?大數(shù)據(jù)文摘作品

作者：Mickey

橋梁倒塌造成的人員傷亡在國內(nèi)外比比皆是。

今年1月，美國賓夕法尼亞州匹茲堡市一座橋梁28日清晨坍塌，造成10人受傷。事故造成燃氣泄漏，燃氣管道隨后被關(guān)閉。

中國也有類似悲劇發(fā)生，2019年6月13日和14日凌晨2點12分，位于廣東省河源市的黨演大橋和東江大橋紛紛發(fā)生坍塌事故，據(jù)河源市委宣傳部稱，坍塌事故造成三車墮水，造成一系列人員傷亡。據(jù)了解，截至事故發(fā)生前，兩座橋的橋齡分別達到47年和28年。

橋梁的使用壽命過長和年久失修是造成坍塌悲劇的重要原因。在美國超過617,000 座橋梁中，42% 的橋齡超過 50 年，大約 46,000 座被認為存在結(jié)構(gòu)缺陷。檢查員仍然主要依靠目視檢查來評估所有這些橋梁的完整性，但失敗時有發(fā)生，并且一旦發(fā)生，常常造成無法承受的悲劇。

利用智能手機傳感器監(jiān)測人類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，可以使用智能手機數(shù)據(jù)來揭示橋梁是否出現(xiàn)故障，從而在它們發(fā)生故障之前進行維修。研究人員在《通信工程》雜志上報告說，使用此類眾包數(shù)據(jù)作為維護的一部分，可以在不增加成本的情況下將新橋梁的使用壽命延長 14 年以上。

該方法依靠智能手機加速度計和車輛在橋上行駛時收集的 GPS 數(shù)據(jù)來計算其振動，這可以指示結(jié)構(gòu)隨時間的變化。西點軍校的土木和機械工程教授Thomas Matarazzo說，這將比在數(shù)千座橋梁上安裝傳感器更便宜、更容易和更快。

通過手機加速度和gps數(shù)據(jù)計算橋梁共振

所有橋梁都以特定的固有頻率振動，稱為模態(tài)頻率，該頻率與橋梁的物理特性（如材料特性、幾何形狀和質(zhì)量）相關(guān)?！斑@些數(shù)量的任何變化都會導(dǎo)致這些頻率的變化，”他說。“如果橋梁出現(xiàn)重大損壞，其模態(tài)頻率就會發(fā)生變化?！?nbsp;但在美國，只有少數(shù)橋梁——通常是非常舊的或全新的——有傳感器網(wǎng)絡(luò)來測量這些振動。

“這個想法是，每部智能手機都會收集嘈雜的數(shù)據(jù)，但是當您匯總這些數(shù)據(jù)并嘗試了解共同結(jié)果時，您可以了解橋梁振動頻率?！?nbsp;研究者Thomas Matarazzo表示。

因此，他和他的同事構(gòu)建了一個應(yīng)用程序，該應(yīng)用程序使用傅里葉變換等數(shù)學方法，根據(jù)隨時間測量的加速度變化計算模態(tài)頻率。通過將智能手機加速度計數(shù)據(jù)與 GPS 數(shù)據(jù)相結(jié)合，該應(yīng)用程序可以在橋梁的不同位置提供模態(tài)頻率。

為了測試這款應(yīng)用，Matarazzo 和他的同事開車穿過金門大橋 102 次。他們還打車讓優(yōu)步司機 72 次穿過金門大橋。他們發(fā)現(xiàn)，這些數(shù)據(jù)與從一組 240 個傳統(tǒng)傳感器獲取的數(shù)據(jù)相當，這些傳感器已連接到橋上三個月。

匯總大量數(shù)據(jù)至關(guān)重要，因為“智能手機從根本上說是非常糟糕的傳感器，”他說?！斑@個想法是，每部智能手機都會收集嘈雜的數(shù)據(jù)，但是當您匯總這些數(shù)據(jù)并嘗試了解共同結(jié)果時，就可以了解橋接頻率。”

第一輛車（Nissan Sentra）儀表板上的傳感器布局，用于收集前 50 次行程。b第二輛車（福特?？怂梗﹥x表板上的傳感器布局，用于收集 52 次行程。在金門大橋上的所有車輛行程中，智能手機都朝上，因此一根軸與重力很好地對齊。這樣的定位并不是絕對必要的；但是，有關(guān)傳感器配置的知識有助于數(shù)據(jù)預(yù)處理。c通過兩個獨立參數(shù)定義的橋梁空間分割的通用示意圖：Δs和c，它們在橋的長度上保持一致。紅色圓圈代表每個線段的中心，而淺色框顯示線段寬度。顯示三個相鄰段s i -1、s i和s i +1的特寫，以詳細說明分割參數(shù)：c是每個段的長度，c o是段之間重疊的長度，以及Δ s是相鄰段的中心（紅色圓圈）之間的距離。

挖掘網(wǎng)約車的“寶藏數(shù)據(jù)庫”

論文顯示，該技術(shù)在金門大橋這類大跨度橋梁上效果最佳，金門大橋的主跨度為 1280米，因為長距離的行駛能夠收集更多數(shù)據(jù)。但該團隊還收集了意大利一座較短的 28m 混凝土橋的數(shù)據(jù)。他們將 280 次汽車旅行的數(shù)據(jù)與 6 個振動傳感器的數(shù)據(jù)進行了比較，發(fā)現(xiàn)了相似的結(jié)果。Matarazzo說，這座意大利的橋是典型的美國公路橋構(gòu)造，這類構(gòu)造的橋占美國所有橋梁的四分之一。

他的團隊現(xiàn)在正致力于使用智能手機來評估另一個可以揭示結(jié)構(gòu)完整性的橋梁特征，稱為振型，它是電橋在特定頻率下形成的物理形狀?！芭c模態(tài)頻率不同，模態(tài)形狀不會隨天氣變化太大，而且對損壞更敏感。”

他說，智能手機的普及使得這項技術(shù)前途無量?！敖痖T大橋每天有100,000 輛汽車行駛通過。即使有 10% 的人參與，我們也將擁有 10,000 個數(shù)據(jù)集，這是我們研究中使用的數(shù)據(jù)集的十倍?！?/p>

此外，此類數(shù)據(jù)的寶庫已經(jīng)存在。Uber 和 Lyft 等叫車服務(wù)公司需要收集加速度和 GPS 數(shù)據(jù)以了解車輛的位置，以跟蹤行程并匹配行程。“他們的商業(yè)模式依賴于智能手機數(shù)據(jù)，他們從一開始就一直在收集這些數(shù)據(jù)，”他說?！斑@些預(yù)先存在的大型數(shù)據(jù)集其實還可以有別的用途，比如監(jiān)控橋梁健康。”

素材來源：

https://spectrum.ieee.org/bridge

https://www.nature.com/articles/s44172-022-00025-4#Sec2