大家好，我是史蒂文·彻里（Steven Cherry），这里是《光谱》杂志举办的“科技智慧对话”节目。

 

　　先让我们将时光回拨到今年的5月23日晚上7时左右，一辆行驶在5号州际公路上的卡车，在通过斯卡吉特河大桥时撞上了大桥顶梁，造成了大桥垮塌，卡车从50米高度坠入河里，紧随其后的两辆汽车也一并坠入河中，所幸没有造成人员死亡。

 

　　当事故发生时，安装在桥上的传感器对此也无能为力。据当地一家媒体报道，去年，大桥调查人员曾在桥梁的八个位置发现有高负载致损的迹象，有钢梁已经发生了变形，而且，这次事故将大桥的钢梁撕开了一个8寸长的口子。

 

　　我们几乎每天都会听到有桥梁损毁的消息，而有些事故通过桥梁传感器原本可以提前预知或避免的。我们怀疑，上述情况的发生，靠传感器技术能避免吗?为此，今天通过电话连线，我们邀请到华盛顿大学计算机科学与工程学博士吕晨阳(Chenyang Lu)先生，向大家传授有关桥梁传感器作用的一些知识。吕博士涉足的领域包括“实时系统”、“无线传感器网络”以及“信息物理系统”，他同时也是ACM和IEEE组织中的一位活跃成员。

 

　　彻里：第一个问题是，传感器对斯卡吉特河大桥上发生的事故是否起到了有效的监测作用？第二个问题，桥梁上设置传感器有作用吗?

 

　　吕晨阳：是的，在这个区域都会设置结构健康探测系统，这一系统能够准确地监测到该区域，例如，用传感器来探测桥梁结构的损坏程度。就范围来看，从天上的飞机到地面的桥梁都有涉及。当然了，我们还是要针对特定的问题做具体的分析，而且，利用结构健康探测技术解决这些问题是大有希望的，至少在某些案例中获得过成功。

 

　　彻里：我的意思是说，传感器能否探测到卡车撞击桥梁的情形吗？

 

　　吕晨阳：不同种类的传感器可以为我们提供更多的信息，即有探测结构完整性的，也有探测桥梁损伤程度的。例如，有探测跨接点强度的强度计，有用来探测桥梁结构损伤程度的光纤传感器，也有能测量桥梁振动的感应器。包括通过模态分析、信号处理以及普遍应用的模式识别等手段，试图发现大桥在振动状态中是否发生了物理变化，即出现损伤的可能性。

 

　　彻里：在实验室里通过软件进行物理结构建模，然后观察何种传感器能有所奏效。你们是如何试验的?

 

　　吕晨阳：例如，斯卡吉特河大桥是属于一种常见的桁架桥结构，试验需要在结构工程和土木工程实验室里进行。我们进行了大量的桁架实验，包括与合伙人一起在伊利诺伊大学香槟分校建有一个可重构的桁架原型，通过这个原型，实际上你可以很容易地损坏桁架的任何部分，或者也可以更换部分桁架，比如将厚桁架换成薄桁架，以便预测到某种结构有发生退化的可能性。

 

　　你也可以去掉一根你想要去掉的桁架，然后向工作台施加振动力，使其作用于这些桁架上。接下来，用传感器对这些桁架实施监测，并通过软件或运算来探测这种损伤程度，并试图做得更逼真些。当然，在真实状况下发生的损伤是有其极限程度的。如果一切顺利的话，就将这种结构样件放大，就像我们在普渡大学里所做的那样，建成一套与实物大小一样的公路桥桁架。普渡大学是我们另外一家与之合作的土木工程合伙人。实际上那是一个相当大的桁架结构，你可以对其实施类似的实验。

 

　　彻里：就是说这些模型都是基于真实数据采集的。这让我想到了一个实例，韩国的珍岛大桥。这座桥有什么特别之处，你对它有了解吗?

 

　　吕晨阳：是的。我非常了解，整个项目是由我的合伙人、伊利诺伊大学香槟分校承担的，与韩国科学技术院（KAIST）、日本东京大学共同完成了这个项目。珍岛大桥坐落于全罗南道珍岛郡，跨越鸣梁海峡，于1984年10月18日竣工，是韩国国内唯一的双梁斜张桥，基本将珍岛与韩国大陆半岛连接起来。在这座大桥上，研究人员部署了数以百计的传感器，与我在华盛顿大学所做的课题基本相同，即无线传感器网络系统更容易部署在智能结构中。无线传感器网络系统对美国具有特别的意义，因为全美所有的一些古老的桥梁，必须要对其监控系统实施新的改造。这也正是伊利诺伊大学团队目前正在从事的工作，他们在韩国部署的这套系统已有多个年头了，持续不断地监测桥梁的振动情况，包括台风等灾害性天气对大桥造成影响的案例分析。

 

　　彻里：跟我们讲讲关于网络本身的情况。据我所知，传感器本身是相当复杂的，其系统的限制因素是否源于网络本身？也就是说，传感器收集到的数据要返回实验室或什么地方。

 

　　吕晨阳：在斯卡吉特河大桥事件之前，明尼阿波利斯就发生过I-35大桥垮塌事故。当那座大桥垮塌后，他们又建造了一座新桥，而且还为那座新桥安上了有线传感器网络。然而，有线网络存有两种缺陷。一是当大桥出现严重状况时，地震或是其他某种伤害时，桥梁会出现非常严重的变形，这时电线往往会被一并拉断，也正是最需要监测的时候，结构健康探测系统却停止了工作。

 

　　二是在桥梁结构上，特别是在一些老结构上布线，其成本相当昂贵。要将这些缆线接至系统，你就需要在桥梁上钻孔，包括前期的设计工作等。这就是为什么最近几年我们更多地采用了无线结构健康监测系统的原因。你可以把这种技术称为IEEE 802.15.4，这是专为传感器网络在非常低的功率下运行的一种技术，以形成一个网状网络。

 

　　彻里：除了持续不断的车辆过桥外，你还提到了特别事件，如地震和风暴，包括卡车撞击桥梁的情况。在创建一个传感器网络时，你还会使用涉及上述事件的某些数据。也就是说，你需要了解更多种事件，包括从传感器数据中获取知识，才能知道该选择那种类型的传感器。

 

　　吕晨阳：这也是为什么需要在实验室试验的原因了。你需要仿真工具，尝试着研究这些类型的问题。例如，在我们做过的一个项目中，曾为此开发出我们称之为WCPS“无线网络物理模拟器”的一种工具，正是采用了这些模型，我们为密西西比河上的爱默生纪念大桥完成了建模项目，这座大桥位于密苏里州的开普吉拉多市。

 

　　通过精准的大桥结构模型和软件试验，以模拟不同事件对大桥产生的影响。其中，我们做的一件事就是，参考加州大地震发生状况，记录下地球振动轨迹，然后在仿真模型上回放，以此建立起影响数据库，并据此再做相应的研究。

 

　　彻里：这项工作看似极像在做手工活，费时又费钱，得先建成模型，后再建设网络。据你所知，如果在全美主要桥梁上都设置传感器，花费会很大吗?

 

　　吕晨阳：主要目的是为了降低成本。传感器各有不同的功能，一般来讲，有以加速度为主的，或通过模型分析方法的，实际上传感器的费用并不昂贵。就加速计而言，其实价格是很便宜的。这些加速计会被放置在成本也很低廉的低功耗无线电界面上应用。需要强调的是，最大的好处在于设置传感器真的非常容易，只要将它们放置在适当的结构件上，接通电源就完事了。

 

　　彻里：我想也得考虑费用的节省问题吧。但更重要的是，在花费最少的前提下，什么时间修复桥梁最合适呢？

 

　　吕晨阳：这种类型的结构监测系统有两大优势，一是，该系统基本是无线网络型的，可以实时监控。过去，需要通过人工完成常规检查，现在则要求每两年人工检查桥梁一次，这个频率非常低下，两年时间里极有可能发生一些不测事情，而且要靠手动操作。尽管他们会用到一些如x射线、超声波等工具，但频次太低，人工成本又太高。

 

　　二是，在撞击或地震期间，该系统具有即时接通功能，可以实时监测到桥梁结构的完整性。如果有损伤情况发生，可以自动关闭高速公路和桥梁。另外，震后状况也值得特别关注。我在一些案例中发现，研究人员往往会花费长达2年时间检测一幢建筑或一个结构，之后才敢让人们入住或通行。检查住宅是如此，更何况生产设施，如果出现纰漏，就会造成重大的经济损失。

 

　　彻里：在传感器网络中时会出现数据利用不到位的情况，有时不知如何应对，或弃之不用。发生过这种情况吗?

 

　　吕晨阳：这是一个非常重要的问题。我的确听说过，有些新建的大桥，尽管备有大量的传感器，积累的数据也不少，但他们却不知道这些数据用来干什么，所以才会出现你所讲述的情况。采集数据不是根本目的，重要的是通过模型作出分析，不仅要采集实际数据，还要检测出受损部位，乃至局部损坏程度。最近，一种被称之为预后研究的前沿技术，不仅可以评估出当前的桥梁状态，还能预知这座大桥的剩余寿命。

 

　　彻里：一旦接通桥梁上的网络电源，就能获取到足够的数据。这些数据可否再次开发？土木工程师从中获取的信息或用来帮助新桥梁设计?

 

　　吕晨阳：我相信这对土木工程师非常有帮助。我确实感觉到，他们获取的数据是远远不够的，比如，在设计一座桥梁时，土木工程师并不知道那座桥未来会增加多少荷载，我曾在报告中了解到，在设计一座桥梁时，设计者会声称，这座大桥是按50年寿命考虑的，那座桥是按100年寿命设计的，等等，没有人能测算出大桥的真实寿命。因为大桥一旦投入使用，设计者也就获取不到有关桥梁的任何信息了。我想，新数据获得后，完全能反馈到土木工程师那里，这为他们更好地实施新桥梁设计提供了科学和工程依据。

 

　　彻里：我猜想，在自信心把握不足的情况下，工程师们过多地建造了一些桥梁，这势必会极大地增加造桥的成本。

 

　　吕晨阳：的确是这样。但是，现实情况是会发生变化的。我曾经听人说，许多桥梁已经超过它的设计寿命还在使用，有些大桥则必须马上进行大修。这就是为什么需要科学测量和分析的原因，为的是了解这些大桥的真正状态和剩余寿命。

 

　　彻里：据说目前汽车方面的软件其应用价值已经超过了30%，可是我的旧车还没能达到这个标准。不过，我认为桥梁很快也要发展成软件化了。感谢你为我们讲解了有关桥梁网络的一些知识，谢谢你今天参加我们的播客节目。