[2010.12.18]超级建筑

2010.12.18 经济学人印刷版

2007年8月1日，美国明尼阿波利斯市附近的一座编号为I-35W的密西西比河公路大桥在下班高峰期时突然坍塌。这次事故造成13人死亡，上百人受伤。这座桥在1967年建成，计划使用年限到2020年为止。那么为何会坍塌呢？2008年，美国国家运输安全局推断这些年来大桥的车流量升高增大了桁架的负荷是导致桥坍塌的原因。经过2500名工程师检查后将此桥评为“结构缺失”并列入修复的计划中。但是在这地区还有许多桥的情况比这座桥更糟糕，因此这座大桥的修复计划一直没被优先进行，而其真实状况只能伴随着悲剧的来临才越显在世人面前。

这类灾难非常见，只是密西西比河大桥的事故却引发出一个广泛问题：老式的基础结构往往暴露出其承载量总比当初设计时还要多。例如，英国列车从维多利亚时代开始就例行在拱形桥上行驶。当然，老式结构能重修或加固，但是用来评定它们的状态的标准方式就是定期检查，而这些非频繁性的简单检查足以发现问题所在。


如果一辆现代汽车能聪明到连轮胎不够气，汽油不满或刹车灯已坏都可以发现的话，为何大桥，隧道和建筑物不能让它们可以有监控自身状况并当紧急问题发生时发出警告的能力呢？研究人员一直希望能成功研发出“智能结构”。在某种情况下，智能结构甚至能采取行动来预防和减轻问题。


传感器加班加点


任何智能结构的出发点就是有合适陈列的传感器。这些小设备用以测量这个结构周围的物理状态，如温度，震动和拉力，产生出来的一系列数据通过计算器得以分析并为这个结构的完整性提供不间断的监测。拥有这些功能的传感器已发明了十年，但是没有被广泛利用是由于一个简单的现实原因：它们需要电线来供电和提取数据，而要让整条桥或整条隧道全部布满电缆是一件既困难，又费时又昂贵的事。


然而，近几年多亏迷型电子及电池和录音机技术的提高让无线传感器变得实用。无线传感器能比有线传感器更容易，更快捷和更省钱地附加在一个结构体上。2006年的夏天在旧金山的金门桥上完成了时长两个月的试验，来自加利福尼亚大学伯克利分校的Sukun Kim和Shamim Pakzad所带领的一支团队，决定用64个振动监视无线传感器构成一个网络系统，部署在其中一个桥塔上并且横跨金门大桥主要的墩距，每个传感器成本为600美金，与每个成本在4,000到15,000美金的有线传感器装置相比更便宜。


这支团队玩起一个名叫“流水线”的把戏，让传感器扮演信息传递员的角色把信息传到另外那些在附近的传感器中。信息从网络中最遥远的节点取得，在到达中央计算机进行分析前高达45个“跳点”。这个方法是指单独的传感器节点比强大的无线电耗电少，因此能存储能量。“我们已获得这座桥振动纵剖面的高分辨率图像”，Kim博士说。“如果任何螺栓或电缆有疏松情况，我们的系统将能把它感应出来”。


这次短期的研究显示无线传感器网络系统能附加在现存的结构体上，但它让其它工程师产生了疑惑，这些网络系统在苛刻的条件下持久性是如何呢。因此另一支由剑桥大学的Kenichi Soga带领的研究团队跟随着Kim博士的研究步伐，最近三年内于英国三处地方进行无线传感器试验。


在英国东约克郡，这支队伍在亨伯桥的锚定室中安装传感器监测湿度，桥中的钢支柱必须保持干燥。研究人员也安装了“斜面”传感器（类似于数码气泡水平仪）用以监测邻近的费利比高速大桥底部的未成形裂纹。在伦敦，他们在地下铁路系统的朱比里线中的一条隧道布置了传感器，用以监测隧道内的排水量，温度和湿度。


让这些传感器网络系统能稳定可靠地运行已被证实为非容易之事。研究人员起初用测试和误差来定位传感器节点。但在亨伯桥上，他们遇到一个无线电问题，就是直接信号和反射信号互相干扰。意思是单一节点要花费一个小时的时间才能接入网络系统，让收集数据这一动作费时极大。研究队伍制造出一个软件能测定节点最佳的位置，把干扰减至最低并提高网络系统的性能。


还有一个实际问题需征服：一天内安装在地下铁的数个传感器都从隧道内的混凝土墙上跌落，不得不用不同的胶水重新装上去。过了几个星期后，发现所有设备都被闸盖上薄薄的一层灰土覆盖了，必须要铺上保护罩。六个月之后，许多电池要更换，一些“斜面”传感器很奇怪地失灵了而不得不被换下来。


不管存在多少问题，传感器还是产出有用的信息。在这两座大桥上，这支研究小组能看到这个结构体能在正常的运转参数内运行。“尽管没通过感官分析来引起特别养护，但对于计划工程验收工作依然有利”，剑桥大学的Frank Stajan说。然而，来自安装在朱比里线内的传感器的数据证实了工程师们所担忧的事，被监测的隧道已逐渐呈现出安全问题。这些发现，是从常规检查而收集出来的其它数据中被证实，引致伦敦地下铁要调查研究隧洞衬砌的替代物。杜贝钢管公司的首席工程师Peter Wright说，“修复的成本将会很高，但这可能是最有价值的解决方法，比通过不断监测和永无止尽的局部加强这些管理隧道的方法更佳”，这家公司负责朱比里线保养工程。


传感器及灵敏性


这些设备表明传感器网络即使在艰难的现实环境中的确能收集到有用的信息。但还存在着很大的提升空间。金门大桥网络的问题是传送数据所需的时间：通常需要花上12小时才能把80秒有价值的数据传送给中央计算器进行分析。


Soga博士的队伍并没遇到这个问题是因为他们所处理的数据较少量。亨伯桥的湿度监测网络只包含了12个节点，费利比高速大桥网络有7个，而朱比里线隧道有26个。但要建立更大的网络，传感器本身功能必须有所提高。特别是要够智能，可以自己进行一些处理来把需要根据预置标准来决定传送的数据总量减至最低，并能分析传感器收集回来的信息是否真的需要进行发送。


跟数据处理一样，智能传感器也能更明智地用管理自己的行动来节省能量，例如只要在偶然传送一批数据时才打开它们的无线电设备开关。关掉无线电设备所节省了的能量的需求量比需要用来进行数据处理的额外能量要多。“经常在一个网络中传送数据要耗尽大量电力”，在德州理工大学专门研究传感器的土建工程师Jennifer Rice说。当Rice博士与她的同事们在伊利诺伊大学工作期间，设计出一个智能传感器系统来监测有113个节点，互相连接6个传感器的南韩珍岛大桥，并利用巧妙的编程来控制所产生的数据流，同时也能减少能量消耗。

 
这些传感器在2009年夏天安装在这座大桥上，用以监测大桥的吊索紧危状态，风负荷和桥面振动。每个节点在大多数时候都编成低功耗的“睡眠”状态，但一瞬间就能启动，十秒可以搜索到网间连接计算器的任何信号。“我们有轮流保持长期清醒状态的节点，称为哨兵节点，而如果它们的传感器发觉到振动或高于某一临界值的风力时，它们会发送一个信号到网间连接设备让其发出叫醒铃给所有睡眠中的节点”，Rice博士解析说。如果一个睡眠节点发觉到从网间连接设备在一瞬间发出的信号，那么它会完全苏醒并启动其传感器，分析了输入数据然后发送信息以满足特定的预定义标准。


所有这一切的研究能使传感器和节点在无需更换电池的情况下运行好几年，Rice博士说。另外，许多节点是由小型风力发电机和太阳能电池供电，它们能无限地供电给节点。Rice博士一队正密切地监测这座大桥以便观察这些系统有多大功效。珍岛大桥的传感器网络是民用基础设施项目中规模最大的一个，并代表着这一尖端科技：中央计算器甚至可以把大桥的状况以文本信息的形式发送给工程师们。


别袖手旁观 – 行动起来吧


能发觉损坏的桥或隧道并主动把其记录下来，这举动将会非常有用。但许多工程师想做得更全面，想给予智能结构一种可以反映问题的能力，这比简单地记录问题更好。这已经在“智能”建筑物能抵挡因强风或地震所导致的振动的建筑中开始呈现出来了。


能经受起这样的意外事件的建筑物设计是一种古老艺术。虽然表面看来是很坚固，但如果在特定的共振频率中受到振动的话，建筑物可以变得非常脆弱。因此，许多建在风大和易震区的建筑物都装备这些系统，有助它们承受震动。从历史角度而言，这些无需电力而运行的系统是不受关注的。为了抵挡地震，工程师们在建筑物的支撑梁之间安装了防震器来减弱振动和减少破坏。用以对付重量级强风，称为质量阻尼器的装置可以悬挂来改变建筑物的谐振特性，并减少建筑物的移动。


但这些系统还不够完美。有时防震器闲置要比抵抗波力来得更好，并且建筑物的共振可以随着时间的推移而改变，使无源阻尼器效果低。这问题促使工程师们设计出利用传感器监测建筑物运动的有源阻尼器，和照着定位在上层楼面的移重而回应的动力促动器。“它们很像手拿长杆的走钢丝者”，Bill Spencer解析说，他是美国伊利诺大学佩恩分校的土建工程师。“当一位走钢丝者感觉到自己向左倾倒时，他会把杆向右伸长来防止自己倒下。有源阻尼器能做到相同原理的事。”


这样的系统有个好处就是它们可以应付更广泛多变的环境，但有一个缺点是它们往往在伴随暴风雨或地震时容易电源故障。而且，虽然有源系统的传感器可以通过电池供电，但促动器就不能移动重物。为了征服这个问题，Spencer博士和他的同事们正研究“半有源”系统的可行性。这系统由防震器组成，如同在无源系统中使用那样，只是它们能在有必要时调整松紧。于是，这就有可能控制一个质量阻尼器的移动或相对地利用低功率来调整建筑物结构的硬度。意思是传感器与防震器两者都能通过备用电池系统来供电。


“我真的认为半有源系统是未来发展的方向”Spencer博士说。“但它并非万能的”。世界上高层建筑物已清晰地证明采用的方法并非一致的。台北101大厦建于2004年，高度为509米，它采用的是一个无源阻尼器。上海国际金融中心建于2008年，高度为492米，采用的是一个有源阻尼器。迪拜的迪拜塔于2009年完工，而高度828米的它已成现今最高的建筑物，由于它所处的区域非地震区因此并没有阻尼器，其独特的设计事它不受风力的共振影响。半有源系统还没在一栋真正的高楼大厦中使用；迄今为止，它只被安装过在中等高度的建筑物中，例如高度为238米的东京森之塔大楼，它于2003年完工。


高层建筑物并不是唯一能意识到它们本身正要发生的事并做出相应的反应的智能结构体。圣安东尼瀑布大桥已替代明尼苏达州的那座已坍塌的I-35W大桥，它采用能与防冻剂喷雾系统相通的温度传感器来防止桥结冰。


而这仅仅是个开端。Rice博士说，由于传感器网络能发觉许多物理现象，如果只用来检测拉力和振动是有所浪费。她建议，智能传感器在未来的岁月中能灵活运用，它们可以提高建筑物自控加热和冷却系统，管理例如风力发电机和太阳电池板的可再生能源系统，还有能处理如爆水管或断电的紧急情况。


一些研究员想要更进一步。“我们在其中一间大学正从事打算靠传感器启动的维修机器人并派去维修钢管隧道的计划”，Wright先生说。不管怎样，他仍然相信自动维修隧道的好处。“我未完全麻木追求这个方法，但隧道维修是个敏感的工作，对于我而言要隧道完全靠自身管理维修工作是非易事”，他说。但智能结构领域的快速发展是无可置疑的，而Rice博士对这项技术的成效将会在接下来的几年内兑现持乐观态度，如同旧桥，隧道和建筑物会被智能结构所替代。“很难说我们限时所拥有的技术已能防止明尼苏达州大桥的坍塌”，她说，“但我们已接近这个目标了”。