CN104197988B - 大型结构传感资源冲突和功能复用协作融合监测系统 - Google Patents

Abstract

大型结构传感资源冲突和功能复用协作融合监测系统，包括：黑板，用于记录原始数据、中间结构和评估结果；智能主体，用于保存领域知识，具有通信接口并通过黑板与其它主体进行通信协作；监督管理主体，实时获知黑板的数据变化来控制智能主体完成各自的任务，从而协调整个系统协作完成分布式传感网络的资源和功能复用，并实现对静态载荷和冲击载荷的快速准确定位。监测大型工程结构中由于静态载荷、冲击载荷引起的结构应变信号，利用应变传感器、光纤光栅传感器和压电传感器构成的分布式传感器网络，通过自组织传感器网络和评估方法的协作，提取融合不同传感器的冗余特征和相同传感器的冗余信息，以期精确快速监测损伤。

Description

大型结构传感资源冲突和功能复用协作融合监测系统

技术领域

本发明涉及工程结构健康监测领域，特别是一种大型结构传感资源冲突和功能复用协作融合监测系统。

背景技术

随着材料和设计发展，飞行器结构性能不断增强，轻质、高可靠性、高机动性、高维护性、高生存力、超音速巡航、隐身、大航程和短距起落的综合要求已成为现代军用飞机结构设计的一项必须遵循的重要准则，未来的结构将朝着多功能智能结构方向发展。结构与材料的使用主要包括寿命成本、安全性/可靠性、性能和维护四个方面。从金属到复合材料，飞行器材料结构的快速发展，在制造、品质保证、过程优化、老化飞行器维护等方面，为结构健康监测(Structural Health Monitoring,SHM)取代传统的无损监测技术，提供了机遇。对于传统金属结构，材料特性相对简单，主要存在裂纹、腐蚀、载荷和冲击载荷等损伤形式。先进复合材料虽然优势显著并在航空结构中广泛使用，但是，复合材料作为多相体材料，存在明显的各向异性特征，在形成过程中有组分材料的物理和化学变化，性能对工艺过程依赖性较大，由于在成形过程中很难准确地控制工艺参数，使其性能的分散性较大，它的初始缺陷影响和损伤在跨层次结构中的发展、蔓延、传播并最终导致材料破坏与结构失效的机制复杂，目前还不能有效地描述其复杂的损伤演化过程和断裂行为，所以复合材料结构的力学性能及损伤模式要比金属结构复杂得多，其损伤和失效的理论建模分析困难。复合材料主要的问题有，缺乏足够的数据积累以指导设计，层间脆弱，外部冲击易造成内部分层、纤维断裂等损伤，采用整体化制造时，接头部位是薄弱环节，容易产生内部损伤，内部分层、脱粘等损伤表面不可见，这些对复合材料结构的设计优化提出了更高的要求。

目前对结构健康监测的研究已经从航空航天飞行器扩展到其他关系到国民经济基础的重要领域设施，例如桥梁、大坝、高层建筑、体育场馆等土木工程结构、船舶潜艇、汽车、高速列车、工程机械、发电设备等装备、输油输气管线等等。对于土木工程，以桥梁为例，桥梁结构使用期长达几十年、上百年，在服役期间内由于环境侵蚀、材料老化和荷载的长期疲劳效应、突发事故过载效应等因素的综合作用将不可避免地导致结构系统中的损伤累积和抗力衰减，从而使结构抵抗自然灾害、甚至正常服役载荷的能力下降，极端情况下会引发灾难性事故。在过去二十多年，国内外兴建了许多不同类型的大跨度桥梁。由于近代的结构计算力学、桥梁空气动力学、桥梁施工和施工控制等方面的迅速发展，以及高强度物料的出现和成本效益的要求，因此，近代大跨度桥梁的主要特征为自重量轻(和六十年代之前的大跨度桥梁相比)、跨度较大以及流线型桥身。然而较轻和较柔的桥梁结构，会比较容易受到交通(疲劳)荷载和脉动风荷载等的影响，从而导致局部构件产生疲劳失效，若不及早诊断和修复，会导致整体桥梁倒塌。并且局部构建的疲劳失效，也是一般传统的桥梁检查难以准确地侦查和识别的。因此对重大桥梁工程建立健康监测、预警与状态评估系统，以改变长期以来对结构损伤状况和潜在危险性无法预知的现状，是一个刻不容缓的重要课题。为了了解这些大型基建结构在其设计服役期内的结构健康变化状况和推断其结构安全可靠度，系统化的结构健康监测和评估技术已开始被先进国家和地区的桥梁工程部门应用于大型桥梁的结构健康监测、安全评估及巡检养护工作上。

通过研究结构健康技术可以提高这些结构的安全性、大大降低其维护费用、延长其使用寿命，结构健康技术有着现实的应用需求和广阔的应用前景。但是，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。研究中所采用的器件数量大都较少，需要决策的目标相对简单，所需信号信息处理的运算量不大，需要传输的信息也较少，一些管理和协调的功能基本还不需要。作为一种原理性研究，这些方法是可行的。对于航空航天飞行器、桥梁、大坝等实际工程结构，由于结构较大，结构监测中所需传感器网络包含不同种类和数目较多的传感器件，每个传感器获得的信息是局部的、不完整的，由于所需决策对象的复杂性大大增加，随之带来的是监测网络的复杂程度、信号信息处理的运算量、需要通信、传输的信息量、系统各部分间的管理、协调需求及监测网络所需消耗的能量等急剧增加，同时，目前各种结构损伤辨识方法对于实际复杂结构也都有各自的局限性。因此亟待解决的问题是如何管理协调庞大密集的传感器网络，如何融合不同种类的传感器信息，如何协作融合不同的损伤诊断方法，对整个结构的健康状态给出一个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、具有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

本发明的主要目的在于提出一种基于智能主体的大型结构传感资源冲突和功能复用协作融合监测系统。

本发明采用如下技术方案：

大型结构传感资源冲突和功能复用协作融合监测系统，其特征在于：包括：黑板，为全局工作区，用于记录原始数据、中间结构和评估结果；智能主体，用于保存领域知识，包括对静态载荷和冲击载荷引起的损伤信号的特征提取和定位的知识，具有通信接口并通过黑板与其它主体进行通信协作；监督管理主体，实时获知黑板的数据变化来控制智能主体完成各自的任务，从而协调整个系统协作完成分布式传感网络的资源和功能复用，并实现对静态载荷和冲击载荷的快速准确定位。

优选的，所述黑板至少包括以下三个信息层：用于实现对静态载荷的监测的应变传感主体的信息、用于实现对冲击载荷的监测的压电传感主体的信息和用于实现对静态载荷和冲击载荷的监测的光栅光纤传感主体的信息。

优选的，所述的智能主体包括用于监测静态载荷和冲击载荷引起的损伤的传感测量主体、用于对静态载荷或冲击载荷引起的传感测量主体产生的信号提取应变变化量或波达时间的信号处理主体、用于对各种评估结果进行加权数据融合并传递给用户的中央信息融合主体和用于实现静态载荷定位和冲击载荷定位的载荷定位主体。

优选的，所述的传感测量主体包括至少以下三种：应变传感主体、光栅传感主体和压电传感主体。

优选的，所述的载荷定位主体包括至少一冲击载荷定位主体和至少一静态载荷定位主体。

优选的，所述的监督管理主体包括区域监督主体、中央协调管理主体和Facilitator主体；该区域监督主体用于根据黑板数据变化的类型和自身知识，结合智能主体及中央协调管理主体的状态来决定是否协调资源冲突或自组织传感器网络，并通过Facilitator主体控制智能主体对损伤信号进行特征提取和定位。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)针对分布式传感器网络的传感器资源冲突问题，以期保证监测主体的利益最大化，根据测试系统的硬件实现和信号采集的相互关联形式，采用多主体集中式规划方法，制定计划者得到一个或一些主体生成计划的集合，然后分析和识别它们之间潜在的交互冲突，针对有限资源竞争引发冲突，将通信命令插入在计划中，从而产生无冲突(不需最优)多主体计划；

(2)针对大型结构不同类型的传感器功能复用问题，以期充分利用多传感器冗余信息，对多种损伤或相同损伤进行有效监测，采用多主体分布式结构和集中式结构相结合，请求/服务与黑板协作相结合的主体并行协作策略以及传感器主体判断损伤出现在子区域与否的方法，实现分布式传感网络提取有效信息；

(3)区域监督主体利用黑板的传感器层获取的有效信息根据传感器冗余情况，决定是否自组织网络，通过与上层信息处理主体和损伤评估主体的协作，利用数据融合或者决策融合理论实现对损伤的最终可靠有效评估。

另外，本发明应用于监测大型航空铝板结构时，由于静态载荷、冲击载荷引起的结构应变信号，利用应变传感器、光纤光栅传感器和压电传感器构成的分布式传感器网络，通过自组织传感器网络和评估方法的协作，提取融合不同传感器的冗余特征和相同传感器的冗余信息，以期精确快速监测损伤。

附图说明

图1是本发明系统的框图。

图2是复用压电元件的主被动协作监测流程。

图3是不同类型传感网络多损伤评估的区域监督主体协作流程。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。

本发明针对实际大型工程结构，利用各种传感器网络(比如应变传感器、压电传感器、加速度传感器等)对多种损伤(比如冲击损伤、裂纹、脱粘、分层、紧固件失效等)进行自主辨识，以期快速有效地覆盖位于大型结构的各个子区域的损伤，协调融合各种评估算法从而保证损伤的准确可靠有效监测。

图1是本发明的大型结构传感资源冲突和功能复用协作融合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，中间结果和评估结果。智能主体(包括传感测量主体、信号处理主体、冲击载荷定位主体、静态载荷定位主体和中央信息融合主体等)保存领域知识，即具有对静态载荷和冲击载荷引起的损伤信号的特征提取和定位的知识，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(包括区域监督主体、中央协调管理主体、Facilitator主体等)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静态载荷或者冲击载荷导致的损伤定位。静态载荷和冲击载荷是实际结构中常见损伤，前者会造成结构疲劳断裂，后者会造成复合材料内部分层、基体开裂等损伤。具体如下：

一、黑板

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)应变传感主体的信息：结构在长期受到静态载荷的作用情况下，会发生疲劳断裂，利用应变传感主体可以采用应变信号，实现对静态载荷的定位。

(2)压电传感主体的信息：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。

压电传感器可以对由冲击载荷引起振动信号进行采集，实现对冲击载荷的监测，同时，也可以实现对损伤敏感的高频声发射或者Lamb波信号的采集，实现对冲击损伤的监测，所以，压电传感器被主被动监测方法复用，要考虑资源冲突。

(3)光栅光纤传感主体的信息：该传感主体可以实现对静态载荷的监测，同时，可以实现对冲击载荷的监测，可作为传感器资源被不同评估方法复用。

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，状态表示有冲击损伤出现。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，冲击损伤定位马上结束。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。

二、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。

系统中每个智能主体涉及黑板的一个或几个信息层，智能主体包括如下：

(1)传感测量主体：包括应变传感主体、光栅光纤传感主体和压电传感主体，可采用应变传感器、光栅传感器、压电陶瓷传感器实现，它们可通过电阻应变仪、光栅光纤解调仪，及电荷放大器、功率放大器、数据采集卡以和通信程序实现，用来监测施加到大型航空铝板结构或其他大型工程结构上的静态载荷和冲击载荷引起的损伤。

(2)信号处理主体：对静态载荷引起的应变传感器和光栅光纤传感器的信号提取应变变化量，对冲击载荷或冲击损伤引起的光栅光纤传感器和压电传感器的应变力波信号利用小波分析提取波达时间。

(3)中央信息融合主体体：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，并通过用户接口传递给用户。系统中有1个用户主体。

(4)载荷定位主体：图1中包括一静态载荷定位主体和两冲击载荷定位主体。该载荷定位主体实现方法如下：冲击载荷定位方法包括声发射方法和数据驱动方法。对于压电传感器，采用三角定位法，该方法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。

静态载荷定位方法主要利用载荷所在区域的四个传感器应变变化量的组合，通过有监督模式分类方法，实现对载荷的定位。该方法实时性较好，随着训练样本遍历整个监测区域，定位精度逐渐提高，但是该方法必须要有先验训练信息。对于应变传感器和光纤光栅传感器，可以利用上述方法进行静态载荷定位，并且光栅光纤传感器的应用由于受到高采样率解调系统高成本的限制，往往也是采用该方法进行冲击载荷定位的。

三、监督管理主体

监督管理主体包括区域监督主体、中央协调管理主体和Facilitator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)，区域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相应感兴趣的主体，看它们是否空闲来处理该任务，从而决定是否选择它来处理信息完成任务。并且，区域监督主体根据三种传感测量主体的状态和中央协调管理主体来决定是否协调资源冲突，还是自组织网络提取传感器冗余信息，进而通过黄页服务Facilitator主体，将传感器信号根据传感器所监测的损伤类型发布给信号处理主体进行特征提取，进而提供给静态载荷和冲击载荷评估主体进行损伤定位，并通过中央信息融合主体传递最终信息给用户主体。多个主体分布并行协作工作，极大提高工作效率，同时提高多损伤监测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多损伤快速准确定位的。

在本发明中，采用区域监督主体和中央协调管理主体联合黑板协作完成分布式传感网络的资源和功能复用从而实现对静态载荷和冲击载荷快速准确定位。同以往的分布式结构健康监测系统不同，该系统中的智能主体包括传感测量主体、信号处理主体、冲击载荷定位主体、静态载荷定位主体和中央信息融合主体，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，传感测量主体获得分布式传感网络的损伤状态和信号，区域监督主体根据传感网络损伤状态和中央协调管理主体的状态，从而自组织应变传感器和光栅光纤传感器实现对静态载荷的定位，同时，功能复用的压电传感器和光栅光纤传感器对同一冲击载荷进行融合定位，最终给出系统的有效评估。本系统采用的方法共涉及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。5类主体：传感测量主体、信号处理主体、载荷定位主体、中央信息融合主体和监督管理主体。

在整个监测系统中，每一种主体都有其各自任务。对于大型结构的多损伤监测的复杂状况，利用一种主体往往难以完成任务，所以在主体之间引入黑板模型，这样，传感测量主体、两种损伤评估主体、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静态载荷和冲击载荷引起的损伤信号，并将其实时发布到区域监督主体的黑板当中，区域监督主体和中央协调主体联合协作，当监测区域出现静态载荷时，自组织光栅光纤传感主体和应变传感主体实现对相邻区域静态载荷的定位，当监测区域出现冲击载荷时，协调光栅光纤传感器主体和压电传感器主体通过同一冲击载荷评估主体功能复用，进而利用中央信息融合主体数据融合进行定位。用户主体接受融合不同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。

针对结构健康监测中多种监测方法复用传感器的问题，采用多主体规划中由Georgeff提出的集中式规划方法，制定计划者得到一个或一些主体生成计划的集合，然后分析和识别它们之间潜在的交互冲突，比如，针对有限资源竞争引发冲突，将通信命令插入在计划中，从而产生无冲突(不需最优)多主体计划。压电传感器被主被动损伤监测系统复用，主动监测可以是基于Lamb波的裂纹监测，累积间歇性监测损伤，被动监测可以是声发射(或冲击)监测，属于瞬时实时监测，所以，主动监测周期性向中央协调管理主体申请计划，中央协调管理主体会根据被动监测主体的工作状态来应答主动监测是否开始工作，并且考虑主动监测时被动监测损伤发生的情况，对主动监测信号的参数，比如中心频率、带宽进行设计调整，以期通过相应信号处理方法，比如频谱分析、小波分析或者EMD分解等，使得中央协调管理主体能够识别复用传感器同时接收到主被动损伤监测信号的情况，保证避免资源冲突同时保证复用压电传感器信息的准确性和损伤辨识的有效性。

为了充分利用大型结构不同类型的传感器网络资源，有效覆盖多种损伤，融合多传感器冗余信息，提高损伤实时准确辨识精度，本发明采用多主体分布式结构和集中式结构相结合，请求/服务与黑板协作相结合的主体并行协作策略以及传感器主体判断损伤出现在子区域与否的方法，实现分布式传感网络提取有效信息。单层分布式网络中的低层传感主体(对应所在子区域的四个传感器)根据各自损伤所在区域的结果通过平等交互协商实现结构局部子区域内或者相邻子区域发生的损伤事件监测，在区域监督主体和传感器主体两层结构之间通过黑板进行协作管理，建立局部子网簇头管理的集中式两层拓扑网络结构，从而发挥上层规划与下层自主的优势，实现有效减少数据传输量，提高实时性和准确性，以及对大型结构区域的全覆盖，比如四个子区域的中间区域仅仅采用下层传感主体协作不能覆盖。光纤光栅传感器监测静态载荷、冲击载荷功能复用，此时，光栅光纤传感器与压电传感器按照矩形阵列布置在同一个子区域，存在传感器冗余，相邻区域对应位置布置了应变传感器和压电传感器，光纤光栅传感器主体利用传感器准静态应变值绝对值的和是否超过阈值判定损伤是否发生在子区域，进而通过黑板实现相邻子区域应变传感器自组网协作，从而对子区域以及相邻子区域静态载荷的位置监测，通过与本区域压电传感器网络协作及损伤评估主体的数据融合，实现对子区域内部冲击载荷的位置监测。综上采用先判区域再判位置的两步法策略，通过黑板协作实现不同类型传感器网络对多损伤的覆盖和信息融合从而得到精确评估结果。

区域监督主体利用传感器层获取的有效信息根据传感器冗余情况，决定是否自组织网络，通过与上层信息处理主体和损伤评估的协作，利用数据融合或者决策融合方法实现对损伤的最终可靠有效评估。其中，判损伤所在区域方法，考虑到静态信号和动态信号的特性分别采用应变值绝对值变化量、波达时间峰值法和二峰法的变化范围，拟对比研究阈值法、互相关法和小波分析法，通过实验研究确定。数据融合可采用加权平均、维纳滤波和卡尔曼滤波方法，决策融合可采用多数投票、贝叶斯、行为空间和多主体方法。

本发明依照如下步骤实现发明目的：

1)针对分布式传感器网络的传感器资源冲突问题，以期保证监测主体的利益最大化，根据测试系统的硬件实现和信号采集的相互关联形式，采用多主体集中式规划方法，制定计划者得到一个或一些主体生成计划的集合，然后分析和识别它们之间潜在的交互冲突，针对有限资源竞争引发冲突，将通信命令插入在计划中，从而产生无冲突(不需最优)多主体计划。

以压电传感器为例，该传感器可以被主被动损伤监测系统复用，主动监测可以是基于Lamb波的裂纹监测，累积间歇性监测损伤，被动监测可以是声发射(或冲击)监测，属于瞬时实时监测，所以，主动监测周期性向中央协调管理主体申请计划，中央协调管理主体会根据被动监测主体的工作状态来应答主动监测是否开始工作，并且考虑主动监测时被动监测损伤发生的情况，对主动监测信号的参数，比如中心频率、带宽进行设计调整，以期通过相应信号处理方法，比如频谱分析、小波分析或者EMD分解等，使得中央协调管理主体能够识别复用传感器同时接收到主被动损伤监测信号的情况，保证避免资源冲突同时保证复用压电传感器信息的准确性和损伤辨识的有效性。

2)针对大型结构不同类型的传感器功能复用问题，以期充分利用多传感器冗余信息，对多种损伤或相同损伤进行有效监测，采用多主体分布式结构和集中式结构相结合，请求/服务与黑板协作相结合的主体并行协作策略以及传感器主体判断损伤出现在子区域与否的方法，实现分布式传感网络提取有效信息。

以光纤光栅传感器监测静态载荷、冲击载荷功能复用为例，假定光栅光纤传感器与压电传感器按照矩形阵列布置在同一个子区域，存在传感器冗余，相邻区域对应位置布置了应变传感器和压电传感器，光纤光栅传感器主体利用传感器准静态应变值绝对值的和是否超过阈值判定损伤是否发生在子区域，进而通过与相邻子区域应变传感器自组网协作，实现对子区域以及相邻区域静态载荷的位置监测，通过与本区域压电传感器网络协作及损伤评估主体的数据融合，实现对子区域内部冲击载荷的位置监测。综上采用先判区域再判位置的两步法策略，通过黑板协作实现不同类型传感器网络对多损伤的覆盖和信息融合从而得到精确评估结果。

3)区域监督主体利用传感器层获取的有效信息根据传感器冗余情况，决定是否自组织网络，通过与上层信息处理主体和损伤评估的协作，利用数据融合或者决策融合理论实现对损伤的最终可靠有效评估。对于判损伤所在区域方法，考虑到静态信号和动态信号的特性分别采用应变值绝对值变化量、波达时间峰值法和二峰法的变化范围，对比阈值法、互相关法和小波分析法，通过实验研究确定，区域监督主体正是根据每个区域传感主体的对应损伤状态通过黑板进行自组织网络，提取有效损伤数据。数据融合可采用加权平均、维纳滤波和卡尔曼滤波方法，决策融合可采用多数投票、贝叶斯、行为空间和多主体方法。

以下是本发明的一个大型航空铝板结构平板实施例，采用航空硬铝LY12，基本尺寸和厚度为120cm×200cm×0.25cm。支架垂直放置，支撑铝板结构。结构被划分成8个子区域，除边缘之外，每个子区域尺寸为49cm×45cm。PZT-5型压电传感器被放置在每个子区域的顶点，压电片的直径为0.8cm，厚度为0.04cm。在第3个子区域中布置有光栅光纤传感器，其他区域布置了应变计。除此之外，每个子区域分成9个单元。材料密度为2.778g/cm³，力学性能为E＝71.7GPa，μ＝0.33。传感元件为应变片、PZT-5型压电片和FBG传感器。结构通过64颗M6螺钉固定在支架上，螺钉之间的间距为10cm。

应变计传感主体是由子区域内的4个传感器、DPM-912A电阻应变仪和LabVIEW语言实现的采集程序组成，负责监测静态载荷。光纤传感主体包括子区域3内的光栅光纤传感器、Micro Optics Si425解调仪和LabVIEW采集程序，负责监测静态载荷和冲击载荷。压电传感主体负责监测冲击载荷和损伤，分别采用基于声发射的被动监测方式和多激励-多传感的主动监测方式。在评估实验中，压电传感主体分别被冲击载荷监测主体和冲击损伤主体复用，其中，冲击载荷监测主体由子区域5的4个压电传感器与声发射数据采集系统组成，采用PCI测试系统，电荷放大器带宽15kHz-600kHz，灵敏度系数为0.33pc/unit，放大倍数为7.8mV/unit，数字触发电路触发值为0.1V，预采集500点和采样频率为10MHz；声发射触发器基于PCI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。数据采集卡采用NI公司的PXI-1031四通道数据采集卡。紧固件失效主体由边界的12个压电片(与冲击载荷监测复用，通过协作获取响应数据)、压电扫查系统和LabVIEW采集控制软件组成，采用PCI测试系统，电荷放大器放大倍数7.8mV/unit，灵敏度0.33pc/unit，数据采集卡采样频率10MHz，函数发生器设置为频率100kHz的正弦波。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，构成了一个冲击载荷传感测量主体。监督管理主体由计算机软件实现，其中，区域监督管理主体由计算机中所开辟的划分为若干层次的黑板公共区域，以及协作通信模块组成，中央协调主体和Facilitator主体主要由协作通信模块组成。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，它主要显示损伤监测结果。

大型结构传感资源冲突和功能复用协作融合监测系统工作原理如下：对损伤定位的监测是基于两种损伤评估，它们分别利用损伤信号的应变变化和波达时间，通过区域监督主体根据黑板共享区域中三种传感器主体的状态，通过压电传感器资源复用和光栅光纤传感器监测两种损伤，相互协作参考融合，快速给出载荷位置，提高了评估效率，实时准确给出损伤评估结果。相关协作流程如图2、图3所示。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (4)

1.大型结构传感资源冲突和功能复用协作融合监测系统，其特征在于：包括：黑板，为全局工作区，用于记录原始数据、中间结构和评估结果；智能主体，用于保存领域知识，包括对静态载荷和冲击载荷引起的损伤信号的特征提取和定位的知识，具有通信接口并通过黑板与其它主体进行通信协作；监督管理主体，包括区域监督主体、中央协调管理主体和Facilitator主体，实时获知黑板的数据变化来控制智能主体完成各自的任务，从而协调整个系统协作完成分布式传感网络的资源和功能复用，并实现对静态载荷和冲击载荷的快速准确定位；

针对分布式传感器网络的传感器资源冲突问题，以期保证监测主体的利益最大化，根据测试系统的硬件实现和信号采集的相互关联形式，采用多主体集中式规划方法，制定计划者得到一个或一些主体生成计划的集合，然后分析和识别它们之间潜在的交互冲突，针对有限资源竞争引发冲突，将通信命令插入在计划中，从而产生无冲突多主体计划；采用压电传感器，该传感器可以被主被动损伤监测系统复用，主动监测基于Lamb波的裂纹监测，累积间歇性监测损伤，被动监测是声发射或冲击监测，属于瞬时实时监测，主动监测周期性向中央协调管理主体申请计划，中央协调管理主体会根据被动监测主体的工作状态来应答主动监测是否开始工作，并且考虑主动监测时被动监测损伤发生的情况，对主动监测信号的参数，包括中心频率、带宽进行设计调整，以期通过相应信号处理方法，该信号处理方法包括频谱分析、小波分析或者EMD分解，使得中央协调管理主体能够识别复用传感器同时接收到主被动损伤监测信号的情况，保证避免资源冲突同时保证复用压电传感器信息的准确性和损伤辨识的有效性；

针对大型结构不同类型的传感器功能复用问题，以期充分利用多传感器冗余信息，对多种损伤或相同损伤进行有效监测，采用多主体分布式结构和集中式结构相结合，请求/服务与黑板协作相结合的主体并行协作策略以及传感器主体判断损伤出现在子区域与否的方法，实现分布式传感网络提取有效信息；采用光纤光栅传感器监测静态载荷、冲击载荷功能复用，假定光栅光纤传感器与压电传感器按照矩形阵列布置在同一个子区域，存在传感器冗余，相邻区域对应位置布置了应变传感器和压电传感器，光纤光栅传感器主体利用传感器准静态应变值绝对值的和是否超过阈值判定损伤是否发生在子区域，进而通过与相邻子区域应变传感器自组网协作，实现对子区域以及相邻区域静态载荷的位置监测，通过与本区域压电传感器网络协作及损伤评估主体的数据融合，实现对子区域内部冲击载荷的位置监测；综上采用先判区域再判位置的两步法策略，通过黑板协作实现不同类型传感器网络对多损伤的覆盖和信息融合从而得到精确评估结果；

区域监督主体利用传感器层获取的有效信息根据传感器冗余情况，决定是否自组织网络，通过与上层信息处理主体和损伤评估的协作，利用数据融合或者决策融合理论实现对损伤的最终可靠有效评估；对于判损伤所在区域方法采用应变值绝对值变化量、波达时间峰值法和二峰法的变化范围，对比阈值法、互相关法和小波分析法，区域监督主体根据每个区域传感主体的对应损伤状态通过黑板进行自组织网络，提取有效损伤数据；数据融合采用加权平均、维纳滤波和卡尔曼滤波方法；决策融合采用多数投票、贝叶斯、行为空间和多主体方法。

2.如权利要求1所述的大型结构传感资源冲突和功能复用协作融合监测系统，其特征在于：所述黑板至少包括以下三个信息层：用于实现对静态载荷的监测的应变传感主体的信息、用于实现对冲击载荷的监测的压电传感主体的信息和用于实现对静态载荷和冲击载荷的监测的光栅光纤传感主体的信息。

3.如权利要求1所述的大型结构传感资源冲突和功能复用协作融合监测系统，其特征在于：所述的智能主体包括用于监测静态载荷和冲击载荷引起的损伤的传感测量主体、用于对静态载荷或冲击载荷引起的传感测量主体产生的信号提取应变变化量或波达时间的信号处理主体、用于对各种评估结果进行加权数据融合并传递给用户的中央信息融合主体和用于实现静态载荷定位和冲击载荷定位的载荷定位主体。

4.如权利要求1所述的大型结构传感资源冲突和功能复用协作融合监测系统，其特征在于：所述区域监督主体用于根据黑板数据变化的类型和自身知识，结合智能主体及中央协调管理主体的状态来决定是否协调资源冲突或自组织传感器网络，并通过Facilitator主体控制智能主体对损伤信号进行特征提取和定位。