关于物联网时代桥梁健康监测发展的研究.doc

关于物联网时代桥梁健康监测发展的研究一、立项的背景和意义随着国家建设的发展，公路交通网络已成为关系国家经济命脉的重要基础设施，桥梁便是其中的重要组成部分。桥梁建成并通车后,经过长期负荷使用,桥梁结构难免会因各种原因发生损伤,从而降低桥梁的安全度。桥梁健康监测技术作为桥梁结构系统一部分，对于评定桥梁结构健康状况，指导桥梁维护管理，延长桥梁寿命有重要意义。物联网技术通过互联网将桥梁结构融为一个整体，基于云计算平台，实现桥梁之间的资源共享与协同式计算，应用桥梁评估专家系统，以人工智能推理技术求解和模拟桥梁在运营过程中的复杂问题，及时地获得结构异常的警报、安全评估结论和必要的运营维护建议，进一步提高系统智能化监测水平，必然是新技术时代桥梁安全和健康监测的必然趋势。国内外智能技术研究现状：自人工智能概念问世以来，经过多年发展，现已取得了巨大发展，土木工程领域研究和应用最多的是人工神经网络和遗传算法。由西南交通大学研发的铁路桥梁承载力评估及对策专家系统涉及了桥梁数据库、 数据库管理系统的建立、 并且建立了桥梁损伤等级评估和对策专家系统。北京市袁万城、崔飞和张启伟结合桥梁的工作环境与结构特性提出了一种桥梁健康监测与状态评估的方法。史家钧、陈兆能提出了一种大型拉索桥梁安全性与耐久性评估方法的设计方案，以模糊集合理论和多维决策模型为基础， 实现了对桥梁的现状的评估。Kawamm Kei和Miyamoto Ayaho(2003)利用多层模糊神经网络建立混凝土桥梁综合评估专家系统，在神经网络中进行模糊推理，利用BP算法建立了专家知识库。云计算是2007年提出的新概念，至今已成为当代信息技术发展的主要趋势 ，目前已有基于云计算技术的桥梁检测系统的初步探索，有研究人员提出了较为可行的基于云平台的结构健康监测系统方案，但就目前移植的专家系统功能比较简单，测量项目比较单一，数据库补充以及对业务中心结构优化方面还存在许多需要解决的问题，需要不断完善。2013年中铁大桥局桥梁科学研究院实现了对包括长江二桥、白沙洲大桥、军山大桥、阳逻大桥等的全国22座大桥的云计算桥梁健康监测，在数据中心，对不同桥梁的实时状态进行在线监测。尽管监测体系的内容较为单一，但其对完善我国健康监测系统做出了有益探索，为进一步研究积累了经验。二、项目主要研究开发（产品开发）内容、技术关键以及科研创新的主要方式研究内容：云计算及云计算体系架构：物联网时代，可以实现通过传感器等监测设备将互联网与桥梁结构融合为一个整体，云计算平台能够整合分散的软硬件资源，实现桥梁间的资源共享与分布式计算，建立完善的结构健康监测云，从而对桥梁进行实时在线的监测。 云计算是基于服务器集群提供的虚拟计算资源，将服务器、存储设备等硬件视为一个资源池，可以利用数据分析软件提供专业需求的解决方案。云计算吸收了传统的效用计算、网格计算、服务计算优点，并有明显区别于传统分布式计算的特点。首先云计算可以提供弹性资源，根据工作负载大小，部署于云计算平台上的应用需要适应资源的变化，并根据变化做出响应。再者，云计算更强调异构资源共享的网格计算，提高资源重复利用率，并利用规模经济降低运行成本。云计算体系架构分为核心服务、服务管理、用户访问接口3层。云计算核心服务是整个技术的关键，为提供可靠可用的计算，需要从核心服务子层：IaaS、PaaS、SaaS进行研究，保证数据中心管理、虚拟化、海量数据处理、资源管理与调度、QoS保证、安全与隐私保护等若干关键技术加以支持。桥梁评估专家系统：桥梁评估专家系统是含有桥梁领域专家水平的知识和经验的智能计算机程序系统，可以根据多个专家提供的知识和经验进行推理判断，模拟专家决策过程，实现对桥梁状态的综合评估。专家系统运用启发式求解方法，能解决桥梁运营中专家才能解决的不确定性问题，并且能不断进行知识的扩充，完成自我学习，从而提高系统的灵活性与可应用性。专家系统的解题程序由数据库、知识库、和推理机三要素构成。桥梁评估专家系统数据库是个桥梁数据信息库，知识库是桥梁方面事实性知识和专业领域经验和启发性知识集合体，推理机进行数据演绎，根据输入数据信息进行协调决策，进而解释最终结论。基于云计算的专家评估系统发挥分布式协同处理优势，将一项推理工作分配到多个计算器上，极大地提高了处理效率；同时，协同多个领域专家共同解决桥梁领域的问题，使得问题的解决更加有效。创新主要方式：集成创新三、项目预期目标（经济指标及应用前景）单纯的一座桥梁很难形成云计算的需求，在多座桥梁结构健康监测数据分析需求形成规模时，专业数据分析中心的云计算系统提供的数据分析与共享服务将会质优而价廉。基于云计算的动态资源分布能力，通过对大规模集群的统一化标准化管理，可以使得使单位设备的管理成本大幅降低。云计算将海量数据在数据中心进行集中存放，将大规模的桥梁群体纳入云资源池，可以使桥梁评估专家系统学习能力不断增强，同时，云计算分布式计算无限强大的计算能力为桥梁评估专家系统进行复杂问题计算提供了一定的基础。目前国内桥梁多配有传感器监测系统，传感器长时间连续采集与传输的数据量相当庞大，而监控中心很少配备有能够完全应对海量监测数据的专业技术力量，经常会发生面对大量数据却不能及时得到有效处理的现象。将云计算技术及桥梁评估专家系统纳入桥梁结构健康监测体系，以服务的形式提供给用户计算能力，允许用户在不了解提供服务的技术、没有相关知识以及设备操作能力的情况下，能通过互联网及时获取需要的服务和建议，可以更好地为管理者提供依据和完善桥梁监控体系。四、项目实施方案及计划进度安排2014.1-2014.4：准备工作，查找资料对相关理论进行深入学习2014.4-2014.8：交流讨论，对研究课题进