土木与环境工程学院 助理教授
研究方向
移动传感，机器学习，连续动态监测与分析
背景经历
葡萄牙波尔图大学 博士/研究助理/博士后
德国联邦材料研究与检测研究院 副研究员
德国柏林结构分析与土木监测公司
个人主页
http://faculty.hitsz.edu.cn/huweihua
上期提到我在葡萄牙波尔图大学博士毕业，之后有幸得到德国Adolf Martens研究基金的资助，赴德国联邦材料研究与检测研究所(Federal Institute for Material Research and Testing, BAM)的结构安全部继续博士后研究。我在葡萄牙的导师——Álvaro Cunha教授年轻的时候就在该所进修过，他也是在这里学习的结构长期监测技术。
2、其次是一批闻名明世界的研究所, 如偏向基础科研的马克斯普朗克研究所(Max Planck Institutes)，偏向工程实践的弗朗霍夫研究所(Fraunhofer Institutes)；
3、还有各个政府机构直属的研究所，BAM就是德国经济与能源部直属的研究所之一。
在德国做研究期间，个人碰到了结构健康监测“新”和“旧”两个问题。
对于“新”结构
比如大型发电风机，随着发电量的不断提高，其结构尺寸越来越大，既有的设计经验已经无法适用，但对于新结构的真实动力行为可能导致的潜在问题，却无法从既有经验中获取。
对于“旧”结构
德国大部分基础设施都是二战后——也就是1950和1960年代修建的，到现在大部分都到了50年的设计寿命，如果评价、维护和管理这些基础设施，也是亟需解决的问题。
2014年政府换届时，新的政府提出的三大主题就是创新、教育和基础设施。我在德国的工作也碰巧涉及到“新”和“旧”这两部分。
上图的Alpha Ventus是德国第一个离岸风场，2007年开始在德国的北海(North Sea)建立，2010年开始商业化运营。该离岸风场有12个5兆瓦级的海上风机构成，其风塔支撑部分各不相同，其中6个采用的是网架形式，另外6个采用的是三向支撑模式。
由于5兆瓦级的风机，在2007年时还是世界上发电功率最大的，为了验证各种设计参数，在岸边建立两台原型机，下图中便展示了其中采用三向支撑的风机。
BAM研究所的结构安全部负责在该风机安装如上图所示的长期监测系统，包括处于不同位置的14个加速度传感器和110个应变片，连续采集了两年，同时还包括相应的环境因素，如温度、风速、叶片转速、叶片转角和机箱转角5组不同的数据等等。由于是连续监测，每个通道每个小时都会产生一组数据，大概估算数据量约为（14+110+5）*24*365*2=2260080组数据，如何利用这些数据，从中提取有用的信息，成为最大的问题。
基于我博士期间的工作，我将精力集中在其动态分析上，但对于风机这种新型结构，在研究时还是碰到了不少问题。首先，在这个项目上，数据采集的时间，为了保证其仍是线性系统的假设，设置的都很短，这样就给数据处理的方法SSI带来一定的难度。为此，我采用了频域的p-LSCF方法，和以前的SSI方法进行比较，发现频域的p-LSCF方法能够提供更好的结果。当结果出来后，其长期变化行为又无法解释，相比桥梁主要受温度的影响，风机所处的环境更为复杂。
当时这个项目的负责人Rolf Rohrrman老师说：这就像个拼图游戏，你得慢慢的拼出一幅图画来。
这其中几个问题，如风塔与叶片的共振以及Sommerfeld现象，机箱转角对频率和振型的影响，高阶频率的共振都困扰了我很久，通过查找文献，甚至是到动手写文章的时候才恍然大悟，找到了比较好的答案。
关于既有高速公路桥的评价，也是德国亟需要解决的问题。我接触的第二个课题就是柏林市环线高速A100上一座Westend桥梁的长期监测。
这可能是世界上监测时间最久的高速公路桥梁了。
导师Werner Rücker告诉我，他们1996年开始安装调试系统，包括振动、温度、应变、转角、裂缝开展等，从2000年开始采集，一直到今天，尽管项目只有6年的资助，但项目结束后他们得到业主的许可，继续采集。
我当时就震惊了，没有资助，还为什么做这么久呢？
当时导师的回答相当有意思：我们认为某天会有某个人会用到这些数据，结果可能也比较有趣，just for fun.
当我第一次爬到桥上看到这套系统时，就更震惊了。
桥体是个箱梁桥，内部只有1m高，在里面根本无法直立行走，不同箱梁之间有间隔，就在这样的环境下，他们还在三跨都布置了传感器，并把线路连过来，工作的艰辛可想而知。
采集系统可以用古董形容，操作系统还是Windows 98，但这么套系统居然持续工作了十几年。负责整个系统的Samir Said老师，有一个工作簿，记录这么十几年来关于桥梁和系统的任何细微的改变。就是这样不懈的努力，才确保了数据的可靠性。
这套设备的建立和维护，的确是体现了德国人的认真和细致，也是我需要努力学习的。
整套系统包括20个速度传感器、5个温度计、4个应变片、2个倾角传感器和1个裂缝传感器，每个通道每个小时一组数据，从2000年开始不间断采集，偶尔设备维护有中断，当我接触到数据库时，真的是淹没在数据的海洋里。和风机结构不同，桥梁上频率、应变、转角、裂缝主要是受到温度的影响，但如何合理同时解释他们的变化并解释桥梁这么年的演化过程，是一个主要问题。
另外，关于结构损伤指标，需要多个指标相互校核，因为毕竟监测了这么长的时间，单一指标不足以说服大家，很容易被质疑为数据的问题，而不是桥梁本身的问题。经过这个桥梁的项目，从频率变化里去除了温度影响后提取的统计指标，的确发现了桥梁的变化，同时也发现了预应力钢筋的长期应力松弛，可以部分证明这种桥梁的整体改变。
更有趣的是，在一年的中，发现桥梁面部和底部的温差变化冬和夏存在两个状态，产生的温度应力也导致整个桥梁的转角，裂缝展开，混凝土钢筋应变关系都处于两种不同状态。这个长期桥梁监测项目，也得到了同行的认同，在2015年7月都灵举办的国际智能结构健康监测研讨会上(SHMII, International Conference on Structural Health Monitoring Of Intelligent Infrastructure)获得最佳论文奖。
通过在德国的博士后工作，才发现结构的长期监测，的确可以用于探测结构的损伤，但这需要足够长的时间，这也揭开了我长久的困惑。博士阶段的工作也进一步完善，补充进了不同的方法，可以相互校核结果。
另外，数据的处理与挖掘是监测工作的一个关键环节。目前传感器和监测设备都可以从市场上购得，但只有合理解释海量监测数据，并服务于工程实践，才能够推动土木长期监测的发展并将其从科研课题转化为工业应用。
时间过得飞快，在欧洲已经十个年头。在这里的生活的方方面面都可以感到发达与完善，但这不是与生俱来的。
五百年前，葡萄牙人面对着波浪滔天的大西洋，牺牲了一批又一批人探索通往东方的新航路，进而揭开了欧美长达五百年在地球上的主导地位。德国近代二次挑起世界大战，二次从一片废墟与焦土上建立现代化德国。这些靠的不是上帝的赐予，而是认真、执着和努力的工作。这些年从各位导师和同学身上都可以体会到，也正是我需要终身学习和践行的。
具体到结构健康监测领域，该技术在航空航天，机械领域早已经产业化，但土木行业经过这么多年的发展，还停留在研究阶段而无法进行大规模工业应用。难点之一就是缺乏高质量的监测数据以及基于监测数据的结构力学行为解读，不解决这个问题就无法真正解决实际的工程问题，无法向工业界证明该种技术的有效性与实用性。
另一方面，国内外基础设施大规模建设结束后，又亟需现代化的维护，管理与评价技术。连续在线监测技术不同于传统的有限元分析和实验室实验，随着现代电子和计算机技术的发展，它可以实现直接在结构上作实验，也就是将实验室安装在实际工程结构上，挖掘结构在真实环境下的真正的力学行为。除了风机和桥梁，这种技术可以拓展到各种不同类型的工程结构上，如高层结构和大跨空间结构。
希望我能够在哈工大这个国内领先的研究平台上，继承和发扬“八百壮士精神”，在这个领域继续探索，为学校和祖国的发展贡献自己绵薄之力。
