賦能智慧橋梁
——記同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系教授淡丹輝及其團(tuán)隊(duì)

范德強(qiáng)

淡丹輝

中國既是當(dāng)今世界交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)速度最快的國家，又是交通需求增長最快的國家。近年來，港珠澳大橋、東海大橋、杭州灣大橋等橋梁的建設(shè)成就舉世矚目。智慧賦能橋梁成為大勢所趨。

同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系教授淡丹輝和他的團(tuán)隊(duì)成員就是用智慧科技“妙筆繪彩虹”的科學(xué)工作者?？梢哉f，在他們的智慧賦能之下，橋梁不僅有了見微知著的“千里眼”和“順風(fēng)耳”，而且有了可以洞察一切的“透視眼”，可以精準(zhǔn)地感知橋梁的狀態(tài)。

智能把脈橋梁健康

20世紀(jì)末，在電子科技大學(xué)從事工民建專業(yè)教學(xué)工作的淡丹輝在職考入西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院橋梁專業(yè)攻讀博士學(xué)位，一邊上課一邊教書的他在一次非常基礎(chǔ)的專業(yè)課上，發(fā)現(xiàn)有學(xué)生在專業(yè)課本下放著一本C語言計(jì)算機(jī)編程的書在自學(xué)?！澳懿荒馨袸T學(xué)科的知識或者技術(shù)和土木工程結(jié)合起來，既能吸引學(xué)生的注意力，也能拓展一個(gè)新的方向？”淡丹輝當(dāng)時(shí)沒想到，這個(gè)念頭竟然開啟了此后20多年他一直深耕的研究方向。

通過認(rèn)真“琢磨”，淡丹輝想到把傳感器技術(shù)和IT技術(shù)放在橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成一種智能化的橋梁結(jié)構(gòu)加以研究。當(dāng)時(shí)，這個(gè)想法很超前，在博士導(dǎo)師何廣漢先生的信任和鼓勵(lì)下，最終，他完成了國內(nèi)第一篇關(guān)于智能土木/橋梁結(jié)構(gòu)方面的博士學(xué)位論文。

2002年，獲博士學(xué)位的淡丹輝進(jìn)入同濟(jì)大學(xué)土木工程博士后流動(dòng)站從事橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測及智能土木/橋梁結(jié)構(gòu)的研究。從此，他扎根同濟(jì)大學(xué)，再也沒有離開過這一研究領(lǐng)域。

初入同濟(jì)大學(xué)，淡丹輝就有機(jī)會(huì)參與到我國第一個(gè)真正意義上的智慧橋梁建設(shè)項(xiàng)目——東海大橋的健康監(jiān)測系統(tǒng)工程建設(shè)中。從項(xiàng)目前期的規(guī)劃設(shè)計(jì)，到最后實(shí)施運(yùn)營管理，淡丹輝全程作為技術(shù)負(fù)責(zé)人參與了東海大橋的健康監(jiān)測系統(tǒng)研究和建設(shè)。2006年，這套分布著478個(gè)傳感器的橋梁“感知”系統(tǒng)正式運(yùn)作，成為當(dāng)時(shí)國內(nèi)最先進(jìn)、最復(fù)雜的監(jiān)測系統(tǒng)之一。

繼完成東海大橋項(xiàng)目后，淡丹輝和團(tuán)隊(duì)受邀做了許多類似重大項(xiàng)目的咨詢工作。也是從那個(gè)時(shí)候開始，他開啟了理論方面的探索。親眼目睹和親身經(jīng)歷了橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)從最初的傳統(tǒng)操作到在線工作，從實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)同步進(jìn)行再到智慧系統(tǒng)的演變過程，更加堅(jiān)定了他將橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測做成“一種像智能生命一樣的信息產(chǎn)生、信息加工、信息傳輸、信息利用的全鏈條自動(dòng)化系統(tǒng)”的信念。

于是，從2013年開始，淡丹輝帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開始攻克行業(yè)內(nèi)高難度的橋梁問題，包括大跨懸索橋渦振事件的智慧監(jiān)測、感知和實(shí)時(shí)報(bào)警，復(fù)雜索纜結(jié)構(gòu)的高精度實(shí)時(shí)索力識別和疲勞狀態(tài)智能感知，基于機(jī)器視覺和動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)融合的橋梁全橋面交通流荷載監(jiān)測，基于數(shù)字孿生模型的路網(wǎng)橋梁群監(jiān)測，以及裝配式混凝土多梁橋的云監(jiān)測診斷工作等，數(shù)年間在相關(guān)領(lǐng)域有了突飛猛進(jìn)的進(jìn)展。

2020年5月以來，鸚鵡洲大橋、虎門大橋和西堠門大橋先后出現(xiàn)的渦振事件，引起了廣泛的社會(huì)關(guān)注和國家各級政府部門的重視。立足對懸索橋渦振研究的緊迫需求，近年來，淡丹輝帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)從橋梁健康監(jiān)測角度，提出了一套基于振動(dòng)加速度監(jiān)測的大跨懸索橋渦振事件的智慧監(jiān)測、感知和實(shí)時(shí)報(bào)警技術(shù)。在這個(gè)基礎(chǔ)上，他們又進(jìn)一步開發(fā)了基于Python和IE環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測與智慧感知程序，以某橋?qū)崪y渦振加速度振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，驗(yàn)證上述方法和程序的有效性和精確性?？梢源_定的是，以這些技術(shù)和軟件為基礎(chǔ)，將有助于發(fā)展一套更為實(shí)用化、功能更為齊全的智慧化無人值守的渦振監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。目前，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)受舟山大橋管理有限公司的委托，開展該技術(shù)在西堠門大橋上的應(yīng)用工作。

不僅是大型橋梁，淡丹輝和團(tuán)隊(duì)在裝配式梁橋等中小跨徑橋梁的智慧監(jiān)測實(shí)踐中也有諸多創(chuàng)新貢獻(xiàn)。作為中小跨度橋梁經(jīng)典方案之一，裝配式混凝土多梁橋最常見病害是鉸縫開裂導(dǎo)致的滲水病害，這種病害會(huì)危及橋梁結(jié)構(gòu)體系的橫向協(xié)同工作性能，進(jìn)而誘發(fā)其他伴生的病害，如主梁開裂及配筋銹蝕進(jìn)一步加速體系承載力下降等。為解決這一關(guān)鍵性難題，淡丹輝帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)做了很多努力，首先引入裝配式混凝土多梁橋的幾個(gè)可考慮縱、橫向協(xié)同工作性能表征能力的簡化多梁模型，基于該系列模型，定義4個(gè)系列的創(chuàng)新監(jiān)測指標(biāo)，用于表征這類橋梁結(jié)構(gòu)橫向協(xié)同性能和縱向協(xié)同工作性能，并通過實(shí)橋監(jiān)測數(shù)據(jù)及現(xiàn)場勘驗(yàn)證明了指標(biāo)的有效性。他們還進(jìn)一步根據(jù)這類橋梁的地理分布特點(diǎn)和監(jiān)測實(shí)施條件，提出面向路網(wǎng)橋梁群的云端智慧監(jiān)測系統(tǒng)方案，并以幾個(gè)裝配式梁橋監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)施案例，對該系統(tǒng)采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行短期及長期分析，最終實(shí)現(xiàn)了裝配式梁橋縱、橫向協(xié)同工作性能的智慧監(jiān)測與感知。

和學(xué)生一起在紅河特大橋現(xiàn)場進(jìn)行懸索橋監(jiān)測技術(shù)試驗(yàn)

立足國需共繪藍(lán)圖

回顧來時(shí)路，20年來，淡丹輝參與了許多大橋橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)和中小跨網(wǎng)級橋梁群健康監(jiān)測系統(tǒng)研究和建設(shè)。他作為負(fù)責(zé)人和技術(shù)骨干參與了以東海大橋?yàn)榇淼?0余座大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究和建設(shè)，以及上海、溫州、河北、寧波、紹興、武漢等地的路網(wǎng)橋梁群智慧監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)與科研工作，科研成果在近100座單體橋梁上得以應(yīng)用。

“在實(shí)踐中出真知，在項(xiàng)目中出成果”，是淡丹輝科研工作的真實(shí)寫照。如今，他已發(fā)表論文140余篇，其中SCI論文64篇（一作或通訊62篇），EI論文25篇。獲發(fā)明專利10項(xiàng)，實(shí)用新型專利20項(xiàng)，獲得軟件著作權(quán)5項(xiàng)；主編上海市地方規(guī)范《橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》一部，著有《橋梁工程結(jié)構(gòu)智慧監(jiān)測——理論與實(shí)踐》一書。與此同時(shí)，他還獲得7項(xiàng)國家級、省部級和行業(yè)協(xié)會(huì)的獎(jiǎng)勵(lì)和成果。

在領(lǐng)域內(nèi)深耕20年，淡丹輝所帶出來的學(xué)生也陸續(xù)進(jìn)入行業(yè)，成為十分活躍的中堅(jiān)力量。曾經(jīng)有人這樣總結(jié)他帶學(xué)生的風(fēng)格——把學(xué)生放在一條船上，然后給學(xué)生立一個(gè)燈塔，放手任由一個(gè)個(gè)小舵手自行朝著目標(biāo)方向前行。

淡丹輝覺得，從本科到研究生有一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。本科期間，學(xué)生是知識的學(xué)習(xí)者；研究生期間，學(xué)生就轉(zhuǎn)變角色了，成為知識的生產(chǎn)者。為此，進(jìn)入研究生階段以后，在學(xué)生向前進(jìn)一步的時(shí)候，淡丹輝都會(huì)給他們做非常詳細(xì)的路線規(guī)劃。“基本上研究生還沒進(jìn)學(xué)校，我就開始在暑假期間帶他們涉及這方面的工作了。比如，給他們留個(gè)小課題去做研究。然后，在研一和研二的時(shí)候，這個(gè)工作做完以后，他們就已經(jīng)有比較好的成果出來，也已經(jīng)發(fā)表論文了?！?/p>

其實(shí)，在30歲至40歲之間接觸過大量工程的經(jīng)歷，讓淡丹輝清楚地意識到在智慧橋梁、結(jié)構(gòu)監(jiān)測相關(guān)學(xué)科方向，科學(xué)研究與實(shí)踐工作的聯(lián)系十分緊密，因而指導(dǎo)學(xué)生選題朝著工程上最急需、最有意義的方向鉆研，也不斷鼓勵(lì)學(xué)生努力去做對現(xiàn)實(shí)工程有最直接支撐意義的研究。

淡丹輝常常感慨，自己的謀生手段正是興趣所在，“這是多么幸運(yùn)且幸福的一件事”。熟悉淡丹輝的人都知道，每當(dāng)談起橋梁、看到橋梁，尤其是一些非常態(tài)的新穎橋梁時(shí)，抑制不住的興奮都會(huì)浮現(xiàn)在他的臉上。淡丹輝說，港珠澳大橋開通后，他還專門乘車走了一趟?！靶旭傇跇蛏?，看著窗外，真的好壯觀！我就想，我們國家真是了不起，這座橋就是我國制造業(yè)的一張名片??！”

未來，淡丹輝和團(tuán)隊(duì)以及他們所打造的“千里眼”、“順風(fēng)耳”和“透視眼”，將不斷賦能智慧橋梁，助力我國從橋梁大國向橋梁強(qiáng)國邁進(jìn)！而他們所繪制的藍(lán)圖，也必將在不久的將來成為現(xiàn)實(shí)！