?來源：軌道交通網

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由于自然災害、人為因素或者是結構本身的性能問題，交通安全突發事件屢有發生，一旦某一個結構損毀，會造成經濟損失，甚至危及生命財產安全。那么，應該如何應對自然災害對交通基礎設施重大工程結構壽命的影響，并提高基礎設施在長期“服役”中的安全性、適用性、耐久性和災后自康復性呢？

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作為一種新興智能技術，結構健康監測最大的特點是將以往離線、靜態、人工的檢測，轉變為了在線、動態、自動的監測，就像一名智能“醫生”，能夠實時對結構作出診斷，精確掌握結構的健康狀態，這樣一來為實現結構健康的智能化管理提供了有效手段，對于保障全壽命周期結構安全，提升結構的運用維護效率，發揮著重要作用。

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結構健康監測近年來在各行業發展迅速，為不同結構的安全性和高效自動化運行提供了重要保障。中國軌道交通的快速發展，對結構健康監測技術的應用需求也日益旺盛。目前，中國鐵路運營里程超過12萬公里，其中高鐵運營里程超過2萬公里，位居世界首位，高速列車保有量超過2300列，到2020年，高鐵的運營里程將突破3萬公里。同時，中國30多個城市建成了4000多公里的軌道交通線路，預計2020年將達到6000公里，結構健康監測技術在軌道交通領域大有用武之地。

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我們把高層建筑、空間結構、大型橋梁、大型交通樞紐、大壩、長道隧道都作為大型結構，大型結構的安全性、可靠性與我們每個人密切相關。

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交通運輸是國民經濟的基礎產業,是經濟發展的大動脈，在當今的經濟社會發展過程中起著至關重要的作用。經過30多年的建設，我國交通基礎設施發展迅速、規模大，技術水平高。中國工程院院士杜彥良介紹，我國多條高鐵線路達到“世界第一”：寒冷地區第一條高鐵——哈大高鐵，第一條穿越沙漠地區的高鐵——蘭新高鐵，濕熱地區第一條高鐵——海南東環高鐵。

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在修建交通基礎設施重大工程結構的過程中，需要適應復雜多變的自然環境。以鐵路為例，高速鐵路需要適應黃土、凍土、軟土、膨脹土等復雜的地質條件，以及高寒、高溫、高濕、強風等多變的地理環境。

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“由于自然災害、人為因素或者是結構本身的性能問題，交通安全突發事件屢有發生，一旦某一個結構損毀，會造成經濟損失，甚至危及生命財產安全。”杜彥良解釋，突發的自然災害，如洪水、泥石流、滑坡等，可能導致工程結構意外損毀增多，使用壽命下降。另外，在復雜的自然環境下，風、雪、地震等因素的長期作用也會導致工程結構承載力和耐久性下降，基礎設施性能退化。

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那么，應該如何應對自然災害對交通基礎設施重大工程結構壽命的影響，并提高基礎設施在長期“服役”中的安全性、適用性、耐久性和災后自康復性呢？杜彥良表示，對重大工程結構的健康監測是實現預防性維護，保障重大結構安全、高效、經濟運行的關鍵環節，也是現在國內外的研究重點。

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健康監測是指實時掌控工程結構的健康狀態，及時發現結構工程的事故隱患，并及時采取措施，其中包括自然災害的立體監測、預報預測等?！?/span>結構健康監測系統采用先進的傳感、數據采集、通信和智能識別等技術，實現荷載與結構反應采集、傳輸、存儲、分析、評價、預警預報于一體的自動化、網絡化、智能化綜合系統。”杜彥良說。

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從國家來說，高度重視結構健康狀態的發展，從國家中長期發展規劃來說制定了多個措施保證安全狀態，最關鍵的是幾個方面：一個是在在結構安全期的狀態如何保障;二是如何進行監測和預報，包括技術理論和裝備的研發。第二個問題是交通部，交通部也在對各種重大工程結構方面進行技術攻關，這里面的第一個關鍵問題就是實時掌控結構的健康狀態，及時發現它的事故隱患，及時采取措施。包括自然災害的立體檢測、預報預測，這塊是交通部近年來的重大課題。

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從鐵道系統，因為我國鐵道系統發展迅猛，特別是高速鐵路的迅猛發展，如何保證整個全線運營安全也是當今和未來發展的重點，這里面主要是對交通基礎設施的重大工程結構的健康狀態的安全性和發展進行實時掌控。第二是在運行過程中事故起件、突發災害的狀態進行監控。比如地震突發時如何提前捕捉它的信息，提前導致列車緊急制動。比如日本提前15秒獲得地震信息提前緊急制動避免生命財產的損失，所以說這塊也是我們研發的重點。

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工信部在中長期和十二五以來對信息的感知、信息傳輸、信息處理、信息安全方面開展行動，為今后大型工程結構監測和其他發展創造了很好的基礎。目前信息化、工業化兩化的融合為大型交通基礎設施、為大型交通工程的安全性進一步提供了保障。

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對一個大型工程結構來說，從它的設計、建造、運營到損傷、老化是全壽命的，全壽命過程中如何保障它的安全性，我們采取了在使用過程中的監測，在運用過程中的連續監測，實時掌握它的健康狀態。從測試分析到結構的安全評估，對結構的維護形成完整的全壽命過程的保障，就像醫生給人看病一樣，我們對結構也建立了健康監測系統。

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我們一般分成三大部分，一是監測系統，采用什么樣的傳感技術能夠完整、長期、準確、連續地獲得信息;二是信息的處理與傳輸部分，這部分保證對信息實時、快速傳到監控中心;三是對數據的分析處理，對它的損傷程度、損傷位置進行識別，做出判斷;四是養護維修進行修護，這就構成我們結構的安全系統，這個系統涉及到多學科，既包含對結構專業人員，也涉及到計算機信息處理的人員，這塊健康結構的監測與互聯網就結合起來了。

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這樣的話依據結構養護的需求以及當今科技手段，實現結構狀態數字化和信息化，推動主動式養護與管理進步，有效提高和保障結構運營的檢測、養護和管理水平，降低全壽命期運營安全風險，延長安全使用壽命意義重大。一個工程結構我們百年設計，如何在百年過程中保障安全，延長使用壽命就是我們當前所需要做的重要工作。

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在國際上，大型結構的健康監測一直受到高度重視，美國、法國、日本、丹麥等國家在一些特大橋梁上建立的監測系統，可以實時預報結構運行的安全狀態，并實時預測自然災害突發后對結構的影響，確保交通基礎設施運營安全。

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我們國家從上個世紀末也開始開展健康監測系統的研究，雖然時間短，但是發展快，隨著我國大批大型工程建設，大型交通基礎設施的建設如何保證結構的質量，如何保證運營安全成為結構健康監測的任務。

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健康系統主要有四個方面：一是為結構長期科學有序的監測、巡檢、養護、管理提供一個數據平臺，建立結構長期的數字化和信息化檔案。過去是人為管理，對結構不了解、不掌握;

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二是盡早發現結構自身或者行車過程中的危險狀態，在結構危險萌芽階段時提前預警，確保安全，特別是鐵路，要實時提前發現事故隱患，提前排除確保安全;

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三是有效掌控運行期間結構的局部或整體長期使用狀態和發展趨勢，為養護決策提供數據與信息支持。

四是有效掌握交通基礎設施運營期在的運行狀態，為突發狀態時提供數據保障。

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從宏觀上結構健康監測系統的主要目標：為結構安全、設計校核、養護維修和監測技術發展提供服務;從技術細節和實現要求來說，健康檢測系統是具備足夠的船干測試能力;二是具備數據采集和傳輸能力，這就與互聯網相關;三是需要對結構的安全評估與健康診斷，首先是對結構模型的修正與分析，對損傷的模型定位，損傷發生在什么地方，對結構將來有什么影響，同時對結構的安全性發出實時預警預報。這就是健康監測的任務。

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實時健康監測是跨學科、多領域的綜合技術，將涉及到土木工程、動力學、材料學、傳感技術、測試技術、信號分析、計算機技術以及網絡通信技術等等，所以結構健康監測系統的發展以致于通信與網絡技術的發展緊密相關。

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近些年，杜彥良的研究團隊也在從事相關研究，已建設了一批有代表性和影響力的安全保障平臺。如，在青藏鐵路多年凍土區鐵路路基上建立了長期、遠程、自動監測與安全評價系統，包含12384個測點、86個現場測站；針對多個大型橋梁，建立了長期遠程狀態監測、安全評價與預報預警系統。

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同時，其他科研院所也貢獻了一批具有世界影響力的健康監測系統和區域綜合信息平臺，例如在214國道、青海木里及周邊地區建立了包括氣象觀測、公路典型監測斷面、生態環境信息、凍土路基信息、寒區隧道圍巖熱狀況等在內的凍土區公路建設與養護數據中心。

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對一些長大隧道的施工過程和運營安全也建立了實時監測系統。對我國第一條大型的秦皇島到大秦的大秦線進行了廣域監測系統，進行實時監測。同時東北世界第一條哈大鐵路進行監控，對路基狀態進行了實時監測系統，為運行安全提供安全保障。對青藏鐵路是我國建立的第一條高寒高原鐵路，在海拔4000米以上，有550公里的凍土區，人工監測是不可能的，我們在高寒高原上建立了第一條長期自動檢測系統，人民日報報道為青藏鐵路安裝了千里眼，為青藏鐵路的運營安全提供了技術保障。

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通過上述的研究，我們現在分成兩代，一是大型的實時監測，現在總結起來擴展性差，施工復雜性和建設費用高，基于互聯網的發展，基于現代信息技術的發展，我們發展了復合網的模式，面向廣域范圍的結構實時監測，可以考慮可靠性的多通信制式支持，遠程化，智能化信號與信息處理，這也是今后發展的重點方向。

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所以未來的目標是以結構運營安全與維護為服務對象，以現代化監測全息、泛在、智能為要求，以結構物聯網為基礎，以提供專業化的海量數據計算服務為平臺，是對現有結構健康監測系統的拓展，以促進建設形態與養護模式的創新與改進?，F在的養護與維修是定期式的，運行過程中每個結構的質量不一樣，管理不一樣有提前損壞的也有延遲損壞的，不能實時監測，有了這個方案以后我們就可以實時掌控它的狀態，及時維護維修，我們叫按需維修，這就節省了投入。

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健康監測系統與平臺的新特征與能力是什么呢?主要有四個方面：一是隨著結構建設規模的越來越大，結構建筑物數量的越來越多，組成監測系統傳感網絡的采集、傳輸的數據量接近海量，同時新型機動車輛的檢測對階段數據類型不斷豐富將出現大數據的特點，也就是說我們將會長期、完整地獲取各結構的信息，對信息的處理成為今后面對的問題。

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二是在健康監測領域管理者最關注的是及時掌握結構的異常狀態、安全狀態，必要的時候要對它進行維護和管理，根本就是基于對于數據規律的挖掘，有助于充分利用數據價值，所以說大數據和互聯網將為科學研究提供新一步的途徑。這是我們今后研究和發展的重點。

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三是設計和研究者將關注與結構運營時的荷載與響應是否與設計相一致。過去研究是在實驗室建立的小模型，現在如果有了實時的對結構的監測，每一個結構物都是我們的實驗模型，都是我們的實驗實體，都是我們的研究對象，這就可以及時提升結構設計的安全性，而且結構與經濟的平衡更好，保證結構壽命更長，找到平衡點。

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四是在多結構健康監測數據分析需求形成規模時，專業數據分析中心的云計算系統提供的數據分析與共享服務將會質優而價廉。隨著信息系統和互聯網的發展為這樣的監測系統提供廉價的服務成為可能，基于數據的服務業更具針對性和準確性，智能化和智慧化系統特性更為顯著，使未來的智慧城市成為可能。

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對于推進未來重大工程結構安全保障技術，杜彥良說：“未來，將開展基于信息技術與重大結構狀態監測、性能評估、風險預警和性能保持相結合的新理論、新技術、新裝備的研究，建立新型結構信息支持系統，保持復雜環境下交通基礎設施的長期安全運營。”而這其中，氣象部門可以更廣泛地參與其中，提供氣象基礎數據，并進一步提高交通預報的精準性。

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