大跨度空間結(jié)構(gòu)是一個(gè)國家建筑業(yè)技術(shù)水平的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)，它廣泛應(yīng)用在各種大型體育場(chǎng)館、劇院、會(huì)議展覽中心、機(jī)場(chǎng)候機(jī)樓等重要標(biāo)志性建筑， 是新材料、新技術(shù)、新工藝為綜合技術(shù)的現(xiàn)代文明的體現(xiàn)。
當(dāng)前是我國基本建設(shè)的高潮時(shí)期，大跨度空間結(jié)構(gòu)的數(shù)量和規(guī)模都是歷史上前所未有。例如：2008 年奧運(yùn)工程國家體育場(chǎng)“鳥巢”、國家游泳中心“水立方”、國家大劇院、首都機(jī)場(chǎng)新航站樓、2010 年上海世博會(huì)場(chǎng)館以及廣州會(huì)展中心、哈爾濱會(huì)展中心等?？傮w建筑規(guī)模超過2 000萬m2 。
1 研究背景
大跨度空間結(jié)構(gòu)工程屬于集設(shè)計(jì)、分析、制造技術(shù)于一體的重大設(shè)施，它外形獨(dú)特，體系復(fù)雜，建造技術(shù)高難度，通常也是人員聚集、大型活動(dòng)的場(chǎng)所，其安全性尤為重要。大跨度空間結(jié)構(gòu)大量采用鋼材、膜材、高強(qiáng)鋼束等新型材料。
環(huán)境的侵蝕、材料的老化、地基的不均勻沉降和復(fù)雜荷載、疲勞效應(yīng)等因素的耦合作用，將不可避免地導(dǎo)致結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的損傷積累和抗力衰減，極端情況下引發(fā)災(zāi)難性的突發(fā)事件。例如：1992 年9 月深圳國際展覽中心4 號(hào)展廳網(wǎng)架屋蓋使用3年后在暴雨中倒塌；2002 年4 月湖南耒陽電廠大型空間結(jié)構(gòu)儲(chǔ)煤庫建成5 年后，由于使用和環(huán)境腐蝕等原因發(fā)生倒塌事故；韓國濟(jì)洲島一體育場(chǎng)在2003 年的一次強(qiáng)臺(tái)風(fēng)中倒塌；2004 年5 月法國巴黎戴高樂機(jī)場(chǎng)剛建成的候機(jī)廳發(fā)生屋頂坍塌；2007 年1 月雨雪、大風(fēng)及材料老化導(dǎo)致將用于舉辦2010 年冬奧會(huì)開幕式和閉幕式的溫哥華體育場(chǎng)穹頂坍塌等。
上述實(shí)例說明，雖然空間結(jié)構(gòu)屬于超靜定結(jié)構(gòu)，但空間受力比較復(fù)雜，當(dāng)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位發(fā)生破壞，結(jié)構(gòu)可能會(huì)很快整體破壞。由倒塌事故來看，空間結(jié)構(gòu)會(huì)在幾分鐘，甚至幾秒鐘內(nèi)倒塌。因此，在我國建立起大跨度空間結(jié)構(gòu)作為重大工程設(shè)施的定期故障監(jiān)測(cè)制度，實(shí)施長期實(shí)時(shí)的健康監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警措施顯得尤為重要。
大跨度空間結(jié)構(gòu)與大型橋梁、大壩、海洋平臺(tái)、石油管道等一樣屬于國家大型土木工程設(shè)施。對(duì)于橋梁、大壩、海洋平臺(tái)等國家大型設(shè)施的故障預(yù)警與安全性評(píng)估技術(shù)研究，在世界范圍內(nèi)開展得比較早。尤其在美國、日本等發(fā)達(dá)國家，很早就有相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)許多高校與科研機(jī)構(gòu)在大型橋梁、海洋平臺(tái)等重大設(shè)施安全性測(cè)評(píng)技術(shù)研究領(lǐng)域也開展了多年研究，取得了一系列科研成果與工程業(yè)績。大跨度空間結(jié)構(gòu)由于起步較晚，故障預(yù)警與安全性評(píng)估技術(shù)才剛剛起步，而由于其自身大跨度、大面積分布以及鋼材為主的建筑特征，明顯區(qū)別于橋梁、大壩、石油管道等線性分布的混凝土結(jié)構(gòu)類為主的建筑，現(xiàn)有的故障預(yù)警與安全性評(píng)估技術(shù)不能直接用于大跨度空間結(jié)構(gòu)中來。
要建立針對(duì)大跨度空間結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)與故障預(yù)警系統(tǒng)，需要開展兩大方面內(nèi)容的研究： ①復(fù)雜環(huán)境下大跨度空間結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理與安全性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)研究；②大跨度空間結(jié)構(gòu)類型的監(jiān)測(cè)技術(shù)手段研究。
2 空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)內(nèi)容
結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的定義是指利用現(xiàn)場(chǎng)的無損傳感與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性分析（包括結(jié)構(gòu)反應(yīng)） ，探測(cè)結(jié)構(gòu)的變化，揭示結(jié)構(gòu)損傷與結(jié)構(gòu)性能劣化。結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)不是一個(gè)新概念，對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變、加速度、速度、位移、旋轉(zhuǎn)等參數(shù)的測(cè)量一直是結(jié)構(gòu)工程監(jiān)測(cè)的基本方法。由于土木工程結(jié)構(gòu)的特殊性，如結(jié)構(gòu)形式多樣、服役周期長、影響結(jié)構(gòu)性能的因素復(fù)雜多變等，對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)比一般的機(jī)械系統(tǒng)要復(fù)雜。理想的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)能在結(jié)構(gòu)損傷出現(xiàn)的較早時(shí)期發(fā)現(xiàn)損傷，在傳感器允許的情況下，結(jié)合損傷識(shí)別技術(shù)確定損傷的位置，評(píng)估損傷程度，預(yù)測(cè)剩余的有效壽命并采取相應(yīng)的加固措施。目前，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是世界土木工程界的難題，也是研究的熱點(diǎn)。
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)是一個(gè)多領(lǐng)域跨學(xué)科的綜合性技術(shù)，包括土木土程、動(dòng)力學(xué)、材料學(xué)、傳感技術(shù)、測(cè)試技術(shù)、信號(hào)處理、網(wǎng)絡(luò)通訊通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、模式識(shí)別等多方面的知識(shí)。
整個(gè)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的研究內(nèi)容是一個(gè)非常龐大的技術(shù)體系，主要包括以下方面。
1） 監(jiān)測(cè)范圍
①結(jié)構(gòu)重要部位監(jiān)測(cè) 對(duì)于中小型結(jié)構(gòu)可以只對(duì)結(jié)構(gòu)可能發(fā)生損傷破壞的部位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以降低監(jiān)測(cè)成本。一般采用間歇式人工監(jiān)測(cè)，條件允許時(shí)也可采用小型監(jiān)測(cè)設(shè)備；
②結(jié)構(gòu)全面監(jiān)測(cè) 對(duì)于大型的重要結(jié)構(gòu)，既需要監(jiān)測(cè)那些對(duì)損傷敏感的部位或子結(jié)構(gòu)，如局部的應(yīng)力、應(yīng)變、位移和加速度等，也需要及時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的整體健康狀況，如內(nèi)力、撓度及振型和頻率的變化，一般需要配合大型全面的監(jiān)測(cè)設(shè)備和健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
2） 監(jiān)測(cè)方式
①人工監(jiān)測(cè) 利用簡單的儀器，定期人工監(jiān)測(cè)和檢測(cè)，成本較低且不需高新技術(shù)，但費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，準(zhǔn)確性不高；
②自動(dòng)監(jiān)測(cè) 采用多種類的傳感器和監(jiān)測(cè)設(shè)備，利用系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，一般適用于特大或重要的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)，自動(dòng)化程度高，是當(dāng)前研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向；
③聯(lián)合監(jiān)測(cè) 將上述兩個(gè)方法結(jié)合起來，用各種小型的自動(dòng)化程度較高的儀器，配合人工監(jiān)測(cè)，比較適合一般結(jié)構(gòu)，具有廣泛的應(yīng)用前景。
3） 監(jiān)測(cè)狀態(tài)
①靜態(tài)監(jiān)測(cè) 對(duì)結(jié)構(gòu)的靜態(tài)幾何和力學(xué)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可較直觀地反映結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)；
②動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè) 在結(jié)構(gòu)運(yùn)營情況下，基于人為激勵(lì)或環(huán)境激勵(lì)，監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)幾何和力學(xué)參數(shù)。
4） 監(jiān)測(cè)的結(jié)構(gòu)參數(shù)
①位移 絕對(duì)位移和相對(duì)位移，靜位移和動(dòng)位移；
②變形 靜（動(dòng)） 撓度、靜（動(dòng)） 應(yīng)變等；
③內(nèi)力 桿件和索拉力等；
④動(dòng)力參數(shù) 速度、加速度等；
⑤外觀和完整 氣蝕、磨損、裂縫、剝落等；
⑥物理化學(xué)現(xiàn)象 混凝土堿集料反應(yīng)、鋼材銹蝕等；
⑦環(huán)境 風(fēng)速、溫度、地震、荷載等。
5） 監(jiān)測(cè)手段
①位移測(cè)試 位移計(jì)、傾斜儀、測(cè)量設(shè)備、GPS、數(shù)字成像機(jī)等；
②變形測(cè)試 位移傳感器、電阻應(yīng)變儀、壓電式應(yīng)變儀、振弦應(yīng)變儀、分布式光纖應(yīng)變計(jì)等；
③內(nèi)力測(cè)試 壓力環(huán)、磁彈性張力計(jì)、油壓計(jì)、剪力銷等；
④動(dòng)力參數(shù)測(cè)試 速度計(jì)、加速度計(jì)；
⑤外觀或完整率測(cè)試 刻度放大鏡、數(shù)字成像機(jī)、超聲探測(cè)儀等；
⑥環(huán)境測(cè)試 風(fēng)速計(jì)、溫度計(jì)、地震儀等。
3 空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)組成
大跨度空間結(jié)構(gòu)故障監(jiān)測(cè)和預(yù)警由于以大規(guī)模、大面積空間布局、靜態(tài)應(yīng)力和形變?yōu)橹鞯奶攸c(diǎn)，因此必須建立專業(yè)的大跨度空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)理論，包括不同體系、不同荷載、不同損傷的識(shí)別與安全評(píng)估理論；開發(fā)新型適用于空間衛(wèi)星式布局、性能可靠的硬件設(shè)備，確保精度和長期工作的穩(wěn)定性，降低產(chǎn)品成本；開發(fā)相應(yīng)的智能故障預(yù)警軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間結(jié)構(gòu)長期、實(shí)時(shí)、在線的監(jiān)測(cè)與預(yù)警。
3.1 空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)理論
大跨度空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)理論主要包括大跨度空間結(jié)構(gòu)的故障機(jī)理與安全性評(píng)估理論。研究內(nèi)容主要指在基于空間結(jié)構(gòu)本身的體系拓?fù)?、?jì)算分析、施工建造等研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析結(jié)構(gòu)整體削弱、核心部件受損、外界因素突變等情況下的受影響機(jī)理以及結(jié)構(gòu)模型修正后的內(nèi)力重分布。
理論研究的空間結(jié)構(gòu)體系包括：空間網(wǎng)架網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力拉索網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、索膜結(jié)構(gòu)、張弦梁結(jié)構(gòu)、弦支穹頂結(jié)構(gòu)、空間多面體剛架結(jié)構(gòu)、“鳥巢型”復(fù)雜結(jié)構(gòu)等。
考慮的復(fù)雜環(huán)境因素主要包括：材料腐蝕、地震作用、臺(tái)風(fēng)作用、溫度效應(yīng)、超載、火災(zāi)、爆炸沖擊、施工工藝等。典型故障因素包括：索松弛與破斷、結(jié)構(gòu)撓度過大、結(jié)構(gòu)振動(dòng)異常、構(gòu)件損傷、約束破壞等。在考慮以上因素的前提下，大跨度空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)理論的研究可歸納為基于影響機(jī)理的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別問題與基于模型重建的結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估問題。
大跨度空間結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別技術(shù)是健康監(jiān)測(cè)研究范疇內(nèi)的核心問題。一般的結(jié)構(gòu)損傷在物理狀態(tài)空間表現(xiàn)為剛度降低、柔度增大；在模態(tài)空間表現(xiàn)為固有頻率降低。無論從研究角度還是從實(shí)用角度出發(fā)，結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的內(nèi)容均需判明損傷的部位及部位物理參數(shù)的變化以及結(jié)構(gòu)整體性能的變化等方面。
完整的損傷識(shí)別技術(shù)按照流程可分4 個(gè)層次：
(1)斷結(jié)構(gòu)和構(gòu)件是否損傷及何時(shí)發(fā)生的損傷；
(2)判斷結(jié)構(gòu)的損傷位置；
(3)判斷結(jié)構(gòu)損傷類型及損傷程度；
(4)進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評(píng)定和壽命預(yù)測(cè)。
前3個(gè)層次分別是結(jié)構(gòu)具體損傷的定性和定時(shí)、定位和定量問題；層次是結(jié)構(gòu)整體的定位和定量問題。
大跨度空間結(jié)構(gòu)安全度評(píng)估技術(shù)是在損傷識(shí)別的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性地對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型進(jìn)行修正，包括材料物理特性和截面特性的偏差、荷載和邊界條件的偏差等綜合因素。修正后的結(jié)構(gòu)模型能夠更精確地反映結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，從而結(jié)合實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確的損傷診斷和安全評(píng)估。
3.2 空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)硬件開發(fā)
適用于大跨度空間結(jié)構(gòu)的大規(guī)模、大面積空間布局特點(diǎn)的新型硬件設(shè)備開發(fā)是空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)的核心內(nèi)容。目前具有代表性的是以光纖光柵傳感器為主流的有線傳感設(shè)備和新興的發(fā)展迅猛的無線傳感設(shè)備。
3.2.1 光纖光柵傳感設(shè)備
光纖光柵傳感設(shè)備是當(dāng)前國內(nèi)外測(cè)試手段的主流，具有體積小、質(zhì)量輕、插入損耗低、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，特別適合在易燃、易爆和強(qiáng)電磁等惡劣環(huán)境下使用。
1） 國際上對(duì)光纖傳感器研究的時(shí)間雖然不長，進(jìn)展卻非常迅速。目前，已有70 多種光纖傳感器用于各種物理量的測(cè)量。從美國的Morey（1989 年） 等人首次對(duì)光纖光柵的應(yīng)變與溫度傳感研究以來，世界各國都對(duì)其十分關(guān)注并開展了廣泛的應(yīng)用研究，取得豐碩成果。在短短的10 多年時(shí)間里，光纖光柵已成為傳感領(lǐng)域發(fā)展快的技術(shù)。美國、加拿大、日本、英國、澳大利亞等國都先后投入了大量人力、物力進(jìn)行該領(lǐng)域研究和開發(fā)。1998 年，美國加州大學(xué)Wanser Keith H。 等人采用多模光纖光柵作傳感頭， 用光時(shí)域反射計(jì)對(duì)振動(dòng)與應(yīng)變做了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，并分別獲得美國和歐洲專利。10 年來，國外學(xué)者基于光纖光柵對(duì)應(yīng)變、應(yīng)力和溫度等物理量的傳感特性進(jìn)行了多方面的研究，先后發(fā)展了直接檢測(cè)、干涉檢測(cè)、可調(diào)F2P 濾波器解調(diào)、匹配光纖光柵解調(diào)等多種波長解調(diào)技術(shù)，并在壓力、溫度、振動(dòng)、溫度P壓力雙參量等光纖光柵傳感器件的試驗(yàn)和研究方面取得了很大的進(jìn)展和成果。
2） 我國雖然從20 世紀(jì)90 年代開始涉足光纖光柵傳感領(lǐng)域的研究，目前國內(nèi)多家企業(yè)與高校開展這方面的研究，并且在用于土木工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的研究與應(yīng)用方面也取得了初步的成績，但總體水平和國外相比還存在著差距。光纖光柵傳感設(shè)備在各項(xiàng)通用的技術(shù)指標(biāo)參數(shù)（如精度、穩(wěn)定、敏感性等方面） 仍有很大的改進(jìn)空間。而以往適用于其它大型工程設(shè)施的光纖傳感設(shè)備，目前還無法直接用于大跨度空間結(jié)構(gòu)，必須根據(jù)大跨度空間結(jié)構(gòu)面積大、構(gòu)件多、體系復(fù)雜、鋼構(gòu)件不可埋入等特點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性的開發(fā)。
3.2.2 無線傳感系統(tǒng)
無線傳感系統(tǒng)作為另一種新興的傳感技術(shù)，有著光纖光柵傳感產(chǎn)品無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。雖然光纖光柵傳感技術(shù)因其抗干擾性、穩(wěn)定性、精確性等優(yōu)點(diǎn)普遍用于各類重大土木工程設(shè)施的安全預(yù)警系統(tǒng)中，并將在今后相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)仍然作為監(jiān)測(cè)硬件的主流設(shè)備。但其有線采集、布線困難的弊病同樣明顯。橋梁、管道、大壩等結(jié)構(gòu)由于線性特征，相對(duì)影響較小，大跨度空間結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是面積大、空間寬，若使用有線監(jiān)測(cè)設(shè)備，在測(cè)點(diǎn)較多的情況下，用于布線的成本有可能超過監(jiān)測(cè)設(shè)備本身，同時(shí)大量復(fù)雜的布線對(duì)于結(jié)構(gòu)的美觀、日后的維護(hù)、故障的檢修都存在著無法回避的問題。因此必須在改進(jìn)傳統(tǒng)光纖光柵傳感技術(shù)的同時(shí)，開發(fā)目前國際上逐漸流行的無線傳感技術(shù)，并將其應(yīng)用于大跨度空間結(jié)構(gòu)的安全性測(cè)評(píng)領(lǐng)域中。其安裝方便、成本低廉、維護(hù)簡單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，將逐漸取代傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段而成為主流。
1） 無線傳感系統(tǒng)在軍事、環(huán)境、健康、家庭和其他工商業(yè)領(lǐng)域早已應(yīng)用，而美國率先將其引入土木工程的安全性監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)領(lǐng)域。1996 年，美國學(xué)者首次提出運(yùn)用無線技術(shù)替代結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)有線系統(tǒng)的思想，開辟了無線傳感技術(shù)在結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，并研制了一套實(shí)時(shí)的損傷識(shí)別結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。由美國先進(jìn)國防研究項(xiàng)目局所資助的、在加利福尼亞大學(xué)實(shí)施的“Smart dust”計(jì)劃，旨在建立一個(gè)無線傳感器開發(fā)的軟硬件平臺(tái)，進(jìn)而開發(fā)出一系列低價(jià)格、小尺寸、高可靠性的無線傳感器及其網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步推動(dòng)了無線傳感器的應(yīng)用發(fā)展。該項(xiàng)目開發(fā)的產(chǎn)品目前已成為世界許多大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)使用的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，并且以此衍生出一批較知名的專業(yè)無線傳感產(chǎn)品生產(chǎn)公司。國外開發(fā)的無線傳感類產(chǎn)品普遍存在價(jià)格高昂、無線傳輸距離短、技術(shù)保密、開放性差等弊病，不適合用于大型空間結(jié)構(gòu)等建筑的安全性監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。國內(nèi)已有高校從設(shè)計(jì)的小型化、低功耗、低成本、高可靠性角度出發(fā)，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，對(duì)無線傳感器的傳感處理模塊、中央處理模塊、無線收發(fā)模塊以及能源管理模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)、調(diào)試，進(jìn)而集成了基于數(shù)字接口的無線加速度傳感器與應(yīng)變傳感器樣品。
2） 無線傳感器 傳感單元采用先進(jìn)的MEMS 技術(shù)
封裝，具有體積小、低功耗、可靠性高等特點(diǎn)，適合集成；無線傳感器具有智能處理單元，可以對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)特征信號(hào)進(jìn)行初步提取，數(shù)字輸出，不需要有線傳感系統(tǒng)的電荷采集箱部分，同時(shí)也分散了中央處理器處理數(shù)據(jù)的壓力；無線傳感器依據(jù)設(shè)定的通信協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)，形成一個(gè)高效實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，且網(wǎng)絡(luò)的大范圍覆蓋性與可拓展性可以保證同時(shí)監(jiān)測(cè)到大型結(jié)構(gòu)各個(gè)部位的信息；無線傳感器節(jié)點(diǎn)具有節(jié)能的特點(diǎn)。
3） 目前，無線傳感技術(shù)已開始向土木工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域滲透并成為這方面研究的一個(gè)熱點(diǎn)。一定時(shí)期內(nèi)，盡管有線傳感器在產(chǎn)品種類上的優(yōu)勢(shì)會(huì)使其在結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域占主導(dǎo)地位，但無線傳感器及其網(wǎng)絡(luò)所特有的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)凸現(xiàn)出來。隨著結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)方面的研究和在實(shí)際結(jié)構(gòu)中的使用，無線傳感網(wǎng)絡(luò)將會(huì)逐步取代有線傳感網(wǎng)絡(luò)。
3.3 空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)軟件開發(fā)
智能、通用的監(jiān)測(cè)及預(yù)警軟件系統(tǒng)開發(fā)是空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)的重要內(nèi)容，是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)功能的融合。軟件系統(tǒng)運(yùn)行于PC 機(jī)上，以一個(gè)圖形用戶界面為用戶提供直觀的功能模塊和數(shù)據(jù)顯示。應(yīng)該實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)變形、位移、振動(dòng)等物理參數(shù)的監(jiān)測(cè)，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的初步評(píng)估與預(yù)警。軟件系統(tǒng)一般包含工程管理、結(jié)構(gòu)建模與顯示、結(jié)構(gòu)分析與計(jì)算、測(cè)點(diǎn)布置與組網(wǎng)、數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)處理、結(jié)構(gòu)評(píng)估及文件存儲(chǔ)等模塊。
1） 工程管理模塊 用于建立及管理工程列表，其中包含工程簡介、工程圖表等相關(guān)信息。
2） 結(jié)構(gòu)建模與顯示模塊 為了掌握被檢測(cè)對(duì)象的相關(guān)信息，需要顯示結(jié)構(gòu)前處理模型。該功能模塊用于結(jié)構(gòu)模型的建立以及旋轉(zhuǎn)、平移、縮放等圖形顯示功能。
3） 結(jié)構(gòu)分析與計(jì)算模塊 用于結(jié)構(gòu)理論分析，計(jì)算得出理論值，為與實(shí)測(cè)值的比較以及結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估提供判別依據(jù)。
4） 測(cè)點(diǎn)布置與組網(wǎng)模塊 用于監(jiān)測(cè)方案的設(shè)計(jì)以及測(cè)點(diǎn)布置、組網(wǎng)，并便于掌握各傳感器節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)。合理的測(cè)點(diǎn)布置方案可以在保證有效獲取結(jié)構(gòu)信息的前提下，做到經(jīng)濟(jì)化與穩(wěn)定性。
5） 數(shù)據(jù)收發(fā)模塊 用于接收傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)傳輸來的數(shù)據(jù)，同時(shí)將各種管理命令發(fā)布到指定的節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)通過收發(fā)基站以串口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，對(duì)計(jì)算機(jī)串口進(jìn)行監(jiān)聽，實(shí)時(shí)判別是否有數(shù)據(jù)輸入，輸入的數(shù)據(jù)根據(jù)預(yù)定義的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行數(shù)據(jù)解碼，進(jìn)而完成數(shù)據(jù)的收發(fā)任務(wù)。數(shù)據(jù)收發(fā)模塊將各節(jié)點(diǎn)檢測(cè)的數(shù)據(jù)以實(shí)時(shí)曲線的形式顯示給用戶，此外用戶也可以根據(jù)需要，以表格形式查看當(dāng)前數(shù)據(jù)的數(shù)值。
6） 數(shù)據(jù)處理模塊 數(shù)據(jù)處理模塊一方面是為了減少數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量，需要對(duì)接收入計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理。另一方面，根據(jù)用戶不同的檢測(cè)或監(jiān)測(cè)需求，結(jié)合不同的算法，對(duì)各測(cè)點(diǎn)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行單獨(dú)處理和融合處理，以進(jìn)一步提取有效信息。
7） 結(jié)構(gòu)評(píng)估與預(yù)警模塊 通過結(jié)構(gòu)分析與計(jì)算模塊、數(shù)據(jù)處理模塊的分析與處理，用戶比較計(jì)算結(jié)構(gòu)理論值與實(shí)測(cè)值，結(jié)合結(jié)構(gòu)本身特性及特定算法，來判別顯示被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，軟件對(duì)超限情況自動(dòng)報(bào)警。
8） 文件存儲(chǔ)模塊 為了對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，并為歷史查詢和計(jì)算分析服務(wù)，存儲(chǔ)可以采用二進(jìn)制文件、文本文件及數(shù)據(jù)庫的形式。二進(jìn)制存儲(chǔ)格式可以節(jié)約硬盤空間；普通文本存儲(chǔ)比較方便查詢；而為了對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高效管理，可以采用大型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進(jìn)行存儲(chǔ)。同時(shí)，對(duì)于結(jié)構(gòu)分析評(píng)估結(jié)論，可以以報(bào)告書的格式進(jìn)行輸出。系統(tǒng)各個(gè)模塊雖然功能上相對(duì)獨(dú)立，但其集成于同一個(gè)圖形用戶界面（graphical user interface ，簡稱GUI）之中，相互關(guān)系緊密，不可分割。
4 結(jié)語
大跨度空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)主要包括理論、硬件、軟件三方面，即大跨度空間結(jié)構(gòu)在復(fù)雜荷載與復(fù)雜環(huán)境作用下的災(zāi)變機(jī)理，及建立相應(yīng)的大跨度結(jié)構(gòu)體系安全性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；適用于大跨度空間結(jié)構(gòu)的新型傳感監(jiān)測(cè)設(shè)備開發(fā)；大跨度空間結(jié)構(gòu)故障預(yù)警集成軟件系統(tǒng)的開發(fā)。研究內(nèi)容具有明顯的多學(xué)科交叉特征，需要多學(xué)科研究人員和工程技術(shù)人員的緊密合作。
大跨度空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要進(jìn)一步重點(diǎn)研究的課題有：
(1)傳感器的耐久性和可靠性研究；
(2)無線傳感網(wǎng)絡(luò)開發(fā)；
(3)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成與工程應(yīng)用；
(4)大跨度空間結(jié)構(gòu)安全度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及監(jiān)測(cè)規(guī)范。
我國正處于大跨度空間結(jié)構(gòu)建設(shè)的高峰時(shí)期，本文研究內(nèi)容將對(duì)相對(duì)薄弱的大跨度空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域提供一定的借鑒。
關(guān)于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是指對(duì)工程結(jié)構(gòu)實(shí)施損傷檢測(cè)和識(shí)別。 我們這里所說的損傷包括材料特性改變或結(jié)構(gòu)體系的幾何特性發(fā)生改變，以及邊界條件和體系的連續(xù)性，體系的整體連續(xù)性對(duì)結(jié)構(gòu)的服役能力有至關(guān)重要的作用。 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)涉及到通過分析定期采集的結(jié)構(gòu)布置的傳感器陣列的動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)來觀察體系隨時(shí)間推移產(chǎn)生的變化，損傷敏感特征值的提取并通過數(shù)據(jù)分析來確定結(jié)構(gòu)目前的健康狀態(tài)。對(duì)于長期結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，通過數(shù)據(jù)定期更新來估計(jì)結(jié)構(gòu)老化和惡劣服役環(huán)境對(duì)工程結(jié)構(gòu)是否有能力繼續(xù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能。
關(guān)于聚華科技
杭州聚華光電科技有限公司（Cavono, Inc.）是一家基于物聯(lián)網(wǎng)光纖傳感器技術(shù)從事土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與預(yù)警管理的高新技術(shù)企業(yè)，聚華是光纖光柵傳感器產(chǎn)品提供商和土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)一站式解決方案優(yōu)質(zhì)合作伙伴。公司專注于橋梁、隧道、邊坡、基坑、地鐵、礦山、電力等土木工程領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)、推廣與應(yīng)用，以提供野外光纖傳感器自動(dòng)化監(jiān)測(cè)產(chǎn)品、工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)一站式解決方案見長。主要以光纖光柵傳感器技術(shù)、分布式光纖測(cè)溫技術(shù)、工程安全自動(dòng)化云計(jì)算軟件、工程化專業(yè)領(lǐng)域數(shù)據(jù)分析為技術(shù)核心。www.r786.cn
當(dāng)前是我國基本建設(shè)的高潮時(shí)期，大跨度空間結(jié)構(gòu)的數(shù)量和規(guī)模都是歷史上前所未有。例如：2008 年奧運(yùn)工程國家體育場(chǎng)“鳥巢”、國家游泳中心“水立方”、國家大劇院、首都機(jī)場(chǎng)新航站樓、2010 年上海世博會(huì)場(chǎng)館以及廣州會(huì)展中心、哈爾濱會(huì)展中心等?？傮w建筑規(guī)模超過2 000萬m2 。
1 研究背景
大跨度空間結(jié)構(gòu)工程屬于集設(shè)計(jì)、分析、制造技術(shù)于一體的重大設(shè)施，它外形獨(dú)特，體系復(fù)雜，建造技術(shù)高難度，通常也是人員聚集、大型活動(dòng)的場(chǎng)所，其安全性尤為重要。大跨度空間結(jié)構(gòu)大量采用鋼材、膜材、高強(qiáng)鋼束等新型材料。
環(huán)境的侵蝕、材料的老化、地基的不均勻沉降和復(fù)雜荷載、疲勞效應(yīng)等因素的耦合作用，將不可避免地導(dǎo)致結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的損傷積累和抗力衰減，極端情況下引發(fā)災(zāi)難性的突發(fā)事件。例如：1992 年9 月深圳國際展覽中心4 號(hào)展廳網(wǎng)架屋蓋使用3年后在暴雨中倒塌；2002 年4 月湖南耒陽電廠大型空間結(jié)構(gòu)儲(chǔ)煤庫建成5 年后，由于使用和環(huán)境腐蝕等原因發(fā)生倒塌事故；韓國濟(jì)洲島一體育場(chǎng)在2003 年的一次強(qiáng)臺(tái)風(fēng)中倒塌；2004 年5 月法國巴黎戴高樂機(jī)場(chǎng)剛建成的候機(jī)廳發(fā)生屋頂坍塌；2007 年1 月雨雪、大風(fēng)及材料老化導(dǎo)致將用于舉辦2010 年冬奧會(huì)開幕式和閉幕式的溫哥華體育場(chǎng)穹頂坍塌等。
上述實(shí)例說明，雖然空間結(jié)構(gòu)屬于超靜定結(jié)構(gòu)，但空間受力比較復(fù)雜，當(dāng)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位發(fā)生破壞，結(jié)構(gòu)可能會(huì)很快整體破壞。由倒塌事故來看，空間結(jié)構(gòu)會(huì)在幾分鐘，甚至幾秒鐘內(nèi)倒塌。因此，在我國建立起大跨度空間結(jié)構(gòu)作為重大工程設(shè)施的定期故障監(jiān)測(cè)制度，實(shí)施長期實(shí)時(shí)的健康監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警措施顯得尤為重要。
大跨度空間結(jié)構(gòu)與大型橋梁、大壩、海洋平臺(tái)、石油管道等一樣屬于國家大型土木工程設(shè)施。對(duì)于橋梁、大壩、海洋平臺(tái)等國家大型設(shè)施的故障預(yù)警與安全性評(píng)估技術(shù)研究，在世界范圍內(nèi)開展得比較早。尤其在美國、日本等發(fā)達(dá)國家，很早就有相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)許多高校與科研機(jī)構(gòu)在大型橋梁、海洋平臺(tái)等重大設(shè)施安全性測(cè)評(píng)技術(shù)研究領(lǐng)域也開展了多年研究，取得了一系列科研成果與工程業(yè)績。大跨度空間結(jié)構(gòu)由于起步較晚，故障預(yù)警與安全性評(píng)估技術(shù)才剛剛起步，而由于其自身大跨度、大面積分布以及鋼材為主的建筑特征，明顯區(qū)別于橋梁、大壩、石油管道等線性分布的混凝土結(jié)構(gòu)類為主的建筑，現(xiàn)有的故障預(yù)警與安全性評(píng)估技術(shù)不能直接用于大跨度空間結(jié)構(gòu)中來。
要建立針對(duì)大跨度空間結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)與故障預(yù)警系統(tǒng)，需要開展兩大方面內(nèi)容的研究： ①復(fù)雜環(huán)境下大跨度空間結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理與安全性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)研究；②大跨度空間結(jié)構(gòu)類型的監(jiān)測(cè)技術(shù)手段研究。
2 空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)內(nèi)容
結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的定義是指利用現(xiàn)場(chǎng)的無損傳感與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性分析（包括結(jié)構(gòu)反應(yīng)） ，探測(cè)結(jié)構(gòu)的變化，揭示結(jié)構(gòu)損傷與結(jié)構(gòu)性能劣化。結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)不是一個(gè)新概念，對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變、加速度、速度、位移、旋轉(zhuǎn)等參數(shù)的測(cè)量一直是結(jié)構(gòu)工程監(jiān)測(cè)的基本方法。由于土木工程結(jié)構(gòu)的特殊性，如結(jié)構(gòu)形式多樣、服役周期長、影響結(jié)構(gòu)性能的因素復(fù)雜多變等，對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)比一般的機(jī)械系統(tǒng)要復(fù)雜。理想的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)能在結(jié)構(gòu)損傷出現(xiàn)的較早時(shí)期發(fā)現(xiàn)損傷，在傳感器允許的情況下，結(jié)合損傷識(shí)別技術(shù)確定損傷的位置，評(píng)估損傷程度，預(yù)測(cè)剩余的有效壽命并采取相應(yīng)的加固措施。目前，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是世界土木工程界的難題，也是研究的熱點(diǎn)。
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)是一個(gè)多領(lǐng)域跨學(xué)科的綜合性技術(shù)，包括土木土程、動(dòng)力學(xué)、材料學(xué)、傳感技術(shù)、測(cè)試技術(shù)、信號(hào)處理、網(wǎng)絡(luò)通訊通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、模式識(shí)別等多方面的知識(shí)。
整個(gè)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的研究內(nèi)容是一個(gè)非常龐大的技術(shù)體系，主要包括以下方面。
1） 監(jiān)測(cè)范圍
①結(jié)構(gòu)重要部位監(jiān)測(cè) 對(duì)于中小型結(jié)構(gòu)可以只對(duì)結(jié)構(gòu)可能發(fā)生損傷破壞的部位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以降低監(jiān)測(cè)成本。一般采用間歇式人工監(jiān)測(cè)，條件允許時(shí)也可采用小型監(jiān)測(cè)設(shè)備；
②結(jié)構(gòu)全面監(jiān)測(cè) 對(duì)于大型的重要結(jié)構(gòu)，既需要監(jiān)測(cè)那些對(duì)損傷敏感的部位或子結(jié)構(gòu)，如局部的應(yīng)力、應(yīng)變、位移和加速度等，也需要及時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的整體健康狀況，如內(nèi)力、撓度及振型和頻率的變化，一般需要配合大型全面的監(jiān)測(cè)設(shè)備和健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
2） 監(jiān)測(cè)方式
①人工監(jiān)測(cè) 利用簡單的儀器，定期人工監(jiān)測(cè)和檢測(cè)，成本較低且不需高新技術(shù)，但費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，準(zhǔn)確性不高；
②自動(dòng)監(jiān)測(cè) 采用多種類的傳感器和監(jiān)測(cè)設(shè)備，利用系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，一般適用于特大或重要的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)，自動(dòng)化程度高，是當(dāng)前研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向；
③聯(lián)合監(jiān)測(cè) 將上述兩個(gè)方法結(jié)合起來，用各種小型的自動(dòng)化程度較高的儀器，配合人工監(jiān)測(cè)，比較適合一般結(jié)構(gòu)，具有廣泛的應(yīng)用前景。
3） 監(jiān)測(cè)狀態(tài)
①靜態(tài)監(jiān)測(cè) 對(duì)結(jié)構(gòu)的靜態(tài)幾何和力學(xué)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可較直觀地反映結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)；
②動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè) 在結(jié)構(gòu)運(yùn)營情況下，基于人為激勵(lì)或環(huán)境激勵(lì)，監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)幾何和力學(xué)參數(shù)。
4） 監(jiān)測(cè)的結(jié)構(gòu)參數(shù)
①位移 絕對(duì)位移和相對(duì)位移，靜位移和動(dòng)位移；
②變形 靜（動(dòng)） 撓度、靜（動(dòng)） 應(yīng)變等；
③內(nèi)力 桿件和索拉力等；
④動(dòng)力參數(shù) 速度、加速度等；
⑤外觀和完整 氣蝕、磨損、裂縫、剝落等；
⑥物理化學(xué)現(xiàn)象 混凝土堿集料反應(yīng)、鋼材銹蝕等；
⑦環(huán)境 風(fēng)速、溫度、地震、荷載等。
5） 監(jiān)測(cè)手段
①位移測(cè)試 位移計(jì)、傾斜儀、測(cè)量設(shè)備、GPS、數(shù)字成像機(jī)等；
②變形測(cè)試 位移傳感器、電阻應(yīng)變儀、壓電式應(yīng)變儀、振弦應(yīng)變儀、分布式光纖應(yīng)變計(jì)等；
③內(nèi)力測(cè)試 壓力環(huán)、磁彈性張力計(jì)、油壓計(jì)、剪力銷等；
④動(dòng)力參數(shù)測(cè)試 速度計(jì)、加速度計(jì)；
⑤外觀或完整率測(cè)試 刻度放大鏡、數(shù)字成像機(jī)、超聲探測(cè)儀等；
⑥環(huán)境測(cè)試 風(fēng)速計(jì)、溫度計(jì)、地震儀等。
3 空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)組成
大跨度空間結(jié)構(gòu)故障監(jiān)測(cè)和預(yù)警由于以大規(guī)模、大面積空間布局、靜態(tài)應(yīng)力和形變?yōu)橹鞯奶攸c(diǎn)，因此必須建立專業(yè)的大跨度空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)理論，包括不同體系、不同荷載、不同損傷的識(shí)別與安全評(píng)估理論；開發(fā)新型適用于空間衛(wèi)星式布局、性能可靠的硬件設(shè)備，確保精度和長期工作的穩(wěn)定性，降低產(chǎn)品成本；開發(fā)相應(yīng)的智能故障預(yù)警軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間結(jié)構(gòu)長期、實(shí)時(shí)、在線的監(jiān)測(cè)與預(yù)警。
3.1 空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)理論
大跨度空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)理論主要包括大跨度空間結(jié)構(gòu)的故障機(jī)理與安全性評(píng)估理論。研究內(nèi)容主要指在基于空間結(jié)構(gòu)本身的體系拓?fù)?、?jì)算分析、施工建造等研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析結(jié)構(gòu)整體削弱、核心部件受損、外界因素突變等情況下的受影響機(jī)理以及結(jié)構(gòu)模型修正后的內(nèi)力重分布。
理論研究的空間結(jié)構(gòu)體系包括：空間網(wǎng)架網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力拉索網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、索膜結(jié)構(gòu)、張弦梁結(jié)構(gòu)、弦支穹頂結(jié)構(gòu)、空間多面體剛架結(jié)構(gòu)、“鳥巢型”復(fù)雜結(jié)構(gòu)等。
考慮的復(fù)雜環(huán)境因素主要包括：材料腐蝕、地震作用、臺(tái)風(fēng)作用、溫度效應(yīng)、超載、火災(zāi)、爆炸沖擊、施工工藝等。典型故障因素包括：索松弛與破斷、結(jié)構(gòu)撓度過大、結(jié)構(gòu)振動(dòng)異常、構(gòu)件損傷、約束破壞等。在考慮以上因素的前提下，大跨度空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)理論的研究可歸納為基于影響機(jī)理的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別問題與基于模型重建的結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估問題。
大跨度空間結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別技術(shù)是健康監(jiān)測(cè)研究范疇內(nèi)的核心問題。一般的結(jié)構(gòu)損傷在物理狀態(tài)空間表現(xiàn)為剛度降低、柔度增大；在模態(tài)空間表現(xiàn)為固有頻率降低。無論從研究角度還是從實(shí)用角度出發(fā)，結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的內(nèi)容均需判明損傷的部位及部位物理參數(shù)的變化以及結(jié)構(gòu)整體性能的變化等方面。
完整的損傷識(shí)別技術(shù)按照流程可分4 個(gè)層次：
(1)斷結(jié)構(gòu)和構(gòu)件是否損傷及何時(shí)發(fā)生的損傷；
(2)判斷結(jié)構(gòu)的損傷位置；
(3)判斷結(jié)構(gòu)損傷類型及損傷程度；
(4)進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評(píng)定和壽命預(yù)測(cè)。
前3個(gè)層次分別是結(jié)構(gòu)具體損傷的定性和定時(shí)、定位和定量問題；層次是結(jié)構(gòu)整體的定位和定量問題。
大跨度空間結(jié)構(gòu)安全度評(píng)估技術(shù)是在損傷識(shí)別的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性地對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型進(jìn)行修正，包括材料物理特性和截面特性的偏差、荷載和邊界條件的偏差等綜合因素。修正后的結(jié)構(gòu)模型能夠更精確地反映結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，從而結(jié)合實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確的損傷診斷和安全評(píng)估。
3.2 空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)硬件開發(fā)
適用于大跨度空間結(jié)構(gòu)的大規(guī)模、大面積空間布局特點(diǎn)的新型硬件設(shè)備開發(fā)是空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)的核心內(nèi)容。目前具有代表性的是以光纖光柵傳感器為主流的有線傳感設(shè)備和新興的發(fā)展迅猛的無線傳感設(shè)備。
3.2.1 光纖光柵傳感設(shè)備
光纖光柵傳感設(shè)備是當(dāng)前國內(nèi)外測(cè)試手段的主流，具有體積小、質(zhì)量輕、插入損耗低、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，特別適合在易燃、易爆和強(qiáng)電磁等惡劣環(huán)境下使用。
1） 國際上對(duì)光纖傳感器研究的時(shí)間雖然不長，進(jìn)展卻非常迅速。目前，已有70 多種光纖傳感器用于各種物理量的測(cè)量。從美國的Morey（1989 年） 等人首次對(duì)光纖光柵的應(yīng)變與溫度傳感研究以來，世界各國都對(duì)其十分關(guān)注并開展了廣泛的應(yīng)用研究，取得豐碩成果。在短短的10 多年時(shí)間里，光纖光柵已成為傳感領(lǐng)域發(fā)展快的技術(shù)。美國、加拿大、日本、英國、澳大利亞等國都先后投入了大量人力、物力進(jìn)行該領(lǐng)域研究和開發(fā)。1998 年，美國加州大學(xué)Wanser Keith H。 等人采用多模光纖光柵作傳感頭， 用光時(shí)域反射計(jì)對(duì)振動(dòng)與應(yīng)變做了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，并分別獲得美國和歐洲專利。10 年來，國外學(xué)者基于光纖光柵對(duì)應(yīng)變、應(yīng)力和溫度等物理量的傳感特性進(jìn)行了多方面的研究，先后發(fā)展了直接檢測(cè)、干涉檢測(cè)、可調(diào)F2P 濾波器解調(diào)、匹配光纖光柵解調(diào)等多種波長解調(diào)技術(shù)，并在壓力、溫度、振動(dòng)、溫度P壓力雙參量等光纖光柵傳感器件的試驗(yàn)和研究方面取得了很大的進(jìn)展和成果。
2） 我國雖然從20 世紀(jì)90 年代開始涉足光纖光柵傳感領(lǐng)域的研究，目前國內(nèi)多家企業(yè)與高校開展這方面的研究，并且在用于土木工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的研究與應(yīng)用方面也取得了初步的成績，但總體水平和國外相比還存在著差距。光纖光柵傳感設(shè)備在各項(xiàng)通用的技術(shù)指標(biāo)參數(shù)（如精度、穩(wěn)定、敏感性等方面） 仍有很大的改進(jìn)空間。而以往適用于其它大型工程設(shè)施的光纖傳感設(shè)備，目前還無法直接用于大跨度空間結(jié)構(gòu)，必須根據(jù)大跨度空間結(jié)構(gòu)面積大、構(gòu)件多、體系復(fù)雜、鋼構(gòu)件不可埋入等特點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性的開發(fā)。
3.2.2 無線傳感系統(tǒng)
無線傳感系統(tǒng)作為另一種新興的傳感技術(shù)，有著光纖光柵傳感產(chǎn)品無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。雖然光纖光柵傳感技術(shù)因其抗干擾性、穩(wěn)定性、精確性等優(yōu)點(diǎn)普遍用于各類重大土木工程設(shè)施的安全預(yù)警系統(tǒng)中，并將在今后相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)仍然作為監(jiān)測(cè)硬件的主流設(shè)備。但其有線采集、布線困難的弊病同樣明顯。橋梁、管道、大壩等結(jié)構(gòu)由于線性特征，相對(duì)影響較小，大跨度空間結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是面積大、空間寬，若使用有線監(jiān)測(cè)設(shè)備，在測(cè)點(diǎn)較多的情況下，用于布線的成本有可能超過監(jiān)測(cè)設(shè)備本身，同時(shí)大量復(fù)雜的布線對(duì)于結(jié)構(gòu)的美觀、日后的維護(hù)、故障的檢修都存在著無法回避的問題。因此必須在改進(jìn)傳統(tǒng)光纖光柵傳感技術(shù)的同時(shí)，開發(fā)目前國際上逐漸流行的無線傳感技術(shù)，并將其應(yīng)用于大跨度空間結(jié)構(gòu)的安全性測(cè)評(píng)領(lǐng)域中。其安裝方便、成本低廉、維護(hù)簡單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，將逐漸取代傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段而成為主流。
1） 無線傳感系統(tǒng)在軍事、環(huán)境、健康、家庭和其他工商業(yè)領(lǐng)域早已應(yīng)用，而美國率先將其引入土木工程的安全性監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)領(lǐng)域。1996 年，美國學(xué)者首次提出運(yùn)用無線技術(shù)替代結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)有線系統(tǒng)的思想，開辟了無線傳感技術(shù)在結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，并研制了一套實(shí)時(shí)的損傷識(shí)別結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。由美國先進(jìn)國防研究項(xiàng)目局所資助的、在加利福尼亞大學(xué)實(shí)施的“Smart dust”計(jì)劃，旨在建立一個(gè)無線傳感器開發(fā)的軟硬件平臺(tái)，進(jìn)而開發(fā)出一系列低價(jià)格、小尺寸、高可靠性的無線傳感器及其網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步推動(dòng)了無線傳感器的應(yīng)用發(fā)展。該項(xiàng)目開發(fā)的產(chǎn)品目前已成為世界許多大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)使用的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，并且以此衍生出一批較知名的專業(yè)無線傳感產(chǎn)品生產(chǎn)公司。國外開發(fā)的無線傳感類產(chǎn)品普遍存在價(jià)格高昂、無線傳輸距離短、技術(shù)保密、開放性差等弊病，不適合用于大型空間結(jié)構(gòu)等建筑的安全性監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。國內(nèi)已有高校從設(shè)計(jì)的小型化、低功耗、低成本、高可靠性角度出發(fā)，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，對(duì)無線傳感器的傳感處理模塊、中央處理模塊、無線收發(fā)模塊以及能源管理模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)、調(diào)試，進(jìn)而集成了基于數(shù)字接口的無線加速度傳感器與應(yīng)變傳感器樣品。
2） 無線傳感器 傳感單元采用先進(jìn)的MEMS 技術(shù)
封裝，具有體積小、低功耗、可靠性高等特點(diǎn)，適合集成；無線傳感器具有智能處理單元，可以對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)特征信號(hào)進(jìn)行初步提取，數(shù)字輸出，不需要有線傳感系統(tǒng)的電荷采集箱部分，同時(shí)也分散了中央處理器處理數(shù)據(jù)的壓力；無線傳感器依據(jù)設(shè)定的通信協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)，形成一個(gè)高效實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，且網(wǎng)絡(luò)的大范圍覆蓋性與可拓展性可以保證同時(shí)監(jiān)測(cè)到大型結(jié)構(gòu)各個(gè)部位的信息；無線傳感器節(jié)點(diǎn)具有節(jié)能的特點(diǎn)。
3） 目前，無線傳感技術(shù)已開始向土木工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域滲透并成為這方面研究的一個(gè)熱點(diǎn)。一定時(shí)期內(nèi)，盡管有線傳感器在產(chǎn)品種類上的優(yōu)勢(shì)會(huì)使其在結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域占主導(dǎo)地位，但無線傳感器及其網(wǎng)絡(luò)所特有的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)凸現(xiàn)出來。隨著結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)方面的研究和在實(shí)際結(jié)構(gòu)中的使用，無線傳感網(wǎng)絡(luò)將會(huì)逐步取代有線傳感網(wǎng)絡(luò)。
3.3 空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)軟件開發(fā)
智能、通用的監(jiān)測(cè)及預(yù)警軟件系統(tǒng)開發(fā)是空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)的重要內(nèi)容，是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)功能的融合。軟件系統(tǒng)運(yùn)行于PC 機(jī)上，以一個(gè)圖形用戶界面為用戶提供直觀的功能模塊和數(shù)據(jù)顯示。應(yīng)該實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)變形、位移、振動(dòng)等物理參數(shù)的監(jiān)測(cè)，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的初步評(píng)估與預(yù)警。軟件系統(tǒng)一般包含工程管理、結(jié)構(gòu)建模與顯示、結(jié)構(gòu)分析與計(jì)算、測(cè)點(diǎn)布置與組網(wǎng)、數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)處理、結(jié)構(gòu)評(píng)估及文件存儲(chǔ)等模塊。
1） 工程管理模塊 用于建立及管理工程列表，其中包含工程簡介、工程圖表等相關(guān)信息。
2） 結(jié)構(gòu)建模與顯示模塊 為了掌握被檢測(cè)對(duì)象的相關(guān)信息，需要顯示結(jié)構(gòu)前處理模型。該功能模塊用于結(jié)構(gòu)模型的建立以及旋轉(zhuǎn)、平移、縮放等圖形顯示功能。
3） 結(jié)構(gòu)分析與計(jì)算模塊 用于結(jié)構(gòu)理論分析，計(jì)算得出理論值，為與實(shí)測(cè)值的比較以及結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估提供判別依據(jù)。
4） 測(cè)點(diǎn)布置與組網(wǎng)模塊 用于監(jiān)測(cè)方案的設(shè)計(jì)以及測(cè)點(diǎn)布置、組網(wǎng)，并便于掌握各傳感器節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)。合理的測(cè)點(diǎn)布置方案可以在保證有效獲取結(jié)構(gòu)信息的前提下，做到經(jīng)濟(jì)化與穩(wěn)定性。
5） 數(shù)據(jù)收發(fā)模塊 用于接收傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)傳輸來的數(shù)據(jù)，同時(shí)將各種管理命令發(fā)布到指定的節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)通過收發(fā)基站以串口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，對(duì)計(jì)算機(jī)串口進(jìn)行監(jiān)聽，實(shí)時(shí)判別是否有數(shù)據(jù)輸入，輸入的數(shù)據(jù)根據(jù)預(yù)定義的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行數(shù)據(jù)解碼，進(jìn)而完成數(shù)據(jù)的收發(fā)任務(wù)。數(shù)據(jù)收發(fā)模塊將各節(jié)點(diǎn)檢測(cè)的數(shù)據(jù)以實(shí)時(shí)曲線的形式顯示給用戶，此外用戶也可以根據(jù)需要，以表格形式查看當(dāng)前數(shù)據(jù)的數(shù)值。
6） 數(shù)據(jù)處理模塊 數(shù)據(jù)處理模塊一方面是為了減少數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量，需要對(duì)接收入計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理。另一方面，根據(jù)用戶不同的檢測(cè)或監(jiān)測(cè)需求，結(jié)合不同的算法，對(duì)各測(cè)點(diǎn)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行單獨(dú)處理和融合處理，以進(jìn)一步提取有效信息。
7） 結(jié)構(gòu)評(píng)估與預(yù)警模塊 通過結(jié)構(gòu)分析與計(jì)算模塊、數(shù)據(jù)處理模塊的分析與處理，用戶比較計(jì)算結(jié)構(gòu)理論值與實(shí)測(cè)值，結(jié)合結(jié)構(gòu)本身特性及特定算法，來判別顯示被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，軟件對(duì)超限情況自動(dòng)報(bào)警。
8） 文件存儲(chǔ)模塊 為了對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，并為歷史查詢和計(jì)算分析服務(wù)，存儲(chǔ)可以采用二進(jìn)制文件、文本文件及數(shù)據(jù)庫的形式。二進(jìn)制存儲(chǔ)格式可以節(jié)約硬盤空間；普通文本存儲(chǔ)比較方便查詢；而為了對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高效管理，可以采用大型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進(jìn)行存儲(chǔ)。同時(shí)，對(duì)于結(jié)構(gòu)分析評(píng)估結(jié)論，可以以報(bào)告書的格式進(jìn)行輸出。系統(tǒng)各個(gè)模塊雖然功能上相對(duì)獨(dú)立，但其集成于同一個(gè)圖形用戶界面（graphical user interface ，簡稱GUI）之中，相互關(guān)系緊密，不可分割。
4 結(jié)語
大跨度空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)主要包括理論、硬件、軟件三方面，即大跨度空間結(jié)構(gòu)在復(fù)雜荷載與復(fù)雜環(huán)境作用下的災(zāi)變機(jī)理，及建立相應(yīng)的大跨度結(jié)構(gòu)體系安全性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；適用于大跨度空間結(jié)構(gòu)的新型傳感監(jiān)測(cè)設(shè)備開發(fā)；大跨度空間結(jié)構(gòu)故障預(yù)警集成軟件系統(tǒng)的開發(fā)。研究內(nèi)容具有明顯的多學(xué)科交叉特征，需要多學(xué)科研究人員和工程技術(shù)人員的緊密合作。
大跨度空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要進(jìn)一步重點(diǎn)研究的課題有：
(1)傳感器的耐久性和可靠性研究；
(2)無線傳感網(wǎng)絡(luò)開發(fā)；
(3)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成與工程應(yīng)用；
(4)大跨度空間結(jié)構(gòu)安全度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及監(jiān)測(cè)規(guī)范。
我國正處于大跨度空間結(jié)構(gòu)建設(shè)的高峰時(shí)期，本文研究內(nèi)容將對(duì)相對(duì)薄弱的大跨度空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域提供一定的借鑒。
關(guān)于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是指對(duì)工程結(jié)構(gòu)實(shí)施損傷檢測(cè)和識(shí)別。 我們這里所說的損傷包括材料特性改變或結(jié)構(gòu)體系的幾何特性發(fā)生改變，以及邊界條件和體系的連續(xù)性，體系的整體連續(xù)性對(duì)結(jié)構(gòu)的服役能力有至關(guān)重要的作用。 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)涉及到通過分析定期采集的結(jié)構(gòu)布置的傳感器陣列的動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)來觀察體系隨時(shí)間推移產(chǎn)生的變化，損傷敏感特征值的提取并通過數(shù)據(jù)分析來確定結(jié)構(gòu)目前的健康狀態(tài)。對(duì)于長期結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，通過數(shù)據(jù)定期更新來估計(jì)結(jié)構(gòu)老化和惡劣服役環(huán)境對(duì)工程結(jié)構(gòu)是否有能力繼續(xù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能。
關(guān)于聚華科技
杭州聚華光電科技有限公司（Cavono, Inc.）是一家基于物聯(lián)網(wǎng)光纖傳感器技術(shù)從事土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與預(yù)警管理的高新技術(shù)企業(yè)，聚華是光纖光柵傳感器產(chǎn)品提供商和土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)一站式解決方案優(yōu)質(zhì)合作伙伴。公司專注于橋梁、隧道、邊坡、基坑、地鐵、礦山、電力等土木工程領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)、推廣與應(yīng)用，以提供野外光纖傳感器自動(dòng)化監(jiān)測(cè)產(chǎn)品、工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)一站式解決方案見長。主要以光纖光柵傳感器技術(shù)、分布式光纖測(cè)溫技術(shù)、工程安全自動(dòng)化云計(jì)算軟件、工程化專業(yè)領(lǐng)域數(shù)據(jù)分析為技術(shù)核心。www.r786.cn