CN110954154A - 一种基于移动传感与滤波集成系统的桥梁损伤定位方法 - Google Patents

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谢永康
刘思雨
邓杰龙
刘科
黄亮景
马宏伟
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Abstract

本发明公开了一种基于移动传感与滤波集成系统的桥梁结构损伤定位方法，包括以下步骤：在车辆上安装一个加速度传感器，测量方向为竖直方向，构成移动传感系统，并使移动传感系统匀速通过桥梁；收集移动传感系统驶过桥梁过程中的加速度信号x(i)；定义一个移动滤波窗函数
Figure DDA0002294975240000011
与移动传感系统构成移动传感‑滤波集成系统；对移动传感系统所测加速度信号x(i)用移动滤波窗函数
Figure DDA0002294975240000012
从0时刻开始在时间轴上进行移动扫描计算，得到扫描后的时间序列
Figure DDA0002294975240000013
根据
Figure DDA0002294975240000014
曲线确定移动传感系统经过损伤位置的时间点；计算得到桥梁的损伤位置。该方法无需桥梁健康状态下的基准数据，且仅利用单一移动传感器所测数据，并通过定义一移动滤波窗函数扫描所测信号，即可实现桥梁损伤定位。

Description

一种基于移动传感与滤波集成系统的桥梁损伤定位方法
技术领域
本发明涉及结构安全监测技术领域，具体涉及一种基于移动传感与滤波集成系统的桥梁损伤定位方法。
背景技术
当前桥梁结构损伤检测存在着测点过多，健康基准数据缺失的问题。现行的桥梁结构损伤检测系统中，往往在桥梁结构上安装大量传感器收集信号，并通过对比实时状态与健康状态下的信号特征以检测桥梁健康状况。一方面，大量传感器设备的安装与维护费用会大幅度增加工程成本，所测海量数据难以处理，造成海量数据“垃圾”；另一方面，多数运营时间较长的桥梁均缺失初始健康状态的基准数据；另外，传统的方法可能在某种或者某座桥梁上有效用，但是换一种或一座桥梁，方法就没有功效，不具有普适性；再者，传统方法安装在桥梁上的传感器寿命有限，而传感器的再次更换难度较大。以上诸多问题给实际桥梁应用带来诸多难题。本方法只需单个传感器与移动车辆构成移动传感系统，不存在以上困难。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出一种基于移动式传感—滤波集成系统的桥梁损伤定位方法。此方法基于数据驱动原理，无需桥梁健康状态下的基准数据，仅利用单一移动传感器所测数据，并通过定义一移动滤波窗函数扫描所测信号，即可实现桥梁损伤定位。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种基于移动传感与滤波集成系统的桥梁损伤定位方法，所述的桥梁损伤定位方法包括下列步骤：
S1、在车辆上安装一个加速度传感器，测量方向为竖直方向，构成移动传感系统，并使移动传感系统匀速通过桥梁；
S2、收集移动传感系统驶过桥梁过程中所测加速度信号x(i),i＝1,2,…,N，N为采样点长度；
S3、定义一个移动滤波窗函数
Figure BDA0002294975220000021
定义式如下：
Figure BDA0002294975220000022
其中，a(i)为第i采样点的实际响应，k为窗函数的跨度，此移动滤波窗函数与移动传感系统构成移动传感与滤波集成系统；
S4、对移动传感系统所测加速度信号x(i)用移动滤波窗函数
Figure BDA0002294975220000023
从0时刻开始，在时间轴上进行移动扫描计算，移动步长为一个采样间隔，得到扫描后的时间序列
Figure BDA0002294975220000024
Figure BDA0002294975220000025
S5、根据指标
Figure BDA0002294975220000026
曲线确定移动传感系统经过损伤位置的时间点，若桥梁出现损伤，
Figure BDA0002294975220000031
曲线将会在移动传感系统经过损伤位置时刻发生突变；
S6、将确定的损伤时间点乘以移动传感系统的移动速度，计算得到桥梁的损伤位置，利用此机理实现桥梁结构损伤定位。
进一步地，所述的步骤S3中，移动滤波窗函数
Figure BDA0002294975220000032
具体参数确定方式如下：
S31、确定所测信号的基频对应的周期T，其确定关系如下：
Figure BDA0002294975220000033
其中，f1为所测加速度信号的基频，可从所测信号的快速傅里叶变换后的频谱图中得到；
S32、确定移动滤波窗函数
Figure BDA0002294975220000034
的跨度k，其确定关系式如下：
k＝Tfs (4)
其中，fs为信号采样频率。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1)本发明无需桥梁健康状态下的基准数据，只需直接分析所测信号，即可实现桥梁结构损伤定位，属于数据驱动方法，适用于实际桥梁的工程应用。传统的需要结构健康状况基准数据作对比的检测方法，对于修建时间久远、原始健康数据缺失的桥梁一般不适用，而且桥梁健康状态数据的检测和存储也需耗费一定的工程成本。
2)在本发明只需利用单一移动传感器即可实现桥梁损伤定位，免去了传统监测方法中在桥梁上布置大量传感器的工序，大幅度地减少了监测传感器的数目和监测数据的存储量，有效解决了结构损伤检测需要大量传感器和海量数据难以处理的难题。
3)传统方法需在桥梁上安装永久性传感器，无机动性，而且传感器寿命有限，更换困难。本方法是利用单个移动传感系统，能在多座不同桥梁上运行工作，可大大降低工程结构健康检测成本。且机动性好，更换便捷，解决了传统方法中传感器损坏难以更换的难题。
附图说明
图1是本发明中公开的基于移动传感—滤波集成系统的桥梁损伤定位方法流程图；
图2是本发明中公开的移动传感系统的工作示意图；
图3是本发明中提出的移动滤波窗函数的信号分离原理图；
图4是实施例中移动传感系统收集的加速度信号图；其中，图4(a)为健康状况下的信号图，图4(b)为10％损伤工况下的信号图，图4(c)为30％损伤工况下的信号图，图4(d)为50％损伤工况下的信号图；
图5是实施例中移动传感系统收集的健康状况下的加速度信号频谱图；
图6是实施例中
Figure BDA0002294975220000041
时间序列经处理后的空间序列曲线图；其中，图6(a)为健康状况下的曲线图，图6(b)为10％损伤工况下的曲线图，图6(c)为30％损伤工况下的曲线图，图6(d)为50％损伤工况下的曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。显然，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
如图1所示，图1为本发明实施例中公开的基于移动式传感—滤波集成系统的桥梁损伤定位方法流程图。移动传感—滤波集成系统的工作示意图如图2所示，移动滤波窗函数的信号分离原理图如图3所示。本实施例中使用的钢桥模型示意图详图2，模型梁长l为40m，采样频率fs为200Hz。为了说明该方法的有效性，在梁长0.4l处用刚度折减的方式分别设置0％(健康状态)、10％、30％和50％的损伤。具体实施过程如下：
S1、在车辆上安装加速度传感器，测量方向为竖直方向，构成移动传感系统，并使移动传感系统以v＝1m/s的速度匀速通过桥梁；
S2、收集移动传感系统驶过桥梁过程中的加速度信号x(i),i＝1,2,…,N，N为采样点长度，如图4所示；此处采样长度N＝lfs/v＝8000；
S3、定义一个移动滤波窗函数
Figure BDA0002294975220000051
定义式如下：
Figure BDA0002294975220000052
其中，a(i)为第i采样点的实际响应，k为所述窗函数的跨度。
此移动滤波窗函数与移动传感系统构成移动传感-滤波集成系统；
步骤S3中，移动滤波窗函数
Figure BDA0002294975220000053
具体参数确定方式如下：
S31、确定所测信号的基频对应的周期T，其确定关系如下：
Figure BDA0002294975220000054
其中，f1为所测加速度的基频，可从所测信号的快速傅里叶变换后的频谱图中得到；0％损伤工况(健康状况)下FFT变换后的频谱图如图5所示，由图可知基频为1.318Hz,则周期T＝1/1.318＝0.759s；其余工况同理可求，限于篇幅不再附图与赘述。
S32、确定所述移动滤波窗函数的跨度k，其确定关系式如下：
k＝Tfs
其中，fs为信号采样频率。
0％损伤工况(健康状况)下T＝0.759s，fs＝200Hz，跨度k＝0.759*200＝151.8,取整数152。其余工况同理可求，限于篇幅不再赘述。
S4、对移动传感系统所测加速度信号x(i)用移动滤波窗函数
Figure BDA0002294975220000061
从0时刻开始，在时间轴上进行移动扫描计算，移动步长为一个采样间隔，得到扫描后的时间序列
Figure BDA0002294975220000062
Figure BDA0002294975220000063
S5、根据指标
Figure BDA0002294975220000064
曲线确定移动传感系统经过损伤位置的时间点，若桥梁出现损伤，
Figure BDA0002294975220000065
曲线将会在移动传感系统经过损伤位置时刻发生突变；健康状况下
Figure BDA0002294975220000066
曲线没有出现突变现象，而10％损伤、30％损伤和50％损伤工况下突变位置对应的损伤时刻大致均为t＝3200/200Hz＝16s；
S6、将确定的损伤时间点乘以移动传感系统的移动速度，计算得到桥梁的损伤位置大致为16s*1m/s＝16m。如图6(b)-(d)所示，即在梁长0.4l处。
综上所述，本发明提出的基于移动传感-滤波集成系统的桥梁损伤定位方法，无需桥梁健康状态下的基准数据，且仅利用单一移动传感器所测数据，并通过定义一移动滤波窗函数扫描所测信号，即可实现桥梁损伤定位。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于移动传感与滤波集成系统的桥梁损伤定位方法，其特征在于，所述的桥梁损伤定位方法包括下列步骤：
S1、在车辆上安装一个加速度传感器，测量方向为竖直方向，构成移动传感系统，并使移动传感系统匀速通过桥梁；
S2、收集移动传感系统驶过桥梁过程中所测加速度信号x(i),i＝1,2,L,N，N为采样点长度；
S3、定义一个移动滤波窗函数
Figure FDA0002294975210000011
定义式如下：
Figure FDA0002294975210000012
其中，a(i)为第i采样点的实际响应，k为窗函数的跨度，此移动滤波窗函数与移动传感系统构成移动传感与滤波集成系统；
S4、对移动传感系统所测加速度信号x(i)用移动滤波窗函数
Figure FDA0002294975210000013
从0时刻开始，在时间轴上进行移动扫描计算，移动步长为一个采样间隔，得到扫描后的时间序列
Figure FDA0002294975210000014
Figure FDA0002294975210000015
S5、根据指标
Figure FDA0002294975210000016
曲线确定移动传感系统经过损伤位置的时间点，若桥梁出现损伤，
Figure FDA0002294975210000017
曲线将会在移动传感系统经过损伤位置时刻发生突变；
S6、将确定的损伤时间点乘以移动传感系统的移动速度，计算得到桥梁的损伤位置，利用此机理实现桥梁结构损伤定位。
2.根据权利要求1所述的一种基于移动传感与滤波集成系统的桥梁损伤定位方法，其特征在于，所述的步骤S3中，移动滤波窗函数
Figure FDA0002294975210000021
具体参数确定方式如下：
S31、确定所测信号的基频对应的周期T，其确定关系如下：
Figure FDA0002294975210000022
其中，f1为所测加速度信号的基频，可从所测信号的快速傅里叶变换后的频谱图中得到；
S32、确定移动滤波窗函数
Figure FDA0002294975210000023
的跨度k，其确定关系式如下：
k＝Tfs (4)
其中，fs为信号采样频率。
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