CN110631634A - 一种完全逆分析的结构监测评估方法、系统以及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种完全逆分析的结构监测评估方法、系统、以及存储介质，本方案通过构建单元指标和结构指标的监测模式，并确定相应模式计算过程所必需的的固定参数值，每个监测模式作为计算单元和结构指标的最小单元；接着，获取构建的监测模式下所采集到的信号量，并将采集到的信号量转转化成对应的测量物理量，再将测量物理量转化为对应的直接物理量；最后，利用所构建的监测模式基于得到的所述测量物理量和直接物理量，得到对应的过程物理量、单元指标和结构指标，并作为结构和构件的直接评估对象。本方案完全由监测数据本身逆向推断结构安全性和使用性能，全过程不依赖设计结构的有限元计算结果。

Description

一种完全逆分析的结构监测评估方法、系统以及存储介质

技术领域

本发明涉及结构监测评估技术，具体涉及基于完全逆分析的结构监测评估技术。

背景技术

结构监测评估主要包括数据监测和结构评估两部分内容。数据监测主要解决仪器设备的选择安装和组合形式、原始信号的过滤降噪及物理转化过程的数据处理。结构评估主要解决通过测量得到的能被工程师识别的测量物理量(如应变、倾角、温度、方向位移等)经过一系列构件和结构层次的逆运算方法，获得反映构件和结构的安全性及使用性能的计算评估结果。

现有行评估方法只能基于设计结构正向计算结果进行局部修正，或基于设计结构的规范验算体系进行正向验算。

例如，申请号201510091057.1的中国专利申请，公开了一种变形监测安全评估系统及评估方法；该方案中提到了变形监测的评估方法，通过计算监测数据的二阶中心矩进行归一化，评估变形，主要侧重于变形数据的归一化处理。

申请号201510971485.3的中国专利申请，公开了一种盾构法隧道结构健康监测及安全预警；该方案侧重于根据监测数据生成分析统计曲线和图标，并无详述安全评估的理论方法和体系。

申请号201610230085.1的中国专利申请，公开了一种工程结构方向性损伤主动监测与评估方法；该方案提到了利用线性压电激励阵列扫描损伤裂纹区域计算损伤位置和长度，从而判断健康情况。

申请号201610641434.9的中国专利申请，公开了一种适用于结构健康监测的传感器布设方法及结构识别方法；该方案主要基于一种传感器布设方法的变形插值计算方法计算结构变形。

通过分析可知，现有的评估方案的适用范围有所限制，均是针对特定环境下提出的特定监测数据的计算方法，不具备统一性，可扩展性差；再者监测评估的已知条件有所限制，均是结合理论计算结果进行监测辅助计算修正的方法，核心还是依赖于结构有限元正向计算结果，对结构监测数据的处理附加了多项设计约束条件，降低了监测数据的有效性和可靠性。

发明内容

针对现有结构监测评估方案所存在的问题，需要一种新的结构监测评估方案。

为此，本发明的目的在于提供一种完全逆分析的结构监测评估方法，该方案具备可替换和可扩展性，且评估指标的计算不依赖设计结构的规范验算方式和设计结构的有限元计算结果；据此，本发明还进一步提供一种结构监测评估系统，以及存储介质。

为了达到上述目的，本发明提供的完全逆分析的结构监测评估方法，包括：

构建单元指标和结构指标的监测模式，并确定相应模式计算过程所必需的的固定参数值，每个监测模式作为计算单元和结构指标的最小单元，由一类用于计算相关结构指标的计算公式与方法构成；

获取构建的监测模式下所采集到的信号量，并将采集到的信号量转转化成对应的测量物理量，再将测量物理量转化为对应的直接物理量；

利用所构建的监测模式基于得到的所述测量物理量和直接物理量，得到对应的过程物理量、单元指标和结构指标，并作为结构和构件的直接评估对象。

进一步的，在构建单元指标和结构指标的监测模式时，首先根据待测结构，确定需要监测的关键结构构件；再根据所选构件的物理特性，结合传感器实际布置的参数要求，确定相应的监测模式。

进一步的，所述监测模式分为直接模式和间接模式；

所述直接模式，通过获取构建的监测模式下所采集到的信号量，并将采集到的信号量转转化成对应的测量物理量，再将测量物理量转化为对应的直接物理量；接着利用所构建的监测模式基于得到的所述测量物理量和直接物理量，得到对应的过程物理量、单元指标和结构指标，并作为结构和构件的直接评估对象；

所述间接模式，以直接模式的输出指标作为输入量，通过这种串联的方式计算出间接模式的输出指标，作为构件和结构的评估对象。

进一步的，将获取到的信号量经仪器标定参数转化成对应的测量物理量。

进一步的，将得到的测量物理量经传感器位置的物理参数转化为直接物理量。

进一步的，所述构建的监测模式之间一种监测模式的输出量可作为另一种监测模式的输入量，形成串联运算模式；所述构建的监测模式之间若干监测模式的输出量可同时作为一种监测的输入量，形成并联和串联组合的运算模式。

进一步的，所述方法将得到的过程物理量、单元指标和结构指标直接与预设的结构设计状态值、施工状态值和其他限值进行对比计算，以得到结构和构件安全性评估结果。

为了达到上述目的，本发明提供的完全逆分析的结构监测评估系统，包括：

监测模式单元，用于构建单元指标和结构指标的监测模式，每个监测模式作为计算单元和结构指标的最小单元，由一类用于计算相关结构指标的计算公式与方法构成；

信号量获取单元，所述信号量获取单元获取基于所述监测模式单元构建的监测模式下设置的传感器所采集的信号量；

转化计算单元，所述转化计算单元将所述信号量获取单元获取到的信号量转化成对应的测量物理量和直接物理量；

所述监测模式单元所构建监测模式基于转化计算单元得到的测量物理量和直接物理量，计算得到对应的过程物理量、单元指标和结构指标，以作为结构和构件的直接评估对象。

进一步的，在构建监测模式时，首先根据待测结构，确定需要监测的关键结构构件；再根据所选构件的物理特性，结合传感器实际布置的参数要求，确定相应的监测模式。

进一步的，所述转化计算单元基于仪器标定参数将获取到的信号量转化成对应的测量物理量。

进一步的，所述转化计算单元基于传感器位置的物理参数将得到的测量物理量经转化为直接物理量。

进一步的，所述监测模式单元构建的监测模式之间一种监测模式的输出量可作为另一种监测模式的输入量，形成串联运算模式；监测模式之间若干监测模式的输出量可同时作为一种监测的输入量，形成并联和串联组合的运算模式。

为了达到上述目的，本发明提供的存储介质，所述存储介质包括存储的程序，所述程序执行上述的结构监测评估方法。

本发明提供的监测评估方案完全从逆向计算思维出发，辅以结构基本几何物理信息，完全由监测数据本身逆向推断结构安全性和使用性能，全过程不依赖设计结构的有限元计算结果。

本发明提供的监测评估方案以监测模式作为监测评估最小单元，具备可替换和可扩展性，解决了目前监测领域的评估体系不具备统一性和可扩展性的缺陷。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本实例中六种物理量状态之间进行逆运算和状态转换的流程图；

图2为本实例中完全逆分析的结构监测评估系统的组成示意图；

图3为本实例中完全逆分析的结构监测评估的流程图；

图4为本实例中传感器的设置示意图；

图5为本实例中进行构件使用性能评估时构件挠度计算的模式示意图；

图6为本实例中进行结构评估时整体挠度计算的模式示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

针对现行监测评估方案只能基于设计结构正向计算结果进行局部修正，或基于设计结构的规范验算体系进行正向验算，本方案摒弃现有方案，克服现有方案的常规思维，创新的从逆向计算思维出发，提出了基于真实数据进行完全逆向评估的方案，实现完全由监测数据本身逆向推断结构安全性和使用性能，全过程不依赖设计结构的有限元计算结果。

本方案通过构建相应的监测模式，并以监测模式作为监测评估最小单元，具备可替换和可扩展性，解决了目前监测领域的评估体系不具备统一性和可扩展性的缺陷。

这里构建的监测模式为单元指标和结构指标的监测模式，并输入相应模式计算过程所必需的固定参数值(这里的固定参数值主要包括待测结构构件的长度、截面大小等单元参数，相关计算公式参数，所用传感器设备参数)，用以计算评估安全性和使用性能的单元指标和结构指标。

进一步的，监测模式是计算单元和结构指标的最小单元，作为一类用于计算相关结构指标的计算公式及方法。例如对于挠度这一指标，可通过测量构件转角进行计算，也可通过测量位移做差进行计算，表示为两种监测模式；该监测模式包含输入量、模式参数、计算过程及输出物理量。

进一步的，监测模式可分为直接模式和间接模式。

对于直接模式，通过获取构建的监测模式下所采集到的信号量，并将采集到的信号量转转化成对应的测量物理量，再将测量物理量转化为对应的直接物理量；接着利用所构建的监测模式基于得到的测量物理量和直接物理量，得到对应的过程物理量、单元指标和结构指标，并作为结构和构件的直接评估对象。

对于间接模式，以直接模式的输出指标作为输入量，通过直接利用直接模式输出指标作为输入量，这种串联的方式计算出间接模式的输出指标，作为构件和结构的评估对象。

以下具体说明一下本方案的构成。

由于结构监测评估主要包括数据监测和结构评估两部分内容。数据监测主要解决仪器设备的选择安装和组合形式、原始信号的过滤降噪及物理转化过程的数据处理。结构评估主要解决通过测量得到的能被工程师识别的测量物理量(如应变、倾角、温度、方向位移等)经过一系列构件和结构层次的逆运算方法，获得反映构件和结构的安全性及使用性能的计算评估结果。

对此，本方案基于“信号量、测量物理量、直接物理量、过程物理量、单元指标、结构指标”这六种物理量状态，进行相应的逆运算，以进行相应状态转换，由此构建相应的结构监测评估体系。

这里的逆运算的状态转换包括1-5级计算，作为举例，该1-5级计算主要包括如下：

1级计算：传感器测量得到的直接信号(如，电阻、电流、频率等)由相关公式计算得到“具有实际物理意义”的测量物理量(如将电阻换算为位移、温度等)；

2级计算：通过公式将1级计算得到的测量物理量转化为“能反映所测量构件基本物理性态”的直接物理量(如，钢材应力、混凝土应力等)；

3级计算：以直接物理量作为输入计算过程物理量；过程物理量定义为：不直接用于结构评估，但具有现实物理意义的计算中间量(如轴力、弯矩等)；

4级计算：以直接物理量、过程物理量作为共同输入，计算单元指标物理量；单元指标物理量定义为：直接评估构件的相关指标物理量；

5级计算：以直接物理量、过程物理量、单元指标物理作为共同输入，计算结构指标物理量；结构指标物理量定义为：直接评估结构相关性态的指标。

作为举例，本方案涉及到的六种物理量状态，具体如下：

信号量：由传感器直接采集到的原始数据信号，这里的原始数据信号可以为电阻、振弦频率、线性电位、电流及电压等；作为举例，每个传感器可对应1～2个信号量，但并不限于此。

测量物理量：由信号量经过仪器标定参数直接转化的具有工程物理意义的物理量。作为举例，这里的物理量可以为应变、方向位移、倾角、钢筋力、加速度、温度、风速等，但并不限于此；同时，每一个测量物理量可对应一个传感器。

直接物理量：由测量物理量通过测量位置的相关物理力学参数(如截面面积、弹性模量等)转化为更直观更能被工程师或业主所接受的物理量，如应变转化为应力、钢筋力转化为钢筋应力等，部分无需转化的直接物理量可等于测量物理量，如倾角、位移、温度、风速等；可作为评估对象，作为举例，直接物理量可以作为监测评估的物理量，用于评估传感器所在位置的物理力学测值是否处于安全报警线内，如传感器所对应方向的位移、应力、倾角；每一个直接物理量由一个测量物理量计算而得，故其可直接对应一个传感器。

过程物理量：其是利用直接物理量计算单元或结构指标的中间量，在本方案的监测数据逆分析过程中，该过程物理量不作为结构和单元的直接评估对象，将作为工程结构中的一种具有重要参考价值的物理量，如钢构件轴力、弯矩、剪力等；该过程物理量可由直接物理量经3级计算得到。

单元指标：作为构件和节点层面的直接评估对象，即，单元指标为用于评估构件和节点的安全性或使用性能的直接指标对象，如强度换算应力、稳定换算应力、混凝土构件轴力和弯矩、构件挠度、柱顶位移或倾斜、裂缝宽度、索力、主应力、构件温度、构件振动舒适度等；该单元指标可由直接物理量和过程物理量经4级计算得到。

结构指标：作为结构层面的评估对象，如支座反力、支座位移、相对沉降、整体挠度、整体侧移、层间位移角、风速风级、环境温度、结构周期、结构振型、顶点位移等；该结构指标可由直接物理量、过程物理量、单元指标经5级计算得到。

参见图1，其所示为本方案中六种物理量状态之间进行逆运算和状态转换的流程。

由图可知，本方案所构建的结构监测评估体系具体实施时，基本的逆运算和状态转换过程如下：

可先由传感器采集数据获得信号量；

由信号量经1级计算获得测量物理量，计算参数由仪器标定参数获取；

由测量物理量经2级计算得到直接物理量，这里的计算参数由测量物理量所在测量位置的单元或结构几何物理力学参数确定；

由直接物理量经3级计算得到过程物理量；

由直接物理量和过程物理量(可选)经4级计算得到单元指标；

由直接物理量、过程物理量、单元指标经5级计算得到结构指标。

作为替换方案，上述评估体系中测量物理量可并入信号量或直接物理量，这样可形成5级物理量和1～4级计算。

作为替换方案，上述评估体系中过程物理量可并入单元指标或结构指标，这样可形成5级物理量和1～4级计算。

在此基础上，本方案通过构建相应的监测模式，并处以监测模式作为结构监测评估的最小计算单元和可替换单元；由此来实现完全逆分析的结构监测评估。

在构建相应的监测模式时，首先根据待测结构，确定需要监测的关键结构构件；再根据所选构件的物理特性，结合传感器实际布置的参数要求，确定相应的监测模式。

这里所构建的监测模式在此作为结构和构件监测评估的最小计算单元，由一组输入物理量、计算参数、计算过程和一组输出物理量组成。输入物理量的来源可以是传感器信号量，也可以是另一个或多个监测模式的输出物理量；一个监测模式可根据输入物理量自动计算出其输出量，并展示给用户。

具体的，本方案中的监测模式：由若干个传感器按一定空间位置形成一个模式组合。

每种固定的监测模式包含特定的模式参数，这里的模式参数是指监测模式将给定的输入物理量计算转化成输出物理量时，需要提供若干额外的计算参数，如传感器安装偏差值等。

每种固定的监测模式对应一组固定的传感器、输入物理量和一组固定的输出物理量；模式的输入物理量可包括直接物理量、过程物理量及单元指标，输出物理量可包括过程物理量、单元指标及结构指标；

每种固定的监测模式对应一组固定的计算公式；

监测模式是一个独立的最小计算单元，相互之间可替换可扩展。

这里所述的模式相互之间可替换，具体指两种监测模式具有相同的输出物理量，但其输入物理量可相同也可不同；

这里所述的模式相互之间可扩展是指监测模式的输出物理量可作为新开发的监测模式的输入物理量，形成串联运算。

进一步的，监测模式之间除了可串联，还可以进行并联运算。

具体的，监测模式包含输入物理量、计算参数、计算过程和输出物理量，当一种监测模式的输出量作为另一种监测模式的输入量，则形成串联运算，当若干监测模式的输出量同时作为一种监测的输入量，则形成并联+串联模式。

在此原理方案的基础上，本方案构建了一套完全逆分析的结构监测评估系统，以进行完全逆分析的结构监测评估。

参见图2，本全逆分析的结构监测评估系统100主要包括监测模式单元110、信号量获取单元120、转化计算单元130这三个功能模块。

其中，监测模式单元110用于构建结构监测评估所需的监测模式。通过该监测模式单元110可构建单元指标和结构指标的监测模式。该监测模式单元110的具体实现如上所述，此处不加以赘述。

信号量获取单元120用于获取由监测模式单元110所构建的监测模式下所管辖的传感器所采集的信号量，这些传感器根据监测模式单元110所构建的监测模式进行布置。

这里的信号量获取单元120将所获取到的信号量传至转化计算单元130。

本系统中的转化计算单元130将信号量获取单元120所获取到的信号量转化成对应的测量物理量和直接物理量。

作为举例，该转化计算单元130基于仪器标定参数将获取到的信号量转化成对应的测量物理量。该转化计算单元130基于传感器位置的物理参数将得到的测量物理量经转化为对应的直接物理量。

转化计算单元130还将所得到的测量物理量和直接物理量作为监测模式单元110所构成的监测模式的输入，输给监测模式单元110所构成的监测模式。

在此基础上，监测模式单元110所构建的监测模式基于测量物理量和直接物理量，计算得到对应的过程物理量、单元指标和结构指标，以作为结构和构件的直接评估对象。

作为举例，监测模式单元110所构建的监测模式通过一系列预设的模式的串联或/和并联运算，得到过程物理量、单元指标和结构指标，作为结构和构件的直接评估对象，与预设的结构设计状态值、施工状态值和其他限值进行对比计算，得到结构和构件安全性评估结果。

基于本方案构建的完全逆分析结构监测评估系统，可实现采用完全逆分析的方式进行承载力安全性和使用性能指标计算，整个评估计算过程不涉及任何先验的模拟计算结果。

参见图3，通过本完全逆分析结构监测评估系统进行监测评估的过程如下：

S1：定义单元指标和结构指标的监测模式，并确定模式中的参数值；这里的参数值用于通过输入物理量计算输出物理量的必要计算参数，是监测模式所需的固定参数；

S2：接收所定义模式所辖一组传感器采集的信号量，并将该信号量经仪器标定参数转化成测量物理量；同时将测量物理量经传感器位置的物理参数转化为直接物理量；

S3：基于步骤S2得到的测量物理量和直接物理量通过一系列预设的模式的串联和并联运算，得到过程物理量、单元指标和结构指标，作为结构和构件的直接评估对象，与预设的结构设计状态值、施工状态值和其他限值进行对比计算，得到结构和构件安全性评估结果。

针对上述方案，以下举例具体说明本方案的实施过程。

本实例以构件承载力评估、构件使用性能评估和结构评估为例来说明。

(1)构件承载力评估

构件承载力评估以一个构件的最不利截面的单元指标作为代表值，并建立相应的监测模式，评估该构件的承载力安全性。

在该截面上根据预设的监测模式布设传感器(附图4、附图5)，接收模式所辖一组传感器采集的信号量，经仪器标定参数转化成测量物理量；经传感器位置的物理参数转化为直接物理量。

构件承载力评估的监测模式输入物理量为截面上若干位置的应力直接物理量。输出量为截面的过程物理量(弯矩、轴力)及截面的单元指标(强度换算应力稳定换算应力)。

与常规设计验算不同的是，监测构件承载力计算不区分梁、柱和杆。即不论构件的梁柱杆分类，均需要计算构件的轴力和双向弯矩，再做进一步判断和评估计算。

(2)结构评估

结构评估包括：支座反力、支座位移、相对沉降、整体挠度、整体侧移、层间位移角和风速风向等。

以整体挠度为例，其模式图见附图6，计算公式与构件挠度计算方法相同。

由上实例可知，本方案可实现完全逆分析的结构监测评估，评估指标的计算不依赖设计结构的规范验算方式和设计结构的有限元计算结果；同时本方案使用监测模式作为结构监测评估的最小单元和可替换单元，使得方案具备可替换和可扩展性，解决了目前监测领域的评估体系不具备统一性和可扩展性的缺陷。

最后需要说明的，上述本发明的方法，或特定系统单元、或其部份单元，为纯软件架构，可以透过程序代码布设于实体媒体，如硬盘、光盘片、或是任何电子装置(如智能型手机、计算机可读取的储存媒体)，当机器加载程序代码且执行(如智能型手机加载且执行)，机器成为用以实行本发明的装置。上述本发明的方法与装置亦可以程序代码型态透过一些传送媒体，如电缆、光纤、或是任何传输型态进行传送，当程序代码被机器(如智能型手机)接收、加载且执行，机器成为用以实行本发明的装置。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (12)

1.一种完全逆分析的结构监测评估方法，其特征在于，包括：

构建单元指标和结构指标的监测模式，并确定相应模式计算过程所必需的的固定参数值，每个监测模式作为计算单元和结构指标的最小单元，由一类用于计算相关结构指标的计算公式与方法构成；

获取构建的监测模式下所采集到的信号量，并将采集到的信号量转转化成对应的测量物理量，再将测量物理量转化为对应的直接物理量；

利用所构建的监测模式基于得到的所述测量物理量和直接物理量，得到对应的过程物理量、单元指标和结构指标，并作为结构和构件的直接评估对象。

2.根据权利要求1所述的结构监测评估方法，其特征在于，在构建单元指标和结构指标的监测模式时，首先根据待测结构，确定需要监测的关键结构构件；再根据所选构件的物理特性，结合传感器实际布置的参数要求，确定相应的监测模式。

3.根据权利要求1或2所述的结构监测评估方法，其特征在于，所述监测模式分为直接模式和间接模式；

所述直接模式，通过获取构建的监测模式下所采集到的信号量，并将采集到的信号量转转化成对应的测量物理量，再将测量物理量转化为对应的直接物理量；接着利用所构建的监测模式基于得到的所述测量物理量和直接物理量，得到对应的过程物理量、单元指标和结构指标，并作为结构和构件的直接评估对象；

所述间接模式，以直接模式的输出指标作为输入量，通过这种串联的方式计算出间接模式的输出指标，作为构件和结构的评估对象。

4.根据权利要求1所述的结构监测评估方法，其特征在于，将获取到的信号量经仪器标定参数转化成对应的测量物理量；将得到的测量物理量经传感器位置的物理参数转化为直接物理量。

5.根据权利要求1所述的结构监测评估方法，其特征在于，所述构建的监测模式之间一种监测模式的输出量可作为另一种监测模式的输入量，形成串联运算模式；所述构建的监测模式之间若干监测模式的输出量可同时作为一种监测的输入量，形成并联和串联组合的运算模式。

6.根据权利要求1所述的结构监测评估方法，其特征在于，所述方法将得到的过程物理量、单元指标和结构指标直接与预设的结构设计状态值、施工状态值和其他限值进行对比计算，以得到结构和构件安全性评估结果。

7.一种完全逆分析的结构监测评估系统，其特征在于，包括：

监测模式单元，用于构建单元指标和结构指标的监测模式，每个监测模式作为计算单元和结构指标的最小单元，由一类用于计算相关结构指标的计算公式与方法构成；

信号量获取单元，所述信号量获取单元获取基于所述监测模式单元构建的监测模式下设置的传感器所采集的信号量；

转化计算单元，所述转化计算单元将所述信号量获取单元获取到的信号量转化成对应的测量物理量和直接物理量；

所述监测模式基于转化计算单元得到的测量物理量和直接物理量，计算得到对应的过程物理量、单元指标和结构指标，以作为结构和构件的直接评估对象。评估计算过程不依赖任何理论值结果作为输入或修正。

8.根据权利要求7所述的结构监测评估系统，其特征在于，在构建监测模式时，首先根据待测结构，确定需要监测的关键结构构件；再根据所选构件的物理特性，结合传感器实际布置的参数要求，确定相应的监测模式。

9.根据权利要求7所述的结构监测评估系统，其特征在于，所述转化计算单元基于仪器标定参数将获取到的信号量转化成对应的测量物理量。

10.根据权利要求7所述的结构监测评估系统，其特征在于，所述转化计算单元基于传感器位置的物理参数将得到的测量物理量经转化为直接物理量。

11.根据权利要求7所述的结构监测评估系统，其特征在于，所述监测模式单元构建的监测模式之间一种监测模式的输出量可作为另一种监测模式的输入量，形成串联运算模式；监测模式之间若干监测模式的输出量可同时作为一种监测的输入量，形成并联和串联组合的运算模式。

12.一种存储介质，所述存储介质包括存储的程序，其特征在于，所述程序执行权利要求1-6中任一项所述的结构监测评估方法。

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