探究土木工程智能健康监测与诊断系统

探究土木工程智能健康监测与诊断系统
摘要：近些年来，随着建筑行业的快速发展，我国城镇建筑的数量也不断增加，其中有很多几十年前的建筑如今已经进入了中老年阶段，在使用功能等方面出现了不同程度的损伤，有很多甚至需要采取必要的加固措施之后才能继续使用。

对于已经建成并且投入使用的建筑物的健康状况进行监测，需要科学的监测技术才能实现，而土木工程智能健康监测与诊断系统的运用，已经受到了广泛的关注，基于此，本文就主要针对智能健康监测与诊断系统的相关问题进行简单的分析。

关键词：土木工程智能健康监测与诊断监测系统
通过科学的监测手段对已有的土木工程结构进行健康检验与诊断，对其安全状况进行全面的评价，不仅能够为建筑结构的修复和控制提供必要的参考，同时也能为新的建筑结构的设计总结一定的经验和教训，因此，对于如何有效的实现对土木工程结构的健康监测已经成为了建筑行业关注的重点课题。

健康监测与诊断系统的运用，能够对土木工程结构的损伤情况进行全面的评价，对结构应变、加速度、位移等参数进行确定，能够较早的发现损伤，采取有效的处理措施，防止其扩散。

同时，由于土木工程结构通常较为复杂，影响结构性能的因素也十分多样，所以对其监测与诊断方面也比普通的监测工作要复杂的多。

笔者认为，对于土木工程智能健康监测与诊断系统的研究，需要从以下三方面进行。

一、智能传感元件
对于土木工程所进行的健康监测，就是通过将性能稳定的传感元件埋入或者粘贴到工程结构中，来获得土木工程结构安全状况的实时监测，能够及时获得准确而全面的数据，以此来对工程结构的安全性和耐久性进行评价。

土木工程结构通常都处在较为恶劣的环境中，因此对于传感元件来说，必须要具有足够的稳定性和耐久性，而且对于不同的监测要求应当具有一定的兼容性，才能满足监测的需要。

当前，在智能传感材料方面，已经有如光纤、压电材料、碳纤维等多种类型，为土木工程的健康监测提供了坚实的基础。

如今这些智能材料已经在航空、机械等多个领域获得了广泛的应用，并且取得了一定的成果。

1.对于土木工程结构进行短期监测，可以通过智能材料来实现，而其中技术较为成熟的是电阻应变丝的运用，其不仅技术较为成熟，而且对使用设备的要求较低，但是在稳定性方面却稍差，容易受到外部因素的干扰。

2.要实现长期的监测，光纤是较为理想的材料。

虽然其对于外部设备有着更高的要求，但是其在使用的过程中具有很强的稳定性和抗干扰性，在土木工程监测方面也受到了较多的关注。

3.疲劳寿命丝用来对土木工程结构的寿命和健康状况进行评估是最为理想的材料，因为其具有记录损伤积累的功能。

4.为了在监测的过程中进行较好的效果，需要对其进行一定的压力施加，在这种情况下，形状记忆合金的应用就最为理想，其不仅具有传感的功能，同时也具有驱动的功能。

二、信号智能处理
在土木工程结构的健康监测过程中会产生很多参数，如应变、加速度、速度、旋转灯，同时由于很多大型结构需要布置较多的监测点，所以需要使用尽可能多的传感器，在不同的传感器设置方面也由于需要不同的监测参数而存在着一定的差异，特别是对于传感器的监测信号差异，所以就会产生一些问题，如同时使用多个传感器会形成多个不同的通道和信号，而在同一信号的信道内也会形成具有不同特征的信息，这时对于监测结果的准确性就会产生一定的影响。

近些年来，如何通过对传感器的有效利用来增强信号的稳定性已经成为了人们广泛关注的问题，而越来越先进的传感器融合技术也增强了智能健康监测与诊断系统的综合处理能力，从而为土木工程结构的健康监测问题提供更多的技术支撑。

多个传感器相互融合的主要原理在于对多个传感器资源进行科学的搭配和合租，以此来形成不同的传感器空间，在不同的空间之间实现有效的互补，便能够对监测对象实现一致的描述，从而保证监测结果的准确性。

信号处理的核心内容在于对信息的收集和处理，对于土木工程健康监测来说，其核心内容就是对土木工程结构损伤特征的信息进行提取，然后利用信号处理方法对各个传感器的信息进行智能处理，通过数据融合理论对各种信息进行处理之后，便可以将其作为对结构安全评价的依据。

三、健康诊断与安全评定
对于土木工程结构的健康诊断与安全评价一般可以分为局部和
整体两个部分。

局部诊断与评价所针对的是结构中的构件，也就是通常意义上的无损检测与评价，这方面的技术当前已经较为成熟，而且涉及到建筑工程领域的各个方面，如x射线法、超声回弹法、硬度测试法、涡流法、磁粉法、同位素法等都是当前使用的较为广泛的检测方法。

虽然这些监测方法的实施需要较高的成本，对于有些建筑结构的特殊部位可以实现较高的测量标准，所以其仍然是可行的。

整体诊断与评价则主要是针对土木工程结构的特性参数进行监测，如建筑物的频率、振型等等，通过对相关参数的变化情况进行监测，能够对工程整体的健康状况进行评价。

当前，在整体健康诊断与评价方面使用的较多的方法有以下几种：
1.模型修正法。

主要是利用有限元模型修正的原理，对于已经得到的数据进行再现测量，同时根据修正的模型对其准确性和安全性进行测定，这种方法虽然操作简单，但是在数据的准确性方面却不高。

2.对比法。

利用对比法主要是通过一组假设的损伤情况，将其与结构的真实测量结果进行对比，数据最为接近的情况则最可能是土木结构损伤的位置，运用这种方法需要进行大量的准备工作，而且费用较高，所以应用的不多。

3.神经网络方法。

融合自动控制、数理统计、计算机技术、以及相应的识别方法，通过神经网络的系统辨识原理，充分利用其自适应、自反馈、自学习功能、以实验模态测试为手段，输入模态参数，运算处理得到损伤的位置，并对结构进行评价。

由于神经网络的容
错性好，对输入参数的准确性要求不高，因此，其前景比较看好。

4.专家系统法。

其主要是通过对专家解决土木工程健康诊断的思路和方法进行模拟，通过计算机系统将所有的模拟方法进行整合，通过包含大量专家意见的计算机系统来实现对土木结构健康的监测与诊断，并且能够及时有效的做出判断，解决实际问题。

专家系统诊断方法准确性高，而且受外部欢迎的影响较小，所以也受到了广泛的关注。

但是由于其开发费用较高，因此在投入使用方面也仍然需要全面的考虑。

结束语：
在现代建筑工程事业不断发展的过程中，土木工程结构是其中一项重要的内容，也是影响建筑结构安全性的主要因素。

土木结构在使用的过程中，会不同程度的受到来自外部环境、自身荷载等多种因素的影响而产生损伤，导致其抗力减弱，因此必须要通过及时、有效的健康诊断方法对其安全性进行测量，从而判断其健康状况，采取有针对性的处理措施，提高土木结构的安全性。

也可以书，土木工程智能健康监测与诊断系统的研究与发展对于现代建筑事业的发展有着十分重要的推动意义。

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