基础设施监测：确保结构健康，迈向可持续未来

基础设施是现代社会的支柱，支撑着交通、通信和经济活动。桥梁、建筑、隧道、大坝、管道和其他结构是至关重要的资产，需要持续监测以确保其安全性、寿命和运行效率。本博文将探讨基础设施监测的关键作用，特别侧重于结构健康监测（SHM）、其基本原理、技术、应用及未来趋势。

什么是结构健康监测（SHM）？

结构健康监测（SHM）是一个利用传感器、数据采集系统和先进分析技术来检测和评估结构随时间推移而发生的损伤或退化的过程。它提供关于结构完整性的实时或近实时信息，从而实现及时的维护并防止灾难性故障。SHM 是一种积极主动的基础设施管理方法，将反应式维修转变为预测性维护策略。

SHM 系统的关键组成部分

• 传感器：它们是 SHM 系统的基本构建块，负责收集与结构行为相关的数据。常见的传感器类型包括应变计、加速度计、位移传感器、光纤传感器和腐蚀传感器。
• 数据采集系统（DAS）：DAS 收集、数字化并将传感器数据传输到中央处理单元。它确保在各种环境条件下准确可靠的数据收集。
• 数据传输与存储：此组件负责将数据从 DAS 传输到服务器或云平台进行存储和分析。可以使用有线或无线通信技术。
• 数据处理与分析：此阶段涉及分析收集的数据，以识别异常、检测损伤并评估整体结构健康状况。通常会采用机器学习和有限元分析等高级算法。
• 损伤检测与定位：基于数据分析，系统可识别结构中损伤的存在、位置和严重程度。
• 预后与剩余使用寿命（RUL）预测：通过分析历史数据和当前的结构状况，SHM 系统可以预测结构的未来性能并估算其剩余使用寿命。

基础设施监测和 SHM 的优势

实施基础设施监测和 SHM 系统具有诸多优势，包括：

• 增强安全性：及早发现结构损伤可及时干预，防止潜在的倒塌并确保公众安全。
• 降低维护成本：基于 SHM 数据的预测性维护可最大限度地减少不必要的维修，并延长基础设施资产的寿命。
• 提高运行效率：实时监测可优化资源分配，并减少因计划外维修造成的停机时间。
• 延长资产寿命：通过及早识别和解决小问题，SHM 有助于防止其升级为重大的结构问题，从而延长结构寿命。
• 数据驱动的决策：SHM 提供有价值的数据，为维护、修复和更换策略的决策提供依据。
• 提高可持续性：通过延长现有基础设施的寿命和优化资源利用，SHM 有助于实现更可持续的基础设施管理实践。

基础设施监测中使用的技术

基础设施监测采用多种技术，每种技术都有其优势和局限性。以下是一些最常用的技术：

传感器技术

• 应变计：这些传感器测量结构在载荷下的应变（变形）。它们广泛用于监测桥梁、建筑和其他结构的应力水平。
• 加速度计：加速度计测量加速度，可用于检测振动、动态载荷和结构运动。它们对于监测地震多发区的桥梁和建筑特别有用。
• 位移传感器：这些传感器测量结构的位移（运动），提供有关其变形和稳定性的信息。它们通常用于监测桥梁、大坝和隧道。
• 光纤传感器：光纤传感器比传统传感器具有多项优势，包括高灵敏度、抗电磁干扰能力以及同时测量多种参数的能力。它们越来越多地用于监测桥梁、管道和其他关键基础设施。
• 腐蚀传感器：这些传感器可检测和测量金属结构的腐蚀速率，提供腐蚀相关损坏的早期预警。它们对于监测桥梁、管道和海洋结构至关重要。
• 声发射（AE）传感器：AE 传感器检测材料内部裂纹生长或其他形式损伤产生的超高频应力波。AE 监测可用于识别活动损伤位置并评估损伤严重程度。

无损检测（NDT）技术

• 超声波检测（UT）：UT 使用高频声波来检测内部缺陷并测量材料的厚度。
• 射线检测（RT）：RT 使用 X 射线或伽马射线来成像内部结构，显示缺陷。
• 磁粉检测（MT）：MT 使用磁场来检测铁磁材料中的表面和近表面裂纹。
• 液体渗透检测（PT）：PT 使用液体染料来检测表面裂纹和不连续性。
• 目视检查：训练有素的检查员目视检查结构是否有损坏或劣化的迹象。这通常是全面检查计划的第一步。

遥感技术

• 卫星图像：卫星图像提供大范围覆盖，可用于监测大型基础设施资产，如管道和电力线。
• LiDAR（激光雷达）：LiDAR 使用激光扫描仪创建结构的高分辨率 3D 模型，从而能够进行详细的检查和分析。
• 无人驾驶飞行器（UAV）/无人机：配备摄像头和传感器的无人机可用于从安全距离检查桥梁、建筑和其他结构，减少人工检查的需求。
• InSAR（干涉合成孔径雷达）：InSAR 使用雷达卫星数据来检测微小的地表变形，这可能表明结构不稳定或沉降。

数据分析与建模技术

• 有限元分析（FEA）：FEA 是一种数值方法，用于模拟结构在不同载荷和条件下的行为。
• 机器学习（ML）：ML 算法可以通过历史数据进行训练，以识别模式、预测未来性能和检测异常。
• 统计分析：统计方法用于分析传感器数据并识别趋势、相关性和异常值。
• 数字孪生技术：数字孪生是物理资产的虚拟表示，可用于模拟其行为、监控其状况并优化其性能。

基础设施监测的应用

基础设施监测和 SHM 已应用于全球范围内的各类结构和行业。以下是一些显著的例子：

桥梁

桥梁是交通网络的关键组成部分，其结构完整性至关重要。SHM 系统用于监测桥梁的损坏迹象，如裂纹、腐蚀和过度挠曲。例如，香港的青马大桥是世界上最长的悬索桥之一，配备了全面的 SHM 系统，可实时监测其结构健康状况。

建筑

SHM 用于监测建筑物因地震、风荷载和其他因素造成的结构损坏。高层建筑和历史建筑尤其容易受到损坏，需要持续监测。迪拜的哈利法塔是世界上最高的建筑，拥有先进的 SHM 系统来确保其结构稳定性。

隧道

隧道容易受到地面运动、水侵和其他可能损害其结构完整性的因素的影响。SHM 系统用于监测隧道变形、开裂和漏水的迹象。连接英国和法国的海峡隧道使用先进的 SHM 技术进行监测。

大坝

大坝是关键的基础设施资产，需要持续监测以防止灾难性故障。SHM 系统用于监测大坝的变形、渗漏和开裂迹象。伊泰普大坝是世界上最大的水电大坝之一，拥有广泛的 SHM 系统来确保其安全性和稳定性。

管道

管道用于远距离输送石油、天然气和水。SHM 系统用于监测管道的腐蚀、泄漏和其他形式的损坏。管道监测对于防止环境灾难和确保资源的安全可靠运输至关重要。卫星图像和无人机等遥感技术越来越多地用于监测大范围区域的管道完整性。

历史古迹

保护历史古迹对于文化遗产至关重要。SHM 系统用于监测这些结构受天气、污染和人类活动的影响。意大利的比萨斜塔是一个著名的例子，其中采用了 SHM 技术来监测和减轻其倾斜并确保其长期保存。

基础设施监测的全球倡议范例

• 英国国家基础设施计划：该计划强调监测和维护英国基础设施资产（包括桥梁、道路和能源网络）的重要性。
• 欧盟地平线 2020 计划：这项研究和创新计划资助了许多与基础设施监测和 SHM 相关的项目。
• 日本基础设施维护计划：日本有一项全面的计划来维护其老化的基础设施，其中包括广泛的监测和检查活动。
• 美国基础设施报告卡：美国土木工程师学会（ASCE）发布了美国基础设施状况的报告卡，强调了增加监测和维护投资的必要性。
• 中国“一带一路”倡议：这项大规模的基础设施发展项目包括监测和维护计划，以确保新基础设施资产的长期可持续性。

基础设施监测的挑战与未来趋势

尽管基础设施监测技术取得了重大进展，但仍存在一些挑战：

• 成本：实施和维护 SHM 系统的成本可能是一个障碍，特别是对于小型组织和发展中国家。
• 数据管理：管理和分析 SHM 系统生成的大量数据可能具有挑战性。
• 传感器可靠性：传感器在恶劣环境条件下必须可靠且准确。
• 标准化：SHM 技术和数据格式的标准化缺乏阻碍了互操作性和数据共享。
• 网络安全：SHM 系统容易受到网络攻击，这可能会损害数据完整性和系统功能。

展望未来，有几个趋势正在塑造基础设施监测的未来：

• 物联网（IoT）和无线传感器网络（WSN）的广泛使用：物联网和 WSN 能够部署大规模、低成本的传感器网络进行连续监测。
• 人工智能（AI）和机器学习（ML）的进步：AI 和 ML 算法正被用于改进数据分析、损伤检测和预后。
• 数字孪生技术的集成：数字孪生在模拟结构行为和优化维护策略方面正变得越来越受欢迎。
• 智能材料的开发：能够自感应和自修复的智能材料正在开发用于基础设施建设和修复。
• 更加注重可持续性：基础设施监测在促进可持续基础设施管理实践方面发挥着越来越重要的作用。

结论

基础设施监测和结构健康监测（SHM）对于确保我们重要基础设施资产的安全、寿命和运行效率至关重要。通过利用先进的传感器技术、数据分析技术和预测性维护策略，我们可以主动管理基础设施风险，降低维护成本，并延长结构寿命。随着技术的不断发展，基础设施监测将在创造更可持续、更具韧性的建筑环境以造福子孙后代方面发挥更重要的作用。这些技术的全球实施不仅是工程问题；更是确保全球社区安全和福祉，并促进所有人可持续未来的关键一步。