在跨海大橋、超高層建筑乃至地下隧道等重大工程中，如何實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)地感知結(jié)構(gòu)內(nèi)部的壓應(yīng)力變化，始終是工程安全領(lǐng)域的核心難題。超高性能混凝土（UHPC）憑借其卓越的力學(xué)性能，已在上述場(chǎng)景中得到廣泛應(yīng)用，但對(duì)其應(yīng)力狀態(tài)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，至今仍高度依賴壓電傳感器或光纖傳感器等外部設(shè)備。這類設(shè)備不僅造價(jià)高昂，還面臨與混凝土基體變形兼容性差、長(zhǎng)期可靠性不足等痼疾。

機(jī)器學(xué)習(xí)為解決上述問題提供了新思路，但現(xiàn)有模型大多僅以應(yīng)變或位移作為輸入?yún)?shù)，對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)變化的感知存在明顯盲區(qū)，預(yù)測(cè)精度因此受限。

電阻率捕捉微觀結(jié)構(gòu)變化，彌補(bǔ)位移參數(shù)盲區(qū)

針對(duì)這一痛點(diǎn)，上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)提出了一套以電阻率為補(bǔ)充輸入的多物理場(chǎng)機(jī)器學(xué)習(xí)框架，顯著提升了高靈敏超高性能混凝土（HS-UHPC）的動(dòng)態(tài)應(yīng)力預(yù)測(cè)能力。相關(guān)成果已于2026年1月12日發(fā)表在期刊《生命線應(yīng)急與安全》（Lifeline Emergency and Safety）上。

通訊作者、該校副教授林馳解釋了引入電阻率的核心邏輯："傳統(tǒng)應(yīng)力預(yù)測(cè)模型遺漏了一個(gè)關(guān)鍵信息——材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)在荷載作用下的演變過程。電阻率能夠直接捕捉這些微觀結(jié)構(gòu)變化。當(dāng)它與位移數(shù)據(jù)結(jié)合使用時(shí)，機(jī)器學(xué)習(xí)模型就能獲得混凝土內(nèi)部狀態(tài)更為完整的圖景。"

研究團(tuán)隊(duì)基于單軸加載條件下446組HS-UHPC實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集，對(duì)比測(cè)試了三種機(jī)器學(xué)習(xí)算法：雙層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DLNN）、提升樹（BT）以及平方指數(shù)高斯過程回歸（SE-GPR）。輸入配置分為兩類：數(shù)據(jù)集Ⅰ僅包含配合比與位移數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)集Ⅱ在此基礎(chǔ)上增加電阻率測(cè)量值。

均誤差Zui高降低41.1%，三種算法普遍受益

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，引入電阻率后，各模型的決定系數(shù)（R2）平均提升0.06。其中，SE-GPR模型在雙輸入條件下表現(xiàn)Zui優(yōu)，R2達(dá)到0.85，均方根誤差（RMSE）僅為0.11，均誤差降低幅度高達(dá)41.1%；BT和DLNN模型的誤差也分別下降12.3%和16.9%。

敏感性分析進(jìn)一步揭示了各參數(shù)的貢獻(xiàn)機(jī)制：位移與壓應(yīng)力的相關(guān)系數(shù)Zui高，達(dá)0.51，是Zui主要的預(yù)測(cè)變量；電阻率的相關(guān)系數(shù)為0.20，屬中等正相關(guān)。更值得關(guān)注的是，電阻率與位移之間的相關(guān)系數(shù)僅為0.26，兩者高度獨(dú)立，可作為互補(bǔ)變量協(xié)同提升模型精度，同時(shí)有效降低過擬合風(fēng)險(xiǎn)。

在材料組成層面，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)鋼纖維摻量與電阻率呈中等正相關(guān)（系數(shù)0.30），而碳納米管（CNT）濃度與電阻率呈強(qiáng)負(fù)相關(guān)（系數(shù)–0.66）。這兩類組分對(duì)應(yīng)力預(yù)測(cè)的影響是間接的——鋼纖維主要通過裂縫橋接效應(yīng)改變導(dǎo)電路徑，CNT則通過建立逾滲網(wǎng)絡(luò)在荷載下發(fā)生畸變，從而調(diào)制電阻率信號(hào)，進(jìn)而影響Zui終的應(yīng)力預(yù)測(cè)結(jié)果。

無源自感知架構(gòu)，指向結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)新范式

林馳特別強(qiáng)調(diào)了該方案在應(yīng)急安全場(chǎng)景中的獨(dú)特價(jià)值："電阻率是材料本身的固有屬性，這意味著我們可以在不植入任何外部傳感器的前提下，實(shí)現(xiàn)高精度應(yīng)力監(jiān)測(cè)。這是基礎(chǔ)設(shè)施向'自感知'方向邁進(jìn)的根本性轉(zhuǎn)變。"

在應(yīng)用前景方面，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在溫度變化、濕度波動(dòng)及長(zhǎng)期循環(huán)荷載等真實(shí)工況下驗(yàn)證該框架的泛化能力，并探索將其與無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整合，推廣至其他水泥基材料。團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是構(gòu)建一套成本低廉、無源被動(dòng)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在無需依賴易損嵌入式傳感器的前提下，對(duì)橋梁、隧道、高層建筑等關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的應(yīng)力損傷提供早期預(yù)警。該研究得到廣東省智慧防災(zāi)與城市生命線工程應(yīng)急技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的資助支持。

這一方向?qū)?guó)內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)具有現(xiàn)實(shí)意義。中國(guó)正大規(guī)模推進(jìn)智慧橋梁、智慧隧道等數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，如何在超長(zhǎng)服役周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)低維護(hù)成本的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，是行業(yè)共同面臨的挑戰(zhàn)。以電阻率等材料固有屬性替代外置傳感器的思路，有望為國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定和產(chǎn)品研發(fā)提供新的技術(shù)參照，推動(dòng)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)從"外掛感知"邁向"本征感知"的新階段。