CN101714190B - 一种桥梁结构状态角色诊断系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桥梁结构状态角色诊断系统，其特征在于：在现有桥梁结构状态监测系统的安全评价环节中的数据储存单元和软件评价单元之间，插入角色诊断系统；现有桥梁结构状态监测系统的信息获取环节获取的数据经数据储存单元处理后得到待分析数据，将待分析数据输入角色诊断系统，由角色诊断系统将待分析数据中的结构信息、干扰信息和角色失效信息三种信息区别开来，对干扰信息和/或角色失效信息的来源进行角色定位并进行角色维护，只将结构信息送入软件评价单元。本发明的有益技术效果是：从系统高度提出了一种解决桥梁结构状态信息原始数据失真与变异问题的新方法。

Description

一种桥梁结构状态角色诊断系统

技术领域

本发明涉及一种桥梁结构状态监测、故障诊断与预警技术，尤其涉及一种桥梁结构状态角色诊断系统。

背景技术

桥梁结构监测、故障诊断与预警技术，是利用信息技术的手段、监测桥梁结构的各种状态信息，并进行结构分析与故障诊断。但由于桥梁是结构工程界公认最为复杂的一类工程结构，而桥梁结构监测、故障诊断及预警技术又具有高度学科交叉的特点，这决定了这项起步不久的新兴技术必然存在大量需要深入研究的科学问题，原始数据失真与变异即是其中一个极为重要、但又处于学科交叉薄弱点上、直接影响故障诊断结果的关键核心问题。

在桥梁结构监测、故障诊断及预警系统中，由各类传感器以及仪器设备组成的信息获取环节是获取结构原始状态信息的关键环节，它一般只有几年的使用寿命，这与设计服役年限为数十、上百年的桥梁之间存在巨大的时间差；而桥梁在恶劣的野外环境下(频繁振动、交变受力，高尘、高湿、高低温变化、高腐蚀性环境，等)，信息获取环节的性能衰退还会大大加剧，这使得监测仪器设备出现故障或失效而引发的原始数据失真与变异、并诱发错误的故障诊断结果、产生误漏报警的问题。

在桥梁结构监测与故障诊断系统中，引发原始数据失真与变异的原因众多、产生的变异现象各异。传感器及其仪器设备的基准“漂移”会造成原始数据按一定规律与方向的失真与变异；硬件仪器设备从量变到质变的性能衰退过程，会产生一系列无规律、且逐渐加剧的原始数据失真与变异；桥梁结构现场的各种环境干扰(如电磁干扰、人为操作失误、停电、电源意外的剧烈波动或电力冲击等粗大误差)，也往往产生一系列陡然突变或无规律的原始数据失真与变异；部分传感器或仪器设备修理、更换之后，亦会产生初始参数变异，……。所有上述原始数据的失真与变异，不是与桥梁结构的性能衰退与老化相似，就是与地震、强风、等环境灾变造成的桥梁故障类似，或者与桥梁的超限超载、意外撞击、人为破坏的非自然损伤相近，因此如果不把这此原始数据失真与变异同桥梁结构的损伤信息故障分离识别开来，轻者会影响桥梁结构故障诊断的准确性、重者会被误判为桥梁结构陡然突变的事故先兆，给桥梁故障诊断结果造成混乱，产生严重后果。

由于目前从事桥梁结构监测与故障诊断技术研究的主力基本上都是结构工程领域的学者，因此他们主要从力学的角度出发开展桥梁结构的损伤识别与故障诊断方法的研究，因而对系统的原始数据失真与变异问题普遍缺乏足够的认识；而少数涉足桥梁结构监测、故障诊断及预警技术研究的信息学科的学者，则一般都是单纯从传感器与测量技术的角度出发研究及其可靠性问题，基本没有从状态监测与故障诊断系统的整体出发去探讨数据的失真与变异问题；因此桥梁结构监测与故障诊断系统的原始数据失真与变异这样一个重大共性关键科学技术问题，还处于原始的起步阶段。

大幅度提高传感器系统自身的可靠性及寿命、增加系统的硬软件冗余度、对原始信号进行滤波等预处理，是目前的通行解决方法。提高传感器系统的可靠性、环境适应性、使用寿命，是解决原始数据失真与变异的根本途径，也是信息科学领域工作者义不容辞的责任，但因它不仅涉及众多不同种类的传感器、仪器设备，还涉及系统的现场安装工艺技术，因而这将是一个十分漫长的过程。增加系统的硬软件冗余度是最常规的一种方法，但它会大幅度增加系统的复杂性以及成本，因此难以被桥梁界接受。而采用滤波等常规信号处理方法，对原始信号进行预处理虽然是一个相对有效的低成本的方法，但因为专业背景的限制，结构工程领域的技术人员只是从力学与结构角度出发考虑问题、而信息学科的技术人员则只是从传感器与仪器系统的角度出发考虑问题，根本不能解决这样一个跨学科的大问题。更为严重的是，桥梁结构监测与故障诊断技术的研究人员界普遍还没有认识到这个问题的严重性；特别是以结构工程为主力的绝大多数研究人员想当然地认为，系统获取的全部是真实、有效、无失真的原始数据，所有数据的变异全部是由桥梁结构引起的。这种认识导致桥梁结构的损伤识别与故障诊断技术在实际应用时陷入了一个“数据灾难”的困境，如投资数千万港币、建于90年代中期的香港某大桥状态监测系统，虽然采用了当时全球最为先进的硬件系统，但仍然存在各种硬件引起的原始数据大幅波动、相当比例的异常波动程度都超过了结构损伤的数据变化，使得绝大多数损伤识别与故障诊断的算法与软件都频频误报警、产生出“数据灾难”的新问题，该大桥不得不每年花巨资吸引全球结构工程领域的人才、进行结构辨识与处理算法研究，但由于始终没有考虑数据失真与变异问题的影响，故十余年的努力没有取得实质性突破，即使在近期对该桥的硬件系统进行了大幅度更新换代后，这个“数据灾难”问题依然在困扰该桥及全球的相关研究人员。

由于桥梁结构监测与故障诊断系统的数据失真与变异，完全是与桥梁结构自身故障产生的异常信息是混杂在一起，它所涉及的技术基础跨越了不同专业领域，因此单纯依赖某一专业的人员、单从某一个方面入手、单用某一种处理方法，都是难以达到目的的。

发明内容

本发明提出了一种桥梁结构状态角色诊断系统，在现有桥梁结构状态监测系统的安全评价环节中的数据储存单元和软件评价单元之间插入角色诊断系统，现有桥梁结构状态监测系统的信息获取环节获取的数据经数据储存单元处理后得到待分析数据，将待分析数据输入角色诊断系统，由角色诊断系统将待分析数据中的结构信息、干扰信息和角色失效信息三种信息区别开来，对干扰信息和/或角色失效信息的来源进行角色定位并进行角色维护，只将结构信息送入软件评价单元。

角色诊断系统由数据诊断、角色识别和角色维护决策三个模块组成；1)数据诊断模块对传来的待分析数据进行识别、分析，将结构信息、干扰信息和角色失效信息区别开来；2)角色识别模块根据数据结构定位出产生干扰或引起失效的角色及其位置；3)定位到产生干扰或引起失效的角色及其位置后，角色维护决策模块对定位到的角色进行角色维护和角色重构。

角色维护和角色重构包括：定位到产生干扰或引起失效的角色及其位置后，对相应角色的软硬件进行维修、更换；从发现角色失效起，到维修、更换结束为止的时间段内，被维修、更换的角色应当发送而未发送的数据，对这部分数据进行恢复、重构。

角色诊断系统按如下方法建立数据结构：

角色诊断系统数据输入端之前的信息获取环节和数据储存单元按软/硬件分为硬件部分和软件部分两种，其中，硬件部分包括；各种桥梁结构状态传感器，与各个传感器对应的数据预处理、传输设备，数据汇流、中转、储存设备；软件部分包括：对各种传感器数据进行预处理的各个软件模块，对数据传输、汇流、中转、储存进行控制的各个软件模块；前述的硬件部分和软件部分中，最底层的软/硬件单元即构成一个角色；各个角色按其关联性划分为多个簇，具有强关联性的角色归于同一簇，簇与簇之间的角色之间无关联性或具有弱关联性；

得到的数据结构由角色、父节点和角色诊断中心组成：同簇中的各个角色都连接到同一父节点，簇和父节点一一对应，各个父节点都连接到角色诊断中心。

本发明的有益技术效果是：从系统高度提出了一种解决桥梁结构状态信息原始数据失真与变异问题的新方法。

附图说明

图1、现有桥梁结构状态监测系统结构图；

图2、本发明的桥梁结构状态角色诊断系统结构图；

图3、角色诊断系统组成；

图4、本发明的数据结构；

图5、桥梁结构状态监测系统的信息传输模型；

图6、信息采集单元的差错控制机制；

具体实施方式

对于背景技术中述及的问题，现有技术不管是在研究的难度还是在研究的深度，都难以令人满意，必须跳出目前的研究思路、另辟蹊径，从系统的高度出发，寻求从根本上解决问题的新途径。而将原始信息失真的研究从信息获取和安全评价这两个环节剥离出来形成一个新的信息智能诊断环节，并集中信息与结构两个领域的人员与知识，在学科交叉点上提炼关键共性问题、并注入信息技术领域最新的研究成果，将为解决前述问题开创一个有效的新途径，并将使桥梁结构监测与故障诊断技术产生跳跃性发展。

参见图1，在典型桥梁结构状态监测系统中，系统可以分为信息获取和安全评价两个环节，每一个环节都还可以进一步细分为不同的单元。其中，信息获取环节包括信息采集和信息传输两个单元，信息采集单元主要是传感器系统硬件设备部分，包括挠度、应变、温度等，其主要功能是负责采集桥梁的结构状态信息；而信息传输单元主要是指数据通信设备、通信协议等，主要功能是将采集得到的数据传输到远程监控中心分析、处理。安全评价环节可以分为数据储存和软件评价两个单元，数据储存单元主要是计算机和相关数据存储设备等，主要功能是将传输来的信息按照格式要求存储起来，提供给评价软件对桥梁结构状态进行评价和进行数据查询；而软件评价主要是基于各种各样的结构评价方法形成的软件系统。

参见图2，本发明的创新在于：在现有桥梁结构状态监测系统的安全评价环节中的数据储存单元和软件评价单元之间插入角色诊断系统，现有桥梁结构状态监测系统的信息获取环节获取的数据经数据储存单元处理后得到待分析数据，将待分析数据输入角色诊断系统，由角色诊断系统将待分析数据中的结构信息、干扰信息和角色失效信息三种信息区别开来(结构信息中由被监测对象损伤引起的数据变化也叫“失常”数据，由传感器、数据传输设备引起的数据变化可笼称为“失效”数据)，对干扰信息和/或角色失效信息的来源进行角色定位并进行角色维护，只将结构信息送入软件评价单元。

(一)角色诊断系统构成

本发明的角色诊断系统，参见图3，它由数据诊断、角色识别和角色维护决策三个模块组成；1)数据诊断模块对传来的待分析数据进行识别、分析，将结构信息、干扰信息和角色失效信息区别开来；2)角色识别模块根据数据结构定位出产生干扰或引起失效的角色及其位置；3)定位到产生干扰或引起失效的角色及其位置后，角色维护决策模块对定位到的角色进行角色维护和角色重构。

角色诊断思想主要来源于计算机软件工程领域的角色设计与分析技术，借用了相关的概念和定义。发明人在本发明的角色诊断系统中对于角色的概念和内涵进行了更宽层次上的推广，将角色定义为桥梁结构状态角色诊断系统中，角色诊断系统数据输入端之前的每一个硬件、软件实体，它可以是一个子系统或子环节，也可以是一个传感器，一个软件模块，直至系统中的最小单位，针对本发明，角色的具体定义如下：

角色诊断系统数据输入端之前的信息获取环节和数据储存单元按软/硬件分为硬件部分和软件部分两种，其中，硬件部分包括：各种桥梁结构状态传感器，与各个传感器对应的数据预处理、传输设备，数据汇流、中转、储存设备；软件部分包括：对各种传感器数据进行预处理的各个软件模块，对数据传输、汇流、中转、储存进行控制的各个软件模块；前述的硬件部分和软件部分中，最底层的软/硬件单元即构成一个角色；

这些角色分布在系统中的不同位置，每一个角色都可能引起系统数据的失真与变异，这些角色数量多、类型广，必须对这些角色进行划分，才能对失效角色进行定位。各个角色按其关联性划分为多个簇，具有强关联性的角色归于同一簇，簇与簇之间的角色之间无关联性或具有弱关联性；

由于桥梁结构健康监测系统是一个复杂的系统，其参数之间的关联性也是复杂多样的。桥梁的关联性不仅表现在内部子系统之间的相关性，以及子系统与整体之间的相关性，而且还表现在桥梁系统与外界环境的相互作用，即桥梁系统在接受外界环境信息的同时输出相应的响应信息，具体来说，桥梁是一个复杂的结构系统，当受到外部作用的时候，桥梁结构参数之间都会有不同的反应，只是参数之间表征不一样，其中，挠度反应在竖向位移的变化，应变表征在应力大小的变化，索力加速度表征在频率的变化；即使对于同一结构参数，测量点布置的位置不一样，反应的程度也不同；但是，所有类型的测量点都对于外部作用这种反应表现在桥梁结构测量点之间的关联关系上，可以从结构数据出发，按照两种数据变化的方向分，有正相关、负相关和无相关：1、正相关：一种变量增加或减少，另一种变量也在增加或减少，两种变量变动的方向相同，谓之正相关。2、负相关：一种变量增加或减少，另一种变量也在减少或增加，两种变量变动的方向相反，谓之负相关。3、无相关：在两种变量之间，一种变量变动时，另一种变量毫无变动，即使变动也无一定的规律，如人的相貌与人的思想品德，人的身体高矮与学习成绩的好坏等是无什么关系的，这两种变量的关系谓之无相关或零相关。

关联性的表现形式一般有如下5种：

1)环境关联性

结构参数都是不同测量点或不同监测量而已，但是，它们都是处于同样的环境条件下，当然，不同位置上的结构参数受到环境影响有所不同。如，朝阳面结构参数比朝阴面的受温度影响作用大一些；桥梁结构外的比结构内部的结构参数受到的的温度、风、雨水作用大些。

2)结构关联性

桥梁是由不同的结构体构成，位于不同的结构体上的结构参数之间的关联性也有不同。如桥梁主梁、斜拉桥的塔、桥礅等结构体，在同一结构体上的结构参数相比其他结构体上的结构参数有更好的关联性。

3)位置关联性

桥梁的尺寸较大，按照结构力学分析有很多测试位置，同样的测试位置上布置了若干个测量点，这些测量点呈现出位置上的关联性。一般而言，位置上邻近的测量点之间的有较强的关联性。

4)时间关联性

桥梁结构健康监测系统中，结构数据在同一时间点都要采集数据，这些数据表现出来在时间上的关联性，即在某一时刻受到同一外部作用的时候，某些结构数据表现出在这一时刻的关联性，但是，这种关联性不会一直保持不变，在以后的某一时刻，这种关联性会发生变化。

5)类别关联性

桥梁结构健康监测系统中有不同类别的测试参数，如挠度、应变、温度等，不同类别的的测试参数存在关联性，如前面分析的温度和挠度、应变之间，而同一类别的测试参数同样也会存在很强的关联性，如不同挠度测量点之间、应变测量点之间等。

在划分角色时，上述5种关联性可择一采用，由此得到的数据结构由角色、父节点和角色诊断中心组成：参见图4，同簇中的各个角色都连接到同一父节点，簇和父节点一一对应，各个父节点都连接到角色诊断中心；根据这种树状的数据结构，系统可以很快的将产生干扰或引起失效的角色定位出来，这就使得为相关“失效”角色制定解决方案提供了可能性。

(二)角色诊断系统的运行

前文中叙述了，数据诊断、角色识别和角色维护决策三个模块分步对数据进行识别、定位、制定解决方案，下面详细叙述各个模块是如何工作的。

(1)数据诊断模块

参见图5，现有桥梁结构状态监测系统的每一个数据都要经历如图所示的数据处理流程，即“采集-传输-储存-评价”，采用本发明方案后，这种处理流程就变为“采集-传输-储存-角色诊断-评价”。

从图5可以看出，每一个环节都可能由于外部噪声产生数据失真，则可以将数据信息表示为：

F＝F+ε

F``＝F`+ε`

F```＝F``+ε``

其中，F为信息获取环节信息采集单元(传感器)采样得到的理想信号，F`为信息获取环节信息采集单元采样得到的实际数据信号，ε为信息获取环节信息采集单元的噪声信号；F``为信息获取环节信息传输单元的输出信号，ε`为信息获取环节信息传输单元的噪声信号；F```为安全评价环节中数据储存单元的输出信号，ε``为安全评价环节中数据储存单元的噪声信号；评价结果R与信号F```之间为函数关系，描述为：

R＝Φ(F```)

可见，评价结果R的输出直接与信号F```关联，如果信号F```是失真信号，即：

|F```-F|＞δ

其中，δ为设定的阈值；

也就是说当F```与原始采样信号F差异过大的时候，可以认为是失真数据，即：

lim|F```-F|＝0

此外，还可能存在的情况是：如果信息获取环节采样的原始信号在采样过程中，由于传感器故障等因素，F本身也是失真数据。

建立角色诊断系统的目的就是为了保证提供给诊断与评价子系统的数据的正确性和完整性，信息从传感器采样开始到最终进入安全评价过程中，每一环节都可能导致信息出现失真，信息的可靠性如何保证，必须要以量化的指标给出，所以需要建立一个信息的失效度和有效度模型来量化各个角色的工作情况。

以传感器为例，设第i个传感器在单位时间内的函数为f_i，则有

f_i＝(x_i1，x_i2，…，x_im)，m为采集的数据个数，x_im为该传感器采集到的第m个数据，其中，f_i中有n个数据经过判据分析为失真数据，则该传感器的在该单位时间内的失效度模型为γ_i，即

其中，0≤γ_i≤1，在传感器系统安装的初期，γ_i近似为0，随着系统使用时间变长，γ_i逐渐上升，

因而，与失效度模型相反的有效度模型则可以定义如下，即：

其中，0≤η_i≤1，一般在传感器系统安装的初期，η_i近似为1，随着系统使用时间变长，η_i逐渐下降。

所以，失效度γ_i和有效度模型η_i可以有效的对包括传感器在内的各种角色信息的可靠性进行判断和评估：即设定γ_i和/或η_i的阈值，如果不满足阈值要求，即可认为该角色为失效角色；

(2)角色识别模块

由于不同角色引起的失效所产生的失效特征是完全不同的，在后期系统运行中，就可以十分准确的通过失效特征来定位到失效角色及其位置。

(3)角色维护决策模块

角色识别模块根据失效特征找到失效的角色后，角色维护决策模块根据该角色的标识，识别出该角色是什么：软件或硬件、在系统中的位置；角色维护决策模块内预先写入有为不同角色制定的不同解决方案(也叫差错控制机制)，针对角色在系统中的不同位置，以及角色的不同属性，有多种解决方案，其具体方法如下：

1、信息采集单元的差错控制

这种解决方案主要用于属于信息采集单元内的角色，如传感器；当角色被判定为失效角色后，不一定是所有数据都是失真数据，为了确定是哪些数据出现了错误，这时就需要检错模型和纠错模型进行处理了，

1)检错模型

设第i个传感器在时间上的函数为f_i，则f_i＝(x_i1，x_i2，…，x_im)，x_im为该传感器采集到的第m个数据，其上限范围函数为f_i ¹，下限范围函数为f_i ²，若f_i的第k(k∈m)个数据是正常的，必须满足如下公式：

$f_{\mathrm{ik}}^2\≤f_{\mathrm{ik}}\≤f_{\mathrm{ik}}^1$

设在时间t上的监测数据序列为x_1t，x_2t，…，x_nt，增量为Δx_1t，Δx_2t，…，Δx_nt，n为序数，即为Δx_kt＝x_kt-x_(k-1)t(式中，k取大于等于2)。第i个传感器关联集为E_i，时间t上的关联数据增量为

Q_i＝{Δx_jt|Δx_jt∈(Δx_1t，Δx_2t，…，Δx_nt)∩x_j∈E_i}

F(Δx_js)＝a，Δx_js∈Q_i

其中，1≤j≤n，s为序数，a为稳定系数，F(Δx_js)＝a为一个系统的稳定方程。

检错原理为：当F(Δx_js)＝a被破坏的时候，即确认第i个传感器的时间t上的数据x_is出错。找到出错数据后，就需要采用纠错模型对这部分数据进行修复，

2)纠错模型

设第i个传感器中从第t个数据开始连续p个数据出错，即数据序列表示为x_i1，x_i2，…，x_it，x_i(t+1)，…，x_i(t+p-1)，…，x_im，其中x_it，x_i(t+1)，…，x_i(t+p-1)为连续出错数据，将对应的修正后的数据记为x`<sub>it</sub>，x`_i(t+1)，…，x`<sub>i(t+p-1)</sub>，对任意对应的修正前、后数据x<sub>is</sub>和x`_is，必须满足|x_is-x`_is|＜ε。

其中，ε为一个极小数据值，根据精度要求来确定。

2、信息传输单元的差错控制

在信息传输单元，一般都是依靠的成熟的局域网技术中的差错控制，现有流行的通信协议主要为自动重新发送来保证数据的正确性和合理性；在信息传输单元，对于外部干扰引起的数据失真进行差错控制，信息传输单元的失效角色解决方案见图6。

Claims (2)

1.一种桥梁结构状态角色诊断系统，其特征在于：在现有桥梁结构状态监测系统的安全评价环节中的数据储存单元和软件评价单元之间，插入角色诊断系统；现有桥梁结构状态监测系统的信息获取环节获取的数据经数据储存单元处理后得到待分析数据，将待分析数据输入角色诊断系统，由角色诊断系统将待分析数据中的结构信息、干扰信息和角色失效信息三种信息区别开来，对干扰信息和/或角色失效信息的来源进行角色定位并进行角色维护，只将结构信息送入软件评价单元；

角色诊断系统由数据诊断、角色识别和角色维护决策三个模块组成；1)数据诊断模块对传来的待分析数据进行识别、分析，将结构信息、干扰信息和角色失效信息区别开来；2)角色识别模块根据数据结构定位出产生干扰或引起失效的角色及其位置；3)定位到产生干扰或引起失效的角色及其位置后，角色维护决策模块对定位到的角色进行角色维护和角色重构；

角色诊断系统按如下方法建立数据结构：

角色诊断系统数据输入端之前的信息获取环节和数据储存单元按软/硬件分为硬件部分和软件部分两种，其中，硬件部分包括：各种桥梁结构状态传感器，与各个传感器对应的数据预处理、传输设备，数据汇流、中转、储存设备；软件部分包括：对各种传感器数据进行预处理的各个软件模块，对数据传输、汇流、中转、储存进行控制的各个软件模块；前述的硬件部分和软件部分中，最底层的软/硬件单元即构成一个角色；各个角色按其关联性划分为多个簇，具有强关联性的角色归于同一簇，簇与簇之间的角色之间无关联性或具有弱关联性；

得到的数据结构由角色、父节点和角色诊断中心组成：同簇中的各个角色都连接到同一父节点，簇和父节点一一对应，各个父节点都连接到角色诊断中心。

2.根据权利要求1所述的桥梁结构状态角色诊断系统，其特征在于：角色维护和角色重构包括：定位到产生干扰或引起失效的角色及其位置后，对相应角色的软硬件进行维修、更换；从发现角色失效起，到维修、更换结束为止的时间段内，对被维修、更换的角色应当发送而未发送的数据进行恢复、重构。

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