智能橋梁張長(zhǎng)青編譯斯卡吉特河大橋事故發(fā)生后的一個(gè)月時(shí)間里.doc

智能橋梁 張長(zhǎng)青/編譯 斯卡吉特河大橋事故發(fā)生后的一個(gè)月時(shí)間里，每天有近7萬多輛汽車要多花費(fèi)半個(gè)小時(shí)繞道而行 大家好，我是史蒂文·徹里（Steven Cherry），這里是《光譜》雜志舉辦的“科技智慧對(duì)話”節(jié)目。 先讓我們將時(shí)光回?fù)艿浇衲甑?月23日晚上7時(shí)左右，一輛行駛在5號(hào)州際公路上的卡車，在通過斯卡吉特河大橋時(shí)撞上了大橋頂梁，造成了大橋垮塌，卡車從50米高度墜入河里，緊隨其后的兩輛汽車也一并墜入河中，所幸沒有造成人員死亡。 當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，安裝在橋上的傳感器對(duì)此也無能為力。據(jù)當(dāng)?shù)匾患颐襟w報(bào)道，去年，大橋調(diào)查人員曾在橋梁的八個(gè)位置發(fā)現(xiàn)有高負(fù)載致?lián)p的跡象，有鋼梁已經(jīng)發(fā)生了變形，而且，這次事故將大橋的鋼梁撕開了一個(gè)8寸長(zhǎng)的口子。 我們幾乎每天都會(huì)聽到有橋梁損毀的消息，而有些事故通過橋梁傳感器原本可以提前預(yù)知或避免的。我們懷疑，上述情況的發(fā)生，靠傳感器技術(shù)能避免嗎?為此，今天通過電話連線，我們邀請(qǐng)到華盛頓大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)博士呂晨陽(Chenyang Lu)先生，向大家傳授有關(guān)橋梁傳感器作用的一些知識(shí)。呂博士涉足的領(lǐng)域包括“實(shí)時(shí)系統(tǒng)”、“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”以及“信息物理系統(tǒng)”，他同時(shí)也是ACM和IEEE組織中的一位活躍成員。 “不同種類的傳感器可以為我們提供更多實(shí)時(shí)信息” 徹里：第一個(gè)問題是，傳感器對(duì)斯卡吉特河大橋上發(fā)生的事故是否起到了有效的監(jiān)測(cè)作用？第二個(gè)問題，橋梁上設(shè)置傳感器有作用嗎? 呂晨陽：是的，在這個(gè)區(qū)域都會(huì)設(shè)置結(jié)構(gòu)健康探測(cè)系統(tǒng)，這一系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)到該區(qū)域，例如，用傳感器來探測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)的損壞程度。就范圍來看，從天上的飛機(jī)到地面的橋梁都有涉及。當(dāng)然了，我們還是要針對(duì)特定的問題做具體的分析，而且，利用結(jié)構(gòu)健康探測(cè)技術(shù)解決這些問題是大有希望的，至少在某些案例中獲得過成功。 徹里：我的意思是說，傳感器能否探測(cè)到卡車撞擊橋梁的情形嗎？ 呂晨陽：不同種類的傳感器可以為我們提供更多的信息，即有探測(cè)結(jié)構(gòu)完整性的，也有探測(cè)橋梁損傷程度的。例如，有探測(cè)跨接點(diǎn)強(qiáng)度的強(qiáng)度計(jì)，有用來探測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)損傷程度的光纖傳感器，也有能測(cè)量橋梁振動(dòng)的感應(yīng)器。包括通過模態(tài)分析、信號(hào)處理以及普遍應(yīng)用的模式識(shí)別等手段，試圖發(fā)現(xiàn)大橋在振動(dòng)狀態(tài)中是否發(fā)生了物理變化，即出現(xiàn)損傷的可能性。 徹里：在實(shí)驗(yàn)室里通過軟件進(jìn)行物理結(jié)構(gòu)建模，然后觀察何種傳感器能有所奏效。你們是如何試驗(yàn)的? 呂晨陽：例如，斯卡吉特河大橋是屬于一種常見的桁架橋結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)需要在結(jié)構(gòu)工程和土木工程實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行。我們進(jìn)行了大量的桁架實(shí)驗(yàn)，包括與合伙人一起在伊利諾伊大學(xué)香檳分校建有一個(gè)可重構(gòu)的桁架原型，通過這個(gè)原型，實(shí)際上你可以很容易地?fù)p壞桁架的任何部分，或者也可以更換部分桁架，比如將厚桁架換成薄桁架，以便預(yù)測(cè)到某種結(jié)構(gòu)有發(fā)生退化的可能性。 你也可以去掉一根你想要去掉的桁架，然后向工作臺(tái)施加振動(dòng)力，使其作用于這些桁架上。接下來，用傳感器對(duì)這些桁架實(shí)施監(jiān)測(cè)，并通過軟件或運(yùn)算來探測(cè)這種損傷程度，并試圖做得更逼真些。當(dāng)然，在真實(shí)狀況下發(fā)生的損傷是有其極限程度的。如果一切順利的話，就將這種結(jié)構(gòu)樣件放大，就像我們?cè)谄斩纱髮W(xué)里所做的那樣，建成一套與實(shí)物大小一樣的公路橋桁架。普渡大學(xué)是我們另外一家與之合作的土木工程合伙人。實(shí)際上那是一個(gè)相當(dāng)大的桁架結(jié)構(gòu)，你可以對(duì)其實(shí)施類似的實(shí)驗(yàn)。 徹里：就是說這些模型都是基于真實(shí)數(shù)據(jù)采集的。這讓我想到了一個(gè)實(shí)例，韓國的珍島大橋。這座橋有什么特別之處，你對(duì)它有了解嗎? 1984年10月竣工的韓國國內(nèi)當(dāng)時(shí)唯一的雙梁斜張橋——珍島大橋 呂晨陽：是的。我非常了解，整個(gè)項(xiàng)目是由我的合伙人、伊利諾伊大學(xué)香檳分校承擔(dān)的，與韓國科學(xué)技術(shù)院（KAIST）、日本東京大學(xué)共同完成了這個(gè)項(xiàng)目。珍島大橋坐落于全羅南道珍島郡，跨越鳴梁海峽，于1984年10月18日竣工，是韓國國內(nèi)唯一的雙梁斜張橋，基本將珍島與韓國大陸半島連接起來。在這座大橋上，研究人員部署了數(shù)以百計(jì)的傳感器，與我在華盛頓大學(xué)所做的課題基本相同，即無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)更容易部署在智能結(jié)構(gòu)中。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)美國具有特別的意義，因?yàn)槿浪械囊恍┕爬系臉蛄海仨氁獙?duì)其監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)施新的改造。這也正是伊利諾伊大學(xué)團(tuán)隊(duì)目前正在從事的工作，他們?cè)陧n國部署的這套系統(tǒng)已有多個(gè)年頭了，持續(xù)不斷地監(jiān)測(cè)橋梁的振動(dòng)情況，包括臺(tái)風(fēng)等災(zāi)害性天氣對(duì)大橋造成影響的案例分析。 “結(jié)構(gòu)模型和軟件試驗(yàn)以模擬不同事件對(duì)大橋的影響” 徹里：跟我們講講關(guān)于網(wǎng)絡(luò)本身的情況。據(jù)我所知，傳感器本身是相當(dāng)復(fù)雜的，其系統(tǒng)的限制因素是否源于網(wǎng)絡(luò)本身？也就是說，傳感器收集到的數(shù)據(jù)要返回實(shí)驗(yàn)室或什么地方。 呂晨陽：在斯卡吉特河大橋事件之前，明尼阿波利斯就發(fā)生過I-35大橋垮塌事故。當(dāng)那座大橋垮塌后，他們又建造了一座新橋，而且還為那座新橋安上了有線傳感器網(wǎng)絡(luò)。然而，有線網(wǎng)絡(luò)存有兩種缺陷。一是當(dāng)大橋出現(xiàn)

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