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无人之地 精选

已有 5963 次阅读 2016-10-23 11:00 |个人分类:RnR|系统分类:科研笔记

很久没有在科学网上更新,今日登录,只是为了评论一下王老师的文章,发现竟然仍有同学加我为好友,说是为了跟踪土木工程前沿。感动之余,心中羞愧。只好随手涂鸦几笔,算是对这位不知名的同学有一点交待,也算对关注的老友一点汇报。

所谓不忘初心,我的初心是什么?结构可靠度应该算是我的童子功。当初为什么对结构可靠度感兴趣?我实际上是受到这样一个问题所吸引:How safe is safe enough?  如今这个问题有了答案吗?概念上面,有一些基本的认识,但这个问题得到了完整的解答吗?似乎还没有。在结构可靠度领域,已有的研究方法,大致可以分为这样两类,套用经济学的命名,第一类是descriptive 或者empirical方法;第二类是normative 或者 rational 方法。第一类方法从结构设计规范的历史演变出发,考察不同时期结构安全度随着时间在不同子学科(砖石、木、钢、混凝土、高性能材料等)中的发展演变,其中隐含的假设是工程安全的达尔文主义,即trial and error 又称the fittest survives。 第二类方法从宏观经济学,特别是发展经济学、福利经济学、安全经济学的角度,拷问结构安全水准这个问题的原始意义所在,通过数学或者计算机模型,分析不同结构安全水准对长期宏观经济发展的影响;在此基础上,进一步以社会总体经济最优为目标,优化分析得到某个理性的目标结构安全度。尽管第二类方法从理论上讲非常吸引人,但要真正通过经济模拟,得到这样一个优化结果,目前还有许多难题,但在当前的大数据时代,这个很有可能很快产生实质性的突破。在实际规范制订时,第一类方法仍然是主导,其表现形式就是对已有规范的可靠度校准。新规范在具体的计算表达式或某些系数取值上会有更新、变化、更替,但在安全度水准上面,仍以已有规范唯马首是瞻。因此,在这一方面的研究,仍然以第二类方法为主。值得一提的是,尽管这类研究在短期内可能没有任何实际工程影响,但它的长远意义是显然的。

一句题外话,或者说,接着善勇王老师的话题,什么样的研究是有意义的研究?我个人觉得这个问题就像“什么食物是有营养的”一样,真的是萝卜青菜各有所爱。对于个人而言,你自己认为有意义的研究,那就是有意义。从政府科研管理的角度,应该允许不同的研究方式的存在,尽力营造一个健康的科研生态。具体一点讲,就是,既要有做跟风研究的,也要有做溯源研究的,整个研究光谱上都尽量能够照顾吧。我当初对中国博士大跃进持一个比较乐观的态度,其中一个原因是,每年那么多博士毕业,他们只有少数能到学术界,更多的要到企业去找饭碗。这些人到了企业,即便原来在学校研究做得再差,接受了基本的科研训练,对解决企业的实际问题的能力,促进校企研究合作,肯定大有帮助。

把话题再扯回来:结构可靠度问题在八十年代经历了一个低潮期后(因为规范问题基本解决),其发展现在看来,大概走出了这样两条路,一条路是本人近些年走过却没有留下多少痕迹的路,那就是将结构可靠度这一领域所开发出来的一系列方法应用到基础设施的全寿命管理(lifecycle infrastructure management)。这一条路的著名代表人物是美国的Dan M. Frangopol,尤其是在他从Colorado转到原本以钢结构研究著称的里海大学之后。Frangopol研究的一个主要特点就是将结构可靠度方法与结构全寿命管理结合,在应用中主要以桥梁结构为主,近年来漫延到各类工程结构。我特别强调“结构可靠度方法”,而不只是说“可靠度方法”,是因为,结构可靠度方法的一个特点是它着重于不确定性的演绎,强调概率论,而对数据与统计重视不够。因此,阅读Frangopol这一学派的文献时,读者常常感到他们过多地引入实际中并不需要或者无法接受的假设。比如,可靠度曲线随时间衰减的关系,一个直接的问题是,可靠度并不是一个直接可观测量,在此基础上得到的一些结果很难在实际工作中进行验证。而实际工程当中,全寿命管理要么是基于使用年龄或者某种可观测的性能或状态指标来进行决策的。我有幸在很早的时间就注意到了这个问题,并及时地给自己补充了现代统计、数据分析等方面的知识,走了一条与所谓的主流方法不同的道路。当然这条路现在走的人越来越多,随着结构健康监控技术的发展,它在结构工程中的应用肯定会越来越多。有趣的是,尽管我在这里对结构工程中的全寿命管理夸夸其谈,但是我目前为止还没有一次将这些方法实际应用于结构工程之中。我在博士研究阶段主要应用背景是核电工程,后来主要转到路面工程以及市政地下管道工程。其中的一个最主要的原因,是数据。哪里有数据,我就做哪一块。摸爬滚打这么几年,一身泥巴,有些心得而已。回头看,我也许走了一条非常unproductive的科研之路。但是,我内心当中坚持的那一条大土木的路,总算是越走越宽。当然,基础设施的全寿命管理这一领域本身并不是结构可靠度的专家们所首创。这一领域在土木工程里面最早应该得算是路面工程(60年代);若是跳出土木工程,则应该追溯到系统工程或者说国防工业。但是,结构可靠度在九十年代中后期杀进去之后,全寿命管理的研究迅速地将其中性能退化建模、全寿命成本、风险分析、风险管理、不确实性下的优化这些小山头给占领了——无论你承认不承认,结构工程仍然聚集着土木工程中最聪明的脑袋。

如果说上述第一条路是结构可靠度理论与方法研究沿着研究对象(结构)的时间轴进行展开的话(其中还有一个小支,即耐久性研究),那么第二条路则是沿着研究对象的尺度(scale)进行展开的。系统可靠度在1970年代中后期开始,逐渐发展出许多有意义的研究,当初的最主要研究目的是为了在可靠度这个视角下考察系统冗余度(或赘余度redundancy)以及延性设计的。其中一个衍生的课题是结构的连续倒塌问题,当时这个研究的背景来自于最著名的案例,英国的Rona Point 公寓煤汽爆炸。但是自911事件后,这一问题迅速地火热起来,并且很快地从结构系统扩展到更大尺度、更复杂系统的Infrastructure Resilience研究。当然这一领域的快速发展也得益于这些年来复杂科学理论的迅猛发展以及地理信息系统GIS的快速实用化,这些发展使得我们可以在更大空间尺度上进行体系可靠度以及风险分析。这条路与上一世纪系统可靠度研究的一个最大区别,在于它不但注重风险源或不确定性在体系内不同构件或部件内的传播、扩散、以及相互作用(比如应力释放与重加载),更重要的是它同时还注重风险源的空间随机相关(比如强地震的时空相关)以及不同风险源的藕合(比如地震与海啸、传染病扩散等)。

写到这里,我意识到其实我还得加上第三条路,那就是把时间尺度压缩,即动力可靠度问题。在这一方面,我本人所关心的仅限于等风险反应谱(Uniform Hazard Response Spectrum)的一些进展。

当年靠着几年文献阅读的功底,寻找出国留学的机会,心里头给自己藏着三个研究方向:混凝土结构非线性分析与设计,结构可靠度,振动反问题(即结构健康监控)。 寻找一圈,滑铁卢大学是我心中的最爱。混凝土结构的Cohn教授,可靠度的Lind教授,以及振动反问题的Gladwell教授,当年都是赫赫有名,至少湖南大学图书馆的外文书库里至今应该还是藏有这三位的著作。滑铁卢大学土木系的Solid Mechanics Division当年有专款用以研究成果出版,SMD的系列著作,湖南大学图书馆竟然几乎也有收藏,现在想来也不得不佩服湖大土木的过人之处。2006年,当年SMD的最后一位教授退休,从此SMD不再存在,尽管滑铁卢大学土木系仍然牛人济济,但当年的特色,已是消失无存矣。

结构可靠度是我的初恋。仍然记得初学可靠度面对非正态分布时的那份苦涩,学习重要性抽样时的那份如痴如醉,那是初恋的感觉。当然也有移情别恋,混凝土结构那份不裂不工作的豪爽、脆性延性随你调的柔情、强度刚度相对独立的自由洒脱,怎么不像湖南妹子,怎能不吸引你呢?我坦白,结构动力学也曾经深深地勾引过我。时域与频域的转换,真真地令你体会到什么是固有秉性:动若脱兔,静如处子。信号与系统、特征方程、振型分解,她们不但让你认识到世界的美,也让你认识你自己。

我硕士毕业时意识到,结构工程这个学科的研究,真正容易创新的在于新材料的应用。纵观历史,我们可以看到,钢材、混凝土、预应力混凝土、碳纤维等都带来了一大批新的研究成果,性能、模型、规范,三部曲;试验、理论、计算,三把刀。

若干年后,我开始自愿不自愿地干起了偏向于工程管理的研究。那么,工程管理研究的创新驱动力在哪里?面对这样一个全新的领域,我茫然无知。但是我怀里拥着我的初恋,左手抓着数据,右手抓着钱,开始了我的蹒跚之旅。面对我的是一个着实崭新的世界。我一个只会处理少数据(rare data)的乡里人,一下子满耳听到的都是大数据(Big Data)、智慧城市、无人驾驶汽车之类的子曰诗云;一个从来不查帐不理财的土包子,眼中充斥着Mezzanine loan, syndication, credit swaps之类的新鲜外文。我终于迷失在了这个无人之地——No Man's World.


注:此篇乃《小三的出轨》系列,大概之5。其他详见:博文自选



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