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　　在我國，大規(guī)?；A設施建設歷經多年發(fā)展，積累了龐大的存量資產，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 技術在地震信號處理領域取得的重要研究成果，為其在基礎設施養(yǎng)護與監(jiān)測市場的應用提供了廣闊的想象空間。

　　一、基礎設施養(yǎng)護與監(jiān)測市場現(xiàn)狀

　　當前基礎設施養(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，結構健康監(jiān)測（SHM）市場2024年規(guī)模估計約為36.8億美元，預計2025年至2030年將以19.2%的高速年復合增長率擴張。這一增長由多重因素驅動，包括嚴格的公共安全法規(guī)、老齡化基礎設施的維護需求以及各國對智慧基礎設施項目的積極投資。政府層面的政策支持尤為關鍵——各國正將結構監(jiān)測納入法規(guī)標準，例如推動建立統(tǒng)一的監(jiān)測系統(tǒng)標準以保障公共安全。城市化加速和可持續(xù)發(fā)展目標也提高了對基礎設施監(jiān)測的重視，尤其是在確保關鍵設施（如橋梁、建筑、壩體等）的安全方面。

　　2020-2030年全球結構健康監(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%。

　　國內方面，我國基礎設施資產總量極為龐大：市政道路、鐵路、高速公路等存量資產估值高達數(shù)十萬億元人民幣。許多設施進入運維更新的關鍵期，按國際經驗每年需投入相當可觀的維護費用。以每年2%～3%的維護率粗略估算，全國基礎設施養(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“新型基礎設施建設”戰(zhàn)略中強調加強基礎設施的數(shù)字化監(jiān)測和智能運維，各級政府出臺標準規(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設施法案（BIL）投入1.2萬億美元用于交通、能源和水利等項目建設，其中也包含提升基礎設施韌性和安全監(jiān)測的內容。這些政策舉措為市場提供了長期增長動力?？偟膩砜?，基礎設施養(yǎng)護與監(jiān)測市場正進入高速發(fā)展階段。老舊設施的安全維護、重大工程的實時監(jiān)控，以及智慧城市、智慧交通等建設需求，都在催生更大的市場空間。預計未來幾年全球和國內市場將保持兩位數(shù)的年增長率，市場規(guī)模穩(wěn)步攀升。

　　二、地球物理在基礎設施養(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，全面獲取地下或結構內部信息，早期識別并預警各類病害和潛在隱患，廣泛應用于城市道路、橋梁隧道、地下管網、水利工程及地災監(jiān)測等多個場景，還能與 AI/大數(shù)據(jù)融合提升管理科學性。然而，地球物理探測也面臨一些挑戰(zhàn)，如標準體系不完善、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 技術在地震信號處理領域成果概述

　　2025年1月，中國科學技術大學（USTC）科研團隊在權威期刊《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異構計算方法在九分量背景噪聲互相關中的應用》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函數(shù)（NCFs）的效率。通過整合時頻域相位加權疊加（tf-PWS）等先進疊加技術，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)端于地震學領域的基礎研究，正有力推動著基礎設施智能養(yǎng)護領域的技術革新 。

　　1. 技術原理創(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，而中國科學技術大學科研團隊突破性地開發(fā)了九分量互相關算法：

　　空間維度擴展：新增RX/RY/RZ旋轉分量與傾斜分量，構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，地下結構成像分辨率提升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)模城市基礎設施的實時“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，由中國科學技術大學（USTC）的孫廣中教授和吳超教授領導的團隊牽頭。他們的工作為代碼的單分量版本奠定了基礎，后來由中國科學技術大學（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處理方法、批處理、多GPU適應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)處理任務中的適用性。

圖片來源：地震學科普

　　2.開源生態(tài)：構建智能技術共同體與價值鏈重構

　　開源與全球合作這一舉措凸顯了中國對全球科學合作的承諾，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、修改并在此基礎上進行擴展，營造了一個加速科學進步的協(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地震網絡的數(shù)據(jù)集以及中國科學技術大學姚華建教授領導的研究小組的數(shù)據(jù)進行了嚴格測試，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。該技術的實際應用已經開始實現(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)域地質結構成像。這些應用突出了該技術在資源勘探、環(huán)境監(jiān)測和災害預防等領域中的潛力。

　　四、在基礎設施養(yǎng)護與監(jiān)測市場的應用前景

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

　　1.從技術原理的適用性來看

　　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。在基礎設施養(yǎng)護與監(jiān)測中，同樣會產生大量的數(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 技術可以高效處理這些數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對基礎設施內部狀況的快速分析，比如快速識別道路空洞、橋梁內部鋼筋銹蝕等問題。

　　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?？梢越涍^適當調整和優(yōu)化后應用于基礎設施監(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.從基礎設施養(yǎng)護與監(jiān)測的需求來看

　　無損檢測與評估：基礎設施養(yǎng)護需要在不破壞結構的前提下了解內部狀況，這與地震信號處理中對地下結構進行無損探測的需求相似。CUDA 技術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，能更清晰地呈現(xiàn)基礎設施內部的隱患，如混凝土空洞、襯砌背后的脫空等。

　　實時監(jiān)測與預警：基礎設施的安全監(jiān)測需要實時獲取數(shù)據(jù)并進行分析預警。CUDA 技術在地震信號實時處理方面的經驗，可以應用于基礎設施監(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)結構的異常變化，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 技術大大提高了數(shù)據(jù)處理的效率和精度。在基礎設施養(yǎng)護與監(jiān)測中應用，可縮短檢測周期，提高檢測結果的準確性，例如在對大規(guī)模城市管網進行檢測時，能夠快速定位管道的泄漏、腐蝕位置，為維修提供精準指導。

　　實現(xiàn)智能分析：結合機器學習等人工智能技術，CUDA 技術在地震信號處理中已經實現(xiàn)了對地震事件的智能識別和分類。在基礎設施領域，可利用類似技術對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行深度挖掘，自動識別基礎設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性和準確性。

　　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設施監(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整算法，以更好地適配基礎設施監(jiān)測數(shù)據(jù)。

　　系統(tǒng)集成與兼容性：將 CUDA 技術應用于基礎設施養(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 技術可能需要更新硬件設備、培訓人員等，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，確保在實際應用中具有經濟效益。

　　CUDA技術與其他新興技術的融合應用，將為基礎設施養(yǎng)護與監(jiān)測帶來更廣闊的前景。例如，結合物聯(lián)網技術，通過在基礎設施上部署大量傳感器，實時收集數(shù)據(jù)，再利用CUDA技術進行高效處理，可實現(xiàn)對基礎設施狀態(tài)的實時監(jiān)測與預警。與5G通信技術結合，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技術可用于軌道結構變形監(jiān)測和列車運行安全預警；在大型水利樞紐中，可用于大壩變形監(jiān)測、滲漏檢測和洪水預警。這些融合應用不僅提高了監(jiān)測效率和精度，還為基礎設施的智能化管理提供了有力支持。

　　AI技術突破引發(fā)的行業(yè)變革，本質是生產力工具的迭代升級。正如某知名專家所言：“AI技術的突破不僅意味著技術工具的升級，更是城市治理思維的革命。當我們可以‘透視’城市地下空間的每一個細胞，基礎設施養(yǎng)護就進入了預測性、預防性的新紀元。隨著國家新型基礎設施建設提速，CUDA-9CC開源算法正成為城市數(shù)字化轉型的基礎性工具。在可預見的未來，這項源自地震學實驗室的技術，將如同神經網絡般滲透進城市的每一寸肌理，守護現(xiàn)代文明的生命線。