CN101793590B - 基于黑板协作的结构冲击损伤诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种基于黑板协作的结构冲击损伤诊断方法，包括如下步骤压电传感测量主体监测冲击损伤引起的声发射信号，并将声发射信号实时发布到黑板当中；三角定位法评估主体和有限元法评估主体分别获取声发射信号，通过黑板相互参考，并行协作工作，从而快速给出精确定位结果；用户主体接受融合各个损伤评估主体的定位结果。本发明运行速度快、可靠灵活。

Description

基于黑板协作的结构冲击损伤诊断方法

技术领域

本发明基于黑板协作的结构冲击损伤诊断方法，属工程结构健康监测方法。

背景技术

先进复合材料以其比强度高、比刚度大、材料性能可设计等一系列优点，在航空航天等领域得到了日益广泛的应用。但复合材料结构在制造和使用过程中，不可避免地会受到损伤，尤其是低能量物体冲击造成的目不可检损伤，能导致结构强度及稳定性的急剧下降。因此很有必要对复合材料结构进行全寿命的健康监测以确保结构的稳定性和安全性。通常的办法有超声、X射线、γ射线、光干涉、电涡流射线、及电位测量等。但这类检测技术在应用上有一些缺点：一是难以检测一些不可见、不开敞的部件和比较复杂的大型结构的损伤；二是这些检测方法一般设备复杂，而且需要对损伤的位置有初步的了解，使用不方便，局限性大，不易做到服役环境下的实时在线监测，不适合未来大型航空、航天飞行器结构的健康监测与诊断。就复合材料结构而言，冲击力和冲击能量大小与冲击损伤模式和程度具有非常重要的关联，因此及时准确识别出作用其上的冲击载荷，对确定结构损伤程度，估算结构剩余强度具有重要意义。对于在服役过程中的飞行器，重要的是如何来实时监测冲击试件以保护飞行器的安全运行。而利用基于压电智能结构的健康监测技术可以实现低速冲击的实时、在线监测，评估结构的损伤程度，从而保证结构的稳定性和安全性以及降低结构的维护成本。

尽管已有各种冲击载荷识别方法，但是目前还没有形成一种能够高精度、实时在线识别冲击载荷的方法。许多方法通常直接将时域内许多离散点的冲击载荷时间历程本身当作未知参数进行求解。由于要求解的未知参数过多，计算任务重，很难满足在线监测的实时性要求。在实际的系统中，由于测量时的噪声和理论估计的误差，所识别出的冲击载荷时间历程有较大的震荡，因此常需要用一些技术使计算过程稳定。对于冲击位置的识别，原理上可利用声发射技术，进行冲击定位，但由于复合材料结构的各向异性和应力波的反射、折射及散射，很难准确确定波速及波达时间，因此单纯采用声发射技术很难对冲击源进行精确定位。而通过建立优化模型，把载荷反演问题转化为优化求逆问题的方法，由于未知参数数目巨大导致计算任务繁重，定位的实时性也很难得到保证。

目前结构健康监测的研究主要集中在实验室针对小试件进行，研究内容集中在先进的建模方法和信息处理方法上。对于航空航天飞行器、桥梁、大坝等实际工程结构，由于结构复杂，单一功能的监测系统鲁棒性差，很难准确实时完成整个结构的评估。如何协调利用各种并行分布的损伤评估方法对各种复杂结构进行快速准确可靠有效的评估是当前一个亟待解决的问题。多智能主体(Multi-Agent)技术的出现为解决该问题提供了新的思路。多智能主体协作技术近年来被认为是实现分布式系统的一项关键技术。所谓智能主体(Agent)是指能作用于自身和环境，并可与其他智能体通信的，具体计算能力的一个软件或硬件的实体。智能主体协作技术的重要性不仅在于该技术可使分布式系统的所有资源得以高效、充分地加以应用，而且在于该技术提供了一个管理和组织平台以构建大型、复杂、鲁棒的分布式信息处理系统。在智能协作系统中，不同的信息子系统或信息源被转换成不同的智能主体，虽然每个智能主体所获得的信息是不完整的、不精确的或信息处理能力有限，但每个主体由于具有关于系统整体组织结构的知识或关于其他主体的资源、技能、组织职能、目标等知识，因而，智能主体具有自主性和社会性，能够互相作用，高效、透明地使用系统所有资源，相互协同并解决由单一主体无法解决的困难问题。

发明内容

本发明所研究的基于黑板协作的复合材料冲击载荷损伤诊断方法主要实现功能：监测复合材料结构中由于冲击引起的声发射信号，利用两种损伤评估方法进行并行评估，通过相互融合协调，精确快速监测冲击载荷位置。冲击载荷是实际结构中一种常见损伤，在复合材料遭受冲击后，易造成内部分层、基体开裂等损伤。

本发明基于黑板协作的结构冲击损伤诊断方法，包括如下步骤：

(1)压电传感测量主体监测冲击损伤引起的声发射信号，并将声发射信号实时发布到黑板当中；

(2)三角定位法评估主体和有限元法评估主体分别获取声发射信号，通过黑板相互参考，并行协作工作，最终融合给出定位结果；三角定位法评估主体评估速度快于有限元法评估主体，有限元法评估主体在遍历整个平面结构的有限元网格搜索空间的同时，通过监督管理主体实时获取三角定位法评估主体在黑板中的定位结果，从而以三角定位法评估主体结果的邻域作为搜索空间，搜索最优解，获取精确冲击位置，并将结果放入到黑板中供三角定位法主体参考修正，最后融合两种方法的结果，并上传显示定位结果；

(3)用户主体融合接受各个损伤评估主体的定位结果。

步骤(2)中，三角定位法评估主体通过对声发射信号提取损伤在压电阵列中任意三个传感器主体中的波达时间，利用传感器之间的波达时间差和损伤与传感器主体的几何位置，求取对应冲击位置，然后取均值获得粗略定位结果，通过黑板参考查询有限元法评估主体的定位信息从而修正自身的冲击定位结果。

步骤(2)中，有限元法评估主体通过将结构平面进行有限元网格划分，建立一个关于冲击时间历程的传感器应变响应理论与实验应变响应的优化模型，通过结构振动模型有限元计算和模态叠加，求出冲击时间历程，并且遍历整个结构的有限元网格空间的各个节点搜索冲击位置，通过黑板协作，它可以实时获取三角定位法评估主体的结果，以其邻域为搜索空间，获取定位结果。

本系统与现有技术相比，运行速度快、可靠灵活，能实际应用于工程结构中冲击载荷的监测及定位，确保工程结构的运行安全，防止事故的发生。

附图说明

图1是基于多主体黑板协作的冲击载荷定位监测系统的组成框图。

图2是本发明用于平板结构冲击载荷定位监测系统的组成框图。

图3是多主体黑板管理协作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

图1是本发明基于多主体黑板协作技术的结构冲击监测系统的组成框图。黑板是系统的全局工作区，用于记录原始数据，中间结果和最终结论；智能主体保存领域知识，即具有对声发射信号进行冲击定位的知识，同时，具有通信接口，通过黑板和其他主体进行通信协作；监督管理主体实时感知黑板的变化来通知智能主体去完成各自的任务，从而协调整个系统共同完成冲击载荷的损伤定位。

在本发明中，采用多主体黑板协作技术融合协作不同冲击载荷评估方法对结构损伤进行快速准确的定位。同以往的冲击健康监测系统不同，该系统中传感器测量系统、损伤评估方法、用户接口和监督管理模块通过增加通信和协作模块构成智能主体，利用黑板方法通信协作，并行将各自的求解结果实时发送到黑板中，供其他主体参考，发挥各个主体的优势，有限元法主体根据三角定位法快速给出的结果，缩小自己搜索的局部解空间，从而极大提高精确搜索最优解的效率，同时将结果发布到黑板中，供三角定位法主体参考修正，最后融合两种方法的结果，给出系统的有效评估。本方法共涉及4层结构：传感测量层、损伤评估层、用户接口层和监督管理层；4类主体：压电传感测量主体、三角定位法评估主体、有限元法评估主体、用户主体和监督管理主体。在损伤诊断层主体中，每一种损伤评估主体都有其各自的优点和不足。对于复杂的损伤状况，利用一种损伤评估主体往往难以评估。所以在主体之间引入黑板模型，这样，压电传感测量主体、两个损伤评估主体、监督管理主体通过黑板结构协作有效完成损伤判定工作。黑板是个共享的问题求解空间，每个损伤评估主体可在其中存放中间结果。每个评估主体监测黑板的状态，寻求求解问题的机会。一旦发现黑板上的信息足以支持他进一步求解问题时，把求解结果记录到黑板上。新增加的信息有可能使其他评估主体继续求解。重复这一过程直到问题彻底解决。利用黑板结构可以完成当地有些损伤状况比较复杂的评估工作，使最后的评估结果更加鲁棒、快速、有效和准确。其中传感测量主体负责监测冲击损伤引起的声发射信号，并将其实时发布到黑板当中，冲击损伤评估主体包括两种损伤评估方法，即三角定位法评估主体和有限元法评估主体，前者通过对声发射信号提取损伤在压电阵列中任意三个传感器主体中的波达时间，利用传感器之间的波达时间差和损伤与传感器主体的几何位置，求取对应冲击位置，然后取均值获得最终结果，该方法简单快速，但是由于波达时间提取精度较差获得的定位结果不精确；后者，通过将结构进行有限元网格划分，建立一个关于冲击时间历程的传感器理论应变响应与实验应变响应的优化模型，通过结构振动模型有限元计算和模态叠加，求出冲击时间历程，并且遍历整个结构的各个节点，使得上述优化模型最小，从而获得冲击的精度位置，该方法计算耗时，但是精度高。两个损伤评估主体获取声发射信号，并行工作，分别给出定位结果，三角定位法评估主体速度快，快速获取冲击粗略位置，有限元法评估主体运行速度慢，在遍历整个结构解空间的同时，通过监督管理主体实时获取三角定位法在黑板中的变化结果，当发现三角测量结果足以支撑自己进一步求解时，它将该结果作为搜索空间的领域中心，缩小了搜索空间，极大减小计算量，同时提高定位精度，并发布到黑板中，供三角定位主体参考。用户主体接受融合各个损伤评估主体的结果，整个过程的有序工作依赖于监督管理主体。

整个黑板被划分为三个信息层，每个信息层对应着问题的一个中间表示层次。这三个信息层分别是：

(1)声发射信号：声发射是从材料的冲击、结构断裂等损伤源快速释放能量而产生的弹性应力波，致使板结构应变变化，从而通过压电传感器的压电效应转换为电荷量，经过电荷放大器和数据采集卡，最终得到电压信号。用于提取冲击损伤的特征参数，比如，表征损伤的应力波的波达时间。

(2)三角定位法冲击位置：针对平板结构上的压电传感器阵列，从中选择任意三个并利用损伤应力波波达时间之差、波速和损伤源与传感器距离，以及几何关系获得对应冲击位置，然后估计以上冲击位置的均值，从而实现冲击位置的定位。作为快速定位结果，同时也可作为有限元法定位的参考搜索区域。

(3)有限元法冲击位置：将结构进行有限元划分，假定任一节点上的冲击力历程，通过振动模型和模态叠加法计算结构的应变响应，并通过与实际测量的响应比较建立优化模型，用二次规划方法求解优化模型得到冲击载荷时间历程。然后计算任一节点上传感器位置的应变响应与实际测量应变之间的误差，从而建立优化模型，用直接搜寻法获取最终冲击位置。

黑板的每一信息层都有一组用于描述该层所记录的内容。例如，声发射信号的黑板元素层记录的是各个通道声发射信号，每个信号有5000个点，三角定位测量层记录的是辨识出的冲击位置坐标。各个信息层之间形成了一个松散的层次结构。

黑板上的主要信息载体是各个问题的解的集合。一个解是在特定的信息层上对声发射信号的一种解释。一个信息层上的每个解都被标识为该层的某个特定内容。因此，可以将多主体黑板冲击监测系统看成是在每一信息层上找出能够正确解释声发射信号的解。一旦在高层中找到了正确的解，冲击定位马上结束。每个信息层上所有可能解的集合，就是多主体黑板冲击监测在该层进行问题求解活动的解空间，并且在本发明中，上层问题的求解活动总是依赖下层的问题求解。

黑板上的所有解都用统一的属性-值结构表示。属性-值结构中，有该解所属的信息层、标识该解内容的元素名、该解与其他解之间的结构关系、该解的状态和解的时间等等。

2.智能主体

智能主体采用反应式体系结构。主体对环境事件的响应是通过一组简单的规则来实现，从而使得主体无需通过复杂的推理和证明就可对环境事件作出简单和快速的反应。智能主体不是简单的知识源，它具有一定的自主性，它可以通过查询黑板中自己感兴趣的信息状态，决定要不要读写信息。

每个智能主体用于完成某些特定的工作，如监测声发射信号、对冲击损伤进行定位等等。每个主体通过黑板进行通信和相互调用，发生联系。一个智能主体可以通过建立或删除解、修改现有的解、填充或修改某一解的属性值等方式向黑板上添加信息的。

系统中有4类主体共5个主体。每个智能主体涉及黑板的一个或几个信息层：

(1)压电传感测量主体：由压电陶瓷传感器和对应电荷放大器、采集通道以及采集和通信程序实现，用来监测施加到复合材料平台的冲击引起的声发射信号。在系统中有1个压电监测主体。

(2)冲击载荷损伤评估主体：包括三角定位法评估主体和有限元法评估主体。

三角定位法评估主体是通过将若干压电传感器阵列中的任意三个传感器构成的三角形来监测冲击位置，首先，利用冲击产生的应力波信号，通过频谱分析确定损伤信号中心频率，从而利用小波分析提取波达时间，进而可以得到波达时间、冲击点距传感器距离和三个方向上波速之间的关系式。然后，利用冲击点与传感器的几何关系式，确定冲击的三点定位结果。所以，对于板上布置的四个传感器，任意三个传感器有四个组合，所以同一冲击点可以得到四个可能的判别位置，求出横纵坐标的均值作为实际的冲击位置。该方法实时性高，但定位精度差。

而有限元法评估主体则是将冲击平板结构划分为有限元网格，假定任一节点的冲击力历程拟和表达，通过有限元计算，由板结构多自由度振动方程和模态叠加法获得结构位移，从而得到各个传感器上的应变量，与实验测得的应变值进行比较，通过二次优化可以获得实际的冲击力历程和误差值，然后通过遍历有限元节点，获得最小误差值，所对应的节点即为冲击位置。该方法实时性差，但定位精度高。

它们都由软件实现，系统中各有1个。

(3)用户主体：由计算机系统软件实现，负责对各种评估结果进行加权数据融合，同时实时显示评估结果。系统中有1个用户主体。

(4)监督管理主体：一旦黑板状态有变化(如生成一个新的解或修改一个已有的解)，监督主体就根据变化的类型和自身的知识采用目标满足原则优先选择通知最合适的主体，让它处理信息完成任务。在本发明中，监督管理主体，采用自底向上的策略，从较低层次到上层进行求解处理。当监督主体发现黑板类型变化，它就会通知相应感兴趣的主体，看它们是否空闲来处理该任务。

在本发明中，各个主体之间利用黑板方法进行通信协作。冲击载荷监测主体获取信号后，将信息发送到黑板中声发射信号层中，供各个损伤评估主体参考，三角定位法评估主体针对声发射信号进行损伤应力波的波达时间的提取，快速给出冲击定位均值结果并发布到黑板中，而有限元法评估主体在定位的同时，当得知三角定位法评估主体的状态有新解时，则以该解为中心建立搜索邻域，并将邻域划分为密集的有限元节点，不断搜寻最优解，如果没有最优解，它会遍历整个结构，继续搜索，当获取最优解时，将其发布到黑板中供三角定位法主体参考修正。两个损伤主体分布并行协作工作，相互参考，极大提高工作效率，同时提高冲击载荷系统的精度和准确性。上述工作黑板状态变化感知和主体协作过程则是通过监督管理主体完成。

整个系统正是通过多主体黑板协作实现冲击结构载荷快速准确定位的。

图2是本发明的一个具体实施例的组成框图，本实施例的复合材料结构平板，采用环氧复合材料平板，800×800mm，有效尺寸为750×750×2mm。铺层顺序为[0₂/90₄/0₂]_2S，各层厚度为0.125mm，材料密度为1.5×10³kg/m³，力学性能为E1＝126GPa，E2＝8.0GPa，μ12＝0.33，G12＝3.1GPa。试件形状、传感器位置及坐标系原点的示意图如图2所示。传感元件为PZT-5型压电片，压电片直径为8mm，厚度为0.4mm。电荷放大器为实验室自主研制的基于PXI总线的四通道程控增益电荷放大器。声发射触发器基于PXI总线使用具有独立四通道电压比较器的LM339芯片和四通道或门的CD4072芯片。数据采集采用NI公司的PXI-1031四通道数据采集卡。1～4号压电元件的坐标分别为(150，400)，(400，100)，(650，400)，(400，700)，单位为mm。四个压电元件通过电荷放大器、触发电路和采集硬件，连同采集和通信程序，构成了四个冲击载荷传感测量主体。压电传感测量主体的输出直接传送到计算机中所开辟的划分为若干层次的黑板公共区域，供损伤评估主体使用。冲击载荷评估主体，采用基于声发射的三点定位评估主体和基于平板结构振动模型有限元计算和模态叠加的有限元法评估主体实现，两个主体也都采用软件实现。整个系统的定位结果通过用户主体在系统主计算机监视器上显示，它主要显示冲击监测结果。基于多主体的黑板管理协调流程图如图3所示。

冲击载荷定位工作原理如下：对冲击载荷定位的监测是基于两种损伤评估，它们分别利用声发射信号的波达时间和冲击损伤引起的应变响应，通过两个解的黑板共享区域，相互协作参考，快速给出冲击估计值的同时，提高了有限元法计算精确解的效率，从而实时准确给出损伤评估结果。

Claims (3)

1.一种基于黑板协作的结构冲击损伤诊断方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)压电传感测量主体监测冲击损伤引起的声发射信号，并将声发射信号实时发布到黑板当中；

(2)三角定位法评估主体和有限元法评估主体分别获取声发射信号，通过黑板相互参考，并行协作工作，最终融合给出定位结果；三角定位法评估主体评估速度快于有限元法评估主体，有限元法评估主体在遍历整个平面结构的有限元网格搜索空间的同时，通过监督管理主体实时获取三角定位法评估主体在黑板中的定位结果，从而以三角定位法评估主体结果的邻域作为搜索空间，搜索最优解，获取精确冲击位置，并将结果放入到黑板中供三角定位法评估主体参考修正，最后融合两种方法的结果，并上传显示定位结果；

(3)用户主体接受融合各个损伤评估主体的定位结果。

2.根据权利要求1所述的基于黑板协作的结构冲击损伤诊断方法，其特征在于步骤(2)中，三角定位法评估主体通过对声发射信号提取损伤在压电阵列中任意三个传感器主体中的波达时间，利用传感器主体之间的波达时间差和损伤与传感器主体的几何位置，求取对应冲击位置，然后取均值获得粗略定位结果，通过黑板参考查询有限元法评估主体的定位信息从而修正自身的冲击定位结果。

3.根据权利要求2所述的基于黑板协作的结构冲击损伤诊断方法，其特征在于步骤(2)中，有限元法评估主体通过将结构平面进行有限元网格划分，建立一个关于冲击时间历程的传感器应变响应理论与实验应变响应的优化模型，通过结构振动模型有限元计算和模态叠加，求出冲击时间历程，并且遍历整个结构的有限元网格空间的各个节点搜索冲击位置，通过黑板协作，它可以实时获取三角定位法评估主体的结果，以其邻域为搜索空间，获取定位结果。

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