導(dǎo)讀

華南理工大學(xué)土木學(xué)科海外學(xué)者前沿講座第六十六期，我們邀請到來自新香港理工大學(xué)土木與環(huán)境工程系的副教授董優(yōu)為大家?guī)眍}為“沿海基礎(chǔ)設(shè)施韌性評估與智能運(yùn)維”的報告。本期講座錄播鏈接見文末或點(diǎn)擊閱讀原文。

在基礎(chǔ)設(shè)施的服役期間，在環(huán)境腐蝕等作用下其性能會發(fā)生退化。同時，受氣候變化影響，沿海城市的基礎(chǔ)設(shè)施可能會遭受不同復(fù)合災(zāi)害的襲擊。目前，結(jié)構(gòu)評估使用的指標(biāo)也逐漸從可靠度轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)險和韌性。在此次報告中，董老師集中介紹了沿?；A(chǔ)設(shè)施的多災(zāi)害性能評估及正常使用階段的耐久性問題，研究結(jié)構(gòu)單體及基礎(chǔ)設(shè)施群的在全壽命周期內(nèi)的性能以及韌性的變化規(guī)律，同時探討人工智能在結(jié)構(gòu)維養(yǎng)中的應(yīng)用。從結(jié)構(gòu)服役的全壽命過程入手，總結(jié)歸納各類災(zāi)害和環(huán)境載荷的發(fā)生存在的隨機(jī)性、差異特性以及復(fù)雜的相互關(guān)聯(lián)特征，進(jìn)行全壽命統(tǒng)一易損性、風(fēng)險及韌性理論分析，同時系統(tǒng)介紹智能維養(yǎng)的理論框架和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，以及工程應(yīng)用實(shí)例。

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相比于只考慮初始階段進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，基于全壽命周期的評估更加合理。董老師首先介紹了針對結(jié)構(gòu)在壽命周期內(nèi)力學(xué)性能退化行為進(jìn)行的研究，主要考慮了腐蝕效應(yīng)對結(jié)構(gòu)失效概率和可靠度的影響，并根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)對其狀態(tài)進(jìn)行更新、評估和預(yù)測。沿?；A(chǔ)設(shè)施會受到類似風(fēng)、浪以及氣候變化等多種復(fù)合災(zāi)害的作用，董老師團(tuán)隊(duì)對多重外部隨機(jī)作用耦合下基礎(chǔ)設(shè)施的破壞模式進(jìn)行了評估和研究，從構(gòu)件、結(jié)構(gòu)以及城市尺度上分別探討了韌性的評估方法。然后，董老師還介紹了他們考慮逐漸退化和多重外部隨機(jī)作用彼此耦合下對基礎(chǔ)設(shè)施影響的評估框架。

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與傳統(tǒng)的極限狀態(tài)設(shè)計方法相比，在基于性能的設(shè)計中，不僅要考慮“失效概率”，還要考慮“失效風(fēng)險”，即除了失效概率外，還要明確考慮載荷或危害的返回期和失效后果。在該設(shè)計方法中，可以考慮多種不確定性因素、系統(tǒng)性能指標(biāo)（碳排放、基礎(chǔ)設(shè)施群）對基礎(chǔ)設(shè)施性能的影響規(guī)律，針對不同需求，確定不同的性能目標(biāo)和基礎(chǔ)設(shè)施群。隨著軟件和硬件的發(fā)展，我們已經(jīng)可以進(jìn)行大規(guī)模和復(fù)雜計算，能夠在城市的尺度上進(jìn)行模擬和評估，因此，可以考慮全概率事件和一些指標(biāo)對結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響。董老師課題組在傳統(tǒng)基于性能的評估的過程中，對如何提高效率以及新材料和新結(jié)構(gòu)體系對結(jié)構(gòu)抗震和抗災(zāi)韌性提升的影響方面做了一些研究；提出了有效的替代模型，減少計算時間并提高精度；進(jìn)行全集的靈敏度分析確定關(guān)鍵影響因素對基礎(chǔ)設(shè)施的影響。

董老師還對臺風(fēng)及其他氣候相關(guān)災(zāi)害，如極端波浪荷載對海岸結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了評估。另外，對于韌性的評估，董老師認(rèn)為結(jié)構(gòu)群體的相關(guān)性及韌性評估更具社會意義。全壽命韌性是指預(yù)測、準(zhǔn)備和適應(yīng)不斷變化的狀況以及抵御、回應(yīng)和從擾亂中快速恢復(fù)的能力。對于全壽命周期的韌性評估，董老師認(rèn)為要綜合考慮結(jié)構(gòu)本身退化、災(zāi)害已經(jīng)基礎(chǔ)設(shè)施群的相互作用對結(jié)構(gòu)全壽命的影響。董老師在這邊面對隨機(jī)過程中如何量化生命周期內(nèi)的韌性開展了相關(guān)研究。

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最后，董老師介紹了智能維養(yǎng)Intelligent Maintenance的研究工作，包括結(jié)構(gòu)技術(shù)狀態(tài)評估、優(yōu)化和全壽命理論和人工智能方法，并與工業(yè)界合作研究自動化及數(shù)字孿生技術(shù)等。研究對象則是面向城市級別的社區(qū)和群體的基礎(chǔ)設(shè)施群，對其進(jìn)行性能評估，包括維養(yǎng)、韌性，考慮相關(guān)性和不確定性進(jìn)行未來5年或者10年的智能化運(yùn)維，這是基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)預(yù)測模型，進(jìn)而做到在發(fā)生故障之前進(jìn)行經(jīng)濟(jì)最節(jié)省、行動最安全的預(yù)知性養(yǎng)護(hù)。另外，董老師做了大量的研究，提出了部分可見馬爾科夫決策模型，這是一個全壽命周期內(nèi)維修養(yǎng)護(hù)的時間序列決策模型，模型能夠考慮了環(huán)境隨機(jī)性、觀測誤差與維修養(yǎng)護(hù)結(jié)果不確定性，并基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)驅(qū)動實(shí)時智能維養(yǎng)決策。將其應(yīng)用在路網(wǎng)級別的實(shí)時維養(yǎng)決策中，對包含6座城市、8條主路、303座橋梁和8種類型車輛的路網(wǎng)信息，建立了反映路網(wǎng)結(jié)構(gòu)退化的時變可靠度模型。最近，董老師他們還通過建立智能化維養(yǎng)決策神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，來考慮銹蝕、防銹和疲勞等因素，鋼結(jié)構(gòu)在不同維養(yǎng)動作下的性能輸出。董老師更多的研究成果還包括基于數(shù)字孿生、大腦建立——仿生形神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)設(shè)施智能維養(yǎng)模型。

董老師指出：應(yīng)該基于基礎(chǔ)設(shè)施的實(shí)時采集數(shù)據(jù)（監(jiān)測和檢測）及構(gòu)件庫、病害庫、措施庫、性能提升庫，同時結(jié)合數(shù)理方法開發(fā)數(shù)學(xué)模型，用于長期性能的綜合評估和預(yù)測?；跀?shù)學(xué)模型，開發(fā)智能最優(yōu)控制，對于可監(jiān)測工程系統(tǒng)的全壽命周期性能的預(yù)測、控制、提升及資產(chǎn)管理規(guī)劃至關(guān)重要。建立不同層次的數(shù)學(xué)模型（工業(yè)應(yīng)用和科學(xué)研究），以推進(jìn)預(yù)防性智能維養(yǎng)的應(yīng)用。因此，建立物理準(zhǔn)則與數(shù)據(jù)信息混合驅(qū)動的智能維養(yǎng)系統(tǒng)是數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。

總結(jié)

董老師圍繞當(dāng)下韌性城市建設(shè)的熱點(diǎn)話題，采用了一些新興的研究手段進(jìn)行了一系列的研究，具有很強(qiáng)的前瞻性，也為我們新一代土木工程設(shè)計方法、韌性評估等提供了參考，引領(lǐng)我們對結(jié)構(gòu)設(shè)計和評估提出了更全面和更高水平的思考和要求。

END

相關(guān)論文請到董老師主頁下載：

https://research.polyu.edu.hk/en/persons/you-dong

講座錄播鏈接：https://b23.tv/gQWZ72e

來源于多樣化結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室VSL

排版 | 李嘉晨

審核 | 胡? ?楠