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      智能檢測為橋梁“把脈問(wèn)診”
      2020-10-11 11:35:37
      橋梁跨越江河湖海、聯(lián)通深溝峽谷,被認為是交通基礎設施領(lǐng)域的“生命線(xiàn)”。在各類(lèi)型長(cháng)大跨橋梁的建造不斷創(chuàng )造新世界記錄的同時(shí),通過(guò)有效維護管理措施保障其服役安全、具有較長(cháng)壽命是國家重大需求。目前,國內外急需加強橋梁工程運營(yíng)維護領(lǐng)域的學(xué)科交叉與顛覆性技術(shù)突破。隨著(zhù)新型傳感、大數據、云計算和人工智能技術(shù)的快速發(fā)展,基于先進(jìn)傳感和人工智能的橋梁運營(yíng)管理解決方案,為橋梁的運營(yíng)管理提供了新思路。

      “檢測是結構建造、運營(yíng)、維護的重要環(huán)節,自動(dòng)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、博士生導師、副院長(cháng)張建表示,針對傳統檢測技術(shù)效率低、海量監測數據分析難等瓶頸問(wèn)題,聚焦結構智能檢測與健康監測研究,交叉融合結構動(dòng)力學(xué)、非接觸測量、大數據分析等多學(xué)科技術(shù)形成“智能檢測-快速測試-實(shí)時(shí)監測”研究主線(xiàn),是推動(dòng)結構安全運營(yíng)與維護的有效途徑。

      為橋梁做“體檢”

      聚焦結構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)權的光學(xué)成像和微波雷達兩大類(lèi)非接觸式測量設備,著(zhù)力解決大型土木結構撓度指標難測量、測不準等工程難題,實(shí)現結構多目標振動(dòng)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(mén)大橋渦激振動(dòng)事件,考慮事件緊急、時(shí)間緊迫等因素,傳統的GPS(全球定位系統)和連通管等接觸式檢測手段無(wú)法滿(mǎn)足現場(chǎng)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備,遠距離高精度捕捉到了橋梁結構的變形信息,并基于結構識別理論對虎門(mén)大橋渦振下的頻率、模態(tài)轉換以及橋梁阻尼比進(jìn)行了分析,從而為后續虎門(mén)大橋的維修決策提供了數據支撐,在虎門(mén)大橋渦激振動(dòng)監測與預警方面發(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)在結構病害檢測方面同樣具備優(yōu)勢,其難點(diǎn)是如何自動(dòng)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(jué)技術(shù)及無(wú)人機平臺實(shí)現橋梁結構的智能檢測?!睆埥ń忉屨f(shuō),該部分主要分為以下幾個(gè)方面的具體工作:

      一是具備自主飛行與避障能力的無(wú)人機平臺開(kāi)發(fā),通過(guò)飛行路徑優(yōu)化等設計,能夠快速實(shí)現大型橋梁外觀(guān)圖像的獲取。還可開(kāi)發(fā)爬壁機器人等形成結構重點(diǎn)區域的精細檢測。

      二是利用深度學(xué)習算法分析所獲得的圖像得出結構裂縫等病害信息。例如針對圖像中細微裂縫(小于5像素)難以準確測量的問(wèn)題,開(kāi)發(fā)了基于生成對抗網(wǎng)絡(luò )的細微裂縫自動(dòng)勾畫(huà)算法與基于Zernike矩的亞像素寬度識別方法,相對于傳統方法能夠實(shí)現對圖像中的細微裂縫更高精度的測量,進(jìn)一步開(kāi)發(fā)與應用漸進(jìn)式支持向量機、量子計算算法、Faster R-CNN(快速區域卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò ))等系列機器學(xué)習和優(yōu)化算法,促進(jìn)與土木工程的深度交叉融合,并成功應用于淮安大橋、佛山高明大橋檢測工程,在橋塔、高墩等傳統檢測難點(diǎn)部位發(fā)現裂縫、剝落等多處病害。

      現代科技為橋梁實(shí)時(shí)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(xiàn)采集系統,可實(shí)現橋梁安全性能的全天候不間斷監管。與傳統定期檢測相比,在線(xiàn)系統可實(shí)時(shí)監控在巡檢間隔期間的結構安全、荷載承擔、環(huán)境變化等情況。同時(shí),對時(shí)間軸統一的多個(gè)指標實(shí)施統一監控,則可實(shí)現對結構安全的整體判定。通過(guò)對多個(gè)指標的綜合分析,檢查結構可能存在的內部問(wèn)題,起到防微杜漸的作用。

      車(chē)輛荷載作為橋梁結構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(kāi)發(fā)了橋梁運營(yíng)階段車(chē)輛荷載的快速識別方法,可以實(shí)現對結構群協(xié)同監測范圍內車(chē)輛荷載的快速識別與特征統計,避免昂貴的路面動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統的安裝。為解決傳統移動(dòng)目標識別過(guò)程中存在的問(wèn)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(chē)輛時(shí)空信息獲取系統,并成功應用于安慶長(cháng)江大橋的車(chē)輛時(shí)空信息獲取。

      以長(cháng)大跨橋梁長(cháng)期監測數據為基礎,張建重點(diǎn)研究了大數據分析等一些新興技術(shù)與蘇通大橋等十數座長(cháng)大跨橋梁診斷評估的交叉融合,針對江陰大橋10年監測數據進(jìn)行統計分析,建立了復雜結構溫度應力、內力與變形分布的計算方法,揭示了不同結構形式與邊界條件下溫度引起的結構內力與變形的協(xié)調機理,為長(cháng)大跨橋梁管理決策提供數據支撐。

      結構健康監測技術(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(jìn)其發(fā)展。一切新技術(shù)的接入,旨在降低健康監測系統布置以及運營(yíng)的門(mén)檻,提高結構健康監測技術(shù)的智能化程度。因此,基于計算機視覺(jué)和微波技術(shù),進(jìn)一步研發(fā)在線(xiàn)相機和在線(xiàn)雷達變形實(shí)時(shí)監測系統。此外,考慮沿江河流域內橋梁結構存在船舶碰撞的風(fēng)險,研發(fā)融合AIS(船舶自動(dòng)識別系統)和視頻技術(shù)以及微波雷達技術(shù)的橋梁主動(dòng)在線(xiàn)防撞系統,能夠為橋梁結構的防船撞與安全運營(yíng)提供保障。

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


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