面向非受控动态环境的导波结构健康监测开放数据集：4.5年长期监测与多类型损伤评估

针对缺乏非受控环境下导波结构健康监测(SHM)公共基准数据集的问题，美国佛罗里达大学和犹他大学团队通过4.5年户外实验，构建了包含6.4百万条导波测量数据的开放数据集(OGW平台补充)，涵盖13种损伤类型及温度(-12.2℃~52.5℃)、雨雪等复杂环境因素，为开发实用化SHM方法提供重要基准。

　　

在飞机、风力发电机、管道等关键基础设施的维护中，导波结构健康监测(SHM)技术因其传播距离远、灵敏度高等优势备受青睐。然而该领域长期面临一个"数据荒"困境——现有研究多基于实验室可控环境下的数据，而真实世界中的结构却要经受温度剧变(-12.2℃~52.5℃)、雨雪侵袭等复杂环境考验。更棘手的是，传感器漂移、安装偏移等问题会随时间累积，这些干扰甚至可能掩盖真实损伤信号。缺乏反映这些现实挑战的公共数据集，严重制约了实用化监测算法的开发。

为破解这一难题，美国佛罗里达大学Kang Yang、Joel B. Harley团队与犹他大学合作，开展了一项历时4.5年的"马拉松式"实验。他们将安装8个压电换能器(PZT)的铝板置于犹他大学露天环境，在自然条件下采集了约640万条导波数据，构建了首个面向非受控动态环境的导波SHM开放数据集。该成果近期发表在《Scientific Data》期刊，填补了该领域公共数据的空白。

研究团队采用多传感器协同采集策略，通过2个激励器(PZT5-6)和4个接收器(PZT1-4)构成8条传播路径。每176秒采集一次包含8通道导波(采样率1MHz)及温湿度等环境参数的数据，创新性地引入13种渐进式损伤（从1cm³
铝块粘附到3cm贯穿孔）。关键技术包括：1)基于线性调频信号(5-350kHz)的导波激发；2)环境参数同步采集系统；3)损伤渐进引入的标准化流程；4)数据降采样(保留前2000个样本)与脉冲压缩处理。

环境变异影响验证：数据显示相邻导波相关系数在常规环境变化时接近1，而在暴雨（湿度>100%异常值）或直射阳光（温度骤升10℃/小时）等极端条件下骤降至0.5以下。图6-7揭示不同传感器对环境干扰的响应差异，如路径5-2比5-1对冰冻更敏感。

传感器漂移现象：对比2019年7月基线数据，后续年份同期的最优相关系数持续衰减（图9），证实PZT性能随4.5年使用逐渐退化，其中路径6-1漂移程度(相关系数0.9)轻于5-2(0.7)。

安装偏移影响：2018年11月更换亮度传感器后，系统重启导致相关系数断崖式下跌（图9），凸显设备更迭对数据一致性的重大影响。

损伤检测灵敏度：小尺寸损伤（如直径1cm凹痕）几乎不影响导波，而3cm贯穿孔可使相关系数降低15%。但值得注意的是，暴雨造成的信号畸变甚至超过贯穿孔损伤（图15-16），印证环境补偿算法的必要性。

这项研究通过构建真实环境下的长期监测数据集，揭示了四大现实挑战：1)规律/突发环境变异；2)传感器性能退化；3)系统更迭引入的基线偏移；4)小损伤检测灵敏度不足。数据集已纳入开放导波(OGW)平台，为开发具有环境鲁棒性的SHM算法提供重要基准。特别是提出的13级损伤梯度（表2），首次实现从微小缺陷到结构失效全过程的量化评估。未来研究可基于该数据集开发新型温度补偿算法（如OBS、BSS等），或探索深度学习模型在复杂环境下的损伤分类能力。

研究团队特别指出，长达4.5年的数据跨度暴露出实验室研究难以捕捉的长期漂移问题，这对实际工程中监测系统的寿命评估具有警示意义。正如作者强调："某些环境干扰对导波的影响甚至超过结构损伤本身"，这一发现将促使SHM研究从"理想环境"向"真实世界"范式转变。该数据集还可用于验证数据融合、异常检测等技术在跨传感器、跨时段分析中的有效性，推动SHM技术从实验室走向工程应用。