)、射線檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)和渦流檢測(cè)等，其發(fā)展較早、技術(shù)較成熟、操作也相對(duì)簡(jiǎn)單。隨著對(duì)檢測(cè)精度、檢測(cè)效率等要求的提高，以及檢測(cè)設(shè)備、信號(hào)分析處理方法的進(jìn)步，許多無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)、新方法被提出并得到逐步應(yīng)用，比較典型的包括相控陣超聲技術(shù)、超聲導(dǎo)波技術(shù)、聲發(fā)射技術(shù)、光纖檢測(cè)技術(shù)、紅外檢測(cè)技術(shù)、漏磁檢測(cè)技術(shù)、脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)等。不同的檢測(cè)技術(shù)及方法都有其獨(dú)特的檢測(cè)對(duì)象和范圍，在實(shí)際應(yīng)用中可能需要結(jié)合多種檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢對(duì)象的安全評(píng)價(jià)。

2 各類無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在公共安全中的應(yīng)用

根據(jù)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的作用和公共安全應(yīng)急管理各環(huán)節(jié)的特點(diǎn)，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可重點(diǎn)應(yīng)用于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、監(jiān)測(cè)監(jiān)控以及救援處置等過(guò)程。利用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)壓力容器、電梯等特種設(shè)備、道路橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)設(shè)施、油氣管道、供水供氣管線等進(jìn)行的單次或不定期的缺陷及性能檢測(cè)，實(shí)際上就是一次風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的過(guò)程，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果可以得到這個(gè)設(shè)施設(shè)備的安全狀況。對(duì)這些設(shè)施設(shè)備進(jìn)行的定期檢測(cè)或連續(xù)檢測(cè)，則屬于監(jiān)測(cè)監(jiān)控的范疇。比較典型的例子包括對(duì)建筑、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，對(duì)鍋爐、電梯等特種設(shè)備的定期檢測(cè)等。在救援處置環(huán)節(jié)，可以利用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)協(xié)助進(jìn)行事故或?yàn)?zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的勘察、人員搜救等作業(yè)，提高救援處置效率，減少人員傷亡。

2.1 事故災(zāi)難的預(yù)防

2.1.1 危險(xiǎn)化學(xué)品儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施

危險(xiǎn)化學(xué)品相關(guān)企業(yè)及儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施在城市中分布廣泛，一旦發(fā)生事故，會(huì)對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重危害，是各級(jí)應(yīng)急管理部門(mén)關(guān)注的重點(diǎn)。

針對(duì)油氣運(yùn)輸管道的腐蝕、裂紋、焊縫缺陷等，可以采用超聲導(dǎo)波檢測(cè)，其優(yōu)勢(shì)是檢測(cè)距離遠(yuǎn)、檢測(cè)精度高，采用不同的模態(tài)和頻率，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類型缺陷的檢測(cè)。在管道內(nèi)檢測(cè)方面[6]，利用漏磁檢測(cè)或常規(guī)超聲檢測(cè)判斷管壁的減薄或變形情況，其優(yōu)點(diǎn)是不受管道外界環(huán)境的影響，可用于海底管道或埋地管道的檢測(cè)。光纖檢測(cè)技術(shù)則非常適合用于管道沿線的擾動(dòng)監(jiān)測(cè)[7]，可用于對(duì)偷盜及施工干擾情況的監(jiān)測(cè)。

針對(duì)油氣等危險(xiǎn)化學(xué)品儲(chǔ)罐的腐蝕、裂紋等缺陷，通常采用常規(guī)超聲檢測(cè)和漏磁檢測(cè)技術(shù)，借助爬壁機(jī)器人等運(yùn)動(dòng)裝置，對(duì)儲(chǔ)罐底板及壁板進(jìn)行全面掃查。部分學(xué)者則研究了利用超聲蘭姆波對(duì)儲(chǔ)罐底板進(jìn)行大面積無(wú)損檢測(cè)，得到了較好的檢測(cè)效果。聲發(fā)射技術(shù)通常被用于在役油氣儲(chǔ)罐的在線監(jiān)測(cè)，但其易受外界因素的干擾，檢測(cè)準(zhǔn)確性有待提高。

2.1.2 城市生命線

城市生命線不僅關(guān)系到人民的日常生活和城市的正常運(yùn)行，發(fā)生事故后也會(huì)威脅到周圍群眾的生命健康。

對(duì)于供水、排水、供暖、供氣等管道的檢測(cè)，國(guó)內(nèi)外在相關(guān)方面的研究開(kāi)展也較早，缺陷檢測(cè)手段相對(duì)成熟，目前常用的檢測(cè)方法包括渦流、射線、超聲、漏磁以及超聲導(dǎo)波等。對(duì)于混凝土澆筑的大型箱涵式排污管道的腐蝕缺陷，可以采用超聲相控陣、探地雷達(dá)等手段進(jìn)行檢測(cè)[8]。

在軌道交通方面，通常采用超聲、渦流、漏磁等方法對(duì)在役鋼軌進(jìn)行非接觸式的無(wú)損檢測(cè)，不同的檢測(cè)方法適用于不同位置及類型的缺陷[9]。這些系統(tǒng)可以搭載在特制車輛上進(jìn)行移動(dòng)式檢測(cè)，速度最高可達(dá)80 km·h-1。針對(duì)城市地鐵雜散電流對(duì)沿線燃?xì)夤艿?、供水管道等金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕影響監(jiān)測(cè)，以及對(duì)地鐵拱頂沉降和受沿線施工影響的監(jiān)測(cè)，可以采用光纖傳感技術(shù)。

2.1.3 特種設(shè)備

特種設(shè)備檢測(cè)是無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的重點(diǎn)應(yīng)用方向之一[10]。在特種設(shè)備中，“鍋爐、壓力容器(含氣瓶)、壓力管道”3類被稱為承壓類特種設(shè)備。其多處于高溫高壓的運(yùn)行環(huán)境，運(yùn)行負(fù)荷較大，容易產(chǎn)生老化、腐蝕、開(kāi)裂等缺陷，具有較大的潛在危險(xiǎn)。根據(jù)《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》，目前針對(duì)承壓類特種設(shè)備的無(wú)損檢測(cè)手段主要為磁粉檢測(cè)、射線檢測(cè)、渦流檢測(cè)和超聲檢測(cè)等，且常采用便攜式設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)。也有學(xué)者研究利用超聲導(dǎo)波技術(shù)、電磁檢測(cè)技術(shù)、聲發(fā)射技術(shù)等手段對(duì)承壓類特種設(shè)備進(jìn)行缺陷檢測(cè)。

“電梯、起重機(jī)械、客運(yùn)索道、大型游樂(lè)設(shè)施和場(chǎng)(廠)內(nèi)專用機(jī)動(dòng)車輛”被稱為機(jī)電類特種設(shè)備。電梯、客運(yùn)索道、大型游客設(shè)施在城市、景區(qū)中較為常見(jiàn)，其運(yùn)行安全與普通群眾的生活、娛樂(lè)密切相關(guān)。鋼絲繩為機(jī)電類特種設(shè)備的重要承載構(gòu)件，其安全性能一直受到廣泛關(guān)注。針對(duì)鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)，最常用的方法是電磁檢測(cè)技術(shù)[11]，其不僅可以檢測(cè)到斷絲等缺陷，還可以檢測(cè)其應(yīng)力集中和疲勞損傷的情況。機(jī)電類特種設(shè)備中的其他零部件的檢測(cè)往往采用超聲、射線等常規(guī)檢測(cè)手段。

2.1.4 建筑工程結(jié)構(gòu)

建筑工程結(jié)構(gòu)是組成城市的基本要素，也是群眾進(jìn)行生產(chǎn)生活的主要載體，對(duì)建筑工程結(jié)構(gòu)的安全管理也是城市公共安全的重要內(nèi)容。

對(duì)橋梁、大壩、隧道等結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)，聲發(fā)射技術(shù)可以發(fā)揮重要作用[12]。這些結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中，會(huì)在外部載荷作用下產(chǎn)生微裂紋，微裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展都會(huì)釋放能量,并以彈性波的形式擴(kuò)散，接收傳感器能夠捕捉到這些信號(hào)，通過(guò)分析可以得到被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的安全狀況。超聲波檢測(cè)、表面波檢測(cè)、紅外檢測(cè)等無(wú)損檢測(cè)方法也可用于特定場(chǎng)合的建筑工程結(jié)構(gòu)檢測(cè)。

在現(xiàn)代化城市，高層建筑中廣泛存在的玻璃幕墻也是無(wú)損檢測(cè)關(guān)注的焦點(diǎn)之一。針對(duì)玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)膠失效檢測(cè)，應(yīng)用最多的是超聲檢測(cè)[13]，聲發(fā)射、射線和紅外等檢測(cè)方法也有報(bào)道。

2.1.5 其他

城市中的有限空間作業(yè)過(guò)程也需要無(wú)損檢測(cè)技術(shù)提供安全保障[14]。有限空間由于自然通風(fēng)不佳，容易造成有毒有害、易燃易爆氣體積聚和空氣含氧量降低。近年來(lái)，有限空間作業(yè)事故頻發(fā)，原因之一就是安全檢測(cè)手段缺乏、氣體檢測(cè)裝置配備不齊全。如果在作業(yè)前利用氣體檢測(cè)儀對(duì)有限空間內(nèi)的氣體狀況進(jìn)行檢測(cè)，并在作業(yè)過(guò)程中持續(xù)進(jìn)行有害氣體和氧氣濃度監(jiān)測(cè)，將會(huì)大大減少甚至杜絕類似事故的發(fā)生。

火災(zāi)也是城市公共安全領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注的事故災(zāi)難之一，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在火災(zāi)監(jiān)測(cè)中也有應(yīng)用，煙霧探測(cè)器、溫度傳感器都是火災(zāi)監(jiān)測(cè)中常用的傳感器類型，也屬于無(wú)損檢測(cè)的范疇。

2.2 自然災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警

針對(duì)自然災(zāi)害的評(píng)估和監(jiān)測(cè)，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)也可以發(fā)揮重要作用。自然災(zāi)害發(fā)生的區(qū)域一般較大，這種情況下采用的評(píng)估或監(jiān)測(cè)手段也要能夠覆蓋足夠?qū)拸V的范圍。城市中的自然邊坡、建筑邊坡、建筑廢棄物收納場(chǎng)、垃圾填埋場(chǎng)等容易受降雨等因素的影響，發(fā)生滑坡事故。針對(duì)這類對(duì)象的安全監(jiān)測(cè)，可采用的無(wú)損檢測(cè)方法有分布式光纖傳感、合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量(InSAR)、探地雷達(dá)、聲發(fā)射等。

受各類自然因素和人為因素的影響，城市道路及建成區(qū)域會(huì)產(chǎn)生地面沉降甚至突然塌陷等災(zāi)害，嚴(yán)重危害道路行駛安全和建筑結(jié)構(gòu)安全。地面沉降是一個(gè)相對(duì)緩慢變化的過(guò)程，對(duì)于大范圍區(qū)域的地面沉降，主要監(jiān)測(cè)手段為基于InSAR的衛(wèi)星監(jiān)測(cè)[15]，通過(guò)衛(wèi)星合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)提取的相位信息獲取地表的變化信息。地面塌陷則具有突發(fā)性和隱蔽性，因此要對(duì)地下空洞的產(chǎn)生和發(fā)展進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。利用探地雷達(dá)定期、定線路探查是監(jiān)控地面塌陷最常用的方法[16]，但由于其成本較高，所以更適合短距離、小范圍區(qū)域的針對(duì)性監(jiān)測(cè)。而光纖傳感技術(shù)價(jià)格低廉、耐久性好，有利于進(jìn)行分布式、長(zhǎng)距離、實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

暴雨、臺(tái)風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣也會(huì)對(duì)城市公共安全造成直接影響。針對(duì)這類突發(fā)天氣，應(yīng)加強(qiáng)城市中低洼道路、地下暗河、暗涵的水位監(jiān)測(cè)。干涉式光纖水位傳感系統(tǒng)具有測(cè)量范圍大、響應(yīng)時(shí)間快的特點(diǎn)，非常適合強(qiáng)降雨天氣下的水位監(jiān)測(cè)[17]。

2.3 公共衛(wèi)生事件和社會(huì)安全事件的管控

在公共衛(wèi)生事件和社會(huì)安全事件的監(jiān)測(cè)預(yù)警方面，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)也發(fā)揮了不可替代的作用。以此次新冠肺炎疫情為例，日常接觸的各種體溫測(cè)量?jī)x器，對(duì)確診患者或疑似患者進(jìn)行的肺部影像學(xué)檢查等，實(shí)際上是釆用了無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中的紅外檢測(cè)和射線檢測(cè)。在社會(huì)安全事件方面，各類公共場(chǎng)所的安檢儀、交通警察使用的測(cè)速儀和酒精測(cè)量?jī)x，也都使用了不同的無(wú)損檢測(cè)方法。

3 未來(lái)發(fā)展方向

當(dāng)前，我國(guó)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展正在經(jīng)歷從無(wú)損檢測(cè)過(guò)渡到無(wú)損評(píng)價(jià)的過(guò)程，其在城市公共安全領(lǐng)域的應(yīng)用既是這一過(guò)程的推動(dòng)者，也是這一過(guò)程的受益者。作為智慧城市建設(shè)的重要內(nèi)容，城市公共安全治理需提升風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與監(jiān)測(cè)預(yù)警水平，加強(qiáng)主動(dòng)、精準(zhǔn)、智能化、整體式風(fēng)險(xiǎn)管控能力，這就對(duì)各類安全風(fēng)險(xiǎn)的智能化檢測(cè)監(jiān)測(cè)提出了更高的要求。面對(duì)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)和公共安全的共同發(fā)展需求，新的檢測(cè)原理和檢測(cè)方法有待提出，新的信號(hào)處理方法有待發(fā)展，多方法多維度聯(lián)合檢測(cè)及監(jiān)測(cè)應(yīng)用有待拓展，高性能檢測(cè)儀器、高精度傳感器的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程有待加快。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用促進(jìn)了傳感器的智能化發(fā)展，而智能傳感器又是物聯(lián)網(wǎng)的核心部件之一。物聯(lián)網(wǎng)和智能傳感器的融合應(yīng)用，是無(wú)損檢測(cè)及安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)高智能化和自動(dòng)化的基礎(chǔ)。現(xiàn)代通信技術(shù)的應(yīng)用能夠有效提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，有助于實(shí)現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)的遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)。大數(shù)據(jù)的應(yīng)用則能夠提高風(fēng)險(xiǎn)自動(dòng)識(shí)別及預(yù)測(cè)預(yù)警的準(zhǔn)確性。