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智能檢測為橋梁“把脈問診”

2020-10-11 17:07:06

橋梁跨越江河湖海、聯(lián)通深溝峽谷，被認為是交通基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的“生命線”。在各類型長大跨橋梁的建造不斷創(chuàng)造新世界記錄的同時，通過有效維護管理措施保障其服役安全、具有較長壽命是國家重大需求。目前，國內(nèi)外急需加強橋梁工程運營維護領(lǐng)域的學(xué)科交叉與顛覆性技術(shù)突破。隨著新型傳感、大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，基于先進傳感和人工智能的橋梁運營管理解決方案，為橋梁的運營管理提供了新思路。

“檢測是結(jié)構(gòu)建造、運營、維護的重要環(huán)節(jié)，自動化、智能化已經(jīng)是工程檢測技術(shù)發(fā)展不可避免的趨勢?！睎|南大學(xué)土木工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師、副院長張建表示，針對傳統(tǒng)檢測技術(shù)效率低、海量監(jiān)測數(shù)據(jù)分析難等瓶頸問題，聚焦結(jié)構(gòu)智能檢測與健康監(jiān)測研究，交叉融合結(jié)構(gòu)動力學(xué)、非接觸測量、大數(shù)據(jù)分析等多學(xué)科技術(shù)形成“智能檢測-快速測試-實時監(jiān)測”研究主線，是推動結(jié)構(gòu)安全運營與維護的有效途徑。

為橋梁做“體檢”

聚焦結(jié)構(gòu)非接觸測量與智能檢測角度，張建教授研制了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的光學(xué)成像和微波雷達兩大類非接觸式測量設(shè)備，著力解決大型土木結(jié)構(gòu)撓度指標難測量、測不準等工程難題，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)多目標振動變形的高精度、遠距離、高效測量。

此前引起高度關(guān)注的虎門大橋渦激振動事件，考慮事件緊急、時間緊迫等因素，傳統(tǒng)的GPS（全球定位系統(tǒng)）和連通管等接觸式檢測手段無法滿足現(xiàn)場測試需求，張建帶領(lǐng)團隊借助于自主研發(fā)的微波雷達和光學(xué)圖像等非接觸式檢測設(shè)備，遠距離高精度捕捉到了橋梁結(jié)構(gòu)的變形信息，并基于結(jié)構(gòu)識別理論對虎門大橋渦振下的頻率、模態(tài)轉(zhuǎn)換以及橋梁阻尼比進行了分析，從而為后續(xù)虎門大橋的維修決策提供了數(shù)據(jù)支撐，在虎門大橋渦激振動監(jiān)測與預(yù)警方面發(fā)揮了重要作用。

橋梁檢測走向“人工智能”

人工智能算法和非接觸測量技術(shù)在結(jié)構(gòu)病害檢測方面同樣具備優(yōu)勢，其難點是如何自動處理檢測圖像挖掘得出準確病害信息?！霸跇蛄褐悄軝z測領(lǐng)域，可利用三維掃描技術(shù)、計算機視覺技術(shù)及無人機平臺實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的智能檢測。”張建解釋說，該部分主要分為以下幾個方面的具體工作：

一是具備自主飛行與避障能力的無人機平臺開發(fā)，通過飛行路徑優(yōu)化等設(shè)計，能夠快速實現(xiàn)大型橋梁外觀圖像的獲取。還可開發(fā)爬壁機器人等形成結(jié)構(gòu)重點區(qū)域的精細檢測。

二是利用深度學(xué)習(xí)算法分析所獲得的圖像得出結(jié)構(gòu)裂縫等病害信息。例如針對圖像中細微裂縫（小于5像素）難以準確測量的問題，開發(fā)了基于生成對抗網(wǎng)絡(luò)的細微裂縫自動勾畫算法與基于Zernike矩的亞像素寬度識別方法，相對于傳統(tǒng)方法能夠?qū)崿F(xiàn)對圖像中的細微裂縫更高精度的測量，進一步開發(fā)與應(yīng)用漸進式支持向量機、量子計算算法、Faster R-CNN（快速區(qū)域卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）等系列機器學(xué)習(xí)和優(yōu)化算法，促進與土木工程的深度交叉融合，并成功應(yīng)用于淮安大橋、佛山高明大橋檢測工程，在橋塔、高墩等傳統(tǒng)檢測難點部位發(fā)現(xiàn)裂縫、剝落等多處病害。

現(xiàn)代科技為橋梁實時把脈

張建表示，除對橋梁定期體檢外，以傳感器為主體的在線采集系統(tǒng)，可實現(xiàn)橋梁安全性能的全天候不間斷監(jiān)管。與傳統(tǒng)定期檢測相比，在線系統(tǒng)可實時監(jiān)控在巡檢間隔期間的結(jié)構(gòu)安全、荷載承擔、環(huán)境變化等情況。同時，對時間軸統(tǒng)一的多個指標實施統(tǒng)一監(jiān)控，則可實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)安全的整體判定。通過對多個指標的綜合分析，檢查結(jié)構(gòu)可能存在的內(nèi)部問題，起到防微杜漸的作用。

車輛荷載作為橋梁結(jié)構(gòu)的重要外部荷載直接關(guān)系到橋梁安全與壽命，基于視頻技術(shù)開發(fā)了橋梁運營階段車輛荷載的快速識別方法，可以實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)群協(xié)同監(jiān)測范圍內(nèi)車輛荷載的快速識別與特征統(tǒng)計，避免昂貴的路面動態(tài)稱重系統(tǒng)的安裝。為解決傳統(tǒng)移動目標識別過程中存在的問題，提出了包含基于Faster R-CNN的目標檢測、多目標跟蹤與圖像標定的橋面車輛時空信息獲取系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于安慶長江大橋的車輛時空信息獲取。

以長大跨橋梁長期監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，張建重點研究了大數(shù)據(jù)分析等一些新興技術(shù)與蘇通大橋等十數(shù)座長大跨橋梁診斷評估的交叉融合，針對江陰大橋10年監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，建立了復(fù)雜結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力、內(nèi)力與變形分布的計算方法，揭示了不同結(jié)構(gòu)形式與邊界條件下溫度引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形的協(xié)調(diào)機理，為長大跨橋梁管理決策提供數(shù)據(jù)支撐。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)具有良好的學(xué)科交叉背景，能夠快速吸收新的技術(shù)推進其發(fā)展。一切新技術(shù)的接入，旨在降低健康監(jiān)測系統(tǒng)布置以及運營的門檻，提高結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的智能化程度。因此，基于計算機視覺和微波技術(shù)，進一步研發(fā)在線相機和在線雷達變形實時監(jiān)測系統(tǒng)。此外，考慮沿江河流域內(nèi)橋梁結(jié)構(gòu)存在船舶碰撞的風險，研發(fā)融合AIS（船舶自動識別系統(tǒng)）和視頻技術(shù)以及微波雷達技術(shù)的橋梁主動在線防撞系統(tǒng)，能夠為橋梁結(jié)構(gòu)的防船撞與安全運營提供保障。

新技術(shù)的興起為交通基礎(chǔ)設(shè)施的智慧建造與運維提供了新的發(fā)展契機，基礎(chǔ)設(shè)施更智慧就在不遠的將來。