用智能手機來揭示橋梁是否存在故障

利用智能手機傳感器監(jiān)測人體健康和診斷疾病的應用比比皆是?，F(xiàn)在，工程師們想出了一種方法，利用智能手機數(shù)據(jù)來揭示橋梁是否存在故障，從而在橋梁出現(xiàn)故障之前進行修復。研究人員在《通信工程》雜志上報告稱，使用這些眾包數(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的壽命延長14年以上。

該方法依靠智能手機加速度計和車輛在橋梁上行駛時收集的GPS數(shù)據(jù)來計算橋梁的振動，這可以指示結(jié)構(gòu)隨時間的變化。西點軍校土木和機械工程教授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。

在美國超過617000座橋梁中，42%的橋梁使用年限超過50年，約有46000座橋梁被認為存在結(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。但失敗總會發(fā)生。Matarazzo說，今年1月的一個下雪的早晨，匹茲堡那座橋的倒塌“表明我們對橋梁真實狀況的理解存在知識差距”。經(jīng)常和長期監(jiān)測橋梁振動是更好地了解實際橋梁狀況并最大限度地減少這些知識差距的關鍵。

所有橋梁都以一種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、幾何結(jié)構(gòu)和質(zhì)量）有關。“這些數(shù)量的任何變化都會導致這些頻率的變化，” Matarazzo說，“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)絡來測量這些振動。

“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，他和他的同事開發(fā)了一款應用程序，該應用程序使用傅里葉變換（Fourier transform）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計數(shù)據(jù)與GPS數(shù)據(jù)相結(jié)合，該應用程序可以在橋梁上的不同位置提供模態(tài)頻率。

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

他說，聚合大量數(shù)據(jù)至關重要，因為“智能手機從根本上來說是相當糟糕的傳感器”。想法是，每個智能手機都會收集有噪聲的數(shù)據(jù)，但當您匯總這些數(shù)據(jù)并嘗試了解常見結(jié)果時，您可以了解橋接頻率。

該技術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，因為它們可以收集更多數(shù)據(jù)。但該團隊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)與六個振動傳感器的數(shù)據(jù)進行了比較，發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果。Matarazzo說，這座橋類似于典型的美國公路橋，占美國所有橋梁數(shù)量的四分之一。

他的團隊現(xiàn)在正在使用智能手機評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。“與模態(tài)頻率不同，模態(tài)形狀隨天氣變化不大，對損傷更為敏感?！?/p>

他說，智能手機的普及使這項技術特別有前途。“金門大橋每天途經(jīng)10萬輛汽車。即使只有10%的人參與，我們也會有1萬個數(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)的寶庫已經(jīng)存在。優(yōu)步（Uber）和Lyft等代步服務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。他說：“他們的商業(yè)模式依賴于智能手機數(shù)據(jù)，從一開始就一直在收集這些數(shù)據(jù)。這些預先存在的大型數(shù)據(jù)集可能還有另一個監(jiān)測橋梁的目的?！?/p>