在我國(guó)，大規(guī)?；A(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(lái)的養(yǎng)護(hù)與監(jiān)測(cè)需求催生了一個(gè)體量巨大的市場(chǎng)。近期，CUDA 技術(shù)在地震信號(hào)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(hù)與監(jiān)測(cè)市場(chǎng)的應(yīng)用提供了廣闊的想象空間。
一、基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)與監(jiān)測(cè)市場(chǎng)現(xiàn)狀
當(dāng)前基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)與監(jiān)測(cè)已形成龐大的市場(chǎng)，并呈快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。全球來(lái)看，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)（SHM）市場(chǎng)2024年規(guī)模估計(jì)約為36.8億美元，預(yù)計(jì)2025年至2030年將以19.2%的高速年復(fù)合增長(zhǎng)率擴(kuò)張。這一增長(zhǎng)由多重因素驅(qū)動(dòng)，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(hù)需求以及各國(guó)對(duì)智慧基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目的積極投資。政府層面的政策支持尤為關(guān)鍵——各國(guó)正將結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)納入法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，例如推動(dòng)建立統(tǒng)一的監(jiān)測(cè)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(duì)基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)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(cè)市場(chǎng)規(guī)模及增速（按解決方案分類(lèi)，單位：億美元）
硬件和軟件服務(wù)兩大板塊均保持增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，整體市場(chǎng)年均增速約19.2%。
國(guó)內(nèi)方面，我國(guó)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(dá)數(shù)十萬(wàn)億元人民幣。許多設(shè)施進(jìn)入運(yùn)維更新的關(guān)鍵期，按國(guó)際經(jīng)驗(yàn)每年需投入相當(dāng)可觀的維護(hù)費(fèi)用。以每年2%～3%的維護(hù)率粗略估算，全國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)市場(chǎng)年度總規(guī)模可達(dá)1～3萬(wàn)億元人民幣，甚至更高。其中，監(jiān)測(cè)與數(shù)字化運(yùn)維作為新興高成長(zhǎng)領(lǐng)域，目前在養(yǎng)護(hù)費(fèi)用中占比不高，但隨著精細(xì)化、智能化需求提升，投入占比正逐步攀升。保守預(yù)計(jì)該細(xì)分市場(chǎng)未來(lái)規(guī)模將達(dá)千億級(jí)別（人民幣），成為養(yǎng)護(hù)市場(chǎng)中增長(zhǎng)最快的板塊之一。這一趨勢(shì)也得到政策面的有力支撐：例如我國(guó)“新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)”戰(zhàn)略中強(qiáng)調(diào)加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字化監(jiān)測(cè)和智能運(yùn)維，各級(jí)政府出臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范推動(dòng)監(jiān)測(cè)常態(tài)化。
國(guó)際上，2021年美國(guó)推出的兩黨基礎(chǔ)設(shè)施法案（BIL）投入1.2萬(wàn)億美元用于交通、能源和水利等項(xiàng)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(cè)的內(nèi)容。這些政策舉措為市場(chǎng)提供了長(zhǎng)期增長(zhǎng)動(dòng)力?？偟膩?lái)看，基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)與監(jiān)測(cè)市場(chǎng)正進(jìn)入高速發(fā)展階段。老舊設(shè)施的安全維護(hù)、重大工程的實(shí)時(shí)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(chǎng)空間。預(yù)計(jì)未來(lái)幾年全球和國(guó)內(nèi)市場(chǎng)將保持兩位數(shù)的年增長(zhǎng)率，市場(chǎng)規(guī)模穩(wěn)步攀升。
二、地球物理在基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)與監(jiān)測(cè)中的重要作用及局限
地球物理方法在公共設(shè)施養(yǎng)護(hù)與監(jiān)測(cè)中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。它能夠通過(guò)電法、磁法等手段實(shí)現(xiàn)無(wú)損 / 微損探測(cè)，全面獲取地下或結(jié)構(gòu)內(nèi)部信息，早期識(shí)別并預(yù)警各類(lèi)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(cè)等多個(gè)場(chǎng)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(cè)也面臨一些挑戰(zhàn)，如標(biāo)準(zhǔn)體系不完善、專(zhuān)業(yè)門(mén)檻高、市場(chǎng)認(rèn)知不足以及成本與收益衡量困難等問(wèn)題。
三、CUDA 技術(shù)在地震信號(hào)處理領(lǐng)域成果概述
2025年1月，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)（USTC）科研團(tuán)隊(duì)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(tái)開(kāi)源（鏈接：GitHub - wangkingh/FastXC）。
《高性能CPU-GPU異構(gòu)計(jì)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(jì)算的地震數(shù)據(jù)處理新方法。該方法借助NVIDIA GPU的強(qiáng)大算力，顯著提高了從背景地震噪聲數(shù)據(jù)中計(jì)算九分量噪聲互相關(guān)函數(shù)（NCFs）的效率。通過(guò)整合時(shí)頻域相位加權(quán)疊加（tf-PWS）等先進(jìn)疊加技術(shù)，該研究不僅加速了計(jì)算過(guò)程，還提高了數(shù)據(jù)的信噪比（SNR）。此項(xiàng)發(fā)端于地震學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究，正有力推動(dòng)著基礎(chǔ)設(shè)施智能養(yǎng)護(hù)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(lài)三分量（XYZ方向）信號(hào)分析，而中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)突破性地開(kāi)發(fā)了九分量互相關(guān)算法：
空間維度擴(kuò)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(hào)模型
噪聲解析革新：通過(guò)CUDA并行計(jì)算實(shí)現(xiàn)每秒2.4億次張量運(yùn)算，精準(zhǔn)分離交通振動(dòng)、機(jī)械噪聲等混合信號(hào)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(cè)數(shù)據(jù)耗時(shí)從傳統(tǒng)CPU方案的72小時(shí)壓縮至1.8小時(shí)，效率提升40倍，且功耗降低87%。這項(xiàng)突破使大規(guī)模城市基礎(chǔ)設(shè)施的實(shí)時(shí)“體檢”成為可能。
據(jù)介紹，這一高性能計(jì)算框架的開(kāi)發(fā)是中國(guó)研究人員協(xié)作努力的成果。該項(xiàng)目最初由中國(guó)地震局地球物理研究所的王偉濤博士委托，由中國(guó)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(tuán)隊(duì)牽頭。他們的工作為代碼的單分量版本奠定了基礎(chǔ)，后來(lái)由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)（USTC）博士研究生王景熙進(jìn)行了擴(kuò)展和優(yōu)化，其貢獻(xiàn)包括實(shí)施先進(jìn)的預(yù)處理方法、批處理、多GPU適應(yīng)以及擴(kuò)展到九分量數(shù)據(jù)。這些增強(qiáng)不僅提高了計(jì)算效率，還擴(kuò)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(lái)源：地震學(xué)科普
2.開(kāi)源生態(tài)：構(gòu)建智能技術(shù)共同體與價(jià)值鏈重構(gòu)
開(kāi)源與全球合作這一舉措凸顯了中國(guó)對(duì)全球科學(xué)合作的承諾，該程序的源代碼已在GitHub上公開(kāi)。這一開(kāi)源倡議使全球研究人員能夠訪問(wèn)、修改并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，營(yíng)造了一個(gè)加速科學(xué)進(jìn)步的協(xié)作環(huán)境。該團(tuán)隊(duì)開(kāi)源的CUDA-9CC框架包含三大核心模塊：
| 模塊名稱(chēng) | 功能特性 | 性能指標(biāo) |
| NoiseMatrix | 多源噪聲智能分類(lèi) | 支持16類(lèi)噪聲特征庫(kù) |
| TensorFlow-GPU | 九分量張量并行計(jì)算引擎 | 單卡吞吐量2.1TB/小時(shí) |
| CityMapper | 地下結(jié)構(gòu)三維可視化平臺(tái) | 0.1米級(jí)精度建模 |
該程序已使用來(lái)自日本Hi-net地震網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)集以及中國(guó)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(jìn)行了嚴(yán)格測(cè)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(shí)際應(yīng)用已經(jīng)開(kāi)始實(shí)現(xiàn)。加速的疊加算法已在各種實(shí)驗(yàn)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(cè)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(hù)與監(jiān)測(cè)市場(chǎng)的應(yīng)用前景
從地震噪聲到城市“聽(tīng)診器”的進(jìn)化。此項(xiàng)發(fā)端于地震學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究，正有力推動(dòng)著基礎(chǔ)設(shè)施智能養(yǎng)護(hù)領(lǐng)域的技術(shù)革新。該項(xiàng)在地震信號(hào)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(hù)與監(jiān)測(cè)市場(chǎng)的，以下是具體的分析：
1.從技術(shù)原理的適用性來(lái)看
數(shù)據(jù)處理能力：在地震信號(hào)處理中，CUDA 技術(shù)利用 GPU 的并行計(jì)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(hù)與監(jiān)測(cè)中，同樣會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，如地球物理探測(cè)獲取的電法、磁法、地震波、雷達(dá)等數(shù)據(jù)。CUDA 技術(shù)可以高效處理這些數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)部狀況的快速分析，比如快速識(shí)別道路空洞、橋梁內(nèi)部鋼筋銹蝕等問(wèn)題。
算法移植性：地震信號(hào)處理中開(kāi)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?jīng)過(guò)適當(dāng)調(diào)整和優(yōu)化后應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理，例如通過(guò)類(lèi)似的反演算法，根據(jù)地球物理探測(cè)數(shù)據(jù)反演地下管線(xiàn)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(hù)與監(jiān)測(cè)的需求來(lái)看
無(wú)損檢測(cè)與評(píng)估：基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)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(hào)處理中對(duì)地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行無(wú)損探測(cè)的需求相似。CUDA 技術(shù)支持下的地球物理探測(cè)手段，如探地雷達(dá)等，可用于檢測(cè)道路、橋梁、隧道等的內(nèi)部缺陷，利用其在地震信號(hào)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警：基礎(chǔ)設(shè)施的安全監(jiān)測(cè)需要實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析預(yù)警。CUDA 技術(shù)在地震信號(hào)實(shí)時(shí)處理方面的經(jīng)驗(yàn)，可以應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理和分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的異常變化，如橋梁的振動(dòng)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(shì)來(lái)看
提高效率與精度：在地震信號(hào)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(hù)與監(jiān)測(cè)中應(yīng)用，可縮短檢測(cè)周期，提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，例如在對(duì)大規(guī)模城市管網(wǎng)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，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(shí)現(xiàn)智能分析：結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)，CUDA 技術(shù)在地震信號(hào)處理中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)地震事件的智能識(shí)別和分類(lèi)。在基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域，可利用類(lèi)似技術(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘，自動(dòng)識(shí)別基礎(chǔ)設(shè)施的病害類(lèi)型和程度，實(shí)現(xiàn)智能化的養(yǎng)護(hù)與管理，提高運(yùn)維決策的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。
4.從面臨的挑戰(zhàn)來(lái)看
數(shù)據(jù)差異與適配：雖然地震信號(hào)和基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)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(jìn)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(cè)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(hù)與監(jiān)測(cè)市場(chǎng)，需要與現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)平臺(tái)等進(jìn)行集成，可能會(huì)面臨兼容性問(wèn)題，需要投入一定的精力進(jìn)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(huì)增加一定的成本。需要在提高養(yǎng)護(hù)與監(jiān)測(cè)效果和成本之間找到平衡，確保在實(shí)際應(yīng)用中具有經(jīng)濟(jì)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(hù)與監(jiān)測(cè)帶來(lái)更廣闊的前景。例如，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)在基礎(chǔ)設(shè)施上部署大量傳感器，實(shí)時(shí)收集數(shù)據(jù)，再利用CUDA技術(shù)進(jìn)行高效處理，可實(shí)現(xiàn)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)，支持遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)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(cè)和列車(chē)運(yùn)行安全預(yù)警；在大型水利樞紐中，可用于大壩變形監(jiān)測(cè)、滲漏檢測(cè)和洪水預(yù)警。這些融合應(yīng)用不僅提高了監(jiān)測(cè)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(jí)。正如某知名專(zhuān)家所言：“AI技術(shù)的突破不僅意味著技術(shù)工具的升級(jí)，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(gè)細(xì)胞，基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)就進(jìn)入了預(yù)測(cè)性、預(yù)防性的新紀(jì)元。隨著國(guó)家新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提速，CUDA-9CC開(kāi)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(jiàn)的未來(lái)，這項(xiàng)源自地震學(xué)實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)，將如同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)般滲透進(jìn)城市的每一寸肌理，守護(hù)現(xiàn)代文明的生命線(xiàn)。
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