專利名稱：基于空間坐標(biāo)監(jiān)測的索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)的健康監(jiān)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明基于空間坐標(biāo)監(jiān)測來識(shí)別索結(jié)構(gòu)(特別是大型索結(jié)構(gòu)，例如大型斜拉 橋、懸索橋)的索系統(tǒng)(指所有承載索)中的受損索，屬工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
索系統(tǒng)通常是索結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵組成部分，它的失效常常帶來整個(gè)結(jié)構(gòu)的失效， 基于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)來識(shí)別索結(jié)構(gòu)(特別是大型索結(jié)構(gòu)，例如大型斜拉橋、懸 索橋)的索系統(tǒng)中的受損索是一種極具潛力的方法。目前結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)主要 通過對(duì)索力的監(jiān)測，根據(jù)索力的變化來識(shí)別受損索及其損傷程度。然而就單一索 而言，其索力變化同其健康狀況(損傷程度)有明確的、單調(diào)變化的關(guān)系，但是， 當(dāng)這根索是索結(jié)構(gòu)(特別是大型索結(jié)構(gòu)，例如大型斜拉橋、懸索橋)的索系統(tǒng)中 的一根時(shí)，由于每一根特定索的索力變化不僅僅受它自身健康狀況的影響，還受 其它索健康狀況的影響，因此觀察每一根特定索的索力的變化時(shí)，即使在該索相 同健康狀況(相同損傷程度或無損傷)條件下，也會(huì)監(jiān)測到其索力變化忽正忽負(fù)、 忽大忽小的現(xiàn)象，這對(duì)受損索的識(shí)別是非常不利的。目前還沒有一種公開的、有 效的健康監(jiān)測系統(tǒng)和方法解決了此問題。每一根索的健康狀況除了會(huì)影響所有索 的索力外，還會(huì)影響索結(jié)構(gòu)的形狀或空間坐標(biāo)，目前還沒有出現(xiàn)公開報(bào)道的通過 對(duì)索結(jié)構(gòu)的形狀或空間坐標(biāo)的監(jiān)測來實(shí)現(xiàn)索系統(tǒng)的健康監(jiān)測的系統(tǒng)和方法。為了能對(duì)索結(jié)構(gòu)(特別是大型索結(jié)構(gòu)，例如大型斜拉橋、懸索橋)的索系統(tǒng) 的健康狀態(tài)有可靠的監(jiān)測和判斷，必須有一個(gè)能夠合理有效的建立索結(jié)構(gòu)的形狀 或空間坐標(biāo)的變化同索系統(tǒng)中所有索的健康狀況間的關(guān)系的方法，基于該方法建 立的健康監(jiān)測系統(tǒng)可以給出更可信的索系統(tǒng)的健康評(píng)估。發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問題本發(fā)明的目的是針對(duì)索結(jié)構(gòu)(特別是大型索結(jié)構(gòu)，例如大型斜拉 橋、懸索橋)中索系統(tǒng)的健康監(jiān)測問題，公開了一種能夠合理有效地監(jiān)測索結(jié)構(gòu)(特別是大型索結(jié)構(gòu)，例如大型斜拉橋、懸索橋)的基于空間坐標(biāo)監(jiān)測的索結(jié)構(gòu) 中索系統(tǒng)的健康監(jiān)測方法。技術(shù)方案本發(fā)明由三大部分組成。分別是建立索系統(tǒng)健康監(jiān)測所需的知識(shí) 庫和參量的方法、基于知識(shí)庫(含參量)和實(shí)測索結(jié)構(gòu)的空間坐標(biāo)(或形狀)的 索系統(tǒng)健康狀態(tài)評(píng)估方法、健康監(jiān)測系統(tǒng)的軟件和硬件部分。本發(fā)明的第一部分建立用于索系統(tǒng)健康監(jiān)測的知識(shí)庫和參量的方法。可分 為如下三個(gè)步驟1. 建立索結(jié)構(gòu)的計(jì)算基準(zhǔn)模型(例如有限元基準(zhǔn)模型)。根據(jù)索結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖、 竣工圖和索結(jié)構(gòu)的實(shí)測數(shù)據(jù)(包括結(jié)構(gòu)形狀數(shù)據(jù)、索力數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)模態(tài)數(shù)據(jù)等實(shí) 測數(shù)據(jù)，對(duì)斜拉橋、懸索橋而言是橋的橋型數(shù)據(jù)、索力數(shù)據(jù)、橋的模態(tài)數(shù)據(jù))，利 用力學(xué)方法(例如有限元法)建立該結(jié)構(gòu)的計(jì)算(例如有限元)基準(zhǔn)模型，基于 該計(jì)算基準(zhǔn)模型(例如有限元基準(zhǔn)模型)計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)計(jì)算數(shù)據(jù)(對(duì)斜拉橋、 懸索橋而言是橋的橋型數(shù)據(jù)、索力數(shù)據(jù)、橋的模態(tài)數(shù)據(jù))必須非常接近其實(shí)測數(shù) 據(jù)，誤差一般不得大于5%。這樣可保證在此計(jì)算基準(zhǔn)模型上計(jì)算所得的模擬情況 下的索力計(jì)算數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)形狀計(jì)算數(shù)據(jù)和空間坐標(biāo)計(jì)算數(shù)據(jù)等，可靠地接近模擬 情況真實(shí)發(fā)生時(shí)的實(shí)測數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)形狀數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上k個(gè)指定點(diǎn)的、及每個(gè)指定點(diǎn)的z個(gè)指定方向的空間 坐標(biāo)來描述，結(jié)構(gòu)形狀數(shù)據(jù)的變化就是《個(gè)指定點(diǎn)的所有坐標(biāo)分量的變化。每次共有M fM=《》a)個(gè)坐標(biāo)測量值或計(jì)算值來表征結(jié)構(gòu)形狀。K和M—般不得小于索的數(shù)量。在后面提到結(jié)構(gòu)形狀時(shí)，可以當(dāng)作結(jié)構(gòu)空間坐標(biāo)理解，反之亦然。設(shè)索系統(tǒng)中共有iV根索，那么可用向量C。表示索結(jié)構(gòu)中所有指定點(diǎn)的初始坐標(biāo)向量(參見式(l))。因在上述條件下，基于索結(jié)構(gòu)的計(jì)算基準(zhǔn)模型計(jì)算所得的 指定點(diǎn)的初始坐標(biāo)可靠地接近于指定點(diǎn)的初始坐標(biāo)的實(shí)測數(shù)據(jù)，在后面的敘述中， 將用同一符號(hào)來表示計(jì)算值和實(shí)測值。<formula>formula see original document page 5</formula>(1)式(1)中<formula>formula see original document page 5</formula>)是索結(jié)構(gòu)中第/個(gè)初始坐標(biāo)分量(假設(shè)此時(shí)該索無損傷)，該分量依據(jù)編號(hào)規(guī)則對(duì)應(yīng)于特定點(diǎn)的一個(gè)坐標(biāo)分量。r表示向量的轉(zhuǎn)置(后同)。2. 建立索結(jié)構(gòu)單位損傷坐標(biāo)變化矩陣JC。在索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型的 基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次計(jì)算，計(jì)算次數(shù)數(shù)值上等于所有索的數(shù)量。每一次計(jì)算假設(shè)索系統(tǒng)中只有一根索有單位損傷￡> (單位損傷應(yīng)較小、且其引起的形狀或坐標(biāo)變化 能夠被傳感器準(zhǔn)確識(shí)別出來，例如取10%損傷為單位損傷)，每一計(jì)算中出現(xiàn)損傷 的索不同于其它次計(jì)算中出現(xiàn)損傷的索，每一次計(jì)算都利用力學(xué)方法(例如有限 元法)計(jì)算索結(jié)構(gòu)的所有指定點(diǎn)的所有當(dāng)前坐標(biāo)分量，每一次計(jì)算組成一個(gè)所有 指定點(diǎn)的計(jì)算當(dāng)前坐標(biāo)向量(當(dāng)假設(shè)第/根索有單位損傷時(shí)，可用式(2)表示所 有指定點(diǎn)的計(jì)算當(dāng)前坐標(biāo)向量C/);每一次計(jì)算得到的計(jì)算當(dāng)前坐標(biāo)向量減去初 始坐標(biāo)向量，所得向量就是此條件下(以有單位損傷的索的位置或編號(hào)等為標(biāo)記) 的坐標(biāo)變化向量(當(dāng)?shù)趛根索有單位損傷時(shí)，用(5C,表示坐標(biāo)變化向量，定義見式 (3)，式(3)為式(2)減去式(1)所得，5Cy實(shí)際上表達(dá)了指定點(diǎn)相對(duì)于初始 位置的位移，因此3q也可以稱作位移向量)，坐標(biāo)變化向量的每一元素表示由于 計(jì)算時(shí)假定有單位損傷的那根索的單位損傷而引起的該元素所對(duì)應(yīng)的指定點(diǎn)的某 個(gè)方向的坐標(biāo)的改變量；有iV根索就有JV個(gè)坐標(biāo)變化向量，每個(gè)坐標(biāo)變化向量有 M fM》AO個(gè)元素，由這iV個(gè)坐標(biāo)變化向量依次組成有MxiV個(gè)元素的單位損傷 坐標(biāo)變化矩陣zJC， JC的定義如式(4)所示。類似于(5C,可以稱作當(dāng)前位移向量， zJC也可以稱作單位損傷位移矩陣。Q^[Q CQ W (2)式(2)中元素C,/ (/ =1, 2, 3,......., M,- _/=1， 2, 3,......., W, M》AO表示由于第/根索有單位損傷時(shí)，依據(jù)編號(hào)規(guī)則所對(duì)應(yīng)的某個(gè)指定點(diǎn)的、某個(gè)方向的、編號(hào)為/ 的計(jì)算當(dāng)前坐標(biāo)。5C,C/:c。 (3)—AC,,,AC1>2 AC,, AC,,/ AC,，AC" AC，， AC,WAC,. tAC, 2 AC,力.AC, w式(4)中(/ =1, 2, 3,......., M; /=1, 2, 3,.......， iV; M》7V)表示僅由于第/根索有單位損傷而引起的、依據(jù)編號(hào)規(guī)則所對(duì)應(yīng)的某個(gè)指定點(diǎn)的、某個(gè)方向的、編號(hào)為z的坐標(biāo)的變化(代數(shù)值)。坐標(biāo)變化向量^:,實(shí)際上是矩陣zic中的一列，也就是說式(4)也可以寫成式(5)。<formula>formula see original document page 7</formula>3.索系統(tǒng)當(dāng)前(計(jì)算或?qū)崪y)坐標(biāo)向量C同初始坐標(biāo)向量C。、單位損傷坐標(biāo)變 化矩陣JC、單位損傷標(biāo)量^和當(dāng)前損傷向量d間的近似線性關(guān)系，如式(6)或式(7) 所示。<formula>formula see original document page 7</formula>
式(6)和式(7)中當(dāng)前坐標(biāo)向量C的定義類似于初始坐標(biāo)向量C。的定義，參見式(8) ;索系統(tǒng)當(dāng)前損傷向量d的定義參見式(9); D"是單位損傷，己在前面說明過。式(7)的左邊是C減去C。，實(shí)際上是當(dāng)前位移向量，因此也可以說式(7)表達(dá)了 當(dāng)前位移向量(定義為C減去C。)同單位損傷位移矩陣JC、單位損傷標(biāo)量Z)"和當(dāng) 前損傷向量c/間的近似線性關(guān)系。<formula>formula see original document page 7</formula>式(8)中&(/=1,2，3， .......，M; M》AO是索結(jié)構(gòu)、依據(jù)編號(hào)規(guī)則所對(duì)應(yīng)的某個(gè)指定點(diǎn)的、某個(gè)方向的、編號(hào)為f的當(dāng)前坐標(biāo)。<formula>formula see original document page 7</formula>式(9)中《(/=1，2,3,.......，AO是索系統(tǒng)第/根索的當(dāng)前損傷；4為0時(shí)表示無損傷，為100%時(shí)表示該索徹底喪失承載能力，介于0與100%之間時(shí)表示喪失相應(yīng)比 例的承載能力。若設(shè)索損傷為100%時(shí)表示索徹底喪失承載能力，那么當(dāng)實(shí)際損傷不太大時(shí) (例如不大于30%的損傷)，由于索結(jié)構(gòu)材料仍然處在線彈性階段，索結(jié)構(gòu)的變形 也較小，式(6)或式(7)所表示的這樣一種線性關(guān)系同實(shí)際情況的誤差較小。 用式(10)定義的誤差向量e表示式(6)或式(7)所示線性關(guān)系的誤差。<formula>formula see original document page 7</formula>式(10)中afo()是取絕對(duì)值函數(shù)，對(duì)括號(hào)內(nèi)求得的向量的每一個(gè)元素取絕對(duì)值。 本發(fā)明的第二部分基于知識(shí)庫(含參量)和當(dāng)前實(shí)測結(jié)構(gòu)形狀(指定點(diǎn)的 坐標(biāo))的索系統(tǒng)健康狀態(tài)評(píng)估方法。由于式(6)式(7)所表示的線性關(guān)系存在一定誤差，因此不能簡單根據(jù)式(6)或式(7)和實(shí)測當(dāng)前坐標(biāo)向量C來直接求 解得到索損傷向量d。如果這樣做了，得到的索損傷向量d中的元素甚至?xí)霈F(xiàn)較 大的負(fù)值，也就是負(fù)損傷，這明顯是不合理的。因此獲得索損傷向量d的可接受 的解(即帶有合理誤差，但可以比較準(zhǔn)確的從索系統(tǒng)中確定受損索的位置及其損 傷程度)成為一個(gè)合理的解決方法，可用式(11)來表達(dá)這一方法。一+AC"-C + C(J" (11)式(ll)中flfe(9是取絕對(duì)值函數(shù)，向量g描述偏離理想線性關(guān)系(式(6)或式(7)) 的合理偏差，由式(12)定義。g = fe gM]7 (12)式(12)中g(shù),(/=l,2,3,.......,局描述了偏離式(6)或式(7)所示的理想線性關(guān)系的最大允許偏差。向量g可根據(jù)式(10)定義的誤差向量e試算選定。在初始坐標(biāo)向量C。(實(shí)測得到)、索結(jié)構(gòu)單位損傷坐標(biāo)變化矩陣JC (計(jì)算得 到)、實(shí)測當(dāng)前坐標(biāo)向量C和單位損傷D"(計(jì)算z)C前設(shè)定)已知時(shí)，可以利用合適 的算法(例如多目標(biāo)優(yōu)化算法)求解式(11)，獲得索損傷向量^的可接受的解， 從而確定受損索的位置和損傷程度。本發(fā)明的第三部分健康監(jiān)測系統(tǒng)的軟件和硬件部分。硬件部分包括形狀(坐 標(biāo))監(jiān)測系統(tǒng)、信號(hào)采集器和計(jì)算機(jī)。要求實(shí)時(shí)監(jiān)測每一個(gè)指定點(diǎn)的所有指定方 向的坐標(biāo)。軟件應(yīng)當(dāng)具用下列功能軟件部分首先根據(jù)形狀(坐標(biāo))監(jiān)測系統(tǒng)傳 來的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)分析得到當(dāng)前坐標(biāo)向量C，然后讀取預(yù)先存儲(chǔ)的索系統(tǒng)單 位損傷坐標(biāo)變化矩陣z(C、初始坐標(biāo)向量C。和單位損傷值D ，依據(jù)合適的算法(例 如多目標(biāo)優(yōu)化算法)求解式(11)，得到索系統(tǒng)的索損傷向量d的非劣解，也就是 帶有合理誤差、但可以比較準(zhǔn)確地從索系統(tǒng)中確定受損索的位置及其損傷程度的 解。本發(fā)明方法具體包括a. 確定索的編號(hào)規(guī)則，按此規(guī)則將索結(jié)構(gòu)中所有的索編號(hào)，該編號(hào)在后續(xù)步 驟中將用于生成向量和矩陣；b. 確定指定的被測量點(diǎn)，被測量點(diǎn)即表征結(jié)構(gòu)形狀的所有指定點(diǎn)，并給所有 指定點(diǎn)編號(hào)；確定被測量點(diǎn)的被測量的坐標(biāo)方向，并編號(hào)；上述編號(hào)在后續(xù)步驟中同樣將用于生成向量和矩陣；測量點(diǎn)的數(shù)量一般不得小于索的數(shù)量；所有被測量的指定點(diǎn)的所有指定坐標(biāo)方向的數(shù)量之和不得小于索的數(shù)量；c. 在索結(jié)構(gòu)無損傷條件或可認(rèn)為無損傷條件下，直接測量計(jì)算得到索結(jié)構(gòu)的所有指定點(diǎn)的初始坐標(biāo)，組成初始坐標(biāo)向量C。；d. 在索結(jié)構(gòu)無損傷條件或可認(rèn)為無損傷條件下，在實(shí)測得到初始坐標(biāo)向量的 同時(shí)，實(shí)測得到索結(jié)構(gòu)的所有索的初始索力數(shù)據(jù)；e. 根據(jù)索結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖、竣工圖和索結(jié)構(gòu)的實(shí)測數(shù)據(jù)，建立索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì) 算基準(zhǔn)模型，索結(jié)構(gòu)的實(shí)測數(shù)據(jù)至少包括結(jié)構(gòu)的所有索的初始索力數(shù)據(jù)和初始坐 標(biāo)向量；f. 在力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次力學(xué)計(jì)算，通過計(jì)算獲得單位損 傷坐標(biāo)變化矩陣JC;g. 實(shí)測得到索結(jié)構(gòu)的所有指定點(diǎn)的當(dāng)前實(shí)測坐標(biāo)，組成當(dāng)前坐標(biāo)向量C;h. 定義索系統(tǒng)當(dāng)前損傷向量J，當(dāng)前損傷向量的元素個(gè)數(shù)等于索的數(shù)量，當(dāng) 前損傷向量的元素和索之間是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)前損傷向量的元素?cái)?shù)值代表對(duì)應(yīng) 索的損傷程度或健康狀態(tài)；i. 依據(jù)當(dāng)前坐標(biāo)向量C同初始坐標(biāo)向量C。、單位損傷坐標(biāo)變化矩陣ZfC、單 位損傷標(biāo)量Z)"和待求的索系統(tǒng)當(dāng)前損傷向量"間存在的近似線性關(guān)系，該近似線 性關(guān)系可表達(dá)為式l，式l中除c/外的其它量均為己知，求解式l就可以算出當(dāng)前 損傷向量d;<formula>formula see original document page 9</formula>j.由于當(dāng)前損傷向量d的元素?cái)?shù)值代表對(duì)應(yīng)索的損傷程度，所以根據(jù)當(dāng)前損 傷向量確定有哪些索受損及其損傷程度，即實(shí)現(xiàn)了索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)的健康監(jiān)測； 若當(dāng)前索損傷向量的某一元素的數(shù)值為O，表示該元素所對(duì)應(yīng)的索是完好的，沒有 損傷的；若其數(shù)值為100%，則表示該元素所對(duì)應(yīng)的索已經(jīng)完全喪失承載能力；若 其數(shù)值介于O和100%之間，則表示該索喪失了相應(yīng)比例的承載能力。在步驟f中，獲得單位損傷坐標(biāo)變化矩陣的具體方法為fl.在力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次力學(xué)計(jì)算，計(jì)算次數(shù)數(shù)值上等于 所有索的數(shù)量，有7V根索就有iV次計(jì)算，每一次計(jì)算假設(shè)索系統(tǒng)中只有一根索有 單位損傷，每一次計(jì)算中出現(xiàn)損傷的索不同于其它次計(jì)算中出現(xiàn)損傷的索，每一次計(jì)算得到索結(jié)構(gòu)中所有指定點(diǎn)的所有當(dāng)前坐標(biāo)分量，每一次計(jì)算得到的所有當(dāng) 前坐標(biāo)組成一個(gè)計(jì)算當(dāng)前坐標(biāo)向量；f2.每一次計(jì)算得到的那個(gè)計(jì)算當(dāng)前坐標(biāo)向量減去初始坐標(biāo)向量得到一個(gè)坐標(biāo) 變化向量；有iV根索就有7V個(gè)坐標(biāo)變化向量；f3.由這JV個(gè)坐標(biāo)變化向量依次組成有W列的單位損傷坐標(biāo)變化矩陣；或者說 單位損傷坐標(biāo)變化矩陣的每一列對(duì)應(yīng)于一個(gè)坐標(biāo)變化向量。有益效果本發(fā)明公開的系統(tǒng)和方法在只有不太多的索(例如30根索或30% 的索)同步受損的條件下可以非常準(zhǔn)確地監(jiān)測評(píng)估出索系統(tǒng)的健康狀態(tài)(包括所 有受損索的位置和損傷程度，因?yàn)榇藭r(shí)索結(jié)構(gòu)的變形較小，線性關(guān)系較好)。在受 損索很多(例如多于30根索或50%以上索同步受損)時(shí)，可以相當(dāng)準(zhǔn)確地監(jiān)測評(píng) 估出絕大部分受損索的位置及其損傷程度?？紤]到索系統(tǒng)的索損傷通常是非均衡、 非大量索同步受損的，本發(fā)明公開的系統(tǒng)和方法對(duì)索系統(tǒng)的有效健康監(jiān)測是非常 有益的。
具體實(shí)施方式
針對(duì)索結(jié)構(gòu)(特別是大型索結(jié)構(gòu)，例如大型斜拉橋、懸索橋)的索系統(tǒng)的健 康監(jiān)測，本發(fā)明公開了一種能夠合理有效地監(jiān)測索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)中每一根索的健 康狀況的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的實(shí)施例的下面說明實(shí)質(zhì)上僅僅是示例性的，并且 目的絕不在于限制本發(fā)明的應(yīng)用或使用。本發(fā)明采用一種算法，該算法用于監(jiān)測索結(jié)構(gòu)(特別是大型索結(jié)構(gòu)，例如大 型斜拉橋、懸索橋)中的索系統(tǒng)(所有索)的健康狀態(tài)。具體實(shí)施時(shí)，下列步驟 是可采取的各種步驟中的一種。第一步確定索的編號(hào)規(guī)則，按此規(guī)則將所有的索編號(hào)。該編號(hào)在后續(xù)步驟 中將用于生成向量和矩陣。確定被測量點(diǎn)(即所有表征結(jié)構(gòu)形狀的指定點(diǎn))及被 測量的坐標(biāo)分量，并給其編號(hào)。每一個(gè)指定點(diǎn)可以就是每一根索的固定端點(diǎn)(例 如是斜拉橋的拉索在橋面上的固定端)；該編號(hào)在后續(xù)步驟中同樣將用于生成向量 和矩陣；測量點(diǎn)的數(shù)量不得小于索的數(shù)量。在每一指定點(diǎn)可以僅僅測量一個(gè)方向 的坐標(biāo)，也可以測量多個(gè)方向的坐標(biāo)。第二歩直接測量或測量后計(jì)算得到索結(jié)構(gòu)的所有指定點(diǎn)的所有指定方向的 初始坐標(biāo)，所有指定點(diǎn)的初始坐標(biāo)數(shù)值組成初始坐標(biāo)向量C。。同時(shí)，直接測量或測量后計(jì)算得到索結(jié)構(gòu)的所有索的初始索力。第三步建立索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型。根據(jù)索結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖、竣工圖和 索結(jié)構(gòu)的實(shí)測數(shù)據(jù)(包括結(jié)構(gòu)初始形狀或坐標(biāo)數(shù)據(jù)、所有索的初始索力、結(jié)構(gòu)模 態(tài)數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)，對(duì)斜拉橋、懸索橋而言是橋的橋型數(shù)據(jù)、坐標(biāo)數(shù)據(jù)、索力數(shù)據(jù)、 橋的模態(tài)數(shù)據(jù))，利用力學(xué)方法(例如采用有限元法)建立該結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn) 模型(例如有限元基準(zhǔn)模型)，基于該基準(zhǔn)模型計(jì)算得到結(jié)構(gòu)的計(jì)算數(shù)據(jù)(對(duì)斜拉 橋、懸索橋而言至少是橋的索力數(shù)據(jù)和橋型數(shù)據(jù)即坐標(biāo)數(shù)據(jù))必須非常接近其實(shí) 測數(shù)據(jù)，誤差一般不得大于5%。第四步建立索結(jié)構(gòu)單位損傷坐標(biāo)變化矩陣JC。在索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模 型的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次計(jì)算，計(jì)算次數(shù)數(shù)值上等于所有索的數(shù)量。每一次計(jì)算假 設(shè)索系統(tǒng)中只有一根索有單位損傷" (單位損傷應(yīng)較小、且其引起的坐標(biāo)變化能 夠被傳感器準(zhǔn)確識(shí)別出來，例如取10%損傷為單位損傷)，每一次計(jì)算中出現(xiàn)損傷 的索不同于其它次計(jì)算中出現(xiàn)損傷的索，每一次計(jì)算都利用力學(xué)方法(例如采用 有限元法)計(jì)算索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)中所有指定點(diǎn)的所有指定方向的當(dāng)前坐標(biāo)，每一 次計(jì)算組成一個(gè)計(jì)算當(dāng)前坐標(biāo)向量C;每一次計(jì)算得到的計(jì)算當(dāng)前坐標(biāo)向量減去 初始坐標(biāo)向量，所得向量就是此條件下(以有單位損傷的索的位置或編號(hào)等為標(biāo) 記)的坐標(biāo)變化向量，坐標(biāo)變化向量的每一元素表示由于計(jì)算時(shí)假定有單位損傷 的那根索的單位損傷而引起的該元素所對(duì)應(yīng)的指定點(diǎn)的指定方向的坐標(biāo)改變量；有W根索就有iV個(gè)坐標(biāo)變化向量，每個(gè)坐標(biāo)變化向量有M個(gè)元素(有K個(gè)指定 點(diǎn)、每個(gè)指定點(diǎn)被指定測量丄個(gè)方向的坐標(biāo)，或者不同的指定點(diǎn)有不 一定相同數(shù)量的測量方向，M是被測量坐標(biāo)分量的數(shù)量之和)，由這W個(gè)坐標(biāo)變化 向量依次組成有MxW個(gè)元素的單位損傷坐標(biāo)變化矩陣^dC，或者說單位損傷坐標(biāo) 變化矩陣ZIC的每一列對(duì)應(yīng)于一個(gè)坐標(biāo)變化向量。第五步建立線性關(guān)系誤差向量e和向量g。利用前四步的數(shù)據(jù)(初始坐標(biāo)向 量C。、單位損傷坐標(biāo)變化矩陣ZIC)，在第四步進(jìn)行每一次計(jì)算的同時(shí)，即在"每 一次計(jì)算假設(shè)索系統(tǒng)中只有一根索有單位損傷Z)"，每一次計(jì)算中出現(xiàn)損傷的索不 同于其它次計(jì)算中出現(xiàn)損傷的索，每一次計(jì)算都利用力學(xué)方法(例如采用有限元 法)計(jì)算索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)中所有指定點(diǎn)的所有指定方向的當(dāng)前坐標(biāo)，每一次計(jì)算 組成一個(gè)計(jì)算當(dāng)前坐標(biāo)向量C"的同時(shí)，每一次計(jì)算組成一個(gè)損傷向量A該損傷 向量d的所有元素中只有一個(gè)元素的數(shù)值取D"，其它元素的數(shù)值取O，損傷向量^中數(shù)值是D 的元素對(duì)應(yīng)于該次計(jì)算時(shí)唯一受損索的單位損傷程度將C、 C。、JC、 rf帶入式(10)，得到一個(gè)線性關(guān)系誤差向量"每一次計(jì)算得到一個(gè)線 性關(guān)系誤差向量e;有iV根索就有iV次計(jì)算，就有iV個(gè)線性關(guān)系誤差向量e，將 這W個(gè)線性關(guān)系誤差向量e相加后得到一個(gè)向量，將此向量的每一個(gè)元素除以TV 后得到的新向量就是最終的線性關(guān)系誤差向量e。向量g等于最終的誤差向量"第六步安裝索結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的硬件部分。硬件部分至少包括坐標(biāo)監(jiān) 測系統(tǒng)(例如含傳感器、信號(hào)調(diào)理器等)、信號(hào)采集器、計(jì)算機(jī)和通信報(bào)警設(shè)備。 每一個(gè)指定點(diǎn)的每一個(gè)指定方向的坐標(biāo)都必須被坐標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到；坐標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測每一個(gè)指定點(diǎn)的每一個(gè)指定方向的坐標(biāo)，并將信號(hào)并傳輸?shù)叫盘?hào)(數(shù)據(jù))采集器；信號(hào)經(jīng)信號(hào)采集器傳遞到計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)則負(fù)責(zé)運(yùn)行索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)的 健康監(jiān)測軟件，包括記錄信號(hào)采集器傳遞來的信號(hào)；當(dāng)監(jiān)測到索有損傷時(shí)，計(jì)算 機(jī)控制通信報(bào)警設(shè)備向監(jiān)控人員、業(yè)主和(或)指定的人員報(bào)警。第七步將初始坐標(biāo)向量C。、索結(jié)構(gòu)單位損傷坐標(biāo)變化矩陣」C和單位損傷i^等參數(shù)以數(shù)據(jù)文件的方式保存在運(yùn)行健康監(jiān)測系統(tǒng)軟件的計(jì)算機(jī)硬盤上。第八步編制并在計(jì)算機(jī)上安裝運(yùn)行索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)健康監(jiān)測系統(tǒng)軟件。該 軟件包括如下幾種功能模塊1.從存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)硬盤上的數(shù)據(jù)文件中讀取初始坐 標(biāo)向量C。、索結(jié)構(gòu)單位損傷坐標(biāo)變化矩陣Z1C、單位損傷D 和所有必要參數(shù)。2.定 時(shí)(或隨機(jī)觸發(fā)式)記錄通過信號(hào)采集器傳來的信號(hào)。3.對(duì)記錄的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理，計(jì)算得到每一個(gè)指定點(diǎn)的所有指定方向的當(dāng)前坐標(biāo)，所有的當(dāng)前坐標(biāo)組成當(dāng)前坐標(biāo)向量C。 4.依據(jù)當(dāng)前坐標(biāo)向量C同初始坐標(biāo)向量C。、單位損傷坐標(biāo)變化 矩陣^C、單位損傷標(biāo)量0 和索系統(tǒng)當(dāng)前損傷向量^ (由所有索當(dāng)前損傷量組成) 間存在的近似線性關(guān)系(式(6))，按照多目標(biāo)優(yōu)化算法計(jì)算索系統(tǒng)當(dāng)前損傷向量J 的非劣解，也就是帶有合理誤差、但可以比較準(zhǔn)確地從所有索中確定受損索的位 置及其損傷程度的解?？梢圆捎玫亩嗄繕?biāo)優(yōu)化算法有很多種，例如基于遺傳算法的多目標(biāo)優(yōu)化、基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多目標(biāo)優(yōu)化、基于粒子群的多目標(biāo)優(yōu)化算法、基于蟻群算法的多目標(biāo)優(yōu)化、約束法(Constrain Method)、加權(quán)法(Weighted Sum Method)、目 標(biāo)規(guī)劃法(Goal Attainment Method)等等。由于各種多目標(biāo)優(yōu)化算法都是常規(guī)算 法，可以方便地實(shí)現(xiàn)，本實(shí)施步驟僅以目標(biāo)規(guī)劃法為例給出求解當(dāng)前損傷向量" 的過程，其它算法的具體實(shí)現(xiàn)過程可根據(jù)其具體算法的要求以類似的方式實(shí)現(xiàn)。按照目標(biāo)規(guī)劃法，式(6)可以轉(zhuǎn)化成式(13)和式(14)所示的多目標(biāo)優(yōu)化 問題，式(13)中y是一個(gè)實(shí)數(shù)，i 是實(shí)數(shù)域，空間區(qū)域Q限制了向量^的每一 個(gè)元素的取值范圍(本實(shí)施例要求向量d的每一個(gè)元素不小于O，不大于l)。式 (13)的意思是尋找一個(gè)最小的實(shí)數(shù)y，使得式(14)得到滿足。式(14)中G問 由式(15)定義，式(14)中加權(quán)向量『與y的積表示式(14)中G問與向量g 之間允許的偏差，g的定義參見式(12)，其值已在第五步計(jì)算得到。實(shí)際計(jì)算時(shí) 向量PF可以與向量g相同。目標(biāo)規(guī)劃法的具體編程實(shí)現(xiàn)已經(jīng)有通用程序可以直接 采用。按照目標(biāo)規(guī)劃法就可以求得當(dāng)前索損傷向量么 minimize y(13)『〃g (14)G(t/) = ,+ AC" —C + C。) (15)若解得的當(dāng)前索損傷向量d的某一元素的數(shù)值為0，表示該元素所對(duì)應(yīng)的索是 完好的，沒有損傷的；若其數(shù)值為100%，則表示該元素所對(duì)應(yīng)的索已經(jīng)完全喪失 承載能力；若其數(shù)值介于0和100%之間，則表示該索喪失了相應(yīng)比例的承載能力。5. 數(shù)據(jù)生成功能。即可定期或由人員操作健康監(jiān)測系統(tǒng)生成索系統(tǒng)健康情況報(bào)表。6. 報(bào)警功能。在指定條件下，自動(dòng)操作通信報(bào)警設(shè)備向監(jiān)控人員、業(yè)主和(或)指 定的人員報(bào)警。
權(quán)利要求
1.一種基于空間坐標(biāo)監(jiān)測的索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)的健康監(jiān)測方法，其特征在于所述方法包括a.確定索的編號(hào)規(guī)則，按此規(guī)則將索結(jié)構(gòu)中所有的索編號(hào)，該編號(hào)在后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣；b.確定指定的被測量點(diǎn)，被測量點(diǎn)即表征結(jié)構(gòu)形狀的所有指定點(diǎn)，并給所有指定點(diǎn)編號(hào)；確定被測量點(diǎn)的被測量的坐標(biāo)方向，并編號(hào)；上述編號(hào)在后續(xù)步驟中同樣將用于生成向量和矩陣；測量點(diǎn)的數(shù)量一般不得小于索的數(shù)量；所有被測量的指定點(diǎn)的所有指定坐標(biāo)方向的數(shù)量之和不得小于索的數(shù)量；c.在索結(jié)構(gòu)無損傷條件或可認(rèn)為無損傷條件下，直接測量計(jì)算得到索結(jié)構(gòu)的所有指定點(diǎn)的初始坐標(biāo)，組成初始坐標(biāo)向量Co；d.在索結(jié)構(gòu)無損傷條件或可認(rèn)為無損傷條件下，在實(shí)測得到初始坐標(biāo)向量的同時(shí)，實(shí)測得到索結(jié)構(gòu)的所有索的初始索力數(shù)據(jù)；e.根據(jù)索結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖、竣工圖和索結(jié)構(gòu)的實(shí)測數(shù)據(jù)，建立索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型，索結(jié)構(gòu)的實(shí)測數(shù)據(jù)至少包括結(jié)構(gòu)的所有索的初始索力數(shù)據(jù)和初始坐標(biāo)向量；f.在力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次力學(xué)計(jì)算，通過計(jì)算獲得單位損傷坐標(biāo)變化矩陣ΔC；g.實(shí)測得到索結(jié)構(gòu)的所有指定點(diǎn)的當(dāng)前實(shí)測坐標(biāo)，組成當(dāng)前坐標(biāo)向量C；h.定義索系統(tǒng)當(dāng)前損傷向量d，當(dāng)前損傷向量的元素個(gè)數(shù)等于索的數(shù)量，當(dāng)前損傷向量的元素和索之間是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)前損傷向量的元素?cái)?shù)值代表對(duì)應(yīng)索的損傷程度或健康狀態(tài)；i.依據(jù)當(dāng)前坐標(biāo)向量C同初始坐標(biāo)向量Co、單位損傷坐標(biāo)變化矩陣ΔC、單位損傷標(biāo)量Du和待求的索系統(tǒng)當(dāng)前損傷向量d間存在的近似線性關(guān)系，該近似線性關(guān)系可表達(dá)為式1，式1中除d外的其它量均為已知，求解式1就可以算出當(dāng)前損傷向量d；<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>C</mi><mo>=</mo><msub> <mi>C</mi> <mi>o</mi></msub><mo>+</mo><mfrac> <mn>1</mn> <msub><mi>D</mi><mi>u</mi> </msub></mfrac><mi>&Delta;C</mi><mo>&CenterDot;</mo><mi>d</mi> </mrow>]]></math> id="icf0001" file="A2008100208500002C1.tif" wi="33" he="10" top= "238" left = "48" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>式1j.由于當(dāng)前損傷向量的元素?cái)?shù)值代表對(duì)應(yīng)索的損傷程度，所以根據(jù)當(dāng)前損傷向量就能確定有哪些索受損及其損傷程度，即實(shí)現(xiàn)了索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)的健康監(jiān)測；若當(dāng)前索損傷向量的某一元素的數(shù)值為0，表示該元素所對(duì)應(yīng)的索是完好的，沒有損傷的；若其數(shù)值為100％，則表示該元素所對(duì)應(yīng)的索已經(jīng)完全喪失承載能力；若其數(shù)值介于0和100％之間，則表示該索喪失了相應(yīng)比例的承載能力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于空間坐標(biāo)監(jiān)測的索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)的健康監(jiān)測方 法，其特征在于在步驟f中，獲得單位損傷坐標(biāo)變化矩陣的具體方法為fl.在力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次力學(xué)計(jì)算，計(jì)算次數(shù)數(shù)值上等于 所有索的數(shù)量，有7V根索就有W次計(jì)算，每一次計(jì)算假設(shè)索系統(tǒng)中只有一根索有 單位損傷，每一次計(jì)算中出現(xiàn)損傷的索不同于其它次計(jì)算中出現(xiàn)損傷的索，每一 次計(jì)算得到索結(jié)構(gòu)中所有指定點(diǎn)的所有當(dāng)前坐標(biāo)分量，每一次計(jì)算得到的所有當(dāng) 前坐標(biāo)組成一個(gè)計(jì)算當(dāng)前坐標(biāo)向量；f2.每一次計(jì)算得到的那個(gè)計(jì)算當(dāng)前坐標(biāo)向量減去初始坐標(biāo)向量得到一個(gè)坐 標(biāo)變化向量；有iV根索就有iV個(gè)坐標(biāo)變化向量；fi.由這JV個(gè)坐標(biāo)變化向量依次組成有iV列的單位損傷坐標(biāo)變化矩陣；或者 說單位損傷坐標(biāo)變化矩陣的每一列對(duì)應(yīng)于一個(gè)坐標(biāo)變化向量。
全文摘要
基于空間坐標(biāo)監(jiān)測的索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)的健康監(jiān)測方法在結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次力學(xué)計(jì)算，計(jì)算次數(shù)等于索的數(shù)量。每次計(jì)算假設(shè)只有一根索有單位損傷，每次計(jì)算結(jié)果組成一個(gè)計(jì)算當(dāng)前坐標(biāo)向量；每個(gè)計(jì)算當(dāng)前坐標(biāo)向量減去初始坐標(biāo)向量，獲得一個(gè)坐標(biāo)變化向量；所有的坐標(biāo)變化向量組成單位損傷坐標(biāo)變化矩陣。依據(jù)當(dāng)前坐標(biāo)向量(由所有指定點(diǎn)的當(dāng)前實(shí)測坐標(biāo)組成)同初始坐標(biāo)向量、單位損傷坐標(biāo)變化矩陣、單位損傷標(biāo)量和當(dāng)前索損傷向量(由所有索當(dāng)前損傷量組成)間存在的近似線性關(guān)系，可以利用多目標(biāo)優(yōu)化算法等合適的算法快速算出當(dāng)前索損傷向量的非劣解，據(jù)此可以比較準(zhǔn)確地確定受損索的位置及其損傷程度。
文檔編號(hào)G01M99/00GK101334338SQ200810020850
公開日2008年12月31日 申請(qǐng)日期2008年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月29日
發(fā)明者韓玉林 申請(qǐng)人:東南大學(xué)