CN101349633A - 基于角度监测的索结构中索系统的健康监测方法 - Google Patents

Abstract

基于角度监测的索结构的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，每次计算得到一个计算当前角度坐标向量；每个计算当前角度坐标向量减去初始角度坐标向量，获得一个角度坐标变化向量；所有的角度坐标变化向量组成单位损伤角度坐标变化矩阵。依据当前角度坐标向量同初始角度坐标向量、单位损伤角度坐标变化矩阵、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

基于角度监测的索结构中索系统的健康监测方法

技术领域

本发明基于角度监测来识别索结构(特别是大型索结构，例如大型斜拉桥、悬索桥)的索系统(指所有承载索)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，例如大型斜拉桥、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，例如大型斜拉桥、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。然而，每一根索的健康状况除了会影响所有索的索力外，还会引起过索结构的每一点的任意假想直线的角度坐标的变化，例如结构表面任意一点的切平面中的任意一根过该点的直线的角度坐标的变化，或者结构表面任意一点的法线的角度坐标的变化，目前还没有出现公开报道的通过角度监测来实现索结构的索系统的健康监测的系统和方法。

为了能对索结构(特别是大型索结构，例如大型斜拉桥、悬索桥)的索系统的健康状态有可靠的监测和判断，必须有一个能够合理有效的建立索结构的角度坐标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可以给出可信的索系统的健康评估。

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，例如大型斜拉桥、悬索桥)中索系统的健康监测问题，公开了一种基于角度监测的、能够合理有效地监测索结构(特别是大型索结构，例如大型斜拉桥、悬索桥)的索系统的健康监测方法。

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)和实测角度的索结构的索系统的健康状态评估方法、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.建立索结构的力学计算基准模型(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(包括结构角度数据、形状数据、索力数据、结构模态数据等实测数据，对斜拉桥、悬索桥而言是桥的角度数据、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)建立该结构的力学计算基准模型(例如有限元基准模型)，基于该计算基准模型计算得到的结构计算数据(对斜拉桥、悬索桥而言是桥的角度数据、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，误差一般不得大于5％。这样可保证在此计算基准模型上计算所得的模拟情况下的角度计算数据、索力计算数据和结构形状计算数据等，可靠地接近模拟情况真实发生时的实测数据。

结构角度数据由结构上K个指定点的、过每个指定点的L个指定直线的、每个指定直线的H个角度坐标分量来描述，结构角度的变化就是所有指定点的、所有指定直线的所有指定的角度坐标分量的变化。每次共有M(M＝K×L×H)个角度坐标分量测量值或计算值来表征结构的角度信息。K和M一般不得小于索的数量。

设索系统中共有N根索，那么可用向量C_o表示索结构中所有指定点的、所有指定直线的所有指定角度坐标向量(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初始角度坐标可靠地接近于初始角度坐标的实测数据，在后面的叙述中，将用同一符号来表示该计算值和实测值。

C_o＝[C_o1  C_o2  …  C_oi  …  C_oM]^T        (1)

式(1)中C_oi(i＝1，2，3，.......，M；M≥N)是索结构中第i个初始角度坐标分量(假设此时该索无损伤)，该分量依据编号规则对应于特定点的特定直线的一个角度坐标分量。T表示向量的转置(后同)。

2.建立索结构单位损伤角度坐标变化矩阵ΔC。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_M(单位损伤应较小、且其引起的角度坐标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，每一次计算都利用力学方法(例如有限元法)计算索结构的所有指定点的所有指定直线的所有指定角度坐标分量的当前计算值，每一次计算组成一个所有指定点的计算当前角度坐标向量(当假设第j根索有单位损伤时，可用式(2)表示所有指定点的计算当前角度坐标向量C_t ^j)；每一次计算得到的计算当前角度坐标向量减去初始角度坐标向量，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)的角度坐标变化向量(当第j根索有单位损伤时，用δC_j表示角度坐标变化向量，定义见式(3)，式(3)为式(2)减去式(1)所得)，角度坐标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指定点的指定直线的角度坐标的某个指定分量的改变量；有N根索就有N个角度坐标变化向量，每个角度坐标变化向量有M(M≥N)个元素，由这N个角度坐标变化向量依次组成有M×N个元素的单位损伤角度坐标变化矩阵ΔC，ΔC的定义如式(4)所示。

$C_t^j={\left[\begin{array}{cccccccccc}{C}_{t1}^j& C_{t2}^j& \·& \·& \·& C_{\mathrm{ti}}^j& \·& \·& \·& C_{\mathrm{tM}}^j\end{array}\right]}^T---\left(2\right)$

式(2)中元素C_ti ^j(i＝1，2，3，.......，M；j＝1，2，3，.......，N；M≥N)表示由于第j根索有单位损伤时，依据编号规则所对应的某个指定点的指定直线的计算当前角度坐标的某个方向的分量，其编号为i。

$\mathrm{\δ}{C}_j=C_t^j-C_o---\left(3\right)$

$\mathrm{\ΔC}=\left[\begin{array}{cccccc}{\mathrm{\ΔC}}_{\mathrm{1,1}}& {\mathrm{\ΔC}}_{\mathrm{1,2}}& \·& {\mathrm{\ΔC}}_{1,j}& \·& {\mathrm{\ΔC}}_{1,N}\\ {\mathrm{\ΔC}}_{\mathrm{2,1}}& \mathrm{\Δ}{C}_{\mathrm{2,2}}& \·& \mathrm{\Δ}{C}_{2,j}& \·& {\mathrm{\ΔC}}_{2,N}\\ \·& \·& \·& \·& \·& \·\\ {\mathrm{\ΔC}}_{i,1}& {\mathrm{\ΔC}}_{i,2}& \·& {\mathrm{\ΔC}}_{i,j}& \·& {\mathrm{\ΔC}}_{i,N}\\ \·& \·& \·& \·& \·& \·\\ {\mathrm{\ΔC}}_{M,1}& {\mathrm{\ΔC}}_{M,2}& \·& {\mathrm{\ΔC}}_{M,j}& \·& {\mathrm{\ΔC}}_{M,N}\end{array}\right]---\left(4\right)$

式(4)中ΔC_i，j(i＝1，2，3，.......，M；j＝1，2，3，.......，N；M≥N)表示仅由于第j根索有单位损伤而引起的、依据编号规则所对应的某个指定点的指定直线的计算当前角度坐标的某个分量的变化(代数值)。角度坐标变化向量δC_j实际上是矩阵ΔC中的一列，也就是说式(4)也可以写成式(5)。

ΔC＝[δC₁  δC₂  …  δC_j  …  δC_N]       (5)

3.索系统当前(计算或实测)角度坐标向量C同初始角度坐标向量C_o、单位损伤角度坐标变化矩阵ΔC、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)或式(7)所示。

$C=C_o+\frac{1}{D_u}\mathrm{\ΔC}\·d---\left(6\right)$

$C-C_o=\frac{1}{D_u}\mathrm{\ΔC}\·d---\left(7\right)$

式(6)和式(7)中当前角度坐标向量C的定义类似于初始角度坐标向量C_o的定义，参见式(8)；索系统当前损伤向量d的定义参见式(9)；D_u是单位损伤，已在前面说明过。

C＝[C₁  C₂  …  C_i  …  C_M]^T          (8)

式(8)中C_i(i＝1，2，3，.......，M；M≥N)是索结构的、依据编号规则所对应的某个指定点的、指定直线的、当前角度坐标的某个方向的分量，其编号为i。

d＝[d₁  d₂  …  d_i  …  d_N]^T          (9)

式(9)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，索结构的变形也较小，式(6)或式(7)所表示的这样一种线性关系同实际情况的误差较小。用式(10)定义的误差向量e表示式(6)或式(7)所示线性关系的误差。

$e=\mathrm{abs}(\frac{1}{D_u}\mathrm{\ΔC}\·d-C+C_o)---\left(10\right)$

式(10)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)和当前实测结构角度信息(所有指定点的所有指定直线的所有指定角度坐标分量)的索系统健康状态评估方法。

由于式(6)或式(7)所表示的线性关系存在一定误差，因此不能简单根据式(6)或式(7)和实测当前角度坐标向量C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较大的负值，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(11)来表达这一方法。

$\mathrm{abs}(\frac{1}{D_u}\mathrm{\ΔC}\·d-C+C_o)\≤g---\left(11\right)$

式(11)中abs()是取绝对值函数，向量g描述偏离理想线性关系(式(6)或式(7))的合理偏差，由式(12)定义。

g＝[g₁  g₂  …  g_i  …g_M]^T                    (12)

式(12)中g_i(i＝1，2，3，.......，M)描述了偏离式(6)或式(7)所示的理想线性关系的最大允许偏差。向量g可根据式(10)定义的误差向量e试算选定。

在初始角度坐标向量C_o(实测得到)、索结构单位损伤角度坐标变化矩阵ΔC(计算得到)、实测当前角度坐标向量C和单位损伤D_u(计算ΔC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(11)，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。硬件部分包括角度监测系统、信号采集器和计算机。要求实时监测每一个指定点的所有指定直线的所有指定方向的角度坐标。软件应当具用下列功能：软件部分首先根据角度监测系统传来的数据实时或准实时分析得到当前角度坐标向量C，然后读取预先存储的索系统单位损伤角度坐标变化矩阵ΔC、初始角度坐标向量C_o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(11)，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的索编号，该编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵；

b.确定指定的被测量点，给所有指定点编号；确定过该测量点的被测量直线，给所有指定的被测量直线编号；确定每一被测量直线的被测量的角度坐标分量，给所有被测量角度坐标分量编号。上述编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵。测量点的数量一般不得小于索的数量；所有被测量角度坐标分量的数量之和不得小于索的数量；

c.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指定点的所有指定直线的所有指定初始角度坐标，组成初始角度坐标向量C_o；

d.在索结构无损伤条件或可认为无损伤条件下，在实测得到初始角度坐标向量的同时，实测得到索结构的所有索的初始索力数据和结构的初始几何数据；

e.根据索结构的设计图、竣工图和索结构的上述实测数据，建立索结构的力学计算模型，基于该模型计算所得的计算数据同上述实测数据越接近越好，其间的差异不得大于5％，此时该模型被称为结构的力学计算基准模型。

f.在力学计算基准模型的基础上进行若干次力学计算，通过计算获得单位损伤角度坐标变化矩阵ΔC；

g.实测得到索结构的所有指定点的所有指定直线的指定当前实测角度坐标，组成当前角度坐标向量C；

h.定义索系统当前损伤向量d，当前损伤向量的元素个数等于索的数量，当前损伤向量的元素和索之间是一一对应关系，当前损伤向量的元素数值代表对应索的损伤程度或健康状态；

i.依据当前角度坐标向量C同初始角度坐标向量C_o、单位损伤角度坐标变化矩阵ΔC、单位损伤标量D_u和待求的索系统当前损伤向量d间存在的近似线性关系，该近似线性关系可表达为式1，式1中除d外的其它量均为已知，求解式1就可以算出当前损伤向量d；

$C=C_o+\frac{1}{D_u}\mathrm{\ΔC}\·d$ 式1

j.由于当前损伤向量d的元素数值代表对应索的损伤程度，所以根据当前损伤向量就能确定有哪些索受损及其损伤程度，即实现了索结构中索系统的健康监测；若当前索损伤向量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。

在步骤f中，获得单位损伤角度坐标变化矩阵ΔC的具体方法为：

f1.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，每一次计算得到索结构中所有指定点的指定直线的所有指定当前角度坐标分量，每一次计算得到的所有当前角度坐标组成一个计算当前角度坐标向量；

f2.每一次计算得到的那个计算当前角度坐标向量减去初始角度坐标向量得到一个角度坐标变化向量；有N根索就有N个角度坐标变化向量；

f3.由这N个角度坐标变化向量依次组成有N列的单位损伤角度坐标变化矩阵；或者说单位损伤角度坐标变化矩阵的每一列对应于一个角度坐标变化向量。

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根索或30％的索)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，因为此时索结构的变形较小，线性关系较好)。在受损索很多(例如多于30根索或50％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的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，按此规则将所有的索编号。该编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵。确定被测量点(即所有表征结构角度位移的指定点)及被测量的指定直线的角度坐标分量，并给其编号。该编号在后续步骤中同样将用于生成向量和矩阵。每一个指定点可以就是每一根索的固定端点(例如是斜拉桥的拉索在桥面上的固定端)或其附近的一个点；测量点的数量不得小于索的数量。在每一指定点可以仅仅测量一个指定直线的一个角度坐标，例如测量过指定点的结构表面法线相对于重力加速度方向的角度坐标，这里实际上就是倾角测量。

第二步：直接测量或测量后计算得到索结构的所有指定点的所有指定直线的初始角度坐标，所有指定点的初始角度坐标数值组成初始角度坐标向量C_o。同时，直接测量或测量后计算得到索结构的所有索的初始索力和初始几何形状数据(对于斜拉桥就是其初始桥型数据)。

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(包括结构初始几何形状数据、初始角度坐标数据、所有索的初始索力、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、角度坐标数据、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必须非常接近其对应的实测数据，误差一般不得大于5％。在力学计算基准模型上计算得到的所有指定点的所有指定直线的初始角度坐标组成计算初始角度坐标向量。

第四步：建立索结构单位损伤角度坐标变化矩阵ΔC。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、且其引起的角度坐标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，每一次计算都利用力学方法(例如采用有限元法)计算索结构中索系统中所有指定点的所有指定直线的当前角度坐标，每一次计算组成一个计算当前角度坐标向量C；每一次计算得到的计算当前角度坐标向量减去计算初始角度坐标向量，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)的角度坐标变化向量，角度坐标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指定点的指定直线的角度坐标的指定分量的改变量；有N根索就有N个角度坐标变化向量，每个角度坐标变化向量有M个元素(如果有K个指定点，每个指定点有被指定测量的L个直线，每个被指定测量的直线有H个指定的被测量角度坐标分量，M＝K×L×H；或者不同的指定点有不一定相同数量的被测量直线，不同的被测量直线可以有不同数量的被测量角度坐标分量，M是所有点的所有直线的被测量角度坐标分量的数量之和)，由这N个角度坐标变化向量依次组成有M×N个元素的单位损伤角度坐标变化矩阵ΔC，或者说单位损伤角度坐标变化矩阵ΔC的每一列对应于一个角度坐标变化向量。

第五步：建立线性关系误差向量e和向量g。利用前四步的数据(初始角度坐标向量C_o、单位损伤角度坐标变化矩阵ΔC)，在第四步进行每一次计算的同时，即在“每一次计算假设索系统中只有一根索有单位损伤D_u，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，每一次计算都利用力学方法(例如采用有限元法)计算索结构中索系统中所有指定点的所有指定直线的指定的当前角度坐标，每一次计算组成一个计算当前角度坐标向量C”的同时，每一次计算组成一个损伤向量d，该损伤向量d的所有元素中只有一个元素的数值取D_u，其它元素的数值取0，损伤向量d中数值是D_u的元素对应于该次计算时唯一受损索的单位损伤程度D_u；将C、C_o、ΔC、D_u、d带入式(10)，得到一个线性关系误差向量e，每一次计算得到一个线性关系误差向量e；有N根索就有N次计算，就有N个线性关系误差向量e，将这N个线性关系误差向量e相加后得到一个向量，将此向量的每一个元素除以N后得到的新向量就是最终的线性关系误差向量e。向量g等于最终的误差向量e。

第六步：安装索结构健康监测系统的硬件部分。硬件部分至少包括：角度坐标监测系统(例如含角度测量传感器、信号调理器等)、信号采集器、计算机和通信报警设备。每一个指定点的每一个指定直线的指定角度坐标都必须被角度监测系统监测到；角度坐标监测系统监测每一个指定点的每一个指定直线的指定角度坐标，并将信号并传输到信号(数据)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。

第七步：将初始角度坐标向量C_o、单位损伤角度坐标变化矩阵ΔC和单位损伤D_u等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。

第八步：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角度坐标向量C_o、索结构单位损伤角度坐标变化矩阵ΔC、单位损伤D_u和所有必要参数。2.定时(或随机触发式)记录通过信号采集器传来的信号。3.对记录的信号进行信号处理，计算得到所有待测量的当前角度坐标，所有的当前角度坐标组m成当前角度坐标向量C。4.依据当前角度坐标向量C同初始角度坐标向量C_o、单位损伤角度坐标变化矩阵ΔC、单位损伤标量D_u和索系统当前损伤向量d(由所有索的当前损伤量组成)间存在的近似线性关系(式(6))，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。

可以采用的多目标优化算法有很多种，例如：基于遗传算法的多目标优化、基于人工神经网络的多目标优化、基于粒子群的多目标优化算法、基于蚁群算法的多目标优化、约束法(Constrain Method)、加权法(Weighted Sum Method)、目标规划法(Goal Attainment Method)等等。由于各种多目标优化算法都是常规算法，可以方便地实现，本实施步骤仅以目标规划法为例给出求解当前损伤向量d的过程，其它算法的具体实现过程可根据其具体算法的要求以类似的方式实现。

按照目标规划法，式(6)可以转化成式(13)和式(14)所示的多目标优化问题，式(13)中γ是一个实数，R是实数域，空间区域Ω限制了向量d的每一个元素的取值范围(本实施例要求向量d的每一个元素不小于0，不大于1)。式(13)的意思是寻找一个绝对值最小的实数γ，使得式(14)得到满足。式(14)中G(d)由式(15)定义，式(14)中加权向量W与γ的积表示式(14)中G(d)与向量g之间允许的偏差，g的定义参见式(12)，其值已在第五步计算得到。实际计算时向量W可以与向量g相同。目标规划法的具体编程实现已经有通用程序可以直接采用。按照目标规划法就可以求得当前索损伤向量d。

$\begin{array}{cc}\min \mathrm{imize}& \mathrm{\γ}\\ \mathrm{\γ}\∈R,& d\∈\mathrm{\Ω}\end{array}---\left(13\right)$

G(d)-Wγ≤g                          (14)

$G\left(d\right)=\mathrm{abs}(\frac{1}{D_u}\mathrm{\ΔC}\·d-C+C_o)---\left(15\right)$

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 (2)

1.一种基于角度监测的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的索编号，该编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵；

b.确定指定的被测量点，给所有指定的被测量点编号；确定过该测量点的被测量直线，给所有指定的被测量直线编号；确定每一被测量直线的被测量的角度坐标分量，给所有被测量角度坐标分量编号；上述编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵；测量点的数量一般不得小于索的数量；所有被测量角度坐标分量的数量之和不得小于索的数量；

c.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指定点的所有指定直线的初始角度坐标，组成初始角度坐标向量C_o；

d.在索结构无损伤条件或可认为无损伤条件下，在实测得到初始角度坐标向量的同时，实测得到索结构的所有索的初始索力数据和结构的初始几何数据；

e.根据索结构的设计图、竣工图和索结构的上述实测数据，建立索结构的力学计算模型，基于该模型计算所得计算数据同上述实测数据越接近越好，其间的差异不得大于5％，此时该模型被称为结构的力学计算基准模型；

f.在力学计算基准模型的基础上进行若干次力学计算，通过计算获得单位损伤角度坐标变化矩阵ΔC；

g.实测得到索结构的所有指定点的所有指定直线的当前角度坐标，组成当前角度坐标向量C；

h.定义索系统当前损伤向量d，当前损伤向量的元素个数等于索的数量，当前损伤向量的元素和索之间是一一对应关系，当前损伤向量的元素数值代表对应索的损伤程度或健康状态；

i.依据当前角度坐标向量C同初始角度坐标向量C_o、单位损伤角度坐标变化矩阵ΔC、单位损伤标量D_u和待求的索系统当前损伤向量d间存在的近似线性关系，该近似线性关系可表达为式1，式1中除d外的其它量均为已知，求解式1就可以算出当前损伤向量d；

$C=C_o+\frac{1}{D}\mathrm{\ΔC}\·d$ 式1

j.由于当前损伤向量d的元素数值代表对应索的损伤程度，所以根据当前损伤向量就能确定有哪些索受损及其损伤程度，即实现了索结构中索系统的健康监测；若当前索损伤向量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。

2.根据权利要求1所述的基于角度坐标监测的索结构的索系统的健康监测方法，其特征在于在步骤f中，获得单位损伤角度坐标变化矩阵ΔC的方法为：

f1.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，每一次计算得到索结构中所有指定点的指定直线的所有当前角度坐标分量，每一次计算得到的所有当前角度坐标组成一个计算当前角度坐标向量；

f2.每一次计算得到的那个计算当前角度坐标向量减去初始角度坐标向量得到一个角度坐标变化向量；有N根索就有N个角度坐标变化向量；

f3.由这N个角度坐标变化向量依次组成有N列的单位损伤角度坐标变化矩阵；或者说单位损伤角度坐标变化矩阵的每一列对应于一个角度坐标变化向量。