土木工程结构健康监测系统的研究状况与进展

0 引言

土木工程在现代社会发展中扮演着十分关键的角色，其建设质量和可靠性与人们的生活、生产活动有重要联系。尤其是如今社会经济进一步发展的背景下，各类土木工程的建设规模越来越大、结构越来越复杂，不仅对施工技术的先进性提出了更高的要求，也使人们对工程结构的状态及安全性给予了极大关注。随着现代计算机软件、通信网络乃至智能化技术的全面发展，针对土木工程结构健康性进行监测的系统被研究出来，并且取得了不错的应用效果。显然，无论是在土木工程的建设和施工中，还是投入使用之后，都需要对其结构健康保持密切监测。因此，有必要结合现代土木工程结构健康监测的相关需求，对土木工程结构健康监测系统的研究现状和趋势进行进一步探究。

1 土木工程结构健康监测系统概述

1.1 基本概念

土木工程结构健康监测系统主要是利用计算机软件技术、微机技术、传感器技术等，对土木工程的结构状态、安全性进行监测、诊断、分析的综合性技术系统，在如今的土木工程施工及维护管理中有重要应用。

在实际应用中，结构健康监测系统主要应用于两个方面：其一，在土木工程建造施工阶段，对已建结构部分的各项力学指标、安全系数进行监测，以保证施工现场的安全性，同时便于技术人员评估施工质量

。其二，针对投入使用的土木工程结构，对其结构状态进行长期监测，以便及时发现因外力因素或结构老化出现的损伤、失稳、变形等隐患，为工程使用、维护管理人员提供重要的参考依据。理想状态下，土木工程结构健康监测系统应当是一种全自动、不间断的监测系统，通过传感器对土木工程结构各项参数进行监测，同时识别各种反映结构风险的信号。由微机系统或中央控制系统对接收到的信息进行分析，评估工程结构健康状态，同时综合大数据动态化分析，识别结构安全风险。

1.2 重要性

众所周知，土木工程作为大型人造物体，其结构的稳定性和可靠性是非常重要的。尤其是如今土木工程呈现体量规模化、结构复杂化的情况下，其整体及局部结构的稳定性和可靠性，将对人们的生命财产安全产生直接影响。传统技术条件下，无论是土木工程的施工环节，还是工程建成投入使用之后，针对结构的安全性监测和评估都依靠技术人员进行现场检测和分析，不仅对相关人员的专业知识储备、技术水平、从业经验有非常高的要求，还需要其有效应对不同工程结构存在的各种问题。

显然，以人为主的监测方式一方面无法有效保持对结构健康状况的不间断实时监测，另一方面也无法杜绝人为失误造成的监测误差或错判风险。而土木工程结构健康监测系统则凭借对现代科技的全面应用，可以实现半自动化乃至全智能化的结构健康监测工作

。首先，基于传感器的监测方式具有更好的精确性，能够对土木工程结构的细微损伤、力学数值变化进行捕捉。其次，通过长期不间断监测以及对监测数据的动态化分析，可以判断土木工程结构的状态变化趋势，为结构安全风险防治及加固保养工作提供参考。另外，土木工程结构健康监测系统可以在提高监测准确性的基础上，减少结构安全管理及维护工作的资金花费，具有很好的经济价值。最后，土木工程结构健康监测系统的应用，可以为土木工程结构设计及施工技术研究提供足够丰富的真实数据，有助于形成相关行业的大数据库，为推动行业发展而做出重要贡献。

2 土木工程结构健康监测系统的基本构成及研究现状

（一）在目前国内绝大多数高校中，专业教师在教学过程中，已然形成了一种思维定式，教师强调知识的传授，与学生缺乏思想和情感的交流，下课后更是难有接触。另外一方面是绝大多数高校对目前的这种现状更是一种“默许”的现状，如何改变专业教师的观念、注入协同育人的理念，如何加强高校对专业教师与思想政治教育工作者协同育人的重视将会是本课题研究的重点难点，任何举措和制度都应得到专业教师的认可和接受才能接地气，才能真正有所改变。

2.1 传感器系统

在土木工程结构健康监测系统中，传感器系统是以传感器为主的硬件系统，其主要功能是通过安装在土木工程结构关键监测部位，感知、识别、采集反映结构荷载、效应、位移、温度等信息，并将采集到的信息以光、声、热、电等物理量形式进行传输。传感器系统是土木工程结构健康监测系统最前端的子系统，是获取监测分析所需信息的关键所在

。目前在土木工程结构健康监测系统技术领域中，传感器系统主要有以下两类：

2.1.1 局部监测传感系统

在数据处理方面，主要是能够从采集到的大量数据中抓取有价值的数据，再通过有效处理进一步放大其实用性

。比如，在土木工程施工中，现场存在大量的噪声，此时需要系统对采集到的信号进行放大、去除噪声处理，才能得到反映损伤情况的关键信息。目前业界用于数据处理的技术包括分析几何技术、数字滤波技术、模糊技术等。

风景园林的审批、规划设计、施工、管理环节是一个完整而系统的过程，具有一定的广度与深度。为实现对整个过程的监督与管理，每个过程都要具备相应的法规标准，满足行业整个生命周期各环节的管理与技术要求。目前，风景园林行业在综合管理、规划设计编制与审批管理、规划设计实施管理等方面都具有相应的法规标准。

损伤识别及安全评定预警系统需要做到对土木工程结构损伤的实时化、动态化监测，以便于项目施工及使用管理单位能够及时对其进行有效处置，避免造成严重后果。关于该系统的研发和应用，目前业界比较常用的方法、理论、技术包括模型修正、动力指纹分析、系统识别法、神经网络、遗传算法等。其中，神经网络是目前被广泛看好的新型技术，其主要是基于生物神经系统的相关研究成果，在物理机制上模拟人脑的信息感知、处理方式，所形成的一套高度智能的技术系统

。例如，在我国香港汲水门大桥的损伤监测中，使用了误差反向传播神经网络系统，通过损伤预警、损伤程度判定、损伤定位等方式，实现对工程结构损伤的精确感知。

2.1.2 全面监测传感系统

全面监测传感器主要是从相对宏观的角度，对土木工程结构健康状况进行监测。用到的仪器、设备主要包括全站仪、测量机器人、GPS 接收器等。尤其是在如今GPS 技术越来越先进的情况下，通过该技术中的动态实时差分技术，可以对土木工程结构各个监测点的变化情况进行精准监测。目前采用该技术可以实现高达10mm 级别的平面监测精度，同时其监测效率也非常高。例如，在我国香港青马大桥的结构监测中，按照10次/s 的采样频率，能够提供RTK 厘米级点位解算结果，检测过程的延迟被控制在0.05s 以下。

2.2 数据采集、处理、传输系统

当传感器检测到相关信号之后，需要用到采集、处理与传输系统，对相关信号进行处理，以挖掘其利用价值。该系统一般由硬件和软件两个部分构成，硬件部分主要由数据转换模块、传输线缆组成，软件部分常用到的平台有Delphi、LabVIEW 以及VC++等。在土木工程结构健康监测系统运行过程中，所采集到的数据经过微机装置进行预处理，然后储存于数据管理子系统中。

曾浩根据行业内未登录词特点制定扩展规则，再将经过扩展的复合词进行词频、互信息和邻接熵等统计特征判别。判别为未登录词再继续进行相应的扩展和识别[5]。朱峰提出一种改进的知识图谱语义预测模型。

目前在土木工程结构健康监测系统技术领域中，数据采集、处理、传输系统的相关研究情况如下：

由极大值原理可知0

0,v>0(Ω),所以u是方程(5)的下解,又因a为方程(5)的上解,则可知θa是方程(5)的唯一正解,由比较原理有u <θa>

为了有效完成对土木工程结构的健康状况进行监测，需要传感器检测的信号包括应变、位移、速度、温度、声音等。当传感器监测识别到这些信号，需要数据采集、处理系统对信号进行整理、转化、处理。数据采集方面，目前常用的软件平台中，LabWindows、VC++等可以实现可视化结构安全监测。其主要是通过对信息的快速处理、图形转化、场景模拟，让使用者可以直观判断监测对象存在的问题。

W=[WC1×[We11, We12, We13, We14], Wc2×[We21, We22, We23, We24], Wc3×[We31, We32, We33]]=[0.036, 0.138, 0.095, 0.061, 0.214, 0.182, 0.049, 0.085, 0.056, 0.024, 0.060]

目前国内外应用于土木工程结构健康监测系统中的传感器材料、元件类型较多，包括疲劳寿命丝、碳纤维、电阻应变丝、半导体材料等，利用这些材料可以制成埋入式或表面附着式的传感分布阵列，以实现对相关环境信号的感知能力。在工程结构监测领域中，目前比较常见的传感器为光纤光栅传感器，其能够实现多参数同步监测和分布测量，同时具有性能稳定、抗干扰能力强的特点。

2.3 损伤识别及安全评定预警系统

损伤识别及安全评定预警系统是土木工程结构健康监测系统的核心部分，主要作用是对结构损伤及其他异常情况进行识别分析，同步完成安全评定以及必要的警报功能。在具体应用中，当由损伤识别系统通过分析传感器采集到信息，判断存在损伤，模型修正软件对损伤情况进行分析，再由安全评定软件进行安全风险分析，最后由预警软件发出警报。

第七，河川径流变化。通过对全国19个重要水文站资料的分析可知，1980年以来，我国江河径流总体上呈减少的趋势，北方河流径流以减少为主，其中海河、黄河中下游、辽河等减少比较明显。其他河流，呈现弱减少或弱增加趋势。

目前在土木工程结构健康监测系统技术领域中，损伤识别及安全评定预警系统的相关研究情况如下：

如图1 所示，目前土木工程结构健康监测系统主要由传感器子系统、数据采集与处理系统、传输子系统、数据管理系统等构成，数据管理子系统中，发挥健康监测核心功能的是损伤识别、模型修正、安全评定及预警系统。

在我国香港青马大桥上，用于监测桥梁结构安全的传感器即为光纤光栅传感器。目前的研究表明，在光纤光栅传感器中，装置厚度、弹性模量、长度等，是影响传感器平均传递速率的主要因素。当然，一些实际应用案例表明，光纤光栅传感器在土木工程结构监测中的应用也存在缺陷，包括辅助设备要求高、成本较高等。另外，形状记忆合金也是目前在土木工程结构健康监测系统传感器中比较常用的材料，其主要是一种有形状记忆功能的合金材料，具有较好的阻尼效应、超弹性效应及电阻特性。在实际应用中，涉及的形状记忆合金材料包括Fe 基合金、Ni-Ti 合金等。形状记忆合金材料传感器可以适应复杂的土木工程结构监测环境，同时还可以兼顾耗能器的部分功能。当然，目前该类传感器材料的技术稳定性和性价比方面还存在一定欠缺。

另外，基于模型修正的损伤识别技术也比较常用，其主要是通过利用未损结构的有限元模型，通过不断的数据监测和对比，来发现后天出现的结构损伤问题。这种技术在传统建筑及部分其他土木工程结构健康监测中比较常用，但是现代部分土木工程结构十分复杂，存在大量的干扰信息，同时部分构件边界模糊，导致有限元模型的构建误差较大，不利于开展精确的损伤监测工作。

2.4 数据管理系统

简单来讲，数据管理系统就是土木工程结构健康监测系统的数据库，通过相关软件及模块，形成相关土木工程项目的结构建设数据、监测数据、几何数据、分析结果数据等。这些数据可以全面反映土木工程结构的健康状况，同时以时间轴的形式反映其发展变化情况。一方面，这些数据信息可以为土木工程结构健康监测系统的各项软件分析功能提供参考依据，另一方面，大数据系统的形成和内容持续扩充，也是现代土木工程领域实现智能化分析管理的关键所在。

土木工程结构健康监测系统中，目前业界关于数据管理系统的研究主要集中于智能化方面。例如，在一些桥梁工程的损伤监测系统中，专家系统被广泛研究和应用。专家系统是一种将专业知识、常识及实践经验结合起来的系统，融合了大量的技术方法

。专家系统立足于真实世界，广泛捕捉稀缺但重要的专家技术，再将其发布于整个系统中，用于交流应用。在我国目前的基础建设及管理领域中，通过研究应用专家系统，可以实现行业理论及实践技能研究水平的快速提升，自然在土木工程结构健康监测系统中也可以发挥其极为重要的应用价值。

3 土木工程结构健康监测系统的应用情况

我国虽然关于土木工程结构健康监测系统的研究起步较晚，但是近年来随着我国基础建设水平的不断提高，相应的监测要求越来越高，关于这方面技术的研究和应用也取得了不错的成效。

为解决手动设定初始值的问题，本文研究并设计了一种基于支持向量机（SVM）的改进型卡尔曼滤波算法。通过采用支持向量机二分类算法[13-14]，智能判断并选取合法的输入数据xi作为初始值。工作流程如图4所示。

例如，在虎门大桥的结构健康监测工作中，技术团队针对性开发了基于GPS 技术的三维位移动态监测系统。该系统由基准站、监测站、数据通信系统和中央计算机系统构成，其中基准站设置于虎门大桥管理中心顶部，监测站共12 个，分别设置于大桥三个位置箱梁两侧以及东西塔顶部。在监测点安装GPS 接收器，使用光纤作为数据传输通道。在监控分析中心，配置了集线器、分析工作站以及数据服务器等。软件配置方面，配置了数据采集传输控制模块、数据统计模块、数据显示模块、预警模块等

。硬件及软件的协同运行，对虎门大桥各监测点的位置信息进行快速采集、处置、传输和分析，模拟该大桥的动态化三维模型，同步显示位移变化情况、振动信息等。如图2 所示，通过对大桥监测点位移情况的动态化分析，可以判断大桥结构的受力情况，便于及时发现异常情况。总体来讲，在该监测系统的配合下，该大桥维护管理单位结合工程建设信息、当地地理信息等，不仅可以对大桥结构安全进行实时监测，开展针对性的保养工作，还能在台风、地震等极端情况下，提前做好相应的防护措施，保证大桥安全

。

4 结语

综上所述，在如今社会经济快速发展的大环境下，我国基础建设规模不断扩大。在土木工程的建设施工及后期维护管理中，需要对其结构的健康状况进行实时监测，显然传统的技术方法不再适用。为此，基于现代计算机、通信网络、数字化等技术打造的土木工程结构健康监测系统可以有效满足现代工程建设管理需求。目前国内外关于该系统的研究和应用取得了一定成果，为了进一步发挥土木工程结构健康监测系统的应用价值，推动我国土木工程结构安全管理水平的持续提升，有必要基于当下的研究成果，对神经网络、专家系统等新兴技术进行深入探究，推动土木工程结构健康监测系统的全面数字化、智能化发展。

[1]李宏男,李东升.土木工程结构安全性评估、健康监测及诊断述评[J].地震工程与工程振动,2002,22(03):82-90.

[2]陈虹宇,吴贤国,张浩蔚,等.基于物联网的运营地铁隧道结构健康监测系统软件平台开发[J].城市轨道交通研究,2021,24(01):93-96+106.

[3]吴天俊.土木工程结构健康监测系统的研究状况与进展[J].工程技术研究,2021,6(01):146-147.

[4]熊雅文,何华,张志超,等.岩溶地区高速公路运营隧道结构健康监测系统研究及应用[J].西部交通科技,2022(02):126-131.

[5]汪波,何川,吴德兴.隧道结构健康监测系统理念及其技术应用[J].铁道工程学报,2012(01):67-72.

[6]熊政勇.大桥结构健康监测系统研究——以镇水公路阿志河大桥为例[J].建材发展导向(上),2021,19(09):248-250.

[7]吴贤国,王雷,陈虹宇,等.基于BIM 技术的物联网运营地铁结构健康监测系统设计与实现[J].隧道建设(中英文),2020,40(06):905-914.

[8]杨燕青.浅谈结构健康监测系统在桥梁管养中的应用[J].城市道桥与防洪,2022(01):145-147+170.

[9]李俊杰.浅谈通用土木工程结构健康监测系统平台设计[J].中国建材科技,2020,29(06):123-124+14.

[10]陈锋.城市高架桥结构健康监测系统智慧化浅析[J].广西城镇建设,2021(05):95-97.