问题概述：

1、技术产生的背景

国力的提升和技术进步，带动了我国超大、超复杂土木工程结构和基础设施的大量涌现，这些结构在民用建筑领域有超高层建筑、超大跨空间结构，也有各类异形复杂建筑和建筑幕墙等环境敏感性的子结构系统；在工业建筑领域有核电站安全壳、污水处理厂大型蛋形消化池、石化大型LNG低温储罐等；在交通领域有大型桥梁、隧道；水利工程领域有大型水坝；港口工程领域有大型海洋采油平台；此外，还有高压输电线路、输油、供水、供气等各类大型管网系统。这些结构的使用期都长达几十年，甚至数百年。在其服役过程中，由于环境荷载作用、疲劳效应、腐蚀效应和材料老化等灾变因素的耦合作用，其整体到局部都不可避免地产生损伤累积和抗力衰减，从而抵抗自然灾害的能力下降，甚至引发灾难性的突发事故，造成人员伤亡和巨大经济损失。国内外类似报道屡见不鲜，工程结构安全的长期智能检测预警技术越来越受到世界各国的重视。

从根本上解决上述问题，必须建立相应的长期智能安全监测与管理系统，而该系统必须依赖于可靠完善的长期自动监测预警基础技术与系统集成。工程结构安全的长期智能监测系统通过在工程结构关键部位布设耐久性与稳定性优良的智能传感器，为结构安全评定、损伤控制、预警以及维修、报废提供科学的依据。其强调的在于长期稳定可靠性和智能化程度。

2、目前研究的现状

世界各国在工程结构的安全监测领域的科学技术研究已经开展了很多年，在数据采集、数据传输、数据管理以及数据分析等领域积累了大量的研究成果，也有众多的监测传感器产品和数据信息系统可供选择。我国针对桥梁结构的安全监测已经于2016年颁布了《公路桥梁结构安全监测系统技术规程》JT/T 1037-2016。

各行业分别产生了一些相应的结构安全监测解决方案，包括：

电力行业的煤场在线测温报警系统；

石化行业的油罐感温报警系统、压力容器安全监测系统、油气管道泄漏在线监测系统、油井温度压力监测系统；

交通行业的地铁振动及沉降在线监测系统、桥梁健康监测系统、隧道健康监测系统；

水利行业的大坝监测系统；

海洋工程领域的港口起重机监测系统等。

与之相配套，从监测传感器领域，监测力值、位移、加速度、应变、温度、风速等参数的传感器均有相应的产品。但是，对上述成果进行客观分析可以发现，虽有众多产品及研究成果，但如果面临实际工程应用时，数据采集系统的传感器普遍存在耐久性不足、长期工作数据漂移失真、实用可靠性差的问题，从而监测工作从数据源头就失去了意义，此外，数据管理分析系统也存在应用范围狭窄、智能化程度不足的问题，因而花费巨大成本建立的监测系统往往还只是结构安全判断的参考或辅助手段，与建立系统的初衷相去甚远。大量的技术难题距离攻克还任重道远。目前所谓的健康监测也大多流于形式。

3、研究前沿和面临的挑战

在此背景下，近年来在传感技术方面的研究和应用前沿主要包括了光纤传感器、实时动态定位、声发射、压电材料等。多种传感技术的研究热点为：

（1）光纤传感器技术，具有传导速度快、耐腐蚀、抗干扰能力强、灵敏度高等优点，但是耐久性与在复杂环境下的运行精度有待提高。

（2）实时定位技术，主要是通过GPS、GIS等技术实现在3D坐标上定位，可以实时掌握结构在各类广义荷载作用下的应变。目前，中国北斗卫星导航系统的第一个民用示范工程--重点运输过程监控管理服务示范系统于2013年1月1日正式启用，成为未来实时定位技术的研究热点。

（3）声发射技术，通过发射超声波来监测结构的裂缝，但是在复杂的结构中所受的各种干扰以及微小裂缝，尤其是应力集中现象对超声波是致命的缺陷，还需要继续深入研究。

（4）压电材料技术，具有成本低、生产简单、响应快、机械强度高、耐久性能好、动态输出能力强、可靠性高等优异性能，但是目前主动监测技术在工程结构长期健康监测中的应用非常有限，绝大部分的成果还处于理论、试验阶段。

在数据传输方面的研究和应用前沿主要是随着无线传感网络技术（WSN）的发展，由传感器采集的大量数据能够及时的传输到中央处理器。无线传感器网络作为一种分布式传感网络，其末梢传感器通过无线方式通信，网络设置灵活，设备位置可以随时更改，并且无线传感器网络的传感器，具有类型多、规模大、自组织、动态性等特点。传感器的数目巨大和种类多样化促使监测精确度大幅度提高，降低了对单个节点传感器的精度要求，大量冗余节点的存在，使得系统具有良好的容错性。前沿的研究目标是使得部分节点传感器拥有微处理器，能够将采集的数据先行处理，消除偶然或系统误差和去除因传感器失效造成的错误数据，进而提取有效信息，减少传输数据量，减小能耗。

在数据处理方面，传统的数据处理是通过传统的算法，算出严谨、确切和精准的结构参数值，但由于工程结构处在一个随时改变的动态环境中，这种计算方法在实际工程中并不适用。目前研究的前沿是利用人工智能技术，运用模糊运算、统计运算等智能计算方法，对数据进行比较对比，对传感器失效造成的数据丢失、错误，进行必要的修正和验证，会对系统的正常，高效工作起到优化作用。

在数据分析方面，目前较多采用的层次分析法、模糊综合评定法等，分析评估的主观性太强，而且面对传感器传输的海量数据，如何进行取舍，目前无法建立统一的衡量规范。研究的前沿是如何提高智能化水平，在面对不同环境、荷载因素时，如何建立鲁棒性更强的数学模型。

重要意义：

（1）以一次性投入、较低的成本保证大量工程结构的安全，防患于未然，及早发现结构隐患和缺陷，采取措施，延长结构的寿命，同时保障人民生命财产的安全。

（2）促进人工智能技术、BIM技术在结构工程领域的发展和应用水平。

（3）丰富传感器类型，大幅提高传感器的耐久性、稳定性水平，在监测设备领域产生革命性的技术进步，提高国家的基础制造业水平。

（4）提高新一代通讯网络技术、新一代卫星定位系统在工程及城市安全运维领域的应用水平。