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　　在我國，大規(guī)模基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)歷經(jīng)多年發(fā)展，積累了龐大的存量資產(chǎn)，隨之而來的養(yǎng)護與監(jiān)測需求催生了一個體量巨大的市場。近期，CUDA 技術(shù)在地震信號處理領(lǐng)域取得的重要研究成果，為其在基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護與監(jiān)測市場的應(yīng)用提供了廣闊的想象空間。

　　一、基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護與監(jiān)測市場現(xiàn)狀

　　當(dāng)前基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護與監(jiān)測已形成龐大的市場，并呈快速增長態(tài)勢。全球來看，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（SHM）市場2024年規(guī)模估計約為36.8億美元，預(yù)計2025年至2030年將以19.2%的高速年復(fù)合增長率擴張。這一增長由多重因素驅(qū)動，包括嚴(yán)格的公共安全法規(guī)、老齡化基礎(chǔ)設(shè)施的維護需求以及各國對智慧基礎(chǔ)設(shè)施項目的積極投資。政府層面的政策支持尤為關(guān)鍵——各國正將結(jié)構(gòu)監(jiān)測納入法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，例如推動建立統(tǒng)一的監(jiān)測系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)以保障公共安全。城市化加速和可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)也提高了對基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測的重視，尤其是在確保關(guān)鍵設(shè)施（如橋梁、建筑、壩體等）的安全方面。

　　2020-2030年全球結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測市場規(guī)模及增速（按解決方案分類，單位：億美元）

　　硬件和軟件服務(wù)兩大板塊均保持增長態(tài)勢，整體市場年均增速約19.2%。

　　國內(nèi)方面，我國基礎(chǔ)設(shè)施資產(chǎn)總量極為龐大：市政道路、鐵路、高速公路等存量資產(chǎn)估值高達數(shù)十萬億元人民幣。許多設(shè)施進入運維更新的關(guān)鍵期，按國際經(jīng)驗每年需投入相當(dāng)可觀的維護費用。以每年2%～3%的維護率粗略估算，全國基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護市場年度總規(guī)模可達1～3萬億元人民幣，甚至更高。其中，監(jiān)測與數(shù)字化運維作為新興高成長領(lǐng)域，目前在養(yǎng)護費用中占比不高，但隨著精細化、智能化需求提升，投入占比正逐步攀升。保守預(yù)計該細分市場未來規(guī)模將達千億級別（人民幣），成為養(yǎng)護市場中增長最快的板塊之一。這一趨勢也得到政策面的有力支撐：例如我國“新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)”戰(zhàn)略中強調(diào)加強基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字化監(jiān)測和智能運維，各級政府出臺標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范推動監(jiān)測常態(tài)化。

　　國際上，2021年美國推出的兩黨基礎(chǔ)設(shè)施法案（BIL）投入1.2萬億美元用于交通、能源和水利等項目建設(shè)，其中也包含提升基礎(chǔ)設(shè)施韌性和安全監(jiān)測的內(nèi)容。這些政策舉措為市場提供了長期增長動力。總的來看，基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護與監(jiān)測市場正進入高速發(fā)展階段。老舊設(shè)施的安全維護、重大工程的實時監(jiān)控，以及智慧城市、智慧交通等建設(shè)需求，都在催生更大的市場空間。預(yù)計未來幾年全球和國內(nèi)市場將保持兩位數(shù)的年增長率，市場規(guī)模穩(wěn)步攀升。

　　二、地球物理在基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護與監(jiān)測中的重要作用及局限

　　地球物理方法在公共設(shè)施養(yǎng)護與監(jiān)測中具有獨特優(yōu)勢。它能夠通過電法、磁法等手段實現(xiàn)無損 / 微損探測，全面獲取地下或結(jié)構(gòu)內(nèi)部信息，早期識別并預(yù)警各類病害和潛在隱患，廣泛應(yīng)用于城市道路、橋梁隧道、地下管網(wǎng)、水利工程及地災(zāi)監(jiān)測等多個場景，還能與 AI/大數(shù)據(jù)融合提升管理科學(xué)性。然而，地球物理探測也面臨一些挑戰(zhàn)，如標(biāo)準(zhǔn)體系不完善、專業(yè)門檻高、市場認知不足以及成本與收益衡量困難等問題。

　　三、CUDA 技術(shù)在地震信號處理領(lǐng)域成果概述

　　2025年1月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)（USTC）科研團隊在權(quán)威期刊《Earthquake Research Advances》發(fā)表題為《CUDA Accelerated Nine-Component Cross-Correlation Algorithm for Seismic Ambient Noise Processing》的研究成果，其核心算法程序已在GitHub平臺開源（鏈接：GitHub - wangkingh/FastXC）。

　　《高性能CPU-GPU異構(gòu)計算方法在九分量背景噪聲互相關(guān)中的應(yīng)用》論文，介紹了一種利用CUDA加速計算的地震數(shù)據(jù)處理新方法。該方法借助NVIDIA GPU的強大算力，顯著提高了從背景地震噪聲數(shù)據(jù)中計算九分量噪聲互相關(guān)函數(shù)（NCFs）的效率。通過整合時頻域相位加權(quán)疊加（tf-PWS）等先進疊加技術(shù)，該研究不僅加速了計算過程，還提高了數(shù)據(jù)的信噪比（SNR）。此項發(fā)端于地震學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究，正有力推動著基礎(chǔ)設(shè)施智能養(yǎng)護領(lǐng)域的技術(shù)革新 。

　　1. 技術(shù)原理創(chuàng)新

　　傳統(tǒng)地震背景噪聲處理依賴三分量（XYZ方向）信號分析，而中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研團隊突破性地開發(fā)了九分量互相關(guān)算法：

　　空間維度擴展：新增RX/RY/RZ旋轉(zhuǎn)分量與傾斜分量，構(gòu)建三維空間全息信號模型　　

　　噪聲解析革新：通過CUDA并行計算實現(xiàn)每秒2.4億次張量運算，精準(zhǔn)分離交通振動、機械噪聲等混合信號源　　

　　精度突破：相較傳統(tǒng)方法，地下結(jié)構(gòu)成像分辨率提升300%，空洞定位誤差從±3米縮減至±0.5米在NVIDIA A100 GPU集群上，處理100公里道路監(jiān)測數(shù)據(jù)耗時從傳統(tǒng)CPU方案的72小時壓縮至1.8小時，效率提升40倍，且功耗降低87%。這項突破使大規(guī)模城市基礎(chǔ)設(shè)施的實時“體檢”成為可能。

　　據(jù)介紹，這一高性能計算框架的開發(fā)是中國研究人員協(xié)作努力的成果。該項目最初由中國地震局地球物理研究所的王偉濤博士委托，由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)（USTC）的孫廣中教授和吳超教授領(lǐng)導(dǎo)的團隊牽頭。他們的工作為代碼的單分量版本奠定了基礎(chǔ)，后來由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)（USTC）博士研究生王景熙進行了擴展和優(yōu)化，其貢獻包括實施先進的預(yù)處理方法、批處理、多GPU適應(yīng)以及擴展到九分量數(shù)據(jù)。這些增強不僅提高了計算效率，還擴大了該框架在各種地震數(shù)據(jù)處理任務(wù)中的適用性。

圖片來源：地震學(xué)科普

　　2.開源生態(tài)：構(gòu)建智能技術(shù)共同體與價值鏈重構(gòu)

　　開源與全球合作這一舉措凸顯了中國對全球科學(xué)合作的承諾，該程序的源代碼已在GitHub上公開。這一開源倡議使全球研究人員能夠訪問、修改并在此基礎(chǔ)上進行擴展，營造了一個加速科學(xué)進步的協(xié)作環(huán)境。該團隊開源的CUDA-9CC框架包含三大核心模塊：

　　該程序已使用來自日本Hi-net地震網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)集以及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)姚華建教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組的數(shù)據(jù)進行了嚴(yán)格測試，證明了其在不同數(shù)據(jù)規(guī)模上的穩(wěn)健性和多功能性。該技術(shù)的實際應(yīng)用已經(jīng)開始實現(xiàn)。加速的疊加算法已在各種實驗中成功部署，包括礦區(qū)成像、斷層帶成像和區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)成像。這些應(yīng)用突出了該技術(shù)在資源勘探、環(huán)境監(jiān)測和災(zāi)害預(yù)防等領(lǐng)域中的潛力。

　　四、在基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護與監(jiān)測市場的應(yīng)用前景

　　從地震噪聲到城市“聽診器”的進化。此項發(fā)端于地震學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究，正有力推動著基礎(chǔ)設(shè)施智能養(yǎng)護領(lǐng)域的技術(shù)革新。該項在地震信號處理領(lǐng)域的技術(shù)突破成果是可以應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護與監(jiān)測市場的，以下是具體的分析：

　　1.從技術(shù)原理的適用性來看

　　數(shù)據(jù)處理能力：在地震信號處理中，CUDA 技術(shù)利用 GPU 的并行計算能力，能夠快速處理海量的地震數(shù)據(jù)，提取有效信息。在基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護與監(jiān)測中，同樣會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，如地球物理探測獲取的電法、磁法、地震波、雷達等數(shù)據(jù)。CUDA 技術(shù)可以高效處理這些數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)部狀況的快速分析，比如快速識別道路空洞、橋梁內(nèi)部鋼筋銹蝕等問題。

　　算法移植性：地震信號處理中開發(fā)的基于 CUDA 的算法，如濾波算法、反演算法等，有一定的通用性。可以經(jīng)過適當(dāng)調(diào)整和優(yōu)化后應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理，例如通過類似的反演算法，根據(jù)地球物理探測數(shù)據(jù)反演地下管線的分布和狀態(tài)，以及堤壩的滲漏情況等。

　　2.從基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護與監(jiān)測的需求來看

　　無損檢測與評估：基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護需要在不破壞結(jié)構(gòu)的前提下了解內(nèi)部狀況，這與地震信號處理中對地下結(jié)構(gòu)進行無損探測的需求相似。CUDA 技術(shù)支持下的地球物理探測手段，如探地雷達等，可用于檢測道路、橋梁、隧道等的內(nèi)部缺陷，利用其在地震信號處理中積累的圖像重建和分析技術(shù)，能更清晰地呈現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)部的隱患，如混凝土空洞、襯砌背后的脫空等。

　　實時監(jiān)測與預(yù)警：基礎(chǔ)設(shè)施的安全監(jiān)測需要實時獲取數(shù)據(jù)并進行分析預(yù)警。CUDA 技術(shù)在地震信號實時處理方面的經(jīng)驗，可以應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時處理和分析，及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的異常變化，如橋梁的振動異常、建筑物的不均勻沉降等，為提前采取措施提供依據(jù)。

　　3.從應(yīng)用的優(yōu)勢來看

　　提高效率與精度：在地震信號處理中，CUDA 技術(shù)大大提高了數(shù)據(jù)處理的效率和精度。在基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護與監(jiān)測中應(yīng)用，可縮短檢測周期，提高檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，例如在對大規(guī)模城市管網(wǎng)進行檢測時，能夠快速定位管道的泄漏、腐蝕位置，為維修提供精準(zhǔn)指導(dǎo)。

　　實現(xiàn)智能分析：結(jié)合機器學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)，CUDA 技術(shù)在地震信號處理中已經(jīng)實現(xiàn)了對地震事件的智能識別和分類。在基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域，可利用類似技術(shù)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行深度挖掘，自動識別基礎(chǔ)設(shè)施的病害類型和程度，實現(xiàn)智能化的養(yǎng)護與管理，提高運維決策的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

　　4.從面臨的挑戰(zhàn)來看

　　數(shù)據(jù)差異與適配：雖然地震信號和基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測數(shù)據(jù)有一定相似性，但仍存在差異，如數(shù)據(jù)的頻率范圍、噪聲特性等。需要進一步研究和調(diào)整算法，以更好地適配基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測數(shù)據(jù)。

　　系統(tǒng)集成與兼容性：將 CUDA 技術(shù)應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護與監(jiān)測市場，需要與現(xiàn)有的監(jiān)測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)平臺等進行集成，可能會面臨兼容性問題，需要投入一定的精力進行系統(tǒng)的整合和優(yōu)化。

　　成本與效益平衡：引入 CUDA 技術(shù)可能需要更新硬件設(shè)備、培訓(xùn)人員等，會增加一定的成本。需要在提高養(yǎng)護與監(jiān)測效果和成本之間找到平衡，確保在實際應(yīng)用中具有經(jīng)濟效益。

　　CUDA技術(shù)與其他新興技術(shù)的融合應(yīng)用，將為基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護與監(jiān)測帶來更廣闊的前景。例如，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過在基礎(chǔ)設(shè)施上部署大量傳感器，實時收集數(shù)據(jù)，再利用CUDA技術(shù)進行高效處理，可實現(xiàn)對基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)的實時監(jiān)測與預(yù)警。與5G通信技術(shù)結(jié)合，能夠快速傳輸海量監(jiān)測數(shù)據(jù)，支持遠程實時分析與決策。在城市軌道交通中，CUDA技術(shù)可用于軌道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測和列車運行安全預(yù)警；在大型水利樞紐中，可用于大壩變形監(jiān)測、滲漏檢測和洪水預(yù)警。這些融合應(yīng)用不僅提高了監(jiān)測效率和精度，還為基礎(chǔ)設(shè)施的智能化管理提供了有力支持。

　　AI技術(shù)突破引發(fā)的行業(yè)變革，本質(zhì)是生產(chǎn)力工具的迭代升級。正如某知名專家所言：“AI技術(shù)的突破不僅意味著技術(shù)工具的升級，更是城市治理思維的革命。當(dāng)我們可以‘透視’城市地下空間的每一個細胞，基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護就進入了預(yù)測性、預(yù)防性的新紀(jì)元。隨著國家新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提速，CUDA-9CC開源算法正成為城市數(shù)字化轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)性工具。在可預(yù)見的未來，這項源自地震學(xué)實驗室的技術(shù)，將如同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)般滲透進城市的每一寸肌理，守護現(xiàn)代文明的生命線。