1、土木工程人工智能
其他
学术前沿 | 哈尔滨工业大学结构监测与控制研究中心
哈尔滨工业大学“结构监测与控制研究中心”和“土木基础设施数据科学与工程研究中心”是教育部长江学者创新团队和科技部创新团队，长期从事土木工程前沿研究，形成了“土木工程人工智能”、“结构健康监测数据科学与工程”、“桥梁结构多灾害及其控制”和“高性能结构材料与智能材料”4个研究方向。
2018年3月18日上午，《建筑结构学报》编辑部一行走访了哈尔滨工业大学“结构监测与控制研究中心”和“土木基础设施数据科学与工程研究中心”。
研究团队
左起：李惠教授、陈文礼教授、郭安薪教授
交流活动中，国际结构控制与监测学会理事长、长江学者特聘教授李惠向编辑部一行详细介绍了研究团队近期所取得的突破性研究成果。
在土木基础设施领域，人工智能技术深度融合土木工程学科，将使土木工程发生革命性变革。人工智能的深度学习和机器学习及强化学习算法、计算机视觉技术、无人机、机器人、智慧摄像机、移动群智感知技术、大规模分布式感知技术、虚拟现实和增强现实、云雾运算和管理技术、3D打印等应用于土木工程，将形成无人化、全自动、智慧化、实景体验的城市和区域规划、以及土木工程设计、建造、养维护和灾害管控的新技术。
研究团队发展了土木工程智能设计方法，通过深度强化学习自动生成建筑、桥梁、隧道等设计方案,并基于虚拟现实实现3D实景体验。发展了土木工程人工智能养维护技术，创新研究了基于计算机视觉与深度学习的结构健康监测异常数据自动检测方法，极大提高了监测系统的自动预警能力；采用无人机和计算机视觉，实现了结构3D建模；与可穿戴技术结合，研发了基于计算机视觉的桥梁结构疲劳裂纹识别方法和拉索腐蚀及其疲劳寿命评估方法；发展了结构健康监测数据挖掘与评估的机器学习算法；建立了土木基础设施的养维护智能决策的深度强化学习框架。
发展了结构地震和风灾的人工智能管控技术，研究了基于深度学习和计算机视觉的结构全场振动识别算法、地震损伤识别算法和破坏等级评估方法；发展了基于机器学习算法和卷积神经网络及长短程记忆深度学习算法的桥梁涡激振动自动识别算法、涡激振动和抖振预测方法、以及流场预测方法。
2、结构健康监测数据科学与工程
研究团队率先在国内外提出了结构健康监测数据科学与工程的研究方向，在结构健康监测数据挖掘和安全评定新理论和新技术等方面取得重要进展，包括结构健康监测分布式光纤传感、移动无线传感与传输及云计算、超声与超声相控阵监测、视频监测与图像识别及计算机视觉、基础设施健康监测压缩采集算法、基础设施损伤识别与模型修正、基础设施健康监测数据分析、学习与挖掘、基础设施状态评估与可靠度预测、重大基础设施风效应监测与数据分析、地震损伤识别与评估、交通基础设施物联网技术及应用等，形成成套软件和规程，实现了大型土木工程结构科学维护和灾害的精准管控。
3、桥梁结构多灾害效应及其控制
系统研究了桥梁在地震作用下的碰撞理论及控制方法、近海桥梁腐蚀损伤及地震多灾害抗震性能，率先开展了近海桥梁巨型波浪（海啸、风暴潮）及多灾害灾变效应及控制理论及方法的研究。
针对大跨度缆索承重桥梁复杂风效应，研究团队发展了斜拉索风雨振超声测厚技术和计算机视觉技术，揭示了斜拉索风雨振机理，实现了斜拉索风雨振多相流数值模拟；发现了超常斜拉索高阶多模态涡激振动机理，发展了基于惯性力的斜拉索高阶多模态振动控制技术和隔风控制技术；发现了大跨度分离式双箱梁涡激振动现象，揭示了流场特性及涡激振动机理，发现了大跨度桥梁雷诺数效应；提出了结构流场的混合模拟技术；发展了主/被动吸吹气流动控制方法和边界层行波壁仿生流动控制方法，通过对结构绕流场流态控制，可以有效减小作用于结构风荷载，从而降低结构风效应。
4、高性能结构材料与智能材料
4.1超高性能与智能纳米-纤维混凝土
研究团队在国内外较早地开展了利用纳米材料和纤维的纳-微多尺度效应改善混凝土力学与耐久性能和实现应变感知智能特性的研究；发现了纳米材料对水泥水化的作用机理、C-S-H在纳米材料表面生长结晶现象、以及混凝土微观结构的调控机制，研发了钢纤维/PVA纤维/碳纤维界面黏结强度改性方法及超高性能混凝土性能优化技术，建立了纳米-纤维长寿命混凝土材料设计方法；揭示了纳米-纤维混凝土应变感知机理，发展了应变感知的理论模型和性能调控方法，构建了自监测高性能混凝土结构系统。相关研究成果在重庆广阳岛大桥等工程得到了示范应用。
4.2高性能纤维复合材料及绿色纤维复合材料
研究团队系统开展了纤维表面改性、树脂选择及工艺优化等国产碳纤维复合材料高性能化研究，实现国产碳纤维复合材料在土木工程结构的规模化应用要求。进一步研究纤维复合材料复杂环境下的长期服役性能机理，结合分子动力学模拟，提出湿热/应力下纤维-复合材料界面劣化及其对材料宏观性能影响机理，建立了典型环境下纤维复合材料的长期性能时空演变模型。开展绿色生物质纤维复合材料及增强结构性能研究，提出显著提升植物纤维复合材料的力学性能与耐湿热性能植物纤维表面纳米接枝等方法，探索了植物纤维复合材料增强结构的受力性能与破坏特性，为绿色可持续土木工程结构发展奠定基础。
4.3三维石墨烯基功能复合材料
➤ 石墨烯气凝胶
采用改进的水热法和MPECVD法制备了超轻、绝热、大比表面积、高导电和高储能石墨烯气凝胶，实现了微纳单元在宏观大尺度上的可控构筑。在此基础上，（1）采用原子层沉积技术制备石墨烯基纳米陶瓷复合材料，实现了韧性和强度的同步增强，发现了纳米尺度上的超弹性效应。（2）原位复合磁性纳米颗粒，制备超大磁致变形和最轻的磁弹性材料。（3）发展了“自下而上”三维石墨烯基导电柔性复合材料制备工艺。
➤ 物理诱导定向调控微观结构，实现负泊松比效应
基于物理诱导石墨烯片定向组装，首次制备了具有双曲形貌的石墨烯气凝胶，实现了负泊松比响应和可调变力学性能特征。
➤ 基于仿生调变石墨烯气凝胶微观网络刚度，实现材料常温常压大尺度制备
基于生物结构强化仿生思路，通过强化微观骨架刚度和同步优化毛细孔表面张力的方法，得到常温常压自然干燥制备工艺。该方法突破了传统冷冻干燥或者超临界干燥技术所面临的瓶颈，实现了材料低成本、高产出的突破性技术。
➤ 3D打印石墨烯气凝胶
基于增材制造精确结构剪裁方法，开展了3D打印石墨烯气凝胶材料的研究工作，分别发展了自支撑和模板法3D打印多功能石墨烯气凝胶方法。该工作被剑桥大学Andrea Ferrari 教授高度评价为石墨烯材料研究的拓展性进展。
4.4 压电铁电功能材料
➤ 弛豫铁电单晶唯象理论
对目前第三代压电单晶弛豫铁电体的共存畴结构及其物理性能研究基础上，提取了其唯象理论的自由能展开系数，提出低对称相源于共存畴的应变协调，在各种应力状态，低对称相存在不连续相变；基于相竞争机制，对单晶的压电进行可控性研究，研究结果为弛豫铁电单晶的理论研究奠定了基础，并为新型巨压电体系材料的研究提供了研究思路。
➤ 铁电超薄薄膜理论及应用
首次理论获得铁电薄膜中的压电效应在临界尺寸附近突增，打破传统认为压电效应随薄膜厚度降低这一认识，并在铁电薄膜中发现力致铁电畴翻转，利用这一现象，设计了力致隧穿效应。
在结束了与研究团队交流之后，3月18日下午，在郭兰慧老师等的带领下，编辑部一行参观了哈尔滨工业大学结构与抗震实验室（住建部重点实验室）、风洞与浪槽实验室、国防抗暴与防护实验室。
至此，哈尔滨学术走访圆满结束，对《建筑结构学报》的编辑来说，本次走访是一次难得的学习机会，聆听谢礼立院士、沈世钊院士等对科研工作的切身体会，感受着他们对科研的执着与热情，也让我们对科研工作者充满敬意。
最后，再次感谢为编辑部走访提供周到安排的范峰院长、王玉银副院长、吕大刚副院长、李惠教授、郑文忠教授、翟长海教授，以及研究团队的师生们！
本刊实习编辑：刘安然
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