智能手机可用来帮助预警桥梁倒塌?

IEEE电气电子工程师学会 2022-11-30 16:02

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利用智能手机传感器监测人体健康和诊断疾病的应用比比皆是。现在,工程师们想出了一种方法,利用智能手机数据来揭示桥梁是否存在故障,从而在桥梁出现故障之前进行修复。研究人员在《通信工程》杂志上报告称,使用这些众包数据作为维护的一部分,可以在不增加成本的情况下将新桥的寿命延长14年以上。


该方法依靠智能手机加速度计和车辆在桥梁上行驶时收集的GPS数据来计算桥梁的振动,这可以指示结构随时间的变化。西点军校土木和机械工程教授Thomas Matarazzo表示,这将比在数千座桥梁上安装传感器更便宜、更容易、更快捷。


在美国超过617000座桥梁中,42%的桥梁使用年限超过50年,约有46000座桥梁被认为存在结构缺陷。检查员仍然主要依靠目视检查来评估所有这些桥梁的完整性。但失败总会发生。Matarazzo说,今年1月的一个下雪的早晨,匹兹堡那座桥的倒塌“表明我们对桥梁真实状况的理解存在知识差距”。经常和长期监测桥梁振动是更好地了解实际桥梁状况并最大限度地减少这些知识差距的关键。


所有桥梁都以一种特定的固有频率振动,称为模态频率,该频率与桥梁的物理特性(如材料特性、几何结构和质量)有关。“这些数量的任何变化都会导致这些频率的变化,” Matarazzo说,“如果桥梁发生重大损坏,其模态频率将发生变化。” 但美国只有少数几座桥梁——通常是真正的旧桥或全新桥——有传感器网络来测量这些振动。


“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,他和他的同事开发了一款应用程序,该应用程序使用傅里叶变换(Fourier transform)等数学方法,根据随时间测量的加速度变化计算模态频率。通过将智能手机加速计数据与GPS数据相结合,该应用程序可以在桥梁上的不同位置提供模态频率。


为了测试该应用程序,Matarazzo和他的同事们开车穿过金门大桥102次。他们还让优步司机在72次途径中做同样的事情。他们发现,这些数据与安装在桥上三个月的240个传统传感器的数据相当。


他说,聚合大量数据至关重要,因为“智能手机从根本上来说是相当糟糕的传感器”。想法是,每个智能手机都会收集有噪声的数据,但当您汇总这些数据并尝试了解常见结果时,您可以了解桥接频率。


该技术在金门大桥等大跨度桥梁上效果最好,金门大桥的主跨度为1280米,因为它们可以收集更多数据。但该团队还收集了意大利一座更短的28米混凝土桥的数据。他们将280次汽车旅行的数据与六个振动传感器的数据进行了比较,发现了类似的结果。Matarazzo说,这座桥类似于典型的美国公路桥,占美国所有桥梁数量的四分之一。


他的团队现在正在使用智能手机评估另一种可以揭示结构完整性的桥梁特征。这被称为振型,它是桥梁在一定频率下所形成的物理形状。“与模态频率不同,模态形状随天气变化不大,对损伤更为敏感。”


他说,智能手机的普及使这项技术特别有前途。“金门大桥每天途经10万辆汽车。即使只有10%的人参与,我们也会有1万个数据集,这是我们研究中使用的十倍。”


此外,这类数据的宝库已经存在。优步(Uber)和Lyft等代步服务公司需要收集加速度和GPS数据,以了解车辆的位置,以便跟踪行程并匹配代步服务。他说:“他们的商业模式依赖于智能手机数据,从一开始就一直在收集这些数据。这些预先存在的大型数据集可能还有另一个监测桥梁的目的。”


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