结构健康监测发展历程

    结构健康监测，简称结构健康监测技术，起源于上世纪50年代，最初的目的是进行结构荷载监测。随着结构大型化、复杂化、智能化的发展，结构监测技术的内容也逐渐丰富，不再是简单的载荷监测，而是向结构损伤检测、损伤评估、结构寿命预测甚至结构损伤的自动修复方向发展。结构健康监测的前提是从工程结构中提取能够反映结构特征的参数信号，如应力、应变、温度、变形、速度、加速度、位移等局部或整体信号，然后利用合理有效的信息处理方法，从原始数据中提取结构损伤和老化信息，监测结构的荷载和运行状况，为结构的安全使用和维修提供参考，降低维修成本，预测灾难性事件的发生，将损失降到最低。这项技术已广泛应用于航空航天、机械等领域，但在土木工程领域，尤其是建筑结构领域，尚处于探索的基础阶段。

    20世纪80年代中后期至90年代，结构健康监测系统的研究发展迅速。欧美一些国家首先提出了结构健康监测的新概念，先后在一些重要的大跨度桥梁或结构体系新颖的桥梁上安装了健康监测系统，主要监测环境荷载、结构振动和局部应力状态，为了监控施工质量，验证设计假设，评估结构安全状况。英国Foyle大桥、挪威skamsund斜拉桥（主跨530m）、丹麦great belteast悬索桥和fame斜拉桥（主跨1624m）安装了不同规模的健康监测系统，英国flinshire单塔斜拉桥主跨194m，加拿大Confederiot桥和墨西哥tampic-Ding斜拉桥。随着社会经济的发展，防灾减灾越来越受到人们的重视。结构健康监测系统已成为航空航天、国防、复合材料、土木工程等领域的研究热点。许多国家在新的和现有的重要工程结构中增加了健康监测系统。

    20世纪90年代以来，我国一些大型重要桥梁建立了不同规模的结构健康监测系统。在施工阶段，青马大桥、鸭水门大桥、香港汀九大桥、虎门大桥、溆浦大桥、江阴长江大桥和内地第二南京长江大桥都开始安装健康监测传感设备，以期在未来的运行中进行实时监测。上海徐浦大桥结构状态监测系统由六个子系统组成：车辆荷载、温度、挠度、应变、主梁振动和斜拉索振动的测量；江阴长江公路大桥安装的健康监测系统主要监测加固梁的位移、吊索的索力、锚跨主索股的受力以及主索、加固梁、吊索的振动加速度。南京长江大桥安装的健康监测系统主要监测温度、风向、地震和船舶撞击、桥墩沉降、几何线形、结构振动、振动等，监测主要分析构件的应力和支座的位移。

    随着科学技术的发展，结构健康监测的研究已逐步应用到海洋平台结构、高层建筑、车站等工程结构中。为了监测桥梁和玻璃屋盖的损伤情况，在火车站安装了基于应力和倾角监测的健康监测系统，要求相邻桥墩之间的垂直位移差不得超过10mm；意大利在一个著名的教堂安装了健康监测系统。20世纪70年代末，海洋平台结构健康监测研究开始。我国海洋平台结构健康监测研究始于20世纪80年代末。中国科学院力学研究所刘春图等研究了南海11-4平台的结构健康监测，主要对平台的结构应力、加速度、风浪和海流环境进行监测分析，对平台在强风暴条件下的工作安全性进行评估；1998年，哈尔滨工业大学欧金平等人以Delphi为开发工具，开发了海洋平台结构实时安全监测系统，实现了渤海JZ20-2MUQ平台结构的实时监测和安全评估。

    所谓结构健康监测，就是利用现场的无损检测信息，识别结构的完整性和损伤状态。损伤识别分为损伤是否发生、损伤部位和损伤程度三个层次。其基本思想是通过监测结构在异常荷载作用前后的响应来推断结构特性的变化，进而对结构的损伤进行诊断和评估，或通过连续监测发现结构的长期退化。整个过程包括结构的监测、诊断和安全评价。健康监测的主要目的是检测结构在临界点之前的损伤情况，这是一个实时的在线监测过程。健康诊断是通过测量结构的关键性能指标，来判断结构是否受到地震、强风、人为破坏等自然因素的破坏，还是在长期使用后的破坏。如果损坏，损坏位置和程度如何，继续使用和剩余寿命的安全评估是通过结构允许的各种可能的测试手段，通过与临界失效状态的比较，测试其当前工作状态，评估其安全水平。

    早期，Housner等人将结构健康监测定义为通过无损传感技术获取和处理运行结构数据的有效方法，并对结构的可靠性和耐久性等主要性能指标进行评估。随着结构及相关领域专家的不断探索和结构健康监测技术在实际应用中的总结，有人将结构健康监测定义为“用最少的人力实现对结构的自动连续监测和观测”。基于近年来其他研究者的讨论和自己的研究实践，我认为结构健康监测可以定义为“以最少的人为干预，实现结构健康状态的实时连续监测和损伤识别自动化系统，因此，健康监测的发展目标是将广泛应用的离线、静态、被动的损伤检测转变为在线、动态、实时的监测与控制。

    到目前为止，结构健康监测技术大致经历了三个发展阶段。第一阶段是基于结构健康监测领域专家的感官和专业经验，只能对诊断信息做简单的数据处理。第二阶段是基于传感器技术和动态测试技术、信号处理和数学建模，近年来为了满足大型复杂结构的健康诊断要求，结构健康监测技术已进入以知识处理为核心，数据处理与知识处理相结合的智能化发展阶段，其最终目标是实现在线实时连续监测与安全评估的智能化系统。随着结构健康监测理论的不断发展，对结构健康监测系统的要求也越来越高。目前，预期结构健康监测系统一般是指具有结构监测、系统识别和结构评价功能的综合监测系统。结构健康监测包括荷载监测、几何变形监测和结构响应监测。

    荷载监测主要针对各种荷载，如风荷载、交通荷载、地震荷载等几何变形监测主要针对高层建筑的整体水平位移和倾斜度，桥面和大跨度屋面的变形，结构响应监测，如结构支座和伸缩缝的相对位移，主要研究结构构件在环境振动和强震作用下的动力响应时程，结构在风压作用下的时程曲线和风谱分析，结构构件的局部内力变化，为实现上述健康监测目标，需要利用由传感器、相关设备和计算机系统组成的结构健康监测系统对结构进行长期在线监测，并有效地利用监测信息对结构进行状态反演和损伤识别。结构健康监测的关键在于先进传感器的优化布置，技术层面的信息采集处理和高效传输，理论层面的结构识别理论和状态评估理论的发展。我们认为目前结构健康监测系统的研究水平一般包括传感器子系统、数据采集与传输子系统、数据处理与控制子系统、数据动态管理与查询子系统以及实现诊断功能的各种软硬件。在结构健康监测系统中，除了传统的传感器外，光纤传感器、压电材料传感器、磁致伸缩材料传感器等新型智能传感器也受到了广泛的关注。

    结构健康监测系统可分为两部分：高性能传感元件和信号检测装置、实时数据分析传输和存储装置、动态管理、结构损伤识别和健康评估。从国内外结构健康监测的研究经验来看，主要工程结构的健康监测系统除了早期的人工检测外，还经历了以下几个阶段：

（1） 单一集中在线监测

数据采集、信号处理、特征提取和损伤诊断由单片机或计算机完成。一般适用于结构重要主体部位的监测，监测空间范围小，测点数量有限且相对集中。评估结构的整体性能也很困难。

（2） 分布式在线监测

一个完整的分布式监测网络是由多台计算机通过网络、总线等传统的计算机通信手段组成，根据测点的布置和监测系统的规模，不仅可以实现对结构关键构件的监测和损伤诊断，同时也实现了对结构整体性能的评价。系统比较复杂，技术难度大，投资高。

（3） 远程分布式在线监测

系统采用先进的现场总线网络、局域网和Internet技术，实现了分布式数据采集、集中数据管理、网络浏览和信息共享、远程监测和损伤诊断。远程在线监测和诊断的技术要求较高，在设计和应用中需要解决许多关键技术问题。

（4） 无线传感器网络监测

从理论上讲，无线传感器网络监测系统易于实现对结构的远程分布式在线监测，解决了传感器布线困难、工作量大的问题。无线传感器网络监测是结构健康监测领域的一个研究热点，但尚未达到实用化水平。许多关键技术需要解决，如电源技术、节点布局、通信协议技术等。

    综上所述，结构健康监测系统的研究和应用越来越广泛，而北京安信卓越信息科技有限公司正是国内这一领域的深耕者，作为一家以打破监测行业跨专业壁垒为己任，致力于为客户提供线上，线下一条龙、全方位监测服务的公司。公司旗下的知物云，一定程度上打破了计算机与传统行业的技术壁垒，是5G通讯、物联网、大数据和土木行业结合的产物，即从传感器安置，到数据集成，再到数据可视化报表呈现，是一套比较成熟的自动化监测体系。

    在2023年初，平台更是对系统进行了更新与升级，目前能够对桥梁、基坑、建筑物、边坡、隧道、大坝、路基、气象、尾矿库、特种设备、临时设施（高支模、塔吊等）、铁塔、管廊、管线、铁路、地铁、地灾、环保、工业、钢结构等20种结构物进行远距离实时在线监测。不仅如此，知物云平台还接入并解析了700余家硬件制造厂商，例如基康仪器，金码测控等等，平台不仅完美的解决了项目多家传感器的兼容性问题，还可以为您提供更高性价比的，更多样性的硬件设备推荐。最后，知物云还可以为客户提供个性化的技术和软集成服务，例如本地服务器部署，平台定制，设备协议解析等个性定制服务。
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