土木工程|结构健康监测-概论

李惠教授讲课，20160229。

结构健康监测（Structural Health Monitoring），相比结构工程，是一个非传统学科。

起源

90年代初，美国NASA首次提出智能结构，定义三大特性：

• 感知
• 决策（自决策）
• 控制（自修复）

国外研究机构：

• NASA，太空土木工程
• Standford University
• Rice University

发展

SHM的主要发展阶段有：

• 传感技术
• 数据管理
• 模型修正
• 损伤识别

传感技术

SHM首先要感知结构的响应与状态，因此最初阶段由土木学者发展了传感技术。

传统传感技术

即一般实验室的传感仪器设备，主要的不足：

• 点式检测，只能获取局部信息；
• 耐久性差，不能长期持久；

光纤传感技术

光纤传感技术，模拟生物的神经系统，感知结构状态。能够实现分布式测量，优势有：

• 光纤很细；
• 分布/准分布式测量；
• 传感与信号传输一体化；

无线传感技术

无限传输数据，解决大型桥梁的数据传输问题，避免很长的数据线。
目前尚未成熟，未来趋势。

面状、立体传感

纳米材料制造smartskin，导电材料溶于有机材料，量子隧道效应产生电流，灵敏度很高。
物理信息必须转换成呢个光、电信号，才能数字化采集。

曾经遇到信号读出问题，现已结局。

小结

传感技术的研发需要高效和企业结合

• 高校研究原理方法；
• 企业将技术做成产品，推广工程界；

数据管理

通过传感技术获取结构响应之后，需要一系列的数据管理过程，从结构响应获取我们关注的信息：

• 传感器，光纤光栅、加速度传感器、风速仪
• 数据采集，软件+硬件，分布式采集系统
• 数据传输，有线、无线传输技术
• 数据管理，数据的存储
• 数据分析，max,min,mean,std,freq
• 深度挖掘，大数据机器学习
• 状态评定
• 预警决策

其中涉及传感科学和数据科学技术。

模型修正

有限元理论模型一般不能反映真实的结构，结构的边界、连接，在有限元中很难真实模拟。有限元模型需要实测数据的修正，更新，这一过程称为模型修正，其关键技术为参数的识别。在本校，段忠东教授最早研究。

常见的参数识别方法：

• 频域分析；
• 随机减量法；
• 随机子空间方法；
• 环境激励法NEXT；

参数识别的数学困难在于不适定，测点和数据很少，需要识别的参数很多，因此参数识别遇到多解问题，如虚假频率、模态。

损伤识别

结构的响应不能直接判定损伤，原因

• 环境、荷载的影响很难分离；
• 传感器的覆盖有限，很多位置没有直接的数据；

损伤判断的依据不是结构的响应，而是结构的固有参数--模态特征$\omega,\phi,\zeta$（频率、振型，阻尼比），对应于结构动力学的参数矩阵$M,C,K$。

困难

损伤识别的方法，源于机械工程的故障诊断。引入土木工程领域，遇到一定的困难：

• 海洋平台

损伤识别方法最早进入海洋平台，试验失败。由于海洋环境下，平台与海水振动耦合，相当于增加了未知的附加质量，结构损伤难以评定。

• 温度影响

试验发现（Australia），简支梁的模态参数识别，对温度变化非常敏感。敏感程度大大超过损伤的影响，难以准确识别模态参数。

未来

现场试验

现代的结构健康监测，在真实的结构，真实的荷载下获得结构响应输出，其实质相当于现场试验（欧进萍院士提出）。

现场试验与传统试验的差别：

• 试验对象，真实结构vs模型构件
• 试验荷载，真实的车辆荷载、风荷载、温度荷载，及荷载效应的耦合vs 实验室理想荷载
• 数据处理，海量数据，大数据方法处理 vs 小量数据，人工处理

结构监测实现的现场试验在内涵上与传统试验完全不同。现场试验将成为与理论、模拟、试验平行的研究手段。

大数据方法

大数据的实质是机器学习方法，在数据中选定特征空间/变量，对数据投影，分类识别

主要的算法：

• 分类算法
• 回归模型
• 神经网络
• 支持向量机SVM

未来的研究是人工智能与深度机器学习。

工程应用

国内的工程应用：

• 苏通长江大桥

• 南京长江三桥

2008年雪灾，桥梁单侧限行，导致桥梁横向扭转，监测发现偏移过大，决策双向同行。

问题与质疑

问题

• 有哪些关键的期刊和研究机构？
• 同济大学的SHM研究方向是什么？
• 成功的工程应用有哪些？解决了哪些问题？

质疑

• 智能结构与健康监测由航天领域提出，这样的高端技术真的适合粗线条的土木工程领域吗？
• 美国最早提出健康监测，号召全球一起做。那么健康监测究竟是全球都有的需要，还是美国的需求。发展中国国家是否有必要研究这个领域？
• 美国人出题，中国人做题是否是真实的情况？
• 美国人为何热衷于健康监测？
• 健康监测研究方向能否成为集中全校科技力量的重点方向？