【讲座回顾】沿海基础设施韧性评估与智能运维

导读

华南理工大学土木学科海外学者前沿讲座第六十六期，我们邀请到来自新香港理工大学土木与环境工程系的副教授董优为大家带来题为“沿海基础设施韧性评估与智能运维”的报告。本期讲座录播链接见文末或点击阅读原文。

在基础设施的服役期间，在环境腐蚀等作用下其性能会发生退化。同时，受气候变化影响，沿海城市的基础设施可能会遭受不同复合灾害的袭击。目前，结构评估使用的指标也逐渐从可靠度转变为风险和韧性。在此次报告中，董老师集中介绍了沿海基础设施的多灾害性能评估及正常使用阶段的耐久性问题，研究结构单体及基础设施群的在全寿命周期内的性能以及韧性的变化规律，同时探讨人工智能在结构维养中的应用。从结构服役的全寿命过程入手，总结归纳各类灾害和环境载荷的发生存在的随机性、差异特性以及复杂的相互关联特征，进行全寿命统一易损性、风险及韧性理论分析，同时系统介绍智能维养的理论框架和数学基础，以及工程应用实例。

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相比于只考虑初始阶段进行结构设计，基于全寿命周期的评估更加合理。董老师首先介绍了针对结构在寿命周期内力学性能退化行为进行的研究，主要考虑了腐蚀效应对结构失效概率和可靠度的影响，并根据实测数据对其状态进行更新、评估和预测。沿海基础设施会受到类似风、浪以及气候变化等多种复合灾害的作用，董老师团队对多重外部随机作用耦合下基础设施的破坏模式进行了评估和研究，从构件、结构以及城市尺度上分别探讨了韧性的评估方法。然后，董老师还介绍了他们考虑逐渐退化和多重外部随机作用彼此耦合下对基础设施影响的评估框架。

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与传统的极限状态设计方法相比，在基于性能的设计中，不仅要考虑“失效概率”，还要考虑“失效风险”，即除了失效概率外，还要明确考虑载荷或危害的返回期和失效后果。在该设计方法中，可以考虑多种不确定性因素、系统性能指标（碳排放、基础设施群）对基础设施性能的影响规律，针对不同需求，确定不同的性能目标和基础设施群。随着软件和硬件的发展，我们已经可以进行大规模和复杂计算，能够在城市的尺度上进行模拟和评估，因此，可以考虑全概率事件和一些指标对结构设计的影响。董老师课题组在传统基于性能的评估的过程中，对如何提高效率以及新材料和新结构体系对结构抗震和抗灾韧性提升的影响方面做了一些研究；提出了有效的替代模型，减少计算时间并提高精度；进行全集的灵敏度分析确定关键影响因素对基础设施的影响。

董老师还对台风及其他气候相关灾害，如极端波浪荷载对海岸结构的影响进行了评估。另外，对于韧性的评估，董老师认为结构群体的相关性及韧性评估更具社会意义。全寿命韧性是指预测、准备和适应不断变化的状况以及抵御、回应和从扰乱中快速恢复的能力。对于全寿命周期的韧性评估，董老师认为要综合考虑结构本身退化、灾害已经基础设施群的相互作用对结构全寿命的影响。董老师在这边面对随机过程中如何量化生命周期内的韧性开展了相关研究。

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最后，董老师介绍了智能维养Intelligent Maintenance的研究工作，包括结构技术状态评估、优化和全寿命理论和人工智能方法，并与工业界合作研究自动化及数字孪生技术等。研究对象则是面向城市级别的社区和群体的基础设施群，对其进行性能评估，包括维养、韧性，考虑相关性和不确定性进行未来5年或者10年的智能化运维，这是基于试验数据建立数学预测模型，进而做到在发生故障之前进行经济最节省、行动最安全的预知性养护。另外，董老师做了大量的研究，提出了部分可见马尔科夫决策模型，这是一个全寿命周期内维修养护的时间序列决策模型，模型能够考虑了环境随机性、观测误差与维修养护结果不确定性，并基于深度强化学习驱动实时智能维养决策。将其应用在路网级别的实时维养决策中，对包含6座城市、8条主路、303座桥梁和8种类型车辆的路网信息，建立了反映路网结构退化的时变可靠度模型。最近，董老师他们还通过建立智能化维养决策神经网络模型，来考虑锈蚀、防锈和疲劳等因素，钢结构在不同维养动作下的性能输出。董老师更多的研究成果还包括基于数字孪生、大脑建立——仿生形神经网络等基础设施智能维养模型。

董老师指出：应该基于基础设施的实时采集数据（监测和检测）及构件库、病害库、措施库、性能提升库，同时结合数理方法开发数学模型，用于长期性能的综合评估和预测。基于数学模型，开发智能最优控制，对于可监测工程系统的全寿命周期性能的预测、控制、提升及资产管理规划至关重要。建立不同层次的数学模型（工业应用和科学研究），以推进预防性智能维养的应用。因此，建立物理准则与数据信息混合驱动的智能维养系统是数学基础。

总结

董老师围绕当下韧性城市建设的热点话题，采用了一些新兴的研究手段进行了一系列的研究，具有很强的前瞻性，也为我们新一代土木工程设计方法、韧性评估等提供了参考，引领我们对结构设计和评估提出了更全面和更高水平的思考和要求。

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相关论文请到董老师主页下载：

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

讲座录播链接：https://b23.tv/gQWZ72e

来源于多样化结构实验室VSL

排版 | 李嘉晨

审核 | 胡   楠