CN101387600B - 基于混合监测的索结构中索系统的健康监测方法 - Google Patents

Abstract

基于混合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。每次计算时假设只有一根索有单位损伤，每次计算得到一个被监测量的计算当前数值向量(后文各处省略“被监测量的”五字)；每个计算当前数值向量减去初始数值向量，获得一个数值变化向量；所有的数值变化向量组成单位损伤被监测量数值变化矩阵。依据计算当前数值向量同初始数值向量、单位损伤被监测量数值变化矩阵、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

基于混合监测的索结构中索系统的健康监测方法

技术领域

本发明基于对多类参量的混合监测来识别索结构(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，还会影响索结构的变形或应变，还会影响索结构的形状或空间坐标，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)，所有的这些变化都包含了索系统的健康状态信息，目前还没有出现公开报道的通过对这些不同类型的结构的特征参量的变化的混合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多种不同类型的特征参量的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，通过对索结构的两种或两种以上的参量(例如索力、应变、空间坐标和角度坐标等)进行监测，提供一种建立和分析监测记录得到的不同类型的监测数据同索系统的健康状态间关系的基于混合监测的索结构中索系统的健康监测方法，进而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)的索系统的健康状态的方法。

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)和实测信息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(一般包括索力数据、结构角度数据、形状数据、空间坐标数据、应变数据、结构模态数据等实测数据，对斜拉桥、悬索桥而言是桥的索力数据、桥型数据、应变数据、角度数据、桥的模态数据等实测数据)，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、悬索桥而言是桥的索力数据、桥型数据、应变数据、角度数据等实测数据)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数据(例如索力数据、应变数据、角度数据、结构形状计算数据和空间坐标计算数据等)可靠地接近模拟情况真实发生时的实测数据。

设索系统中共有N根索，结构的被监测的索力数据由结构上M₁个指定索的M₁个索力数据来描述，结构索力的变化就是所有指定索的索力的变化。每次共有M₁个索力测量值或计算值来表征结构的索力信息。M₁是一个不小于0，不大于N的整数。

结构的被监测的应变数据可由结构上K₂个指定点的、及每个指定点的L₂个指定方向的应变来描述，结构应变数据的变化就是K₂个指定点的所有应变分量的变化。每次共有M₂(M₂＝K₂×L₂)个应变测量值或计算值来表征结构应变。M₂是一个不小于0，一般不大于N的整数。

结构的被监测的角度数据由结构上K₃个指定点的、过每个指定点的L₃个指定直线的、每个指定直线的H₃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M₃(M₃＝K₃×L₃×H₃)个角度坐标分量测量值或计算值来表征结构的角度信息。M₃是一个不小于0，一般不大于N的整数。

结构的被监测的形状数据由结构上K₄个指定点的、及每个指定点的L₄个指定方向的空间坐标来描述，结构形状数据的变化就是K₄个指定点的所有坐标分量的变化。每次共有M₄(M₄＝K₄×L₄)个坐标测量值或计算值来表征结构形状。M₄是一个不小于0，一般不大于N的整数。

综合上述被监测量，整个结构共有M(M＝M₁+M₂+M₃+M₄)个被监测量，定义参量K(K＝M₁+K₂+K₃+K₄)，K和M一般不得小于索的数量N。由于M个被监测量是不同类型的，所以本发明称为“基于混合监测的索结构中索系统的健康监测方法”。

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的被监测量的初始值(参见式(1))，C_o称为“被监测量的初始数值向量”。因在上述条件下，基于索结构的计算基准模型计算所得的、被指定的被监测量的初始数值可靠地接近于相对应的实测数值，在后面的叙述中，将用同一符号来表示该计算值组成向量和实测值组成向量。

C_o＝[C_o1C_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个被监测量(假设此时索无损伤)，T表示向量的转置(后同)。向量C_o是由前面定义的M个被监测量依据一定顺序排列而成，对此排列顺序并无特殊要求，只要求后面所有相关向量也按此顺序排列数据即可。

2.建立索结构“单位损伤被监测量数值变化矩阵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、且其引起的被监测量数值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、在前面已指定的M个被监测量的当前计算值，每一次计算所得M个被监测量的当前计算值组成一个“被监测量的计算当前数值向量”(当假设第j根索有单位损伤时，可用式(2)表示所有指定的M个被监测量的计算当前数值向量

)；每一次计算得到的被监测量的计算当前数值向量减去被监测量的初始数值向量，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“被监测量的数值变化向量”(当第j根索有单位损伤时，用δC_j表示被监测量的数值变化向量，δC_j的定义见式(3)，式(3)为式(2)减去式(1)所得)，被监测量的数值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被监测量的数值改变量；有N根索就有N个被监测量的数值变化向量，每个被监测量的数值变化向量有M(一般的，M≥N)个元素，由这N个被监测量的数值变化向量依次组成有M×N个元素的单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC(M行N列)，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 $C_{\mathrm{ti}}^j(i=\mathrm{1,2,3},......,M;j=\mathrm{1,2,3},.......N;M\≥N)$ 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的被监测量的计算当前数值，其编号为i。

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

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

式(4)中 $\mathrm{\Δ}{C}_{i,j}(i=\mathrm{1,2,3},......,M;j=\mathrm{1,2,3},.......N;M\≥N)$ 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被监测量的数值变化(代数值)。被监测量的数值变化向量δC_j(参见式(3))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＝[δC₁δC₂···δC_j···δC_N]    (5)

3.索系统“被监测量的当前(计算或实测)数值向量C”同“被监测量的初始数值向量C_o”、“单位损伤被监测量数值变化矩阵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)中被监测量的当前(计算或实测)数值向量C的定义类似于被监测量的初始数值向量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＝[C₁C₂···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被监测量的当前数值，其编号为i。

d＝[d₁d₂···d_i···d_N]^T    (9)

式(9)中d_i(i＝1，2，3，.......，N)是索系统第i根索的当前损伤值；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。向量d的元素的下标的编号规则同矩阵

C的列的编号规则相同。

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)和指定的被监测量的当前实测信息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“被监测量的当前(实测)数值向量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＝[g₁g₂···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。

在被监测量的初始数值向量C_o(实测得到)、索结构单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC(计算得到)、被监测量的当前数值向量C(实测得到)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。硬件部分包括监测系统、信号采集器和计算机。要求实时或准实时监测每一个指定被监测量的数值。软件应当具用下列功能：软件部分首先根据监测系统传来的数据实时或准实时分析得到被监测量的当前数值向量C，然后读取预先存储的索结构的单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC、被监测量的初始数值向量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.确定指定的将被监测索力的索，给这些索编号；确定指定的将被监测应变的结构上的点，给这些点编号，确定将被监测应变的点的、将被监测的应变方向，并编号；确定指定的将被监测角度坐标的点，将会监测过这些指定点的一些指定直线的角度坐标的变化，给所有指定点编号，确定过这些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；确定指定的将被监测空间坐标的点，将会监测这些指定点的空间坐标，给所有指定点编号，确定被监测点的、被监测的坐标分量，并编号。上述编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵。上述所有的被监测量的个数之和一般不得小于索的数量；

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的被监测量，组成“被监测量的初始数值向量C_o”；

d.在索结构无损伤条件或可认为无损伤条件下，实测得到索结构的所有索的初始索力数据，实测得到索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“单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC”；

g.实测得到索结构的所有指定被监测量的当前实测数值，组成“被监测量的当前数值向量C”。给本步及本步之前出现的所有向量的元素编号时，应使用同一编号规则，这样可以保证本步及本步之前出现的各向量的、编号相同的元素，表示同一被监测量的、对应于该元素所属向量所定义的相关信息；

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“被监测量的当前(计算或实测)数值向量C”同“被监测量的初始数值向量C_o”、“单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC”、“单位损伤标量D_u”和“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“单位损伤被监测量数值变化矩阵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被监测量的当前数值，每一次计算得到的所有被监测量的当前数值组成一个“被监测量的计算当前数值向量”。在本步骤中给各向量的元素编号时，应同第g步及其以前步骤所定义的向量使用同一编号规则，这样可以保证本步骤中各向量中的任意一个元素，同第g步及其以前步骤所定义的各向量中的、编号相同的元素，表达了同一被监测量的、对应于该元素所属向量所定义的相关信息；

f2.每一次计算得到的那个“被监测量的计算当前数值向量”减去“被监测量的初始数值向量”得到一个“被监测量的数值变化向量”；有N根索就有N个“被监测量的数值变化向量”；

f3.由这N个“被监测量的数值变化向量”依次组成有N列的“单位损伤被监测量数值变化矩阵”；或者说“单位损伤被监测量数值变化矩阵”的每一列对应于一个“被监测量的数值变化向量”。“单位损伤被监测量数值变化矩阵”的列的编号规则与当前损伤向量d的元素编号规则相同。

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：确定被监测量的类型、位置和数量，并编号。具体过程为：

首先确定索的编号规则，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。

设索系统中共有N根索，结构的被监测的索力数据由结构上M₁个指定索的M₁个索力数据来描述，结构索力的变化就是所有指定索的索力的变化。每次共有M₁个索力测量值或计算值来表征结构的索力信息。M₁是一不小于0，不大于N的整数。实际选定被监测索力的索时，可以选择那些索力易于测量的索为被监测索；

结构的被监测的应变数据可由结构上K₂个指定点的、及每个指定点的L₂个指定方向的应变来描述，结构应变数据的变化就是K₂个指定点的所有应变分量的变化。每次共有M₂(M₂＝K₂×L₂)个应变测量值或计算值来表征结构应变。M₂是一个不小于0，一般不大于N的整数。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梁上的固定端)附近的一个点，该点一般不应当是应力集中点，以避免出现过大的应变测量值，这些点一般也不应当全部是被监测索力的索的固定端点或在其附近；

结构的被监测的角度数据由结构上K₃个指定点的、过每个指定点的L₃个指定直线的、每个指定直线的H₃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M₃(M₃＝K₃×L₃×H₃)个角度坐标分量测量值或计算值来表征结构的角度信息。M₃是一个不小于0，一般不大于N的整数。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，“被监测索力的索的固定端点或在其附近的点”和“被监测应变的点或在其附近的点”一般不应该被全部选择为被监测角度数据的点；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或切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；

结构的被监测的空间坐标数据由结构上K₄个指定点的、及每个指定点的L₄个指定方向的空间坐标来描述，结构空间坐标数据的变化就是K₄个指定点的所有坐标分量的变化。每次共有M₄(M₄＝K₄×L₄)个坐标测量值或计算值来表征结构空间坐标数据。M₄是一个不小于0，一般不大于N的整数。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梁上的固定端)；“被监测索力的索的固定端点或在其附近的点”、“被监测应变的点或在其附近的点”和“被监测角度数据的点或在其附近的点”一般不应该被全部选择为被监测空间坐标数据的点；

综合上述被监测数据，整个结构共有M(M＝M₁+M₂+M₃+M₄)个被监测量，定义参量K(K＝M₁+K₂+K₃+K₄)，K和M一般不得小于索的数量N。由于M个被监测量是不同类型的，所以本发明称为“基于混合监测的索结构中索系统的健康监测方法”。

第二步：在索结构无损伤条件或可认为无损伤条件下，直接测量或测量后计算得到索结构的所有指定的M个被监测量，组成有M个元素的“被监测量的初始数值向量C_o”。可以采用成熟的测量方法进行索力测量、应变测量、角度测量和空间坐标测量。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索结构初始几何形状数据(对于斜拉桥就是其初始桥型数据)，索结构的初始几何形状数据可以是所有索的端点的空间坐标数据加上结构上一系列的点的空间坐标数据，目的在于根据这些坐标数据就可以确定索结构的几何特征。对斜拉桥而言，初始几何形状数据可以是所有索的端点的空间坐标数据加上桥梁两端上若干点的空间坐标数据，这就是所谓的桥型数据。

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(可以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、索力数据等数据)，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的被监测量的初始数据组成“被监测量的计算初始数值向量”。

第四步：建立“单位损伤被监测量数值变化矩阵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、且其引起的被监测量的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的被监测量的当前数值，每一次计算组成一个“被监测量的计算当前数值向量C”；每一次计算得到的“被监测量的计算当前数值向量”减去“被监测量的计算初始数值向量”，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“被监测量的数值变化向量”，“被监测量的数值变化向量”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特定的一个被监测量的改变量；有N根索就有N个“被监测量的数值变化向量”，每个“被监测量的数值变化向量”有M个元素。由这N个“被监测量的数值变化向量”依次组成有M×N个元素的“单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC”，或者说“单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC”的每一列对应于一个“被监测量的数值变化向量”。本步及本步之前出现的各向量的、编号相同的元素，表示同一被监测量的、对应于该元素所属向量所定义的相关信息。

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(“被监测量的初始数值向量C_o”、“单位损伤被监测量数值变化矩阵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的被监测量的当前数值，每一次计算组成一个“被监测量的计算当前数值向量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、Du、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：监测被监测量的监测系统(例如含角度测量分系统、索力测量分系统、应变测量分系统、空间坐标测量分系统、信号调理器等)、信号采集器、计算机和通信报警设备。每一个指定的被监测量都必须被监测系统监测到；监测系统监测每一个指定的被监测量，并将信号传输到信号(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“被监测量的初始数值向量C_o”、“单位损伤被监测量数值变化矩阵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“被监测量的初始数值向量C_o”、索结构“单位损伤被监测量数值变化矩阵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被监测量的当前数值，所有的被监测量的当前数值组成“被监测量的当前数值向量C”。4.依据“被监测量的当前(计算或实测)数值向量C”同“被监测量的初始数值向量C_o”、“单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC”、“单位损伤标量D_u”和“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(见式(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。

minimize   γ      (13)

γ∈R，d∈Ω

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 (1)

1.一种基于混合监测的索结构中索系统的承载能力的监测方法，其特征在于该方法包括：

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.确定指定的将被监测索力的索，给这些索编号；确定指定的将被监测应变的结构上的点，给这些点编号，确定被监测应变的点的将被监测的应变方向，并编号；确定指定的将被监测角度坐标的点，将会监测过这些指定点的一些指定直线的角度坐标的变化，给所有指定点编号，确定过这些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，给所有被测量的角度坐标分量编号；确定指定的将被监测空间坐标的点，将会监测这些指定点的空间坐标，给所有指定点编号，确定被监测点的被监测的坐标分量，并编号；上述编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵，上述所有的被监测量的个数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的被监测量，组成被监测量的初始数值向量C_o；

d.在索结构无损伤条件或可认为无损伤条件下，实测得到索结构的所有索的初始索力数据，实测得到索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被监测量数值变化矩阵ΔC；

g.实测得到索结构的所有指定被监测量的当前实测数值，组成被监测量的当前数值向量C；给本步及本步之前出现的所有向量的元素编号时，应使用同一编号规则，这样可以保证本步及本步之前出现的各向量的、编号相同的元素，表示同一被监测量的、对应于该元素所属向量所定义的相关信息；

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.依据被监测量的当前数值向量C同被监测量的初始数值向量C_o、单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC、单位损伤标量D_u和当前损伤向量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.当前损伤向量d的元素数值代表对应索的损伤程度，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，获得单位损伤被监测量数值变化矩阵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被监测量的当前数值，每一次计算得到的所有被监测量的当前数值组成一个“被监测量的计算当前数值向量”；在本步骤中给各向量的元素编号时，应同第g步及其以前步骤所定义的各向量使用同一编号规则，这样可以保证本步骤中各向量中的任意一个元素，同第g步及其以前步骤所定义的各向量中的、编号相同的元素，表达的是同一被监测量的、对应于该元素所属向量所定义的相关信息；

f2.每一次计算得到的那个“被监测量的计算当前数值向量”减去“被监测量的初始数值向量”得到一个“被监测量的数值变化向量”；有N根索就有N个“被监测量的数值变化向量”；

f3.由这N个“被监测量的数值变化向量”依次组成有N列的“单位损伤被监测量数值变化矩阵”；或者说“单位损伤被监测量数值变化矩阵”的每一列对应于一个“被监测量的数值变化向量”；“单位损伤被监测量数值变化矩阵”的列的编号规则与当前损伤向量d的元素编号规则相同。