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赋能智慧桥梁

来源:  发布时间:2021-10-22

——记同济大学桥梁工程系教授淡丹辉及其团队

范德强

 

 

中国既是当今世界交通基础设施建设速度最快的国家,又是交通需求增长最快的国家。近年来,港珠澳大桥、东海大桥、杭州湾大桥等桥梁的建设成就举世瞩目。智慧赋能桥梁成为大势所趋。

同济大学桥梁工程系教授淡丹辉和他的团队成员就是用智慧科技“妙笔绘彩虹”的科学工作者。可以说,在他们的智慧赋能之下,桥梁不仅有了见微知著的“千里眼”和“顺风耳”,而且有了可以洞察一切的“透视眼”,可以精准地感知桥梁的状态。

 

智能把脉桥梁健康

 

20世纪末,在电子科技大学从事工民建专业教学工作的淡丹辉在职考入西南交通大学土木工程学院桥梁专业攻读博士学位,一边上课一边教书的他在一次非常基础的专业课上,发现有学生在专业课本下放着一本C语言计算机编程的书在自学。“能不能把IT学科的知识或者技术和土木工程结合起来,既能吸引学生的注意力,也能拓展一个新的方向?”淡丹辉当时没想到,这个念头竟然开启了此后20多年他一直深耕的研究方向。

通过认真“琢磨”,淡丹辉想到把传感器技术和IT技术放在桥梁结构内部形成一种智能化的桥梁结构加以研究。当时,这个想法很超前,在博士导师何广汉先生的信任和鼓励下,最终,他完成了国内第一篇关于智能土木/桥梁结构方面的博士学位论文。

2002年,获博士学位的淡丹辉进入同济大学土木工程博士后流动站从事桥梁结构健康监测及智能土木/桥梁结构的研究。从此,他扎根同济大学,再也没有离开过这一研究领域。

初入同济大学,淡丹辉就有机会参与到我国第一个真正意义上的智慧桥梁建设项目——东海大桥的健康监测系统工程建设中。从项目前期的规划设计,到最后实施运营管理,淡丹辉全程作为技术负责人参与了东海大桥的健康监测系统研究和建设。2006年,这套分布着478个传感器的桥梁“感知”系统正式运作,成为当时国内最先进、最复杂的监测系统之一。

继完成东海大桥项目后,淡丹辉和团队受邀做了许多类似重大项目的咨询工作。也是从那个时候开始,他开启了理论方面的探索。亲眼目睹和亲身经历了桥梁结构监测系统从最初的传统操作到在线工作,从实现采集数据和处理数据同步进行再到智慧系统的演变过程,更加坚定了他将桥梁结构监测做成“一种像智能生命一样的信息产生、信息加工、信息传输、信息利用的全链条自动化系统”的信念。

于是,从2013年开始,淡丹辉带领团队开始攻克行业内高难度的桥梁问题,包括大跨悬索桥涡振事件的智慧监测、感知和实时报警,复杂索缆结构的高精度实时索力识别和疲劳状态智能感知,基于机器视觉和动态称重系统融合的桥梁全桥面交通流荷载监测,基于数字孪生模型的路网桥梁群监测,以及装配式混凝土多梁桥的云监测诊断工作等,数年间在相关领域有了突飞猛进的进展。

20205月以来,鹦鹉洲大桥、虎门大桥和西堠门大桥先后出现的涡振事件,引起了广泛的社会关注和国家各级政府部门的重视。立足对悬索桥涡振研究的紧迫需求,近年来,淡丹辉带领团队从桥梁健康监测角度,提出了一套基于振动加速度监测的大跨悬索桥涡振事件的智慧监测、感知和实时报警技术。在这个基础上,他们又进一步开发了基于PythonIE环境的实时监测与智慧感知程序,以某桥实测涡振加速度振动监测数据,验证上述方法和程序的有效性和精确性。可以确定的是,以这些技术和软件为基础,将有助于发展一套更为实用化、功能更为齐全的智慧化无人值守的涡振监测预警系统。目前,团队已经受舟山大桥管理有限公司的委托,开展该技术在西堠门大桥上的应用工作。

不仅是大型桥梁,淡丹辉和团队在装配式梁桥等中小跨径桥梁的智慧监测实践中也有诸多创新贡献。作为中小跨度桥梁经典方案之一,装配式混凝土多梁桥最常见病害是铰缝开裂导致的渗水病害,这种病害会危及桥梁结构体系的横向协同工作性能,进而诱发其他伴生的病害,如主梁开裂及配筋锈蚀进一步加速体系承载力下降等。为解决这一关键性难题,淡丹辉带领团队做了很多努力,首先引入装配式混凝土多梁桥的几个可考虑纵、横向协同工作性能表征能力的简化多梁模型,基于该系列模型,定义4个系列的创新监测指标,用于表征这类桥梁结构横向协同性能和纵向协同工作性能,并通过实桥监测数据及现场勘验证明了指标的有效性。他们还进一步根据这类桥梁的地理分布特点和监测实施条件,提出面向路网桥梁群的云端智慧监测系统方案,并以几个装配式梁桥监测系统实施案例,对该系统采集的监测数据进行短期及长期分析,最终实现了装配式梁桥纵、横向协同工作性能的智慧监测与感知。

 

立足国需共绘蓝图

 

回顾来时路,20年来,淡丹辉参与了许多大桥桥梁健康监测系统和中小跨网级桥梁群健康监测系统研究和建设。他作为负责人和技术骨干参与了以东海大桥为代表的20余座大桥健康监测系统的研究和建设,以及上海、温州、河北、宁波、绍兴、武汉等地的路网桥梁群智慧监测系统的建设与科研工作,科研成果在近100座单体桥梁上得以应用。

“在实践中出真知,在项目中出成果”,是淡丹辉科研工作的真实写照。如今,他已发表论文140余篇,其中SCI论文64篇(一作或通讯62篇),EI论文25篇。获发明专利10项,实用新型专利20项,获得软件著作权5项;主编上海市地方规范《桥梁结构监测系统技术规程》一部,著有《桥梁工程结构智慧监测——理论与实践》一书。与此同时,他还获得7项国家级、省部级和行业协会的奖励和成果。

在领域内深耕20年,淡丹辉所带出来的学生也陆续进入行业,成为十分活跃的中坚力量。曾经有人这样总结他带学生的风格——把学生放在一条船上,然后给学生立一个灯塔,放手任由一个个小舵手自行朝着目标方向前行。

淡丹辉觉得,从本科到研究生有一个转折点。本科期间,学生是知识的学习者;研究生期间,学生就转变角色了,成为知识的生产者。为此,进入研究生阶段以后,在学生向前进一步的时候,淡丹辉都会给他们做非常详细的路线规划。“基本上研究生还没进学校,我就开始在暑假期间带他们涉及这方面的工作了。比如,给他们留个小课题去做研究。然后,在研一和研二的时候,这个工作做完以后,他们就已经有比较好的成果出来,也已经发表论文了。”

其实,在30岁至40岁之间接触过大量工程的经历,让淡丹辉清楚地意识到在智慧桥梁、结构监测相关学科方向,科学研究与实践工作的联系十分紧密,因而指导学生选题朝着工程上最急需、最有意义的方向钻研,也不断鼓励学生努力去做对现实工程有最直接支撑意义的研究。

淡丹辉常常感慨,自己的谋生手段正是兴趣所在,“这是多么幸运且幸福的一件事”。熟悉淡丹辉的人都知道,每当谈起桥梁、看到桥梁,尤其是一些非常态的新颖桥梁时,抑制不住的兴奋都会浮现在他的脸上。淡丹辉说,港珠澳大桥开通后,他还专门乘车走了一趟。“行驶在桥上,看着窗外,真的好壮观!我就想,我们国家真是了不起,这座桥就是我国制造业的一张名片啊!”

未来,淡丹辉和团队以及他们所打造的“千里眼”、“顺风耳”和“透视眼”,将不断赋能智慧桥梁,助力我国从桥梁大国向桥梁强国迈进!而他们所绘制的蓝图,也必将在不久的将来成为现实!


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2022年3月上

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