李笑林， 楊 璐， 許 鎮(zhèn)， 黃雅楠， 代 鵬

(1. 北京工業(yè)大學(xué) 城市與工程安全減災(zāi)教育部重點實驗室， 北京 100124； 2. 北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院， 北京 100083)

建筑結(jié)構(gòu)在設(shè)計、施工過程中可能由于設(shè)計承載力不足或者施工方法不規(guī)范等因素導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的損傷和破壞，在運行維護(hù)階段由于疲勞、環(huán)境影響或者材料老化等因素也可能造成結(jié)構(gòu)的損傷累積和破壞[1]。由結(jié)構(gòu)損傷引起的工程事故不僅會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還可能造成人員重大傷亡。因此，為預(yù)防工程事故發(fā)生及最大程度保障生命財產(chǎn)安全，建筑結(jié)構(gòu)在施工及運行維護(hù)階段的安全健康監(jiān)測受到廣泛關(guān)注。為確保建筑結(jié)構(gòu)的安全性及耐久性，建立一套操作簡便、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確可靠的結(jié)構(gòu)安全評定方案是十分必要的。而傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)中，多因為傳感網(wǎng)絡(luò)損壞、失效或者損傷判定方法不夠完善等原因，無法實現(xiàn)實時、長期、穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測過程。

隨著新型材料的涌現(xiàn)、傳感技術(shù)和通信技術(shù)的快速發(fā)展以及損傷識別理論的完善，智能化的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測方案應(yīng)運而生并逐步應(yīng)用到實際工程當(dāng)中。目前在實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測智能化方面，主要研究方向是通過采用更精確便捷的傳感技術(shù)、更穩(wěn)定快速的數(shù)據(jù)傳輸方法以及更準(zhǔn)確高效的建筑結(jié)構(gòu)安全診斷與評定方法等來提高監(jiān)測效率及穩(wěn)定性，相比于傳統(tǒng)監(jiān)測方法具有突出的優(yōu)勢[2]。本文從傳感設(shè)備選擇、數(shù)據(jù)傳輸以及結(jié)構(gòu)安全評定方法等方面對建筑結(jié)構(gòu)智能化安全監(jiān)測方法的相關(guān)研究進(jìn)行了總結(jié)和歸納，闡述了該方法的優(yōu)劣勢，并對其未來的研究趨勢進(jìn)行了展望。

1 新型傳感設(shè)備與技術(shù)

傳感網(wǎng)絡(luò)是建筑結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測中最基礎(chǔ)的模塊，根據(jù)監(jiān)測內(nèi)容的不同，選擇合適的傳感設(shè)備十分關(guān)鍵。在傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)中，多采用以電信號作為傳輸信號的傳感器。由于溫度影響帶來的普通傳感元器件的零點漂移問題將導(dǎo)致數(shù)據(jù)測量誤差較大；此外傳感器損壞以及環(huán)境對信號的干擾導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸不夠穩(wěn)定，而且傳感器維修不便，所以實際工程中的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)往往不夠可靠，且無法發(fā)揮其實際作用。近年來，出現(xiàn)了不少測量準(zhǔn)確穩(wěn)定、操作便捷的傳感設(shè)備和測量技術(shù)，具有較好的工程應(yīng)用前景。本文根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測內(nèi)容的不同，從局部和整體監(jiān)測兩方面對相關(guān)傳感設(shè)備和測量技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)與歸納。

1.1 局部監(jiān)測

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)局部監(jiān)測傳感設(shè)備因為本身材質(zhì)及傳感原理的問題易受到電磁干擾，環(huán)境腐蝕等侵害且埋設(shè)困難，布線過于復(fù)雜，壽命低，無法保持實時、在線、穩(wěn)定的測量，所以需要性能更加良好，操作更加便捷的傳感設(shè)備。

智能材料[3]是集感知、驅(qū)動和信息處理于一體，具備自感知、自診斷、自適應(yīng)、自修復(fù)等功能的一類材料。在建筑結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測過程中，利用各種智能材料特性制作的智能傳感器相比于傳統(tǒng)傳感器，具有性價比更高、精確度更高、可靠性更高、功能更多樣、集成度更高等優(yōu)勢。目前應(yīng)用較為廣泛的智能材料傳感器包括光纖光柵傳感器、壓電材料傳感器、形狀記憶合金等。

1.1.1 光纖光柵傳感器

光纖傳感器是基于光信號傳輸過程中其強(qiáng)度、波長、相位、頻率、偏振態(tài)等光學(xué)性質(zhì)會受到溫度和應(yīng)力等環(huán)境因素的影響而發(fā)生變化的工作原理。通過分析經(jīng)調(diào)制后的光信號，即可分析出溫度、應(yīng)力等參數(shù)的大小。光纖光柵傳感器(Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG)是一種波長調(diào)制型光纖傳感器，由于光纖光柵采用波長調(diào)制，因此不受光強(qiáng)、相位和功率等參數(shù)的干擾，是目前應(yīng)用最廣泛的一種光纖傳感器。

FBG傳感器具有質(zhì)量輕、體積小、靈敏度高、耐腐蝕、抗電磁干擾等優(yōu)勢，同時由于光波的傳輸頻帶較寬，便于時分和頻分多路復(fù)用，可實現(xiàn)多種信號、大量數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。將FBG傳感器按照各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)排列實現(xiàn)多路復(fù)用，可以對沿光纖傳輸路徑上的空間分布和隨時間變化的信息進(jìn)行準(zhǔn)分布式測量，工作原理如圖1所示。Mendez等[4]在混凝土結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測中，首次嘗試采用了FBG傳感器，并取得了良好的效果[5]；美國LaLs Cruces 10號洲際高速公路的鋼結(jié)構(gòu)橋梁上安裝FBG傳感器，用于監(jiān)測橋梁在車輛等動態(tài)荷載作用下的響應(yīng)和損傷情況等；香港青馬大橋采用FBG傳感器實現(xiàn)了對結(jié)構(gòu)的應(yīng)變及溫度響應(yīng)的實時監(jiān)測[6]。

圖1 光纖光柵傳感器分布式測量原理

另外FBG傳感器耐腐蝕的特性，使其在惡劣環(huán)境下仍能有效準(zhǔn)確地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，比如大壩或油氣管道安全的實時監(jiān)測[7,8]。趙廷超等[9]討論和分析了在機(jī)敏結(jié)構(gòu)中埋入FBG傳感器，對結(jié)構(gòu)內(nèi)部狀態(tài)參數(shù)的無損檢測以及對結(jié)構(gòu)整體性、安全性評估的方法，賦予了建筑結(jié)構(gòu)感知特性，推動了FBG傳感器在國內(nèi)的相關(guān)研究以及在建筑智能化領(lǐng)域的應(yīng)用。

FBG傳感器的封裝技術(shù)同樣關(guān)鍵，在起到保護(hù)作用的同時不能對監(jiān)測數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，國內(nèi)外學(xué)者通過不同的封裝方法，提高 FBG傳感器的壽命并保證信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。梁磊等[10]研究了FBG傳感器與混凝土結(jié)構(gòu)的相容性，并研制出一種利用環(huán)氧保護(hù)層的新型FBG傳感器，使傳感器能適應(yīng)惡劣環(huán)境，并在建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生大變形的情況下不會斷裂。Sheng等[11]研制了一種新型的FBG壓力傳感器，將傳感器封裝于填充了硅橡膠聚合物的金屬管中，外界壓力可通過壓縮聚合物使內(nèi)部FBG產(chǎn)生軸向應(yīng)變。

FBG傳感器多用來監(jiān)測結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變和溫度等參數(shù)，因為光纖監(jiān)測參數(shù)頻率范圍有限，一般用于監(jiān)測靜態(tài)或者低頻信號，多用于評估診斷結(jié)構(gòu)的振動、強(qiáng)度、變形、裂縫、損傷、鋼筋銹蝕以及施工質(zhì)量。但光纖傳感器依然存在不少待解決的問題，一方面是光纖傳感器布設(shè)的輔助設(shè)備需求多，布控存在困難，本征型光纖傳感器的造價還是相對較高；另一方面目前光纖傳感器的分布式測量還停留在線式，無法上升到面和體的分布式測量，后續(xù)還需要進(jìn)一步研究。

1.1.2 壓電材料傳感器

壓電材料傳感器是一種基于壓電效應(yīng)的傳感器，壓電效應(yīng)[12]根據(jù)壓電轉(zhuǎn)換機(jī)理可分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。壓電材料傳感器多利用正壓電效應(yīng)對壓力、變形等進(jìn)行監(jiān)測，利用逆壓電效應(yīng)制成的壓電材料驅(qū)動器可以用來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的主動控制，對結(jié)構(gòu)外部擾動和結(jié)構(gòu)反應(yīng)實現(xiàn)聯(lián)機(jī)實時跟蹤和預(yù)測，并通過驅(qū)動器對結(jié)構(gòu)施加控制力來改變結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)特性，使結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)性能滿足一定的優(yōu)化準(zhǔn)則[13]。

壓電材料主要包括壓電晶體、壓電陶瓷、壓電薄膜、壓電聚合物和壓電復(fù)合材料，目前研究和應(yīng)用較多的是壓電陶瓷材料傳感器。壓電材料響應(yīng)速度快、頻響范圍寬、靈敏度較高、監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確可靠，由于壓電材料輸出的是電荷信號，信號強(qiáng)度不受傳輸線路長度影響，且不存在零點飄移問題，穩(wěn)定性更好，具有明顯的優(yōu)勢[14]。

壓電陶瓷傳感器監(jiān)測根據(jù)有無激勵元可分主動和被動監(jiān)測。Gu等[15]將多個壓電陶瓷傳感器嵌入混凝土結(jié)構(gòu)中不同截面處，形成網(wǎng)絡(luò)，利用輸出波幅值大小可有效監(jiān)測混凝土內(nèi)部裂縫開展情況。黃泳水[16]采用埋設(shè)或貼附壓電陶瓷傳感器的方式，根據(jù)檢測的應(yīng)力波信號變化對木結(jié)構(gòu)內(nèi)部含水量及表面裂縫空洞進(jìn)行了有效監(jiān)測。在主動監(jiān)測中除了監(jiān)測輸出信號的方法還可通過測量壓電陶瓷的電阻抗變化進(jìn)行結(jié)構(gòu)監(jiān)測。Ayres等[17]采用壓電陶瓷傳感器對鋼橋模型節(jié)點連接質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測，利用電阻抗變化作為損傷識別參數(shù)有效監(jiān)測了螺栓連接節(jié)點松動引起的局部損傷。Tseng等[18]利用壓電陶瓷傳感器對鋁板上不同損傷進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)PZT換能器導(dǎo)納(阻抗的倒數(shù))的變化，確定損傷位置及程度。

被動監(jiān)測多利用外界的環(huán)境激勵作為輸入信號，無需單獨設(shè)置激勵元。石榮等[19]采用壓電陣列對柔性結(jié)構(gòu)的損傷進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)傳感器所得到的結(jié)構(gòu)應(yīng)變信息來反映結(jié)構(gòu)的損傷位置和程度。Song等[20]將壓電陶瓷傳感器埋入混凝土梁中，用來監(jiān)測高速路橋上超載貨車撞擊響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)壓電陶瓷傳感器可有效反映結(jié)構(gòu)在撞擊荷載下響應(yīng)，且信號輸出隨荷載增大呈線性增長。

壓電陶瓷具有高阻抗性，對于測量頻率太低的被測量及靜態(tài)量，由于信號變化過小甚至無變化，無法有效進(jìn)行識別，所以壓電陶瓷傳感器更適于測量動態(tài)力學(xué)量，因此一般壓電陶瓷傳感器多用于結(jié)構(gòu)動態(tài)參數(shù)測量和結(jié)構(gòu)所受沖擊荷載的識別與定位[21]。

1.1.3 形狀記憶合金

形狀記憶合金(Shape Memory Alloy，SMA)是一種同時具有自感知、驅(qū)動和耗能特性的多功能材料，SMA廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械電子、生物醫(yī)療等領(lǐng)域。近年來隨著材料加工技術(shù)創(chuàng)新和工業(yè)生產(chǎn)能力的提高，SMA開始在土木工程領(lǐng)域得到應(yīng)用，利用SMA的多功能特性可以實現(xiàn)土木工程結(jié)構(gòu)的一些智能特性。目前，形狀記憶合金主要應(yīng)用于裂縫、損傷變形、振動的主動控制方面的研究以及砌體結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的被動抗震設(shè)計研究。

Park等[22]利用壓電材料的感知能力與SMA的驅(qū)動能力，研制了一種能夠自動感測螺栓損傷并且能夠恢復(fù)損失預(yù)拉力的螺栓連接器。Li等[23]利用SMA智能阻尼器的感知特性提出具有損傷自監(jiān)測和自修復(fù)特性的智能結(jié)構(gòu)，并通過試驗驗證了SMA的自感知特性、耗能特性和驅(qū)動特性。楊文靜等[24]利用SMA的特性來彌補(bǔ)FRP混凝土框架結(jié)構(gòu)延性性能差、耗能能力不足的缺點，有效提高了該類結(jié)構(gòu)的抗震性能。

智能材料一般分為兩大類：第一類是對外界條件或者結(jié)構(gòu)本身應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、光、磁和輻射等具有感知能力，可用來制作傳感器。另外一類是對于外界條件改變做出響應(yīng)，具有執(zhí)行能力，可用來制作驅(qū)動器。隨著智能材料的研究與發(fā)展，智能結(jié)構(gòu)也被提了出來，智能結(jié)構(gòu)是將傳感元件、驅(qū)動元件和控制系統(tǒng)結(jié)合或者融合在基體材料中所形成的一種材料(器件復(fù)合結(jié)構(gòu))，其以仿生的方式感知結(jié)構(gòu)系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)和外部環(huán)境，并能夠及時對自身的行為做出判斷和響應(yīng)。

上文介紹的壓電材料和形狀記憶合金同時具備感知能力與驅(qū)動能力，可使智能化結(jié)構(gòu)監(jiān)測與自我調(diào)節(jié)修復(fù)能力集成化程度更高。雖然該類型智能材料目前還處于研究階段，工程中實際應(yīng)用較少，但應(yīng)用于智能結(jié)構(gòu)是未來必然的發(fā)展趨勢。智能材料傳感器與驅(qū)動器的結(jié)合將使結(jié)構(gòu)自診斷自修復(fù)成為可能[25]。比如大型混凝土結(jié)構(gòu)中一些關(guān)鍵部位對于裂縫和損傷極其敏感，一旦出現(xiàn)損傷很容易造成重大事故，利用SMA、壓電材料等對于應(yīng)變敏感、電阻抗高的特點及驅(qū)動功能，再結(jié)合微處理器即可實現(xiàn)完整的監(jiān)測控制系統(tǒng)。當(dāng)裂縫開展或者損傷出現(xiàn)時，微處理器會判斷損傷程度及位置，通過識別判斷損傷信號是否達(dá)到設(shè)置的閾值，如果超過閾值，微機(jī)控制系統(tǒng)會自動釋放控制信號?？赏娂訜崾筍MA發(fā)生變形，裂縫處SMA產(chǎn)生的恢復(fù)力隨裂縫寬度增大而增加，可使裂縫閉合或者減小，為了簡化該過程也有利用SMA本身的偽彈性實現(xiàn)自主控制。對于壓電材料來說，可通過對其施加不同形式激勵實現(xiàn)驅(qū)動功能，原理與SMA相同。將結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測系統(tǒng)上升到自感知、自診斷、自修復(fù)的智能結(jié)構(gòu)層面是未來建筑結(jié)構(gòu)工程的重要發(fā)展方向。

1.2 整體監(jiān)測

在建筑結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測過程中，除了要對結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位或重要構(gòu)件進(jìn)行局部監(jiān)測以外，還需要對結(jié)構(gòu)的撓度、位移或者振動進(jìn)行整體監(jiān)測與控制，目前常見的傳統(tǒng)監(jiān)測儀器包括水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀、激光測距儀和全站儀等。這些傳統(tǒng)的幾何變形監(jiān)測方式雖然精度、準(zhǔn)確性等都能得到保障，但是耗時耗力且無法實現(xiàn)動態(tài)、連續(xù)、實時在線的建筑結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測模式。

隨著電子技術(shù)、空間定位技術(shù)、自動控制技術(shù)、遠(yuǎn)程通信技術(shù)的不斷發(fā)展，攝影測量法、GPS(Global Positioning Syste)測量技術(shù)、測量機(jī)器人等現(xiàn)代儀器結(jié)合通信網(wǎng)絡(luò)的新型監(jiān)測技術(shù)成為結(jié)構(gòu)自動長期監(jiān)測的發(fā)展趨勢。這一類新型傳感器以及測量技術(shù)減少了工程測量監(jiān)測工作的人力與物力投入，使監(jiān)測工作更加便利、準(zhǔn)確，更趨向智能化。

1.2.1 攝影及視頻測量技術(shù)

攝影測量技術(shù)指通過攝影獲取被測對象的二維圖像，根據(jù)不同角度的圖像，建立三維模型，以此獲取被測對象幾何參數(shù)及空間坐標(biāo)等信息。攝影測量技術(shù)是一種高效、非接觸、無損的三維測量方法。視頻測量技術(shù)其原理上與攝影測量相同，即根據(jù)視頻圖像挖掘信息，得到監(jiān)測點的空間位置變化。初始的視頻監(jiān)控測量方法多是采用人工判斷目標(biāo)位置變化情況，但對于復(fù)雜環(huán)境很難實現(xiàn)，另外視頻錄制過程受到噪聲的影響像素值波動較大難以進(jìn)行定位[26]。但隨著攝影測量技術(shù)、數(shù)字圖像處理與三維地理信息系統(tǒng)等技術(shù)的快速發(fā)展，為視頻監(jiān)控測量提供了支持，近年來被逐步應(yīng)用到建筑工程結(jié)構(gòu)施工中，不僅能保證工程的施工質(zhì)量，還可以利用視頻監(jiān)控為施工安全提供保障。

攝影測量技術(shù)相比于普通大地測量技術(shù)有很多優(yōu)勢：(1)可以在瞬間精確地記錄下被測對象的幾何信息，及時建立起各測點的空間位置關(guān)系，根據(jù)監(jiān)測目的具有很強(qiáng)的靈活操作性；(2)記錄的圖像信息非常豐富，客觀顯示參數(shù)信息，適用于各種形狀的監(jiān)測對象；(3)可以對靜態(tài)或動態(tài)不同形式的對象進(jìn)行測量；(4)監(jiān)測時不需要接觸被測對象，所以可以在一些危險環(huán)境下進(jìn)行監(jiān)測；(5)與傳統(tǒng)工程測量方法相比可減少作業(yè)強(qiáng)度；(6)便于將不同階段被測對象工作狀態(tài)的信息長期保存記錄，方便后期進(jìn)行分析比對。

目前，攝影測量技術(shù)的主要問題還是精確度和穩(wěn)定性無法得到保證，國內(nèi)外學(xué)者也提出了大量理論來消除和減小誤差，其中圖像邊緣提取、相機(jī)參數(shù)標(biāo)定、鏡頭畸變和三維模型重建等是主要的研究方向[27]。近年來，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的提出不僅彌補(bǔ)了傳統(tǒng)航空測量只能垂直拍攝的缺陷，同時進(jìn)一步提升了攝影測量技術(shù)的測量范圍與效率，吳熠文等[28]對該技術(shù)的相關(guān)研究進(jìn)行了綜述并對其在數(shù)字城市建設(shè)、橋梁滑坡監(jiān)測與地形圖測繪等工程領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)。由于攝影測量的專用相機(jī)價格比較昂貴而且不夠便利，為了適應(yīng)工程建設(shè)需要，國內(nèi)外不少專家學(xué)者在攝像機(jī)選擇方面做了研究，通過使用普通的數(shù)碼相機(jī)甚至是手機(jī)進(jìn)行攝影測量，加快推動該技術(shù)在工程應(yīng)用中的普及。

1.2.2 GPS技術(shù)

GPS技術(shù)[29]是指通過接收衛(wèi)星信號，并對信號計算處理得出被測對象空間位置信息。該技術(shù)具有實時、連續(xù)、自動化程度高、不受氣候條件影響等優(yōu)勢，隨著整周自由度問題的解決，精度也能夠得到保證，而且GPS測量時不需要保證各測站的通視，是相互獨立的觀測值，目前廣泛應(yīng)用于邊坡、高層結(jié)構(gòu)、橋梁等大型建筑結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測中。

GPS系統(tǒng)主要包括三部分：GPS衛(wèi)星、地面監(jiān)控系統(tǒng)和GPS信號接收機(jī)。觀測人員只需要將GPS信號接收機(jī)安裝定位，觀測過程中監(jiān)視儀器保持工作狀態(tài)，后續(xù)的信號采集、分析過程都是系統(tǒng)能自動運行的，操作十分便利。GPS根據(jù)參考點的選擇不同可分為絕對定位和相對定位。絕對定位又稱單點定位，一般利用偽距差分法來定位測點，靜態(tài)絕對定位的精度能夠得到保證。但是在動態(tài)絕對定位時，因為測點是運動的，衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星和接收機(jī)鐘差、GPS信號傳播誤差等會對精確度產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

基于載波相位差分的相對定位即GPS-RTK(Real-Time Kinematic)技術(shù)被提出來，其工作機(jī)理是設(shè)置一個基站若干流動站同時監(jiān)測衛(wèi)星信號，每個測站產(chǎn)生誤差大概相同，利用差分組合可消除或者削減測量誤差[30]。法國Normandy大橋、英國的Humber大橋和日本的Askashi Kaikyo大橋等均采用了GPS 技術(shù)；國內(nèi)大連世貿(mào)大廈[31]采用GPS-RTK技術(shù)成功實現(xiàn)了對強(qiáng)風(fēng)下結(jié)構(gòu)的震動特性的觀測；香港青馬大橋[32]采用GPS-RTK技術(shù)實時在線監(jiān)測橋身水平和垂直方向位移，發(fā)現(xiàn)該方法具有良好的測量精度。GPS技術(shù)可以在建筑結(jié)構(gòu)受到強(qiáng)風(fēng)、地震、溫度變化影響的情況下準(zhǔn)確測量變形，反映結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)?！?S技術(shù)”基于GPS、GIS(Geographic Information System)和RS(Remote Sensing)的高集成化地理信息管理系統(tǒng)將會是未來發(fā)展趨勢，真正意義上實現(xiàn)完整的空間信息采集工作。

1.2.3 測量機(jī)器人

全站儀作為一種傳統(tǒng)且應(yīng)用廣泛的測量儀器，具有操作簡便、高效、精確度高等特點，在建筑工程測量工作中發(fā)揮著不可替代的作用。雖然操作簡便，但全站儀需要在照準(zhǔn)目標(biāo)的基礎(chǔ)上進(jìn)行距離和角度的測量，這一步驟需要測量人員的直接參與。為了簡化工作需要賦予全站儀自動識別目標(biāo)與定位的新功能，智能全站儀被提出來。

智能全站儀在傳統(tǒng)全站儀的基礎(chǔ)上集成了CCD(Charge Coupled Device)攝像機(jī)和馬達(dá)伺服機(jī)構(gòu)，具有自動照準(zhǔn)、測量、數(shù)據(jù)存儲傳輸?shù)墓δ?，使整個測量過程更加智能化，也被稱作測量機(jī)器人(Measurement Robot)或稱測地機(jī)器人(Georobot)[33]。目前應(yīng)用的智能全站儀中，瑞士徠卡公司生產(chǎn)的TCA型全站儀在操作、自動化、精確度及可靠性等各方面都有著更加突出的表現(xiàn)。

張學(xué)莊等[34]利用Georobot系統(tǒng)對五強(qiáng)溪大壩的變形情況進(jìn)行監(jiān)測，取得了良好的結(jié)果，也是國內(nèi)Georobot技術(shù)現(xiàn)場監(jiān)測的首次成功試驗。王夢恕等[35]采用Georobot技術(shù)對地鐵隧道施工圍巖變形進(jìn)行監(jiān)測，避免了傳統(tǒng)方法鋼尺收斂計對施工的影響，同時也提高了測量精度與效率。張正祿等[36]分別采用Georobot與GPS技術(shù)對三峽工程近壩庫岸滑坡的變形進(jìn)行監(jiān)測，通過對比分析發(fā)現(xiàn)Georobot適用于對精度要求較高的情況，而GPS技術(shù)適用于對邊長和地面通視有一定要求且滑坡范圍較大的情況。所以近年來在實際工程中也有不少將GPS技術(shù)與測量機(jī)器人結(jié)合起來進(jìn)行結(jié)構(gòu)的監(jiān)測，擴(kuò)大可測量范圍并保證較高的測量精度。目前大多數(shù)的Georobot需要照準(zhǔn)目標(biāo)上設(shè)置的棱鏡來進(jìn)行測量，而根據(jù)物體的特征點、輪廓線和紋理進(jìn)行測量的方法還無法保證較高的精度，需進(jìn)一步研究。

在實際工程監(jiān)測中，可根據(jù)監(jiān)測對象的特性以及監(jiān)測需求，綜合利用不同的傳感設(shè)備及監(jiān)測技術(shù)，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，保證測量精度的同時，簡化測量工作提高效率，使監(jiān)測過程更加智能化。

2 數(shù)據(jù)的智能傳輸與處理

對于大型建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測時由于需要布置大量傳感器，傳統(tǒng)的有線傳感器網(wǎng)絡(luò)在電路和數(shù)據(jù)傳輸路線布設(shè)和維護(hù)上耗費大量人力物力，而且傳輸線路過長可能會影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，在某些特殊環(huán)境下還可能存在無法布設(shè)網(wǎng)絡(luò)的情況。隨著傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)和微機(jī)電系統(tǒng)的不斷完善，無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)展起來。無線傳感網(wǎng)絡(luò)[37](Wireless Sensor Network，WSN)的傳感節(jié)點集成了傳感器、數(shù)據(jù)處理單元以及無線通信模塊，并通過無線信道相連接，能夠?qū)崟r感知、監(jiān)測、采集目標(biāo)信息并實現(xiàn)初步處理，通過網(wǎng)絡(luò)自組織和多條路由傳輸至網(wǎng)關(guān)處，最終可通過多種方式(如互聯(lián)網(wǎng)，局域網(wǎng)，移動網(wǎng)絡(luò))實現(xiàn)外部網(wǎng)絡(luò)通信傳輸至觀測者處，如圖2所示。

圖2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)原理

無線傳感網(wǎng)絡(luò)日趨成熟，同時推動了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在土木領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)[38](The Internet of Things，IOT)目前最主流的定義是：通過信息傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議，將任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)不僅在建筑結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測中能夠發(fā)揮巨大的作用，同時也為整個建筑施工及運維階段的“四管三控一協(xié)調(diào)”等各方面工作提供了巨大的便利，而物聯(lián)網(wǎng)在建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用，也標(biāo)志著建筑智能化時代的正式到來。這里只對物聯(lián)網(wǎng)在建筑結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測方面的應(yīng)用展開說明。

張全升[39]指出利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立完善的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測體系是未來結(jié)構(gòu)監(jiān)測的重要發(fā)展趨勢。朱仕村等[40]就橋梁監(jiān)測過程對海量數(shù)據(jù)存儲分析的問題，提出基于物聯(lián)網(wǎng)的云計算技術(shù)，將不同監(jiān)測結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)存儲于云端，由第三方來管理，大大簡化了數(shù)據(jù)分析的難度和軟硬件技術(shù)投入。這是國內(nèi)提出利用物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)監(jiān)測最早的一批學(xué)者。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測中的應(yīng)用帶來的不只是單一結(jié)構(gòu)監(jiān)測過程中數(shù)據(jù)傳輸、存儲和分析的便利，更重要的是隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)區(qū)域化集群監(jiān)測將成為可能。所有工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)都存儲于云數(shù)據(jù)庫，由第三方運營商統(tǒng)一進(jìn)行分析處理和后期的管理工作，不僅能夠節(jié)省人力物力，還能夠根據(jù)經(jīng)驗簡化監(jiān)測模式，并根據(jù)不同結(jié)構(gòu)類型制定標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測方案。距離這一目標(biāo)的實現(xiàn)還有很長的路要走，要想實現(xiàn)萬物互聯(lián)的關(guān)鍵是海量的連接與低延遲，而近來5G技術(shù)的發(fā)展為其提供了可能。5G無線網(wǎng)絡(luò)相較于4G具有更高的速率及更大的容量，由于其低時延、廣域覆蓋、超密集組網(wǎng)、海量鏈接等技術(shù)特點，在未來一定能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)的需求[41]。

3 結(jié)構(gòu)損傷識別

按照監(jiān)測范圍，結(jié)構(gòu)的損傷識別可分為局部法和整體法。利用局部法對結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行安全評價還存在很多問題，一方面，大量的儀器設(shè)備成本、安裝費用過高，另外局部法對于某些不易接近的損傷部位無法勝任。整體法是通過對比結(jié)構(gòu)全局參數(shù)與模型理論數(shù)據(jù)，基于結(jié)構(gòu)整體的物理參數(shù)與模態(tài)參數(shù)變化，來進(jìn)行損傷識別，目前在建筑工程健康監(jiān)測中應(yīng)用最為廣泛。Giraldo[42]在其博士論文中將結(jié)構(gòu)整體的損傷檢測與識別分成三種類型：基于動力、靜力特性的方法以及結(jié)構(gòu)的直接檢測方法，這里不對直接檢測法進(jìn)行說明。

3.1 基于動力參數(shù)的損傷識別

當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)運維使用階段發(fā)生損傷時，會不同程度地引起結(jié)構(gòu)參數(shù)如質(zhì)量、剛度和阻尼的變化，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)自振頻率、振型和阻抗的變化，基于動力特性的結(jié)構(gòu)損傷識別技術(shù)早在20世紀(jì)80年代就開始應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域。常見的有根據(jù)結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率、模態(tài)振型、曲率模態(tài)、模態(tài)應(yīng)變能、柔度矩陣和頻響函數(shù)的損傷識別方法。

Cawley等[43]提出基于結(jié)構(gòu)固有頻率的變化來識別結(jié)構(gòu)的損傷情況，通過鋁板和碳纖維復(fù)合板的實驗驗證了如何利用固有頻率實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)單一損傷的監(jiān)測、定位和量化分析。Salawu等[44]對根據(jù)頻率的結(jié)構(gòu)損傷方法進(jìn)行總結(jié)歸納，論證了固有頻率對于建筑結(jié)構(gòu)完整的敏感性。國內(nèi)也有多位學(xué)者[45～47]利用實驗對基于頻率損傷識別的可行性及準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗證。但是固有頻率一般對于整體結(jié)構(gòu)的損傷較敏感，在識別局部微小損傷和多損傷問題上，目前多采用多階頻率組合和頻率變化量的靈敏度來進(jìn)行識別。

West等[48]利用基于振型變化的損傷識別方法進(jìn)行飛機(jī)尾部艙壁的安全檢測?；谡裥妥兓膿p傷識別方法按照判別依據(jù)一般分為模態(tài)保證準(zhǔn)則[49]和坐標(biāo)模態(tài)保證準(zhǔn)則[50]，這種方法不僅能夠識別局部的損傷，對于確定多損傷位置也具有良好的效果。但結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)下振型一般在高階模態(tài)中才會有明顯變化，實際監(jiān)測過程中高階振型不易測量而且受到噪聲的影響精確度也無法保證，因而兩種判別準(zhǔn)則識別誤差較大，限制了基于振型變化的損傷識別方法的發(fā)展。

Pandey等[51]提出基于曲率模態(tài)變化的損傷識別方法，利用懸臂梁和簡支梁兩種模型，驗證了曲率模態(tài)變化與損傷的聯(lián)系。曲率模態(tài)是根據(jù)振型模態(tài)采用中心差分法求得，相比基于振型的損傷識別法省去了模態(tài)信息處理的過程，無需結(jié)構(gòu)本身的參數(shù)信息，可直接進(jìn)行損傷診斷。該方法對于局部損傷敏感，但在損傷微小的情況識別效果不是很理想，對于損傷位置過多的情況可能會出現(xiàn)誤判。國內(nèi)外學(xué)者[52～56]通過聯(lián)合頻率和曲率模態(tài)，采用多種曲率指標(biāo)及不同階曲率模態(tài)等方式改善了基于曲率模態(tài)的損傷識別方法。

Chen等[57]提出利用模態(tài)應(yīng)變能的變化來檢測大型空間結(jié)構(gòu)的損傷情況，結(jié)構(gòu)的單元模態(tài)應(yīng)變能與單元剛度和單元振型分量有關(guān)，相比于單一采用模態(tài)信息進(jìn)行損傷識別的方法具有一定優(yōu)勢。賀國京等[58]發(fā)現(xiàn)在結(jié)構(gòu)損傷定位中，采用模態(tài)應(yīng)變能的方法只需要得到1，2階模態(tài)即可得到很好的效果，高階模態(tài)可用來進(jìn)一步提高精度?；谀B(tài)應(yīng)變能的損傷識別方法目前主要分為基于位移模態(tài)和應(yīng)變模態(tài)兩種模態(tài)應(yīng)變能損傷定位法。經(jīng)大量實驗研究和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)模態(tài)應(yīng)變能對局部損傷敏感度高于位移類型的損傷識別指標(biāo)，具有更好的抗噪性能。

與剛度矩陣相比，利用柔度矩陣進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷識別時，低階模態(tài)起主導(dǎo)作用，在實際測量中更容易獲取，另外柔度矩陣不會隨結(jié)構(gòu)質(zhì)量的變化而改變，這就避免了模型誤差的影響。Pandey等[59]首先提出了基于柔度矩陣的損傷識別法，但在研究中發(fā)現(xiàn)無法有效定位多點損傷。Bernal等[60,61]提出基于柔度矩陣變化的損傷定位向量法和隨機(jī)激勵下的損傷定位向量法，解決了多點損傷定位問題，推動了該方法在損傷識別中的應(yīng)用。Catbas、唐小兵和李永梅等[62～64]采用柔度曲率進(jìn)行損傷識別，提高了識別精度，而且識別過程不需要原始結(jié)構(gòu)模態(tài)信息，更便于實際應(yīng)用。

Yam等[65]研究了動力參數(shù)對于板式結(jié)構(gòu)損傷的敏感性，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的曲率模態(tài)和應(yīng)變頻響函數(shù)具有更好的魯棒性，而利用應(yīng)變頻響函數(shù)進(jìn)行損傷識別更簡單、更有效。Liu等[66]對基于頻響函數(shù)的損傷識別方法進(jìn)行了詳細(xì)的理論和推導(dǎo)，并指出該方法能夠直接利用測量數(shù)據(jù)無需模態(tài)識別的過程。Maia等[67]提出基于頻響函數(shù)曲率的損傷識別方法，論證了該方法能有效識別損傷位置和程度，但是對于多損傷問題無法準(zhǔn)確定位損傷位置。郭惠勇等[68]提出了一種二階段損傷識別方法，在確定損傷前結(jié)構(gòu)頻響函數(shù)的前提下，只需要測量損傷后一列的頻響函數(shù)，即可實現(xiàn)損傷的初步定位，再根據(jù)推導(dǎo)出的損傷定量分析公式實現(xiàn)精確定位和程度判定，對于多損傷識別具有良好的效果。然而，頻響函數(shù)在人為激勵下，采用標(biāo)準(zhǔn)的信號輸入輸出才能測得，對于某些大型建筑結(jié)構(gòu)采用環(huán)境激勵的方式無法直接測量頻響函數(shù)，這一點制約了該方法在工程損傷檢測中的應(yīng)用。

3.2 基于靜力參數(shù)的損傷識別

建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷時，剛度會發(fā)生退化，相同靜載下結(jié)構(gòu)的靜力響應(yīng)如位移、應(yīng)變等參數(shù)會發(fā)生變化，也能反映出內(nèi)部損傷情況。基于靜力參數(shù)的損傷識別方法中，要達(dá)到足夠的精度對測點數(shù)目和位置有嚴(yán)格要求，對于特定結(jié)構(gòu)的不同靜載下，不敏感的構(gòu)件還可能無法做出損傷反應(yīng)，但是識別原理比較簡單、監(jiān)測成本較低，靜力特性如位移和應(yīng)變等數(shù)據(jù)的測量也非常容易，在建筑工程損傷識別中具有廣闊的應(yīng)用前景。

Snayaei等[69]基于有限元提出一種在靜載作用下線彈性結(jié)構(gòu)的剛度參數(shù)識別方法，結(jié)構(gòu)單元剛度可以通過施加的靜載和在結(jié)構(gòu)的主自由度子集上測得的位移數(shù)據(jù)來確定，但該方法中施加的靜載和測量的位移必須要求在同一自由度子集上。Snayaei等[70]后續(xù)又提出在兩組不同的自由度上施加力和測量位移，這兩組自由度可以完全重疊、部分重疊或不重疊。這種迭代求解和其收斂速度取決于函數(shù)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、獨立測量數(shù)量和待識別參數(shù)，經(jīng)試驗驗證選擇更多獨立的測量和對未知參數(shù)更加敏感的自由度可以加速收斂，準(zhǔn)確識別參數(shù)。Yam等[65]研究了靜、動力參數(shù)對于板狀結(jié)構(gòu)損傷的敏感性，在靜力分析中，基于有限元模型對比分析了平面外撓度、撓度斜率和曲率三種靜力參數(shù)在損傷前后的變化情況，發(fā)現(xiàn)撓度曲率是信息含量最大的參數(shù)。

崔飛等[71]針對橋梁安全監(jiān)測問題，提出了基于靜態(tài)應(yīng)變及位移的結(jié)構(gòu)剛度參數(shù)識別方法，通過數(shù)值模擬分析證明，只要有足夠多的可靠結(jié)構(gòu)參數(shù)信息，基于結(jié)構(gòu)靜態(tài)響應(yīng)的參數(shù)識別效果相當(dāng)理想。陳孝珍等[72]將灰色相關(guān)理論應(yīng)用于基于結(jié)構(gòu)靜力參數(shù)的損傷檢測方法，利用靜態(tài)位移曲率判定結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷，通過最小二乘法求解非線性優(yōu)化問題確定損傷程度。蔡晶等[73]基于結(jié)構(gòu)靜態(tài)參數(shù)在損傷前后的變化，提出了概率分析方法進(jìn)行損傷識別，根據(jù)分析模型與實際結(jié)構(gòu)之間主要存在的誤差提出兩種參數(shù)識別方法，并通過對比分析了在測量誤差存在時兩種方法的性能，最后利用假設(shè)試驗驗證了概率參數(shù)識別算法的有效性和準(zhǔn)確性。

3.3 動靜參數(shù)相結(jié)合的損傷識別

基于動力、靜力特性損傷識別方法都存在各自優(yōu)勢及局限性，表1是兩種方法的優(yōu)缺點對比。在基于結(jié)構(gòu)動力特性和靜力特性的損傷識別方法研究基礎(chǔ)上，一些學(xué)者同時采用動靜力參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的損傷識別。

表1 動、靜損傷識別方法優(yōu)缺點的比較

由于結(jié)構(gòu)的高階模態(tài)不易測量，無法達(dá)到良好的損傷識別效果，Hajela等[74]提出利用低階頻率和振型以及在靜力作用下的位移來近似模擬結(jié)構(gòu)的高階模態(tài)信息，從而提高損傷識別結(jié)果的準(zhǔn)確性。

陳晗[75]利用鋼桁架模型的動力和靜力試驗研究，得到了其模態(tài)參數(shù)、荷載-位移特性等力學(xué)參數(shù)變化，并驗證了結(jié)構(gòu)一階固有頻率和結(jié)構(gòu)靜剛度具有一一對應(yīng)的關(guān)系，根據(jù)誤差分析確定頻率變化4.8%為該損傷識別方法的最小分辨率。

王茂龍等[76]研究了動-靜結(jié)合的損傷識別法在砌體結(jié)構(gòu)損傷識別中應(yīng)用的可行性，采用頻率變化值Δω和靜態(tài)位移變化值Δμ定義損傷信號DS為：

(1)

發(fā)現(xiàn)依據(jù)有限元分析及實測得到的位移、頻率定義的損傷識別指標(biāo)可有效識別出結(jié)構(gòu)的破損位置。

徐典[77]提出利用動靜態(tài)結(jié)合的新指標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷識別，利用桁架結(jié)構(gòu)損傷的有限元分析，分別對動態(tài)、靜態(tài)及動靜結(jié)合三種指標(biāo)變化進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)動靜態(tài)結(jié)合的新指標(biāo)更加敏感，而且可以在一定程度上去除非損傷單元對識別的影響。

4 結(jié)構(gòu)安全診斷與評定的智能算法

根據(jù)上文提到的結(jié)構(gòu)損傷識別方法不難看出，大部分損傷識別方法多基于物理模型，利用監(jiān)測信號在結(jié)構(gòu)安全及受損狀態(tài)下的差異性進(jìn)行對比，從而確定損傷位置及損傷程度；或者利用結(jié)構(gòu)可監(jiān)測信息推導(dǎo)出結(jié)構(gòu)單元剛度矩陣進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷分析。結(jié)構(gòu)損傷識別可以看作是利用反映結(jié)構(gòu)損傷信息的指標(biāo)參數(shù)變化來識別結(jié)構(gòu)物理參數(shù)的改變，進(jìn)而評定結(jié)構(gòu)損傷及破壞情況。隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，人工智能算法被逐步應(yīng)用到建筑結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測與評定上，常用的方法有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、遺傳算法、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、灰度理論和模糊理論等[78]。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的特征提取與抽象能力，在數(shù)據(jù)處理方面具有巨大優(yōu)勢，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在損傷識別中應(yīng)用的原理是：根據(jù)結(jié)構(gòu)在不同損傷狀態(tài)下的反應(yīng)，通過特征抽取，根據(jù)工程測量數(shù)據(jù)或仿真分析數(shù)據(jù)建立損傷分類訓(xùn)練樣本集，用于訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)識別和聯(lián)想記憶特性，建立結(jié)構(gòu)損傷識別指標(biāo)與損傷狀態(tài)之間的復(fù)雜映射關(guān)系，這是傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)擬合方法不易做到的。通過映射關(guān)系我們可以將結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測中損傷指標(biāo)的識別問題，轉(zhuǎn)換為某些易于獲取的結(jié)構(gòu)參數(shù)的測量，大大簡化了監(jiān)測過程，所以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法在建筑結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測方面的應(yīng)用有著巨大的優(yōu)勢。

雖然神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有良好的魯棒性，但網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的收斂情況以及分析模型的有效性與穩(wěn)定性還是會受到參數(shù)測量誤差和分析模型建模誤差的影響。針對誤差的問題，大量學(xué)者通過損傷識別指標(biāo)選擇和分級識別的方法進(jìn)行了研究。Elkordy等[79]將結(jié)構(gòu)損傷前后振型差或振型比作為損傷識別指標(biāo)，以減小有限元分析模型建模誤差的影響。于德介等[80,81]考慮到結(jié)構(gòu)高階模態(tài)不易測量的問題，分別以結(jié)構(gòu)損傷前后柔度變化和殘余力向量變化作為損傷識別指標(biāo)。杜德潤等[82]提出基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的兩級結(jié)構(gòu)損傷識別方法，研究表明，由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析的良好魯棒性及兩級識別策略，在解決模型和測量誤差等外界因素的影響以及提高損傷診斷效率方面有重要的作用。

Barai等[83]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對桁架橋進(jìn)行損傷檢測，以在下弦桿移動荷載作用下節(jié)點位移響應(yīng)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入?yún)?shù)，用各桿件面積變化表示損傷狀態(tài)并作為網(wǎng)絡(luò)的輸出參數(shù)，但識別過程發(fā)現(xiàn)節(jié)點的選取非常關(guān)鍵，以少量的節(jié)點信息作為網(wǎng)絡(luò)輸入的網(wǎng)絡(luò)性能反而更好。李林等[84]發(fā)現(xiàn)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)由于訓(xùn)練數(shù)據(jù)過多，計算量巨大，容易造成網(wǎng)絡(luò)不易收斂和泛化能力較差的問題，在分步識別基礎(chǔ)上，作者提出通過優(yōu)化測點，利用不完整的、局部的、多種測量信息來分析結(jié)構(gòu)整體損傷情況的方法。

理論上為識別若干組待識別參數(shù)建立完全線性無關(guān)的若干組關(guān)系方程十分困難，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法中大部分情況都會出現(xiàn)方程的病態(tài)問題或奇異解的問題，而對于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法可能出現(xiàn)不收斂情況；另外實際測量過程中如果監(jiān)測點過多傳感器不方便布設(shè)而且成本也非常高，測點之間也會出現(xiàn)互相干擾的情況。測點優(yōu)化是非常重要的研究內(nèi)容，需要滿足：(1)通過最少的測點獲取最全面準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)參數(shù)信息；(2)所測得的模態(tài)與分析結(jié)果有對應(yīng)關(guān)系；(3)對于重點部位合理增設(shè)測點；(4)測點布設(shè)要使數(shù)據(jù)分析結(jié)果具有魯棒性。目前應(yīng)用于測點優(yōu)化的方法包括：(1)模態(tài)動能法：根據(jù)所測結(jié)構(gòu)每一個目標(biāo)振型繪出相應(yīng)的模態(tài)動能分布圖，然后將測點設(shè)置在模態(tài)動能較大的位置上，這將有利于參數(shù)識別，并為模態(tài)識別提供更高的信噪比；(2)有效獨立法[85]：通過實驗和理論分析，消除對目標(biāo)模態(tài)向量線性無關(guān)、貢獻(xiàn)最小的自由度；(3)遺傳算法[86]：基于基因多點突變，輔以交叉變異，使算法可以推出全局最優(yōu)，還包括Guyan模型縮減法、奇異值分解法等。

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是運用概率推理的方法建立變量集合之間依賴關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是一種常用的信息融合方法[87]，也是目前不確定性知識表達(dá)和概率推理領(lǐng)域中最有效的理論模型之一。在建筑結(jié)構(gòu)施工及長期的運行維護(hù)過程中，會產(chǎn)出多源信息，參數(shù)種類多且雜亂，而貝葉斯網(wǎng)絡(luò)在處理參數(shù)間不確定性上具有很大的優(yōu)勢。在結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測過程中，設(shè)備可能發(fā)生損壞會造成部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失，極大影響了結(jié)構(gòu)安全診斷效果。而貝葉斯網(wǎng)絡(luò)可以通過對有效信息處理從而對缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行估算和修補(bǔ)，能夠保障建筑結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)的長期、穩(wěn)定運行[88]。只有綜合利用好各信息源的互補(bǔ)性才能真正實現(xiàn)準(zhǔn)確穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)安全評定，目前在實際結(jié)構(gòu)監(jiān)測中對于不同結(jié)構(gòu)、不同構(gòu)件、不同材料的參數(shù)采集往往是多種信息源，不具有統(tǒng)一評判標(biāo)準(zhǔn)，而貝葉斯網(wǎng)絡(luò)作為綜合性極強(qiáng)的數(shù)據(jù)源系統(tǒng)處理方式，可以依據(jù)其中條件獨立，條件推理等概率評估方式合理有效地實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的安全評定[89]。與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法相類似，由于該方法的有效性極大依賴于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的建立，而在土木領(lǐng)域結(jié)構(gòu)性多樣且復(fù)雜，沒有一個統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，目前該方法的主要研究方向在于利用改進(jìn)算法或結(jié)合專家系統(tǒng)等方式來提高網(wǎng)絡(luò)性能[90,91]。

遺傳算法在建筑結(jié)構(gòu)損傷識別的應(yīng)用方法是：將已知的損傷問題表示為染色體，組成染色體群，置于問題中，選擇交叉變異等操作來逼近全局最優(yōu)解，通過模擬或者經(jīng)驗確定所有可能的損傷，對比監(jiān)測數(shù)據(jù)來確定實際損傷情況。但是這種方法的原理導(dǎo)致其計算量非常大，無論是有限元模擬還是工程測量都需要花費大量精力，所以在大型結(jié)構(gòu)中不容易實現(xiàn)應(yīng)用。但該方法全局優(yōu)化的特點避免了算法優(yōu)化過程陷入局部最小的問題。所以很多學(xué)者將遺傳算法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法相結(jié)合，利用遺傳算法優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和權(quán)重，學(xué)者梁化樓等[92～94]也證明了該方法可同時具有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣泛的映射能力和遺傳算法的全局收斂性能，相比于傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法具有明顯優(yōu)勢。

專家系統(tǒng)是人工智能的一個重要分支，是“知識庫”與“推理機(jī)”結(jié)合的產(chǎn)物，可以被視作一種具有特定領(lǐng)域?qū)I(yè)知識的智能計算機(jī)程序，根據(jù)該領(lǐng)域?qū)＜抑R及長期的實踐經(jīng)驗，推理并求解某些復(fù)雜問題。在建筑結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測中應(yīng)用的專家系統(tǒng)整合存儲了大量工程案例、結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范、安全法規(guī)和專家知識等，專家系統(tǒng)在求解過程中將問題與數(shù)據(jù)庫中的知識相匹配來進(jìn)行診斷。目前該方法在國內(nèi)外大壩與橋梁的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測中發(fā)揮了重要作用，但這種方法的求解還存在以下問題：(1)受限于數(shù)據(jù)庫中知識的數(shù)量及質(zhì)量，很多工程經(jīng)驗很難用規(guī)則來描述；(2)適應(yīng)能力差，因為建筑結(jié)構(gòu)的安全影響因素過于復(fù)雜，一旦問題涉及的知識與數(shù)據(jù)庫的知識稍有偏差，便無法得出可靠的結(jié)論；(3)學(xué)習(xí)能力差，無法在診斷過程中吸取經(jīng)驗進(jìn)行自我學(xué)習(xí)和完善[95]。鑒于以上問題，專家系統(tǒng)由基于案例規(guī)則逐步發(fā)展為基于模型與網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建模式，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)性恰恰能彌補(bǔ)專家系統(tǒng)的不足，兩者的結(jié)合也是當(dāng)前最為流行的[96]。但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對于訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)有較高的要求，而且其推理過程及依據(jù)無法解釋實際意義，這些問題還有待進(jìn)一步探究和完善。

灰色系統(tǒng)理論主要針對于“小樣本、貧信息、不確定”的研究對象，通過對現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行整理重生成，弱化其隨機(jī)性來找規(guī)律進(jìn)行建模，可根據(jù)殘差分析來提高精度。在砌體結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)體系的安全監(jiān)測過程中，由于影響結(jié)構(gòu)安全的因素非常多，其中不少因素具有模糊性和隨機(jī)性，可以認(rèn)為該類結(jié)構(gòu)安全評價是一個灰色系統(tǒng)[97,98]，所以灰色系統(tǒng)理論在結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測與評定中具有其獨特的優(yōu)勢。該方法更專注于推理的結(jié)果，而不會對推理過程進(jìn)行解釋，與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相類似存在“黑匣子”現(xiàn)象，所以目前不少學(xué)者將模糊數(shù)學(xué)與灰色理論相結(jié)合，建立了基于模糊灰色的綜合評價方法[99]，同時彌補(bǔ)了模糊數(shù)學(xué)的信息丟失和灰色理論無法解釋評價規(guī)則的缺點。

在故障診斷過程中，由于某些引起故障的因素?zé)o法用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行表示，因此模糊理論診斷方法采用隸屬度來表示各特征因素的模糊界限。如果說神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法是在微觀結(jié)構(gòu)上模擬了人腦的經(jīng)驗思維，那么模糊理論就是從宏觀上模擬了人腦的邏輯思維。建筑結(jié)構(gòu)安全的影響因素非常多且復(fù)雜，有些因素還不易量化，需要人們主觀因素的摻入，所以模糊理論在土木工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測方面有著很大的潛力。其應(yīng)用原理也非常簡單，利用隸屬函數(shù)和模糊關(guān)系矩陣的概念建立結(jié)構(gòu)損傷與引起損傷因素的關(guān)系。模糊診斷方法中因為有了人為因素的摻入，所以需要嚴(yán)格把握隸屬函數(shù)的選擇，模糊關(guān)系確定也比較困難。近年來模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逐漸展露其優(yōu)勢，通過在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中加入模糊概念，不但解決了模糊關(guān)系確定的問題，還能提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的啟發(fā)性和透明性，使其能夠表達(dá)定性知識和推理的邏輯性。學(xué)者韓小云等[100,101]利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對混凝土梁進(jìn)行了準(zhǔn)確的故障診斷，驗證了該方法的有效性。胡志堅等[102]利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對混凝土梁橋的健康狀態(tài)進(jìn)行評估，以贛州市一條路橋為工程背景，驗證了評估方法的有效性與可行性。

5 結(jié)論與展望

本文主要從建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測傳感網(wǎng)絡(luò)以及結(jié)構(gòu)安全診斷與評定方法方面來論述目前建筑結(jié)構(gòu)安全智能化監(jiān)測方面的相關(guān)研究。

(1)傳感設(shè)備采集數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性問題直接影響到監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性，所以本文總結(jié)了目前性能優(yōu)良的新型傳感設(shè)備與技術(shù)，并闡述了物聯(lián)網(wǎng)為建筑結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測提供的巨大便利。其中智能材料傳感器的應(yīng)用不僅優(yōu)化了傳感網(wǎng)絡(luò)的性能，還為具有自感知、自診斷和自修復(fù)功能的智能結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供了技術(shù)支撐，這是未來工程建筑智能化的重要發(fā)展方向。

(2)針對目前基于結(jié)構(gòu)動、靜態(tài)特性的損傷識別理論及方法進(jìn)行了總結(jié)與歸納，論述了利用不同損傷指標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全評定方法的優(yōu)劣勢。其中，動、靜態(tài)結(jié)合的損傷識別方法綜合了動測法的精確性與靜測法的便捷性；智能算法在結(jié)構(gòu)損傷識別中的引入，優(yōu)化了數(shù)據(jù)處理模式，簡化了損傷識別模式無需過分依賴物理模型，基于數(shù)據(jù)的損傷識別將得到進(jìn)一步的突破和應(yīng)用。結(jié)構(gòu)安全診斷與評定方法也隨著人工智能算法的融合使用提供了一種新的研究方向，將各種算法互相協(xié)作取長補(bǔ)短，發(fā)揮出算法更大的作用與優(yōu)勢。

(3)智能傳感網(wǎng)絡(luò)、智能化的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸方式以及引入了智能算法的結(jié)構(gòu)安全評定方法在保證監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下，大大降低了工程監(jiān)測的成本和工作量，同時帶來了巨大的便利性。在建筑結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測實現(xiàn)長期、實時和在線監(jiān)測的同時，實現(xiàn)安全監(jiān)測的智能化，可及時對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析、快速診斷并給出風(fēng)險預(yù)防措施，具有重要意義。