桥梁健康监测海量数据分析与评估——“结构健康监测”研究进展

详细介绍了国家杰出青年科学基金项目＂结构健康监测＂（项目号：50725828）研究进展.该项目针对桥梁环境荷载和静动力响应等海量监测数据的处理分析与评估迫切需求,并紧密结合大跨斜拉桥和悬索桥的结构特点,系统地研究了大跨斜拉、悬索桥梁服役环境作用监测与效应模拟技术、动力性能监控与异常预警技术以及关键构件状态评估与运营维护技术.主要包括：①基于温度、日常风和台风监测数据提出了大跨桥梁服役环境作用模型与模型参数确定方法,并结合大跨桥梁多尺度基准有限元模拟方法研究了桥梁服役荷载效应模拟技术;②基于振动监测数据建立了大跨桥梁整体动力特性参数以及斜拉桥拉索索力、悬索桥主缆和吊杆内力的在线识别方法,形成了＂环境条件归一化＂的桥梁运营状态监控与异常预警技术;③基于应变、梁端位移等监测数据开展了服役环境下钢箱梁焊接细节疲劳荷载效应、主梁伸缩缝的温度和车载效应分析方法研究,形成了桥梁关键构件服役性能监控和寿命评估技术.     

中国水库大坝降等报废现状与退役评估研究

退役是水库大坝生命周期的一个重要阶段,是在水库大坝病险老化、功能丧失、经济效益衰退及生态系统退化背景下的必然趋势.随着水库大坝老化及公众风险和生态环境意识的增强,水库大坝退役需求越来越大.首先分析中国水库大坝降等报废现状和水库大坝退役对生态环境、社会和经济影响,结果表明:中国降等使用或报废的水库数量较多,绝大多数为小型水库;与需降等使用或报废水库数量相比,水库大坝退役进展缓慢;实施大坝退役既要重视工程安全与经济论证,更要重视生态环境论证,避免或减少对社会和生态环境等的负面影响.其次介绍了国内外水库大坝退役评估研究概况,就目前研究进展情况提出了水库大坝退役评估需研究的几个关键问题,即建立水库大坝服役状态评估测度体系、有效诊断大坝生命的理论和方法、水库大坝退役对生态环境影响评估理论、系统完整的水库大坝退役决策方法.最后通过扎子河水库工程实例分析了水库大坝退役评估方法,指出该水库风险极高,必须进行除险加固或拆除处理,鉴于除险加固经济合理性差,建议对该水库实施退役处理.     

高坝工程总溶解气体过饱和预测研究

随着越来越多的高坝工程建设, 伴随高坝泄水而存在的总溶解气体过饱和问题及其对鱼类的影响成为在我国日渐突出并日益受到关注的环境生态风险之一. 本文在理论分析基础上, 将高坝下游总溶解气体的生成过程概化为气体过溶及瞬间释放两个过程, 建立了高坝挑流消能下游总溶解气体过饱和风险预测模型. 采用紫坪铺、二滩、漫湾等已建高坝原型观测资料对模型进行了验证, 并对西南某待建高坝工程总溶解气体过饱和风险进行了预测. 本文作为高坝挑流消能过饱和总溶解气体预测方面的开拓性研究工作, 对于定量预测评价高坝工程总溶解气体过饱和问题, 建设生态环境友好型高坝水利工程具有重要意义.     

基于多特征的域间路由节点安全状态评估方法

域间路由节点安全状态评估能够实现对BGP节点安全状态的直观、实时描述,可为制定合理的安全策略,及时定位、抑制异常路由事件提供数据参考.然而由于完整的异常域间路由集难以获取,使得传统基于数据融合的状态评估方法不再适用.分析BGP节点间交互路由过程中存在的统计特征以及这些特征与域间路由节点安全状态的关系,进而提出一种基于多特征的安全状态评估方法.以平均路径长度和路由事件发生频率等属性为安全特征,并借鉴云模型理论转换定量特征为定性概念的思想,构建域间路由安全特征云,将正常态下的多属性综合安全特征转换为安全正常态,然后通过度量安全特征偏离正常态的程度来计算节点偏离正常态的程度,由此得到域间路由节点面临安全威胁的概率.实验结果表明,该方法能够实现对域间路由节点安全状态的评估,准确性高、实时性强,可为域间路由系统的安全稳定运行提供有力支撑.     

复杂条件下特高土石坝建设与长期安全保障关键技术研究进展

我国是世界上200 m以上特高土石坝数量最多的国家,复杂建坝条件和运行环境给这些高坝大库的建设和长期安全保障带来了严峻挑战.本文介绍了近年来我国在复杂条件下特高土石坝建设与长期安全保障关键技术等领域的主要研究进展:揭示了筑坝粗颗粒土石料力学特性的尺度效应、细观及劣化机理,建立了可考虑加载与流变耦合效应的堆石体流变计算模型;基于计算接触力学方法提出了高土石坝复杂接触系统数值模拟方法,并运用于面板坝面板损伤和心墙坝坝内廊道破损机理研究;研发了变形与渗流耦合的试验装置,进行了防渗土料渗透特性、坝体和坝基防渗系统服役性能试验;基于当量密度法提出了覆盖层密度的旁压试验方法,并进行了相关现场试验;研究提出了300 m级特高面板坝复式结构、坝体增模技术及面板设计方法;依托大石峡工程提出了特高面板砂砾石坝的安全评价和控制标准.上述研究成果已为如美心墙堆石坝、大石峡面板砂砾石坝等特高土石坝工程设计和优化等提供了重要的科技支撑.     

大坝风险评估与管理关键技术研究进展

大坝风险客观存在,对大坝风险进行评估和管理,事关工程安全和公共安全.本文基于中国的溃坝概率统计分析,简要回顾了大坝风险评估和管理技术发展过程,阐述了大坝风险管理内涵,对溃坝模式和溃坝路径识别、溃坝概率与溃坝后果计算、人因可靠性、梯级水库群风险评估与控制、大坝风险标准和风险决策等涉及大坝风险评估与风险管理的关键技术进行了综述,对风险排序和决策、风险预警及应急预案、降等报废、大坝安全年度报告、运行维护与监测手册等风险管理实用技术和工具在中国大坝安全行业管理的应用现状进行了总结,展望了大坝风险评估与管理技术未来的研究方向,以期引起全行业更深入的探讨,促进中国大坝尽快由"工程安全管理"向"风险管理"的转变.     

基于广域瞬时量测信息的复杂受端电网动态频率量化评估与预警方法研究

在深入研究电力系统动态频率响应过程的基础上,提出了一种基于广域瞬时量测信息的复杂受端电网动态频率量化评估与安全预警方法.基于电力系统简化频率响应模型（SFR）的基本特征,定义了一种仅依赖于扰动初始时刻量测信息的量化评估指标,该指标物理意义清晰,指标数值能够客观的反映系统动态频率的安全状态.本文提出的量化评估指标具有单调性和平滑性较好,计算简单且易于实现等优点.多机系统算例仿真计算与分析结果论证了指标的可行性和有效性.     

大坝安全网络监控数据采集系统的设计

介绍一种基于分布式结构的大坝安全网络监控数据采集系统系统分别利用RS-485网络和以太网与下层测量仪器和上层的监控主机连接,采用分布式结构以及组网方式,实现大坝安全网络监测自动化软件对整个大坝形态进行实时监控.重点研究数据采集器的工作原理、硬件构成以及上位机监测软件的设计与实现.该系统能够有效满足大坝远程通信和监控的要求并已成功运用于大坝安全监测领域.     

我国水库大坝病险及溃决规律分析

水库工程是保障经济社会发展的重要基础设施,大坝安全涉及重大公共安全问题,对溃坝数据进行深入分析对溃坝防范和防灾减灾具有重要意义.本文深入分析了大坝的病险和溃坝现象以及发生发展规律,探讨了水库大坝运行过程中的病害演变特性,构建了大坝病害评估和险情判别体系;在分析大坝性态变化规律的基础上,建立了大坝性态变化模型;通过历年溃坝数据挖掘,系统分析了20世纪50年代以来我国溃坝的坝型、时间和空间分布规律,总结了有价值的经验教训和警示,对水库大坝溃坝风险防控和加强大坝安全管理有重要参考价值.     

气候变化对水利工程安全影响分析

气候变化已成为全球性问题,并受到国际社会的普遍关注.气候变化导致极端事件频度和强度增加,虽然全球目前已经采取了诸多减缓措施,但气候变化的影响仍将持续.水库大坝等水利工程作为关键的基础设施,其相关风险须在持续和变化过程中得到适当管理.因此,水利工程的设计、建设管理、运行调度等必须充分考虑气候变化影响,并寻求有效的应对措施,以保障运行安全.为正确认识气候变化对水利工程安全的影响,依次分析了气候变化对水利工程设计、极端温度对水库大坝、海平面上升对沿海涉水工程的影响,并通过实例进行了说明.分析可知,气候变化对水利工程设计标准、水库大坝运行安全、沿海涉水工程安全均会产生严重影响,且气候变化对水利工程安全的影响具有突发性、不确定性以及后果严重性等特点,应予以重视,以有效减少损失.最后提出了相应的对策与建议.     

冲击荷载作用下CRTSⅢ型板式轨道-路基系统动力特性研究

应用ABAQUS有限元软件建立CRTSⅢ型板式轨道-路基动力分析模型,计算了在落轴冲击荷载作用下CRTSⅢ型板式轨道-路基系统的动力响应,并将仿真计算结果与试验结果进行了对比,验证了模型的可靠性.在此基础上,研究了扣件刚度、路基基床弹性模量、自密实混凝土弹性模量以及长期服役状态下混凝土弹性模量的降低对轨道-路基系统动力特性的影响规律.结果表明:扣件刚度对各部件振动加速度影响较大,路基基床弹性模量对其影响较小;轨道结构在服役过程中混凝土弹性模量的降低会引起轨道板加速度有较大的增幅,应引起重视.     

一种考虑飞行轨迹不确定性的碰撞风险评估方法

随着交通工具智能化与无人化的发展,交通系统的自动化管理成为一个必然趋势.而对于交通自动化管理系统,准确评估碰撞风险从而保证交通安全是一项关键技术.本文提出了一种基于碰撞概率计算的碰撞风险评估方法,以碰撞概率作为安全评估指标,帮助智能交通系统对碰撞风险进行精确控制.对具有不确定性的飞行轨迹之间的碰撞概率进行计算主要分为三...     

高坝工程总溶解气体过饱和影响的原型观测

高坝泄水对环境的不利影响之一是会产生总溶解气体（TDG）过饱和,导致鱼类患气泡病甚至死亡.本文通过对紫坪铺、三峡、二滩、漫湾、大朝山、龚嘴和铜街子等工程的观测,探讨了影响高坝工程过饱和TDG生成与释放过程的主要因素.其中,消能方式、泄洪流量与泄水建筑物的布置是影响过饱和TDG生成的主要因素,发电尾水的掺混作用可有效降低坝下TDG过饱和度,而支流汇入、水深、紊动是影响TDG过饱和沿程释放的重要因素.观测结果还表明泄水期间TDG过饱和度垂向、横向分布存在规律.研究对积累高坝TDG原型观测经验,评价其对环境的影响具有重要意义,可为TDG过饱和问题的理论研究提供基础数据和参考依据.     

中国农业生态安全及相关研究进展

我国正处于经济快速发展时期，经济发展所带来的环境与生态问题十分严重；同时我国又是人口大国，农业生产始终是党和政府、社会各界以及国际社会关注的焦点问题，农业生态安全、粮食安全等是影响国家安全的重要方面。本文试对生态安全以及农业生态安全的概念、特点、评价与预警，粮食安全，农业景观结构调整与发展生态安全型农业，土地资源持续利用，农业生物多样性与转基因生物等的研究现状及进展做一初步分析。     

湖南生态经济系统的能值分析及其可持续性评估

运用能值分析理论和方法,对湖南省1999～2006年的能值投入率、净能值产出率、环境负载率、能值货币比率、能值使用强度、人均能值使用量、电力能值比率、人口承载力、基于能值分析的可持续发展指数、废弃物能值比率等10个指标及其变化趋势进行定量分析,并与其它国家和地区的相关指标进行比较研究.研究结果表明：（1）湖南社会经济水平虽然不断上升,但目前整体上较落后,处于我国各省市的中游水平,湖南发展经济和提高人民生活水平的道路还很长.（2）湖南还属于资源输出型的生态经济区域,需要尽快改变这种状况.（3）湖南资源环境压力较大,应控制耗能产品、环境污染产品出口,努力发展水电,适度抑制人口增长,遵循功率最大化原则,提升生态经济系统的可持续发展能力.     

基于多分辨率粒子滤波的全局协同定位方法

野外环境下,多类型机器人协同合作可以克服单一类型机器人(如无人车、无人机等)在环境建模任务中的视角、尺度方面的问题,进而提高整体编队系统的环境感知与决策控制能力.而在多类型机器人协作系统中,协作定位是协同合作的关键难题之一,也是进行编队建模与编队控制的基础.在GPS缺失环境下,由于传感器类型的不同,非结构化的环境特征,视角的不同而导致基于匹配的多机器人定位方法无法实现有效稳定的定位.本文提出了一种基于多分辨率最近邻匹配和粒子滤波的协同定位方法,可以在初始相对位置未知的情况下,进行全局范围内的协同定位.本文采用了一种针对粒子匹配精度以及匹配效率的评估方法,并根据粒子评估结果进行粒子权重更新,地图更新以及粒子数目更新,以平衡在定位过程中粒子对状态空间的描述和定位效率.同时,针对于粒子退化或者粒子收敛速度过慢的问题,采用了基于分辨率等级和粒子匹配精度和匹配效率的自适应调整方法.最后结合具体平台,本方法在野外水湾环境进行了基于无人船与无人机的协同定位实验,实验结果表明本方法有效解决多机器人在GPS缺失下的协同定位问题.     

高混凝土坝气幕隔震控制的模拟分析理论与试验验证

针对高坝动力灾变过程控制这一核心科学问题,首次提出高坝气幕隔震控制的液-气-固三相耦合建模理论和数值实现方法,给出三相强耦合-热力学状态-材料-接触/非接触双重非线性的复杂动力学问题的理论描述和气幕隔震高坝工程的动力灾变关键效应的全过程数值模拟;给出刚性坝-平面波简化情况的解析解.完成了高305m锦屏拱坝的地震灾变过程控制与非控制的对比模拟,结果与振动台实验相互印证,基本相符.提出整体式气室和变厚度优化气幕,发展了高坝控制优化方法.首次完成大型振动台拱坝隔震的模型实验并满足基本动力相似准则,实验数据合理可信,并与模型坝的动力模拟结果基本符合,为模拟理论方法提供了实验验证.数值模型与物理模型相结合的试验表明,动水压力削减可达70%以上,坝体第一/第三主应力峰值降低20%～30%以上,有效地提高了高坝工程的整体抗震能力,表明气幕减震是高混凝土坝防震控制的优先发展方向.     

基于MSC.Marc的高混凝土坝非线性时效变形量化的程序实现

变形是混凝土坝结构性态的综合反映,尤其是时效变形,是评价大坝结构性态转异和长效服役健康状况的重要指标.针对坝体混凝土徐变和坝基岩体蠕变等材料固有时效变形特征所引起的混凝土坝时效变形,组建了适合高混凝土坝变形的坝体、坝基非线性时变本构模型,并研究了三维应力状态下的时效变形方程,提出了基于Drucker-Prager屈服函数的坝基岩体蠕变分段准则;在此基础上,基于通用商业有限元软件MSC.Marc,研究了本文所建非线性时变本构模型的二次开发程序实现方法,进而实现对高混凝土坝固有时效变形的量化分析.通过算例验证了基于MSC.Marc进行二次开发的可行性和正确性,某高混凝土重力坝固有时效变形的正反分析结果表明了所建模型的工程实用性.     

基于裂纹扩展的涡轮叶片热障涂层寿命预测模型

热障涂层在高温热循环的服役环境中会出现性能退化,最终剥离失效.本文以等离子喷涂的YSZ涂层为研究对象,基于亚临界裂纹扩展模型,引入临界能量释放率指数模型,结合改进的热生长氧化层增厚模型,推导了涂层循环失效预测模型.通过和公开的实验数据对比,验证了本文方法的准确性.之后将该模型应用于国内某型燃气轮机涡轮导叶热障涂层的寿命预测.结果表明,随着热生长氧化层的增厚,当达到临界厚度时在陶瓷层和黏结层界面会出现应力反转.陶瓷层和黏结层界面出现的拉伸应力会诱导附近微小裂纹扩展.此时热生长氧化层进一步增厚,将会加速裂纹的扩展速度,直至裂纹贯通,界面出现剥离失效.涂层寿命与服役温度呈指数递减规律,在一定范围内提高陶瓷层和黏结层界面粗糙度可以延长涂层服役寿命.本文模型对预测等离子喷涂的YSZ涂层寿命具有很好的应用价值.     

顾及大坝位移残差序列混沌效应的GA-BP预测模型

针对大坝观测数据常规模型训练后的残差混沌效应及模型回归方法的拟合度等问题,文中融合遗传算法与神经网络的数据训练优势,通过构建的遗传神经网络(GA-BP)算法对大坝变形观测序列资料进行回归提取残差序列.基于位移回归残差序列的混沌特性,利用混沌理论对其残差序列进行数值分析,并将残差预测结果与GA-BP预测模型进行叠加.据此,提出了考虑大坝变形残差序列混沌效应的GA-BP监控预测模型.实例表明,文中建立的预测模型的计算精度及收敛速度均得到提高,且考虑残差影响的大坝监控模型的预测效果得到了有效的提升.该模型的建模方法亦可推广应用于边坡及其他水工建筑物的安全预警.