?大數據文摘作品

作者：Mickey

橋梁倒塌造成的人員傷亡在國內外比比皆是。

今年1月，美國賓夕法尼亞州匹茲堡市一座橋梁28日清晨坍塌，造成10人受傷。事故造成燃氣泄漏，燃氣管道隨后被關閉。

中國也有類似悲劇發生，2019年6月13日和14日凌晨2點12分，位于廣東省河源市的黨演大橋和東江大橋紛紛發生坍塌事故，據河源市委宣傳部稱，坍塌事故造成三車墮水，造成一系列人員傷亡。據了解，截至事故發生前，兩座橋的橋齡分別達到47年和28年。

橋梁的使用壽命過長和年久失修是造成坍塌悲劇的重要原因。在美國超過617,000 座橋梁中，42% 的橋齡超過 50 年，大約 46,000 座被認為存在結構缺陷。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，但失敗時有發生，并且一旦發生，常常造成無法承受的悲劇。

利用智能手機傳感器監測人類健康和診斷疾病的應用比比皆是。現在，工程師們想出了一種方法，可以使用智能手機數據來揭示橋梁是否出現故障，從而在它們發生故障之前進行維修。研究人員在《通信工程》雜志上報告說，使用此類眾包數據作為維護的一部分，可以在不增加成本的情況下將新橋梁的使用壽命延長 14 年以上。

該方法依靠智能手機加速度計和車輛在橋上行駛時收集的 GPS 數據來計算其振動，這可以指示結構隨時間的變化。西點軍校的土木和機械工程教授Thomas Matarazzo說，這將比在數千座橋梁上安裝傳感器更便宜、更容易和更快。

通過手機加速度和gps數據計算橋梁共振

所有橋梁都以特定的固有頻率振動，稱為模態頻率，該頻率與橋梁的物理特性（如材料特性、幾何形狀和質量）相關。“這些數量的任何變化都會導致這些頻率的變化，”他說。“如果橋梁出現重大損壞，其模態頻率就會發生變化。” 但在美國，只有少數橋梁——通常是非常舊的或全新的——有傳感器網絡來測量這些振動。

“這個想法是，每部智能手機都會收集嘈雜的數據，但是當您匯總這些數據并嘗試了解共同結果時，您可以了解橋梁振動頻率。” 研究者Thomas Matarazzo表示。

因此，他和他的同事構建了一個應用程序，該應用程序使用傅里葉變換等數學方法，根據隨時間測量的加速度變化計算模態頻率。通過將智能手機加速度計數據與 GPS 數據相結合，該應用程序可以在橋梁的不同位置提供模態頻率。

為了測試這款應用，Matarazzo 和他的同事開車穿過金門大橋 102 次。他們還打車讓優步司機 72 次穿過金門大橋。他們發現，這些數據與從一組 240 個傳統傳感器獲取的數據相當，這些傳感器已連接到橋上三個月。

匯總大量數據至關重要，因為“智能手機從根本上說是非常糟糕的傳感器，”他說。“這個想法是，每部智能手機都會收集嘈雜的數據，但是當您匯總這些數據并嘗試了解共同結果時，就可以了解橋接頻率。”

第一輛車（Nissan Sentra）儀表板上的傳感器布局，用于收集前 50 次行程。b第二輛車（福特福克斯）儀表板上的傳感器布局，用于收集 52 次行程。在金門大橋上的所有車輛行程中，智能手機都朝上，因此一根軸與重力很好地對齊。這樣的定位并不是絕對必要的；但是，有關傳感器配置的知識有助于數據預處理。c通過兩個獨立參數定義的橋梁空間分割的通用示意圖：Δs和c，它們在橋的長度上保持一致。紅色圓圈代表每個線段的中心，而淺色框顯示線段寬度。顯示三個相鄰段s i -1、s i和s i +1的特寫，以詳細說明分割參數：c是每個段的長度，c o是段之間重疊的長度，以及Δ s是相鄰段的中心（紅色圓圈）之間的距離。

挖掘網約車的“寶藏數據庫”

論文顯示，該技術在金門大橋這類大跨度橋梁上效果最佳，金門大橋的主跨度為 1280米，因為長距離的行駛能夠收集更多數據。但該團隊還收集了意大利一座較短的 28m 混凝土橋的數據。他們將 280 次汽車旅行的數據與 6 個振動傳感器的數據進行了比較，發現了相似的結果。Matarazzo說，這座意大利的橋是典型的美國公路橋構造，這類構造的橋占美國所有橋梁的四分之一。

他的團隊現在正致力于使用智能手機來評估另一個可以揭示結構完整性的橋梁特征，稱為振型，它是電橋在特定頻率下形成的物理形狀。“與模態頻率不同，模態形狀不會隨天氣變化太大，而且對損壞更敏感。”

他說，智能手機的普及使得這項技術前途無量。“金門大橋每天有100,000 輛汽車行駛通過。即使有 10% 的人參與，我們也將擁有 10,000 個數據集，這是我們研究中使用的數據集的十倍。”

此外，此類數據的寶庫已經存在。Uber 和 Lyft 等叫車服務公司需要收集加速度和 GPS 數據以了解車輛的位置，以跟蹤行程并匹配行程。“他們的商業模式依賴于智能手機數據，他們從一開始就一直在收集這些數據，”他說。“這些預先存在的大型數據集其實還可以有別的用途，比如監控橋梁健康。”

素材來源：

https://spectrum.ieee.org/bridge

https://www.nature.com/articles/s44172-022-00025-4#Sec2