摘要：在我国，大规模基础设施建设历经多年发展，积累了庞大的存量资产，随之而来的养护与监测需求催生了一个体量巨大的市场。近期，CUDA 技术在地震信号处理领域取得的重要研究成果，为其在基础设施养护与监测市场的应用提供了广阔的想象空间。
在我国，大规模基础设施建设历经多年发展，积累了庞大的存量资产，随之而来的养护与监测需求催生了一个体量巨大的市场。近期，CUDA 技术在地震信号处理领域取得的重要研究成果，为其在基础设施养护与监测市场的应用提供了广阔的想象空间。
一、基础设施养护与监测市场现状
当前基础设施养护与监测已形成庞大的市场，并呈快速增长态势。全球来看，结构健康监测（SHM）市场2024年规模估计约为36.8亿美元，预计2025年至2030年将以19.2%的高速年复合增长率扩张。这一增长由多重因素驱动，包括严格的公共安全法规、老龄化基础设施的维护需求以及各国对智慧基础设施项目的积极投资。政府层面的政策支持尤为关键——各国正将结构监测纳入法规标准，例如推动建立统一的监测系统标准以保障公共安全。城市化加速和可持续发展目标也提高了对基础设施监测的重视，尤其是在确保关键设施（如桥梁、建筑、坝体等）的安全方面。
2020-2030年全球结构健康监测市场规模及增速（按解决方案分类，单位：亿美元）
硬件和软件服务两大板块均保持增长态势，整体市场年均增速约19.2%。
国内方面，我国基础设施资产总量极为庞大：市政道路、铁路、高速公路等存量资产估值高达数十万亿元人民币。许多设施进入运维更新的关键期，按国际经验每年需投入相当可观的维护费用。以每年2%～3%的维护率粗略估算，全国基础设施养护市场年度总规模可达1～3万亿元人民币，甚至更高。其中，监测与数字化运维作为新兴高成长领域，目前在养护费用中占比不高，但随着精细化、智能化需求提升，投入占比正逐步攀升。保守预计该细分市场未来规模将达千亿级别（人民币），成为养护市场中增长最快的板块之一。这一趋势也得到政策面的有力支撑：例如我国“新型基础设施建设”战略中强调加强基础设施的数字化监测和智能运维，各级政府出台标准规范推动监测常态化。
国际上，2021年美国推出的两党基础设施法案（BIL）投入1.2万亿美元用于交通、能源和水利等项目建设，其中也包含提升基础设施韧性和安全监测的内容。这些政策举措为市场提供了长期增长动力。总的来看，基础设施养护与监测市场正进入高速发展阶段。老旧设施的安全维护、重大工程的实时监控，以及智慧城市、智慧交通等建设需求，都在催生更大的市场空间。预计未来几年全球和国内市场将保持两位数的年增长率，市场规模稳步攀升。
二、地球物理在基础设施养护与监测中的重要作用及局限
地球物理方法在公共设施养护与监测中具有独特优势。它能够通过电法、磁法等手段实现无损 / 微损探测，全面获取地下或结构内部信息，早期识别并预警各类病害和潜在隐患，广泛应用于城市道路、桥梁隧道、地下管网、水利工程及地灾监测等多个场景，还能与 AI/大数据融合提升管理科学性。然而，地球物理探测也面临一些挑战，如标准体系不完善、专业门槛高、市场认知不足以及成本与收益衡量困难等问题。
三、CUDA 技术在地震信号处理领域成果概述
2025年1月，中国科学技术大学（USTC）科研团队在权威期刊《Earthquake Research Advances》发表题为《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平台开源（链接：GitHub - wangkingh/FastXC）。
《高性能CPU-GPU异构计算方法在九分量背景噪声互相关中的应用》论文，介绍了一种利用CUDA加速计算的地震数据处理新方法。该方法借助NVIDIA GPU的强大算力，显著提高了从背景地震噪声数据中计算九分量噪声互相关函数（NCFs）的效率。通过整合时频域相位加权叠加（tf-PWS）等先进叠加技术，该研究不仅加速了计算过程，还提高了数据的信噪比（SNR）。此项发端于地震学领域的基础研究，正有力推动着基础设施智能养护领域的技术革新 。
1.技术原理创新
传统地震背景噪声处理依赖三分量（XYZ方向）信号分析，而中国科学技术大学科研团队突破性地开发了九分量互相关算法：
空间维度扩展：新增RX/RY/RZ旋转分量与倾斜分量，构建三维空间全息信号模型
噪声解析革新：通过CUDA并行计算实现每秒2.4亿次张量运算，精准分离交通振动、机械噪声等混合信号源
精度突破：相较传统方法，地下结构成像分辨率提升300%，空洞定位误差从±3米缩减至±0.5米在NVIDIA A100 GPU集群上，处理100公里道路监测数据耗时从传统CPU方案的72小时压缩至1.8小时，效率提升40倍，且功耗降低87%。这项突破使大规模城市基础设施的实时“体检”成为可能。
据介绍，这一高性能计算框架的开发是中国研究人员协作努力的成果。该项目最初由中国地震局地球物理研究所的王伟涛博士委托，由中国科学技术大学（USTC）的孙广中教授和吴超教授领导的团队牵头。他们的工作为代码的单分量版本奠定了基础，后来由中国科学技术大学（USTC）博士研究生王景熙进行了扩展和优化，其贡献包括实施先进的预处理方法、批处理、多GPU适应以及扩展到九分量数据。这些增强不仅提高了计算效率，还扩大了该框架在各种地震数据处理任务中的适用性。
图片来源：地震学科普
2.开源生态：构建智能技术共同体与价值链重构
开源与全球合作这一举措凸显了中国对全球科学合作的承诺，该程序的源代码已在GitHub上公开。这一开源倡议使全球研究人员能够访问、修改并在此基础上进行扩展，营造了一个加速科学进步的协作环境。该团队开源的CUDA-9CC框架包含三大核心模块：
该程序已使用来自日本Hi-net地震网络的数据集以及中国科学技术大学姚华建教授领导的研究小组的数据进行了严格测试，证明了其在不同数据规模上的稳健性和多功能性。该技术的实际应用已经开始实现。加速的叠加算法已在各种实验中成功部署，包括矿区成像、断层带成像和区域地质结构成像。这些应用突出了该技术在资源勘探、环境监测和灾害预防等领域中的潜力。
四、在基础设施养护与监测市场的应用前景
该程序已使用来自日本Hi-net地震网络的数据集以及中国科学技术大学姚华建教授领导的研究小组的数据进行了严格测试，证明了其在不同数据规模上的稳健性和多功能性。该技术的实际应用已经开始实现。加速的叠加算法已在各种实验中成功部署，包括矿区成像、断层带成像和区域地质结构成像。这些应用突出了该技术在资源勘探、环境监测和灾害预防等领域中的潜力。从地震噪声到城市“听诊器”的进化。此项发端于地震学领域的基础研究，正有力推动着基础设施智能养护领域的技术革新。该项在地震信号处理领域的技术突破成果是可以应用于基础设施养护与监测市场的，以下是具体的分析：
1.从技术原理的适用性来看
数据处理能力：在地震信号处理中，CUDA 技术利用 GPU 的并行计算能力，能够快速处理海量的地震数据，提取有效信息。在基础设施养护与监测中，同样会产生大量的数据，如地球物理探测获取的电法、磁法、地震波、雷达等数据。CUDA 技术可以高效处理这些数据，实现对基础设施内部状况的快速分析，比如快速识别道路空洞、桥梁内部钢筋锈蚀等问题。
算法移植性：地震信号处理中开发的基于 CUDA 的算法，如滤波算法、反演算法等，有一定的通用性。可以经过适当调整和优化后应用于基础设施监测数据的处理，例如通过类似的反演算法，根据地球物理探测数据反演地下管线的分布和状态，以及堤坝的渗漏情况等。
2.从基础设施养护与监测的需求来看
无损检测与评估：基础设施养护需要在不破坏结构的前提下了解内部状况，这与地震信号处理中对地下结构进行无损探测的需求相似。CUDA 技术支持下的地球物理探测手段，如探地雷达等，可用于检测道路、桥梁、隧道等的内部缺陷，利用其在地震信号处理中积累的图像重建和分析技术，能更清晰地呈现基础设施内部的隐患，如混凝土空洞、衬砌背后的脱空等。
实时监测与预警：基础设施的安全监测需要实时获取数据并进行分析预警。CUDA 技术在地震信号实时处理方面的经验，可以应用于基础设施监测系统，实现对数据的实时处理和分析，及时发现结构的异常变化，如桥梁的振动异常、建筑物的不均匀沉降等，为提前采取措施提供依据。
3.从应用的优势来看
提高效率与精度：在地震信号处理中，CUDA 技术大大提高了数据处理的效率和精度。在基础设施养护与监测中应用，可缩短检测周期，提高检测结果的准确性，例如在对大规模城市管网进行检测时，能够快速定位管道的泄漏、腐蚀位置，为维修提供精准指导。
实现智能分析：结合机器学习等人工智能技术，CUDA 技术在地震信号处理中已经实现了对地震事件的智能识别和分类。在基础设施领域，可利用类似技术对监测数据进行深度挖掘，自动识别基础设施的病害类型和程度，实现智能化的养护与管理，提高运维决策的科学性和准确性。
4.从面临的挑战来看
数据差异与适配：虽然地震信号和基础设施监测数据有一定相似性，但仍存在差异，如数据的频率范围、噪声特性等。需要进一步研究和调整算法，以更好地适配基础设施监测数据。
系统集成与兼容性：将 CUDA 技术应用于基础设施养护与监测市场，需要与现有的监测系统、数据平台等进行集成，可能会面临兼容性问题，需要投入一定的精力进行系统的整合和优化。
成本与效益平衡：引入 CUDA 技术可能需要更新硬件设备、培训人员等，会增加一定的成本。需要在提高养护与监测效果和成本之间找到平衡，确保在实际应用中具有经济效益。
CUDA技术与其他新兴技术的融合应用，将为基础设施养护与监测带来更广阔的前景。例如，结合物联网技术，通过在基础设施上部署大量传感器，实时收集数据，再利用CUDA技术进行高效处理，可实现对基础设施状态的实时监测与预警。与5G通信技术结合，能够快速传输海量监测数据，支持远程实时分析与决策。在城市轨道交通中，CUDA技术可用于轨道结构变形监测和列车运行安全预警；在大型水利枢纽中，可用于大坝变形监测、渗漏检测和洪水预警。这些融合应用不仅提高了监测效率和精度，还为基础设施的智能化管理提供了有力支持。
AI技术突破引发的行业变革，本质是生产力工具的迭代升级。正如某知名专家所言：“AI技术的突破不仅意味着技术工具的升级，更是城市治理思维的革命。当我们可以‘透视’城市地下空间的每一个细胞，基础设施养护就进入了预测性、预防性的新纪元。随着国家新型基础设施建设提速，CUDA-9CC开源算法正成为城市数字化转型的基础性工具。在可预见的未来，这项源自地震学实验室的技术，将如同神经网络般渗透进城市的每一寸肌理，守护现代文明的生命线。
来源：工程机械信息网
