用智能手機(jī)來(lái)揭示橋梁是否存在故障

利用智能手機(jī)傳感器監(jiān)測(cè)人體健康和診斷疾病的應(yīng)用比比皆是?，F(xiàn)在，工程師們想出了一種方法，利用智能手機(jī)數(shù)據(jù)來(lái)揭示橋梁是否存在故障，從而在橋梁出現(xiàn)故障之前進(jìn)行修復(fù)。研究人員在《通信工程》雜志上報(bào)告稱，使用這些眾包數(shù)據(jù)作為維護(hù)的一部分，可以在不增加成本的情況下將新橋的壽命延長(zhǎng)14年以上。

該方法依靠智能手機(jī)加速度計(jì)和車輛在橋梁上行駛時(shí)收集的GPS數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算橋梁的振動(dòng)，這可以指示結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的變化。西點(diǎn)軍校土木和機(jī)械工程教授Thomas Matarazzo表示，這將比在數(shù)千座橋梁上安裝傳感器更便宜、更容易、更快捷。

在美國(guó)超過(guò)617000座橋梁中，42%的橋梁使用年限超過(guò)50年，約有46000座橋梁被認(rèn)為存在結(jié)構(gòu)缺陷。檢查員仍然主要依靠目視檢查來(lái)評(píng)估所有這些橋梁的完整性。但失敗總會(huì)發(fā)生。Matarazzo說(shuō)，今年1月的一個(gè)下雪的早晨，匹茲堡那座橋的倒塌“表明我們對(duì)橋梁真實(shí)狀況的理解存在知識(shí)差距”。經(jīng)常和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)橋梁振動(dòng)是更好地了解實(shí)際橋梁狀況并最大限度地減少這些知識(shí)差距的關(guān)鍵。

所有橋梁都以一種特定的固有頻率振動(dòng)，稱為模態(tài)頻率，該頻率與橋梁的物理特性（如材料特性、幾何結(jié)構(gòu)和質(zhì)量）有關(guān)?！斑@些數(shù)量的任何變化都會(huì)導(dǎo)致這些頻率的變化，” Matarazzo說(shuō)，“如果橋梁發(fā)生重大損壞，其模態(tài)頻率將發(fā)生變化?！?但美國(guó)只有少數(shù)幾座橋梁——通常是真正的舊橋或全新橋——有傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)測(cè)量這些振動(dòng)。

“The idea is that each individual smartphone collects noisy data but when you aggregate this and try to understand common result you can get an idea of bridge frequency.” —Thomas Matarazzo

因此，他和他的同事開(kāi)發(fā)了一款應(yīng)用程序，該應(yīng)用程序使用傅里葉變換（Fourier transform）等數(shù)學(xué)方法，根據(jù)隨時(shí)間測(cè)量的加速度變化計(jì)算模態(tài)頻率。通過(guò)將智能手機(jī)加速計(jì)數(shù)據(jù)與GPS數(shù)據(jù)相結(jié)合，該應(yīng)用程序可以在橋梁上的不同位置提供模態(tài)頻率。

為了測(cè)試該應(yīng)用程序，Matarazzo和他的同事們開(kāi)車穿過(guò)金門大橋102次。他們還讓優(yōu)步司機(jī)在72次途徑中做同樣的事情。他們發(fā)現(xiàn)，這些數(shù)據(jù)與安裝在橋上三個(gè)月的240個(gè)傳統(tǒng)傳感器的數(shù)據(jù)相當(dāng)。

他說(shuō)，聚合大量數(shù)據(jù)至關(guān)重要，因?yàn)椤爸悄苁謾C(jī)從根本上來(lái)說(shuō)是相當(dāng)糟糕的傳感器”。想法是，每個(gè)智能手機(jī)都會(huì)收集有噪聲的數(shù)據(jù)，但當(dāng)您匯總這些數(shù)據(jù)并嘗試了解常見(jiàn)結(jié)果時(shí)，您可以了解橋接頻率。

該技術(shù)在金門大橋等大跨度橋梁上效果最好，金門大橋的主跨度為1280米，因?yàn)樗鼈兛梢允占鄶?shù)據(jù)。但該團(tuán)隊(duì)還收集了意大利一座更短的28米混凝土橋的數(shù)據(jù)。他們將280次汽車旅行的數(shù)據(jù)與六個(gè)振動(dòng)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果。Matarazzo說(shuō)，這座橋類似于典型的美國(guó)公路橋，占美國(guó)所有橋梁數(shù)量的四分之一。

他的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正在使用智能手機(jī)評(píng)估另一種可以揭示結(jié)構(gòu)完整性的橋梁特征。這被稱為振型，它是橋梁在一定頻率下所形成的物理形狀?！芭c模態(tài)頻率不同，模態(tài)形狀隨天氣變化不大，對(duì)損傷更為敏感?！?/p>

他說(shuō)，智能手機(jī)的普及使這項(xiàng)技術(shù)特別有前途?！敖痖T大橋每天途經(jīng)10萬(wàn)輛汽車。即使只有10%的人參與，我們也會(huì)有1萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)集，這是我們研究中使用的十倍?！?/p>

此外，這類數(shù)據(jù)的寶庫(kù)已經(jīng)存在。優(yōu)步（Uber）和Lyft等代步服務(wù)公司需要收集加速度和GPS數(shù)據(jù)，以了解車輛的位置，以便跟蹤行程并匹配代步服務(wù)。他說(shuō)：“他們的商業(yè)模式依賴于智能手機(jī)數(shù)據(jù)，從一開(kāi)始就一直在收集這些數(shù)據(jù)。這些預(yù)先存在的大型數(shù)據(jù)集可能還有另一個(gè)監(jiān)測(cè)橋梁的目的?！?/p>