【摘要】隨著國民經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，我國的結(jié)構(gòu)物建設(shè)不論在建設(shè)數(shù)量、規(guī)模還是技術(shù)難度上，都已經(jīng)位居世界強國之列。但是，結(jié)構(gòu)物的運營安全狀態(tài)形勢卻日趨嚴峻，有的結(jié)構(gòu)物在設(shè)計與施工之初就埋下隱患；有的在使用過程中經(jīng)常超載運營；有的在洪水、臺風、地震等自然災(zāi)害作用下功能受損，處于危險狀態(tài)，這些結(jié)構(gòu)物存在的安全隱患如果不能得到及時的預(yù)警和處置，很有可能在運營過程中發(fā)生突然破壞和倒塌，帶來嚴重的人民生命財產(chǎn)安全和社會政治影響。故此，對結(jié)構(gòu)物進行實時監(jiān)測，及時進行養(yǎng)護維修，具有重要的社會意義。

【關(guān)鍵詞】建筑結(jié)構(gòu)；監(jiān)測系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)養(yǎng)護

【中圖分類號】TU317" " " "【文獻標志碼】A" " " "【文章編號】1673-6028（2023）24-0175-03

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等高新技術(shù)的不斷發(fā)展，涌現(xiàn)出了眾多健康監(jiān)測技術(shù)企業(yè)，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)也不斷迎來創(chuàng)新，其研究也不斷取得進展。本文對建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)進行概括性論述，重點討論結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測未來可能的發(fā)展方向。

1 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)概述

1.1 總體概述

結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)不同形式的物理量（如位移、溫度）的數(shù)字化自動采集與傳輸，將測量結(jié)果通過無線或有線傳輸至監(jiān)控中心或平臺的系統(tǒng)工作站，并進行分析和處理。尤其是隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，根據(jù)各監(jiān)測項的特點，對不同類型的數(shù)據(jù)科學分類和統(tǒng)計分析，實現(xiàn)數(shù)字化、圖表化自動查詢，并將實時監(jiān)控數(shù)據(jù)同理論計算值進行比較，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)物的實時監(jiān)控。

1.2 發(fā)展歷程

建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)理念最早于20世紀70年代提出，但當時由于計算機技術(shù)尚不發(fā)達，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)尚未成形，當時的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測主要以測試結(jié)構(gòu)物的極限承載能力為目的，主要關(guān)注結(jié)構(gòu)物的試驗測試結(jié)論。

隨著技術(shù)的進步，20世紀90年代，隨著傳感器技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、信息技術(shù)的興起，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)從實驗室逐漸過渡到實際應(yīng)用。例如將建筑信息模型同結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)融合，可將建筑信息模型用于后期建筑結(jié)構(gòu)管理養(yǎng)護，其結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)可以直觀地反映到建筑信息模型上；利用數(shù)字成像技術(shù)和快速科學算法，可以針對各種建筑模型進行快速分析和研究，以評估結(jié)構(gòu)的完整性和結(jié)構(gòu)合理性，為以后的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

1.3 現(xiàn)代結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的特點

智能化采集平臺 ：標準通信協(xié)議兼容各種傳感器，實現(xiàn)智能化快速數(shù)據(jù)采集、解算、存儲和實時轉(zhuǎn)發(fā)。

多樣化實時監(jiān)測與分析：常規(guī)結(jié)構(gòu)監(jiān)測與專題監(jiān)測分析相結(jié)合，實時監(jiān)測與歷史數(shù)據(jù)查詢結(jié)合，提供全面、有針對性的結(jié)構(gòu)監(jiān)測解決方案。

自動化監(jiān)測報告與報警：豐富的監(jiān)測報警方案、用戶自定義流程、分組分權(quán)限接收不同報警信息；自動分析系統(tǒng)運行情況、橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測狀態(tài)，生產(chǎn)統(tǒng)計分析報告，支持靈活選配。

三維可視化：三維全景、BIM集成展示監(jiān)測數(shù)據(jù)，提升系統(tǒng)用戶體驗和管理工作效率視頻監(jiān)控；集成各大廠家視頻監(jiān)控接口，實現(xiàn)web和app端實時視頻監(jiān)控集成移動智能終端；隨時遠程監(jiān)測與報警推送，及時處置、專題數(shù)據(jù)分析。

1.4 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的價值體現(xiàn)

以橋梁為例，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的價值主要體現(xiàn)在以下幾個方面：①提高橋梁管養(yǎng)效率。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)采用的是24小時不間斷監(jiān)測，可以及時發(fā)現(xiàn)橋梁的異常情況并實時報警，而傳統(tǒng)的人工巡檢發(fā)現(xiàn)問題一般會滯后問題出現(xiàn)較長時間。②提升橋梁管理科技品質(zhì)與質(zhì)量，包括建立完備的橋梁數(shù)字化檔案，提高橋梁作為交通設(shè)施的智能化管理水平，隨時遠程掌控橋梁性能和工作狀態(tài)，提高數(shù)據(jù)監(jiān)測的精度。③加強抗災(zāi)應(yīng)急能力，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)可以及時發(fā)現(xiàn)并監(jiān)測突發(fā)災(zāi)害等特殊事件的發(fā)展變化，并且完整記錄事件過程，方便后期的評估及總結(jié)。④推動行業(yè)發(fā)展，通過對橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究，推動物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等先進信息化技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用。

2 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的未來發(fā)展方向

2.1 引入機器學習技術(shù)

機器學習算法可以從大量的結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)中學習并識別出與結(jié)構(gòu)健康相關(guān)的特征模式，從而實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)狀態(tài)的準確監(jiān)測。相比傳統(tǒng)的手動分析方法，機器學習能夠更加高效地處理數(shù)據(jù)，并提供更加精確的結(jié)構(gòu)監(jiān)測結(jié)果。

利用機器學習算法進行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測可以實現(xiàn)自動化和實時反饋。通過實時采集和分析結(jié)構(gòu)的傳感數(shù)據(jù)，機器學習算法可以快速檢測結(jié)構(gòu)可能存在的異?；蚬收?，并及時向相關(guān)人員發(fā)出警報，以便采取必要的維修和保養(yǎng)措施。這種自動化的實時反饋有助于提高結(jié)構(gòu)安全性和可靠性。

目前，已有公司嘗試在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中引入機器學習算法，通過不斷地迭代，可大大地降低系統(tǒng)誤報次數(shù)，提高監(jiān)測的可信度，得到更加精確的結(jié)構(gòu)監(jiān)測結(jié)果。

2.2 開發(fā)多功能傳感器

傳感器是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中至關(guān)重要的組成部分。它們能夠通過測量結(jié)構(gòu)物的物理量和環(huán)境參數(shù)，提供實時的監(jiān)測數(shù)據(jù)，以評估結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。然而，由于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的需求變得越來越多樣化和復(fù)雜化，傳統(tǒng)的單功能傳感器已經(jīng)無法滿足需要了。因此，多功能傳感器應(yīng)運而生。與單功能傳感器相比，多功能傳感器具有更廣泛的測量范圍和更高的靈活性，能夠同時監(jiān)測多種物理量和環(huán)境條件，從而提供更全面的監(jiān)測信息和故障診斷能力。通過使用多功能傳感器，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)可以更準確地了解結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，并及時采取必要的維護和修復(fù)措施，保障結(jié)構(gòu)的安全可靠。

首先，多功能傳感器能夠同時檢測和記錄多種參數(shù)，如應(yīng)變、加速度、溫度、濕度等。這為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)提供了更全面的數(shù)據(jù)，使得工程師能夠全面了解結(jié)構(gòu)的狀況，并及時采取必要的措施。其次，使用多功能傳感器可以將多個單功能傳感器整合為一個設(shè)備，從而減少了安裝和維護的工作量與成本。此外，由于傳感器數(shù)量的減少，還能降低系統(tǒng)的復(fù)雜性和故障率，提高了整體系統(tǒng)的可靠性。

2.3 機器視覺技術(shù)用于健康監(jiān)測

隨著機器視覺技術(shù)的不斷進步，已有公司在研發(fā)通過視覺識別，判斷鋼箱梁內(nèi)部的腐蝕程度、混凝土梁的裂縫寬度發(fā)展及趨勢，以及用于路面病害的調(diào)查等，在試驗階段已能達到接近于傳統(tǒng)檢測水平，達到甚至超過傳統(tǒng)檢測方式亦不過是時間問題。

此外，在傳統(tǒng)檢測領(lǐng)域，機器視覺技術(shù)亦在不斷對其進行革新。

路面損壞檢測：機器視覺技術(shù)可以通過圖像分析和模式識別來檢測路面的損壞情況，包括裂縫、坑洞、鋪裝不平等問題。這有助于及早發(fā)現(xiàn)路面缺陷并進行維修，提高道路使用的安全性和舒適度。

車輛軌跡識別：機器視覺技術(shù)可以跟蹤車輛在路面上的運動軌跡，對車輛行為進行分析和識別，如變道、超速、闖紅燈等。這能夠提供重要的監(jiān)測數(shù)據(jù)，幫助交通管理部門改善交通流暢性和安全性。

路面狀況評估：機器視覺技術(shù)可以根據(jù)圖像數(shù)據(jù)分析路面的質(zhì)量和平整度，以評估路面的狀況。該信息對于路面維護和重新鋪設(shè)的決策非常有價值。

隨著自動駕駛技術(shù)的發(fā)展，未來，可能都不再需要專門的檢測公司，自動駕駛汽車將其圖像上傳至統(tǒng)一的云平臺，通過計算機的計算，可以生成全國道路技術(shù)狀況云圖，將維修資金進行統(tǒng)籌合理的安排，提高資金的使用效益。

2.4 人工智能技術(shù)用于健康監(jiān)測

人工智能在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用正在受到越來越多地關(guān)注。隨著科技的發(fā)展，傳感器監(jiān)測技術(shù)的進步以及數(shù)據(jù)處理與分析算法的提升，人工智能可以在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中扮演重要角色。通過采集大量的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)并進行實時處理，人工智能可以幫助監(jiān)測結(jié)構(gòu)的狀態(tài)變化、尋找潛在的故障，并提供準確的預(yù)警信息。因此，利用人工智能技術(shù)來進行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測具有巨大的潛力和應(yīng)用前景。

AI模型可以學習和理解結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的模式和規(guī)律。它可以通過訓(xùn)練來識別不同的結(jié)構(gòu)特征、振動模式、應(yīng)力分布等。這包括從傳感器收集到的振動響應(yīng)、應(yīng)變數(shù)據(jù)等。然后，AI可以利用這些已學習的知識，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的特征和參數(shù)進行推理和分析。它可以評估結(jié)構(gòu)的健康狀況，檢測潛在的缺陷或損傷，并提供詳細的分析結(jié)果。

AI可以將分析的結(jié)果自動生成為檢測報告。這些報告可以包括結(jié)構(gòu)的健康評估、損傷類型和程度、建議的維修和保養(yǎng)方案等信息。它們可以以可視化的方式呈現(xiàn)，包括圖表、圖像和文本，使用戶更容易理解和采取相應(yīng)的措施。

2.5 大數(shù)據(jù)技術(shù)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測將開啟一次重大的轉(zhuǎn)型，具體來說，運用大數(shù)據(jù)進行健康監(jiān)測應(yīng)注重以下幾個方面：①提升數(shù)據(jù)樣本量，全面分析與結(jié)構(gòu)物受力有關(guān)的所有數(shù)據(jù)，不能依靠少量數(shù)據(jù)；②注重數(shù)據(jù)的紛繁性，不再追求精確性。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機的算力不斷提升，使得對大量數(shù)據(jù)的計算成為可能。③從探尋因果關(guān)系轉(zhuǎn)向探尋相關(guān)關(guān)系。大數(shù)據(jù)科學的核心理念就是從大量數(shù)據(jù)中尋求數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性，而不再尋求探究其因果關(guān)系，當數(shù)據(jù)量達到某種程度時，其監(jiān)測精度反而會提高。數(shù)據(jù)的相關(guān)性是指當某個數(shù)據(jù)呈增加或減少趨勢時，另一個數(shù)據(jù)會呈相應(yīng)的增加或減少趨勢，但表面上卻難以發(fā)現(xiàn)其內(nèi)在的關(guān)聯(lián)。大數(shù)據(jù)無須再緊盯事務(wù)之間的因果關(guān)系，而應(yīng)該尋找事物之間的相關(guān)關(guān)系，這給我們提供了一個非常新穎且有價值的觀點。

尤其是近年來隨著各種“云平臺”“云計算中心”的不斷發(fā)展，使得云端匯集了大量的數(shù)據(jù)，這為未來健康監(jiān)測運營一體化平臺的建設(shè)提供了重要的基礎(chǔ)條件。試想，當大部分結(jié)構(gòu)物的數(shù)據(jù)位于同一個云端，則數(shù)據(jù)之間互通互聯(lián)，計算可以更輕易地對數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)比對，從而對不同地區(qū)、不同結(jié)構(gòu)、不同類型、不同工藝的結(jié)構(gòu)物進行數(shù)據(jù)比對，找出其相關(guān)性，為工程領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)不斷積累經(jīng)驗。

2.6 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)同智慧城市的融合

智慧城市涵蓋的范圍很廣，其核心理念是運用信息技術(shù)使得城市智能化，方便人們的工作和生活。具體來講，智慧城市可以分為：數(shù)字生活、數(shù)字警察、智能城市管理、智能環(huán)保、智慧管養(yǎng)等，而結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測作為智慧管養(yǎng)中的重要組成部分，不僅可以極大地降低城市基礎(chǔ)設(shè)施的管理難度，提升管養(yǎng)效率，同時也提升了城市基礎(chǔ)設(shè)施的使用壽命，有良好的社會經(jīng)濟效益。

3 結(jié)語

隨著信息化、智能化的不斷發(fā)展，結(jié)構(gòu)安全健康監(jiān)測系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)安全運營、延長結(jié)構(gòu)使用壽命起到至關(guān)重要的作用。通過早期結(jié)構(gòu)病害的發(fā)現(xiàn)及預(yù)警，能夠大幅節(jié)約橋梁的維修費用、養(yǎng)護費用，有效避免頻繁性維修和關(guān)閉交通所引起的重大損失，特別針對重大結(jié)構(gòu)安全性事故起到關(guān)鍵性預(yù)測預(yù)知作用。

隨著我國基建的逐漸飽和，新建項目越來越少，基建行業(yè)也必將逐漸由新建向維護，由粗放式向精細化、科技化發(fā)展，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)作為養(yǎng)護工作的重要一環(huán)，必將發(fā)揮越來越強的作用。而科學技術(shù)是第一生產(chǎn)力，這是亙古不變的真理，隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，其對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的作用也必將越來越大。

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[作者簡介]楊春雷（1991 —），男，河南淅川人，本科，工程師，研究方向：城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。