CN100582719C - 用于索结构中索系统的健康监测方法 - Google Patents

Abstract

用于索结构中索系统的健康监测方法在结构的力学计算基准模型的基础上进行若干次力学计算，计算次数等于索的数量。每次计算假设只有一根索有单位损伤，每次计算结果组成一个计算当前索力向量；每个计算当前索力向量减去初始索力向量，获得一个索力变化向量；所有的索力变化向量组成索力变化单位矩阵。依据当前索力向量(由所有索当前实测索力组成)同初始索力向量、索力变化单位矩阵、单位损伤标量和当前索损伤向量(由所有索当前损伤量组成)间存在的近似线性关系，可以利用多目标优化算法等合适的算法快速算出当前索损伤向量的非劣解，据此可以比较准确地确定受损索的位置及其损伤程度。

Description

用于索结构中索系统的健康监测方法

技术领域

本发明基于索力监测来识别索结构(特别是大型索结构，例如大型斜拉桥、悬索桥)的索系统(指所有索)中的受损索，属工程结构健康监测领域。

背景技术

索系统通常是索结构的关键组成部分，它的失效常常带来整个结构的失效，基于结构健康监测技术来识别索结构(特别是大型索结构，例如大型斜拉、悬索桥)的索系统中的受损索是一种极具潜力的方法。目前结构健康监测技术主要通过对索力的监测，根据索力的变化来识别受损索及其损伤程度。然而就单一索而言，其索力变化同其健康状况(损伤程度)有明确的、单调变化的关系，但是，当这根索是索结构(特别是大型索结构，例如大型斜拉、悬索桥)的索系统中的一根时，由于每一根特定索的索力变化不仅仅受它自身健康状况的影响，还受其它索健康状况的影响，因此观察每一根特定索的索力的变化时，即使在该索相同健康状况(相同损伤程度或无损伤)条件下，也会监测到其索力变化忽正忽负、忽大忽小的现象，这对受损索的识别是非常不利的。目前还没有一种公开的、有效的健康监测系统和方法解决了此问题。

为了能对索结构(特别是大型索结构，例如大型斜拉、悬索桥)的索系统的健康状态有可靠的监测和判断，就必须有一个能够合理有效的建立它们的索系统中每一根索的索力变化同索系统中所有索的健康状况间的关系的方法，基于该方法建立的健康监测系统给出的健康评估才会更可信。

发明内容

技术问题：本发明的目的是针对索结构(特别是大型索结构，例如大型斜拉、悬索桥)中索系统的健康监测问题，公开了一种能够合理有效地监测索结构(特别是大型索结构，例如大型斜拉、悬索桥)的索系统中每一根索的健康状况的系统和方法。

技术方案：本发明由三大部分组成。分别是建立索系统健康监测所需的知识库和参量的方法、基于知识库(含参量)和实测索力的索系统健康状态评估方法、健康监测系统的软件和硬件部分。

本发明的第一部分：建立用于索系统健康监测的知识库和参量的方法。可分为如下三个步骤：

1.建立索结构的计算基准模型(例如有限元基准模型)。根据索结构的设计图、竣工图和索结构的实测数据(包括结构形状数据、索力数据、结构模态数据等实测数据，对斜拉桥、悬索桥而言是桥的桥型数据、索力数据、桥的模态数据)、利用力学方法(例如有限元法)建立该结构的计算(例如有限元)基准模型，基于该计算基准模型(例如有限元基准模型)计算得到的结构计算数据(对斜拉桥、悬索桥而言是桥的桥型数据、索力数据、桥的模态数据)必须非常接近其实测数据，误差不得大于5％。这样可保证在此计算基准模型上做的模拟情况下的索力计算数据，可靠地接近模拟情况真实发生时的索力实测数据。

设索系统中共有N根索，那么可用向量F_o表示索系统中所有索的初始索力(参见式(1))。因在上述条件下，基于索结构的计算基准模型计算所得的索的索力可靠地接近于索力实测数据，在后面的叙述中，将用同一符号来表示计算值和实测值。

F_o＝[F_o1 F_o2…F_oi…F_oN]^T    (1)

式(1)中F_oi(i＝1，2，3，.......，N)是索系统中第i根索的初始索力(假设此时该索无损伤)。T表示向量的转置(后同)。

2.建立索结构索力变化单位矩阵ΔF。在索结构的力学计算基准模型的基础上进行若干次计算，计算次数数值上等于所有索的数量。每一次计算假设索系统中只有一根索有单位损伤D_u(单位损伤应较小、且其引起的索力变化能够被传感器准确识别出来，例如取10％损伤为单位损伤)，每一计算中出现损伤的索不同于其它次计算中出现损伤的索，每一次计算都利用力学方法(例如有限元法)计算索结构的索系统中每一根索的当前索力，每一次计算组成一个所有索的计算当前索力向量(当假设第j根索有单位损伤时，可用式(2)表示所有索的计算当前索力向量F_i ^j)；每一次计算得到的计算当前索力向量减去初始索力向量，所得向量就是此条件下(以有单位损伤的索的位置或编号等为标记)的索力变化向量(当第j根索有单位损伤时，用δF_j表示索力变化向量，定义见式(3)，式(3)为式(2)减去式(1)所得)，索力变化向量的每一元素表示由于计算时假定有单位损伤的那根索的单位损伤而引起的该元素所对应的索的索力改变量；有N根索就有N个索力变化向量，每个索力变化向量有N个元素，由这N个索力变化向量依次组成有N×N个元素的索力变化单位矩阵ΔF，ΔF的定义如式(4)所示。

$F_t^j={\left[\begin{array}{cccccccccc}{F}_{t1}^j& F_{t2}^j& .& .& .& F_{\mathrm{ti}}^j& .& .& .& F_{\mathrm{tN}}^j\end{array}\right]}^T---\left(2\right)$

式(2)中元素F_ti ^j(i＝1，2，3，.......，N)表示由于第j根索有单位损伤时，第i根索的计算当前索力。

$\mathrm{\δ}{F}_j=F_t^j-F_o---\left(3\right)$

$\mathrm{\ΔF}=\left[\begin{array}{cccccc}\mathrm{\Δ}{F}_{\mathrm{1,1}}& \mathrm{\Δ}{F}_{\mathrm{1,2}}& .& \mathrm{\Δ}{F}_{1,j}& .& \mathrm{\Δ}{F}_{1,N}\\ \mathrm{\Δ}{F}_{\mathrm{2,1}}& \mathrm{\Δ}{F}_{\mathrm{2,2}}& .& \mathrm{\Δ}{F}_{2,j}& .& \mathrm{\Δ}{F}_{2,N}\\ .& .& .& .& .& .\\ \mathrm{\Δ}{F}_{i,1}& \mathrm{\Δ}{F}_{i,2}& .& \mathrm{\Δ}{F}_{i,j}& .& \mathrm{\Δ}{F}_{i,N}\\ .& .& .& .& .& .\\ \mathrm{\Δ}{F}_{N,1}& \mathrm{\Δ}{F}_{N,2}& .& \mathrm{\Δ}{F}_{N,j}& .& \mathrm{\Δ}{F}_{N,N}\end{array}\right]---\left(4\right)$

式(4)中ΔF_i，j(i，j＝1，2，3，.......，N)表示仅仅由于第j根索有单位损伤而引起的第i根索的索力的变化(代数值)。索力变化向量δF_j实际上是矩阵ΔF中的一列，也就是说式(4)也可以写成式(5)。

ΔF＝[δF₁ δF₂…δF_j…δF_N]^T    (5)

3.索系统当前(计算)索力向量F同初始索力向量F_o、索力变化单位矩阵ΔF、单位损伤标量D_u和当前损伤向量d间的近似线性关系，如式(6)所示。

$F=F_o+\frac{1}{D_u}\mathrm{\ΔF}\·d---\left(6\right)$

式(6)中当前索力向量F的定义类似于初始索力向量F_o的定义，参见式(7)；索系统当前损伤向量d的定义参见式(8)；D_u是单位损伤，已在前面说明过。

F＝[F₁ F₂…F_i…F_N]^T    (7)

式(7)中F_i(i＝1，2，3，.......，N)是索系统第i根索的当前索力。

d＝[d₁ d₂…d_i…d_N]^T    (8)

式(8)中d_i(i＝1，2，3，.......，N)是索系统第i根索的当前损伤；d_i为0时表示无损伤，为100％时表示该索彻底丧失承载能力，介于0与100％之间时表示丧失相应比例的承载能力。

若设索损伤为100％时表示索彻底丧失承载能力，那么当实际损伤不太大时(例如不大于30％的损伤)，由于索结构材料仍然处在线弹性阶段，索结构系统的变形也较小，式(6)所表示的这样一种线性关系同实际情况的误差较小。用式(9)定义的误差向量e表示式(6)所示线性关系的误差。

$e=\mathrm{abs}(\frac{1}{D_u}\mathrm{\ΔF}\·d-F+F_o)---\left(9\right)$

式(9)中abs()是取绝对值函数，对括号内求得的向量的每一个元素取绝对值。

本发明的第二部分：基于知识库(含参量)和当前实测索力的索系统健康状态评估方法。由于式(6)所表示的线性关系存在一定误差，因此不能简单根据式(6)和实测当前索力向量F来直接求解得到索损伤向量d。如果这样做了，得到的索损伤向量d中的元素甚至会出现大的负值，也就是负损伤，这明显是不合理的。因此获得索损伤向量d的可接受的解(即带有合理误差，但可以比较准确的从索系统中确定受损索的位置及其损伤程度)成为一个合理的解决方法，可用式(10)来表达这一方法。

$\mathrm{abs}(\frac{1}{D_u}\mathrm{\ΔF}\·d-F+F_o)\≤g---\left(10\right)$

式(10)中abs()是取绝对值函数，向量g描述偏离理想线性关系(式(6))的合理偏差，由式(11)定义。

g＝[g₁ g₂…g_i…g_N]^T    (11)

式(11)中g_i(i＝1，2，3，.......，N)描述了偏离式(6)所示的理想线性关系的最大允许偏差。向量g可根据式(9)定义的误差向量e试算选定。

在初始索力向量F_o(实测得到)、索结构索力变化单位矩阵ΔF(计算得到)和单位损伤D_u(计算ΔF前设定)已知时，可以利用合适的算法(例如多目标优化算法)求解式(10)，获得索损伤向量d的可接受的解，从而确定受损索的位置和损伤程度。

本发明的第三部分：健康监测系统的软件和硬件部分。硬件部分包括索力监测传感器、对应的信号调理器、信号采集器和计算机。要求在每一根索上安装传感器(例如加速度传感器)实时监测索力。软件应当具用下列功能：软件部分首先根据传感器传来的数据实时或准实时分析得到所有索的当前索力向量F(例如可根据索振动数据分析索的基频，据此计算索力)，然后读取预先存储的索系统索力变化单位矩阵ΔF和单位损伤值D_u，依据合适的算法(例如多目标优化算法)求解式(10)，得到索系统的索损伤向量d的非劣解，也就是带有合理误差、但可以比较准确地从索系统中确定受损索的位置及其损伤程度的解。

本发明方法具体包括：

a.确定索的编号规则，按此规则将索结构中所有索的编号，该编号在后续步骤中将用于生成各个向量和矩阵；

b.在索结构无损伤条件或可认为无损伤条件下，直接测量计算得到索结构的所有索的初始索力，组成初始索力向量；

c.在索结构无损伤条件或可认为无损伤条件下，在实测得到初始索力向量的同时，实测索结构的几何数据；

d.根据索结构的设计图、竣工图和索结构的实测数据，建立索结构的力学计算基准模型，索结构的实测数据至少包括结构的几何数据和初始索力向量；

e.在力学计算基准模型的基础上进行若干次力学计算，通过计算获得索力变化单位矩阵；

f.实测得到索结构的所有索的当前实测索力，组成当前索力向量；

g.定义索系统当前损伤向量，当前损伤向量的元素个数和编号规则等同于当前索力向量和初始索力向量，当前损伤向量的每一个元素对应且仅对应于一根索；

h.依据当前索力向量同初始索力向量、索力变化单位矩阵、单位损伤标量和待求的索系统当前损伤向量间存在的近似线性关系，算出当前索损伤向量的非劣解；

i.根据当前损伤向量和编号规则确定受损索的位置及其损伤程度，从而实现索结构的索系统的健康监测，若解得的当前索损伤向量的某一元素的数值为0，表示该元素按照编号规则所对应的索是完好的，没有损伤的；若其数值为100％，则表示该元素所对应的索已经完全丧失承载能力；若其数值介于0和100％之间，则表示该索丧失了相应比例的承载能力。

在步骤h中，算出当前索损伤向量的非劣解的方法包括优化算法、多目标优化算法、人工神经网络算法、遗传算法。

在步骤e中，具体方法为：(a)在力学计算基准模型的基础上进行若干次力学计算，计算次数数值上等于所有索的数量，有N根索就有N次计算，每一次计算假设索系统中只有一根索有单位损伤，每一次计算中出现损伤的索不同于其它次计算中出现损伤的索，每一次计算得到索系统中所有索的当前索力，每一次计算得到的所有索的当前索力组成一个计算当前索力向量；(b)每一次计算得到的那个计算当前索力向量减去初始索力向量得到一个索力变化向量；有N根索就有N个索力变化向量，每个索力变化向量有N个元素；(c)由这N个索力变化向量依次组成有N×N个元素的索力变化单位矩阵；或者说索力变化单位矩阵的每一列对应于一个索力变化向量；

有益效果：本发明公开的系统和方法在只有不太多的索(例如30根索)同步受损的条件下可以非常准确地监测评估出索系统的健康状态(包括所有受损索的位置和损伤程度，因为此时索系统的变形较小，线性关系较好)。在受损索很多(例如多于30根索或一半以上索同步受损)时，可以相当准确地监测评估出绝大部分受损索的位置及其损伤程度。考虑到索系统的索损伤通常是非均衡、非大量索同步受损的，本发明公开的系统和方法对索系统的有效健康监测是非常有益的。

具体实施方式

针对索结构(特别是大型索结构，例如大型斜拉桥、悬索桥)的索系统的健康监测，本发明公开了一种能够合理有效地监测索结构的索系统中每一根索的健康状况的系统和方法。本发明的实施例的下面说明实质上仅仅是示例性的，并且目的绝不在于限制本发明的应用或使用。

本发明采用一种算法，该算法用于监测索结构(特别是大型索结构，例如大型斜拉桥、悬索桥)中的索系统(所有索)的健康状态。具体实施时，下列步骤是可采取的各种步骤中的一种。

第一步：确定索的编号规则，按此规则将所有索编号。该编号在后续步骤中将用于生成各个向量和矩阵。所有向量的相同编号的元素表示同一根索的不同信息。

第二步：直接测量或测量后计算得到索结构的所有索的初始索力，组成初始索力向量F_o。例如可采用加速度传感器实测所有索的振动信号，采用信号处理技术获得索振动的基频，根据基频可计算出索力。所有索的初始索力数值组成初始索力向量F_o。

第三步：建立索结构的力学计算基准模型。根据索结构的设计图、竣工图和索结构的实测数据(包括结构几何形状数据、索力数据、结构模态数据等数据，对斜拉桥、悬索桥而言是桥的桥型数据、索力数据、桥的模态数据)，利用力学方法(例如采用有限元法)建立该结构的力学计算基准模型(例如有限元基准模型)，基于该基准模型计算得到结构的计算数据(对斜拉桥、悬索桥而言至少是桥的桥型数据、索力数据)必须非常接近其实测数据，误差不得大于5％。

第四步：建立索结构索力变化单位矩阵ΔF。在索结构的力学计算基准模型的基础上进行若干次计算，计算次数数值上等于所有索的数量。每一次计算假设索系统中只有一根索有单位损伤D_u(单位损伤应较小、且其引起的索力变化能够被传感器准确识别出来，例如取10％损伤为单位损伤)，每一计算中出现损伤的索不同于其它次计算中出现损伤的索，每一次计算都利用力学方法(例如采用有限元法)计算索结构的索系统中每一根索的当前索力，每一次计算组成一个所有索的计算当前索力向量；每一次计算得到的计算当前索力向量减去初始索力向量，所得向量就是此条件下(以有单位损伤的索的位置或编号等为标记)的索力变化向量，索力变化向量的每一元素表示由于计算时假定有单位损伤的那根索的单位损伤而引起的该元素所对应的索的索力改变量；有N根索就有N个索力变化向量，每个索力变化向量有N个元素，由这N个索力变化向量依次组成有N×N个元素的索力变化单位矩阵ΔF，或者说索力变化单位矩阵ΔF的每一列对应于一个索力变化向量。

第五步：安装索结构健康监测系统的硬件部分。硬件部分至少包括：传感器、信号调理器、数据采集器、计算机和通信报警设备。在每一根索上至少安装一个传感器(例如加速度传感器)以监测索的状态；传感器由信号调理器提供能源，传感器监测到的信号由信号调理器传输到信号采集器；信号经信号采集器传递到计算机；计算机则负责运行索结构的索系统的健康监测软件，包括记录信号采集器传递来的信号；当监测到索有损伤时，计算机控制通信报警设备向监控人员、业主和(或)指定的人员报警。

第六步：将初始索力向量F_o、索结构索力变化单位矩阵ΔF、单位损伤D_u和所有索的几何与力学性能参数以数据文件的方式保存在运行健康监测系统软件的计算机硬盘上。

第七步：编制并在计算机上安装运行索结构的索系统健康监测系统软件。该软件包括如下几种功能模块：1.从存储在计算机硬盘上的数据文件中读取初始索力向量F_o、索结构索力变化单位矩阵ΔF、单位损伤D_u和所有索的几何与力学性能参数。2.定时(或随机触发式)记录通过信号采集器传来的传感器信号。3.对记录的信号进行信号处理，计算得到每一根索的当前索力(例如对加速度传感器的信号进行信号处理，得到每一根索的基频，根据基频和索的几何与力学性能参数计算每一根索的当前索力)，所有索的当前索力组成当前索力向量F。4.依据当前索力向量(由所有索的当前实测索力组成)同初始索力向量、索力变化单位矩阵、单位损伤标量和索系统当前损伤向量(由所有索当前损伤量组成)间存在的近似线性关系，按照多目标优化算法计算索系统当前损伤向量d的非劣解，也就是带有合理误差、但可以比较准确地从所有索中确定受损索的位置及其损伤程度的解。若解得的当前索损伤向量d的某一元素的数值为0，表示该元素所对应的索是完好的，没有损伤的；若其数值为100％，则表示该元素所对应的索已经完全丧失承载能力；若其数值介于0和100％之间，则表示该索丧失了相应比例的承载能力。5.数据生成功能。即可定期或由人员操作健康监测系统生成索系统健康情况报表。6.报警功能。在指定条件下，自动操作通信报警设备向监控人员、业主和(或)指定的人员报警。

Claims (3)

1.一种用于索结构中索系统的健康监测方法，其特征在于所述方法包括：

a.确定索的编号规则，按此规则将索结构中所有索编号，该编号在后续步骤中将用于生成各个向量和矩阵，所有向量的相同编号的元素表示同一根索的不同信息；

b.在索结构无损伤条件或可认为无损伤条件下，直接测量计算得到索结构的所有索的初始索力，组成初始索力向量；

c.在索结构无损伤条件或可认为无损伤条件下，在实测得到初始索力向量的同时，实测索结构的几何数据；

d.根据索结构的设计图、竣工图和索结构的实测数据，建立索结构的力学计算基准模型，索结构的实测数据至少包括索结构的几何数据和初始索力向量；

e.在力学计算基准模型的基础上进行若干次力学计算，通过计算获得索力变化单位矩阵；

f.实测得到索结构的所有索的当前实测索力，组成当前索力向量；

g.定义索系统当前损伤向量，当前损伤向量的元素个数和编号规则等同于当前索力向量和初始索力向量的元素个数和编号规则，当前损伤向量的每一个元素对应且仅对应于一根索；

h.依据当前索力向量同初始索力向量、索力变化单位矩阵、单位损伤标量和待求的索系统当前损伤向量间存在的近似线性关系

$F=F_o+\frac{1}{D_u}\mathrm{\ΔF}\·d,$

其中有：索系统当前索力向量F，初始索力向量F_o，索力变化单位矩阵ΔF，单位损伤标量D_u，当前损伤向量d，

算出索系统当前损伤向量的非劣解；

i.根据索系统当前损伤向量和编号规则确定受损索的位置及其损伤程度，从而实现索结构的索系统的健康监测，若解得的索系统当前损伤向量的某一元素的数值为0，表示该元素按照编号规则所对应的索是完好的，没有损伤的；若其数值为100％，则表示该元素所对应的索已经完全丧失承载能力；若其数值介于0和100％之间，则表示该索丧失了相应比例的承载能力。

2.根据权利要求1所述的用于索结构中索系统的健康监测方法，其特征在于在步骤h中，算出索系统当前损伤向量的非劣解的方法为多目标优化算法。

3.根据权利要求1所述的用于索结构中索系统的健康监测方法，其特征在于在步骤e中，具体方法为：

a.在力学计算基准模型的基础上进行若干次力学计算，

计算次数数值上等于所有索的数量，有N根索就有N次计算，每一次计算假设索系统中只有一根索有单位损伤，每一次计算中出现损伤的索不同于其它次计算中出现损伤的索，每一次计算得到索系统中所有索的当前索力，每一次计算得到的所有索的当前索力组成一个计算当前索力向量；

b.每一次计算得到的那个计算当前索力向量减去初始索力向量得到一个索力变化向量；有N根索就有N个索力变化向量，每个索力变化向量有N个元素；

c.由这N个索力变化向量依次组成有N×N个元素的索力变化单位矩阵；或者说索力变化单位矩阵的每一列对应于一个索力变化向量。