專利名稱：基于混合監(jiān)測(cè)的索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)的遞進(jìn)式健康監(jiān)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明基于對(duì)多類參量的混合監(jiān)測(cè)，公開(kāi)了一種識(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)中的受損索的遞進(jìn)式健康監(jiān)測(cè)方法，屬工程結(jié) 構(gòu)健康監(jiān)測(cè)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(lái)整個(gè)結(jié)構(gòu)的失效，基于結(jié)構(gòu)健康 監(jiān)測(cè)技術(shù)來(lái)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(cè)技術(shù)主要通過(guò)對(duì)索力的監(jiān)測(cè)，根據(jù)索力的變化來(lái)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(wú)損傷)條件下，也會(huì)監(jiān)測(cè)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。實(shí)際上，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)的變形或應(yīng)變，還會(huì)影響索結(jié)構(gòu)的形狀或空間坐標(biāo)，還會(huì)引起過(guò)索結(jié)構(gòu)的每一點(diǎn)的任意 假想直線的角度坐標(biāo)的變化(例如結(jié)構(gòu)表面任意一點(diǎn)的切平面中的任意一根過(guò)該點(diǎn)的直線的角 度坐標(biāo)的變化，或者結(jié)構(gòu)表面任意一點(diǎn)的法線的角度坐標(biāo)的變化)，所有的這些變化都包含了索 系統(tǒng)的健康狀態(tài)信息，也就是說(shuō)可以利用多類參量的混合數(shù)據(jù)判斷結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。
為了能對(duì)索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)的健康狀態(tài)有可靠的監(jiān)測(cè)和判斷，應(yīng)當(dāng)有一個(gè)能夠合理有效的建 立索結(jié)構(gòu)的多類參量的變化同索系統(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(cè)系統(tǒng)可以給出可信的索系統(tǒng)的健康評(píng)估。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明的目的是提供一種基于多類參量的混合監(jiān)測(cè)的索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)的遞進(jìn)式 健康監(jiān)測(cè)方法，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(cè)問(wèn)題，基于對(duì)索結(jié)構(gòu)的多類參量進(jìn)行同時(shí)監(jiān)測(cè)，公開(kāi)了一種遞進(jìn)式地建立和分析監(jiān)測(cè)記錄 得到的多類參量數(shù)據(jù)同索系統(tǒng)的健康狀態(tài)間關(guān)系的方法，進(jìn)而能夠合理有效地監(jiān)測(cè)索結(jié)構(gòu)的索 系統(tǒng)的健康狀態(tài)的方法。
技術(shù)方案本發(fā)明由兩大部分組成。分別是 一、建立索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所 需的知識(shí)庫(kù)和參量的方法，以及基于知識(shí)庫(kù)(含參量)和實(shí)測(cè)信息的索系統(tǒng)的健康狀態(tài)評(píng)估方 法；二、健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件和硬件部分。本發(fā)明的第一部分建立索系統(tǒng)健康監(jiān)測(cè)所需的知識(shí)庫(kù)和參量的方法，以及基于知識(shí)庫(kù)(含 參量)和實(shí)測(cè)信息的索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)的健康狀態(tài)評(píng)估方法。可按如下步驟依次循環(huán)往復(fù)地、遞 進(jìn)式進(jìn)行，以獲得更準(zhǔn)確的索系統(tǒng)的健康狀態(tài)評(píng)估。
第一步每一次循環(huán)開(kāi)始時(shí)，首先需要建立或已建立本次循環(huán)開(kāi)始時(shí)的索系統(tǒng)初始損傷向
量rf。' GW,2,3'…)和結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A'(例如有限元基準(zhǔn)模型，M，2,3，…)，上標(biāo) i表示第i次循環(huán)。
第i次循環(huán)開(kāi)始時(shí)需要的索系統(tǒng)初始損傷向量記為4/ (如式(1)所示)，用《表示該次循 環(huán)開(kāi)始時(shí)索結(jié)構(gòu)(用力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型Ai表示)的索系統(tǒng)的健康狀態(tài)。
《=[4《了 (1)
式(1)中c/w(tl,2,3,…力M，2,3, .......,W)表示第i次循環(huán)開(kāi)始時(shí)、力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A'中
的索系統(tǒng)的第y根索的初始損傷值，厶為0時(shí)表示第/根索無(wú)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)表示第_/根索喪失相應(yīng)比例的承載能力。
設(shè)索系統(tǒng)中共有W根索，第一次循環(huán)開(kāi)始時(shí)建立索系統(tǒng)初始損傷向量(依據(jù)式(1)記為 ^。)時(shí)，利用索的無(wú)損檢測(cè)數(shù)據(jù)等能夠表達(dá)索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)建立索系統(tǒng)初始損傷向量W。。 如果沒(méi)有索的無(wú)損檢測(cè)數(shù)據(jù)及其他能夠表達(dá)索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)時(shí)，或者可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)初始狀 態(tài)為無(wú)損傷狀態(tài)時(shí)，向量c/。的各元素?cái)?shù)值取0。
第i次(/=2, 3, 4， 5， 6…)循環(huán)開(kāi)始時(shí)需要的索系統(tǒng)初始損傷向量d。，是在前一次(即第i-l 次，t2,3,4,5,6…)循環(huán)結(jié)束前計(jì)算獲得的，具體方法在后文敘述。
第i次循環(huán)開(kāi)始時(shí)需要建立的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型或已建立的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型記為A1。
第一次循環(huán)開(kāi)始時(shí)建立的索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型記為A1， A1是根據(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(cè)數(shù)據(jù)(一般包括索力數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)角度數(shù)據(jù)、形狀數(shù)據(jù)、空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)、 應(yīng)變數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)模態(tài)數(shù)據(jù)等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)斜拉橋、懸索橋而言是橋的索力數(shù)據(jù)、橋型數(shù)據(jù)、應(yīng) 變數(shù)據(jù)、角度數(shù)據(jù)、橋的模態(tài)數(shù)據(jù)等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù))等反映索結(jié)構(gòu)建成時(shí)初始狀態(tài)的數(shù)據(jù)，或反映 安裝健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)索結(jié)構(gòu)當(dāng)前狀態(tài)的數(shù)據(jù)，利用力學(xué)方法(例如有限元法)建立該結(jié)構(gòu)的力 學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型(例如有限元基準(zhǔn)模型)，基于該計(jì)算基準(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、懸索橋而言是橋的索力數(shù)據(jù)、橋型數(shù)據(jù)、應(yīng)變數(shù)據(jù)、角度數(shù)據(jù)等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù))必須非常接 近其實(shí)測(cè)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 的數(shù)據(jù)(例如索力數(shù)據(jù)、應(yīng)變數(shù)據(jù)、角度數(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(cè)數(shù)據(jù)。
第i次(/=2， 3， 4， 5， 6…)循環(huán)開(kāi)始時(shí)需要的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型V時(shí)，是在前一次(即第i-l 次，片2，3，4,5,6…)循環(huán)結(jié)束前計(jì)算獲得的，具體方法在后文敘述。
已有力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型Ai和索系統(tǒng)初始損傷向量W。后，模型A1中的各索的損傷由向量 W。表達(dá)。在Ai的基礎(chǔ)上，將所有索的損傷變更為O，力學(xué)模型A'更新為一個(gè)所有索的損傷都 為O的力學(xué)模型(記為A。)，力學(xué)模型Aa實(shí)際上是完好無(wú)損的索結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的力學(xué)模型。不妨稱 模型A^為索結(jié)構(gòu)的無(wú)損傷模型AQ。
結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測(cè)的索力數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上M;個(gè)指定索的M;個(gè)索力數(shù)據(jù)來(lái)描述，結(jié)構(gòu)索力的變化 就是所有指定索的索力的變化。每次共有個(gè)索力測(cè)量值或計(jì)算值來(lái)表征結(jié)構(gòu)的索力信息。 A^是一個(gè)不小于0， 一般不大于W的整數(shù)。結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測(cè)的應(yīng)變數(shù)據(jù)可由結(jié)構(gòu)上^個(gè)指定點(diǎn)的、及每個(gè)指定點(diǎn)的丄2個(gè)指定方向的應(yīng)
變來(lái)描述，結(jié)構(gòu)應(yīng)變數(shù)據(jù)的變化就是&個(gè)指定點(diǎn)的所有應(yīng)變分量的變化。每次共有T^ o/2=& xz^個(gè)應(yīng)變測(cè)量值或計(jì)算值來(lái)表征結(jié)構(gòu)應(yīng)變。JkG是一個(gè)不小于o， 一般不大于w的整數(shù)。
結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測(cè)的角度數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上^個(gè)指定點(diǎn)的、過(guò)每個(gè)指定點(diǎn)的"個(gè)指定直線的、每 個(gè)指定直線的/^個(gè)角度坐標(biāo)分量來(lái)描述，結(jié)構(gòu)角度的變化就是所有指定點(diǎn)的、所有指定直線的、 所有指定的角度坐標(biāo)分量的變化。每次共有M5 o^=&x^;<7/p個(gè)角度坐標(biāo)分量測(cè)量值或計(jì) 算值來(lái)表征結(jié)構(gòu)的角度信息。ao是一個(gè)不小于o， 一般不大于w的整數(shù)。
結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測(cè)的形狀數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上《￥個(gè)指定點(diǎn)的、及每個(gè)指定點(diǎn)的丄4個(gè)指定方向的空間
坐標(biāo)來(lái)描述，結(jié)構(gòu)形狀數(shù)據(jù)的變化就是《4個(gè)指定點(diǎn)的所有坐標(biāo)分量的變化。每次共有a^O/產(chǎn)i^ XX》個(gè)坐標(biāo)測(cè)量值或計(jì)算值來(lái)表征結(jié)構(gòu)形狀。M^是一個(gè)不小于0， 一般不大于W的整數(shù)。
綜合上述所有被監(jiān)測(cè)量，整個(gè)結(jié)構(gòu)共有M a/=M;+M2+^+M^個(gè)被監(jiān)測(cè)量，定義參量尺 (i^M;+x2+^+^)，尺和M—般不得小于索的數(shù)量W。由于M個(gè)被監(jiān)測(cè)量可以是不同類型的， 所以本發(fā)明稱為"基于混合監(jiān)測(cè)的索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)的遞進(jìn)式健康監(jiān)測(cè)方法"。用向量C'。 (/=1,2, 3,…)表示第i次(/=1， 2, 3， 4， 5， 6…)循環(huán)開(kāi)始時(shí)索結(jié)構(gòu)中所有指定的被監(jiān)測(cè)量的初始值(參見(jiàn) 式(2))， C'。稱為"第i次循環(huán)被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量"。
C〉[C二 & C" W (2)
式(2)中C'。"片l,2，3,…；t=l,2，3, .......,M;M》W;)是第i次循環(huán)開(kāi)始時(shí)、索結(jié)構(gòu)中第/t個(gè)
被監(jiān)測(cè)量，r表示向量的轉(zhuǎn)置(后同)。向量C'。是由前面定義的M個(gè)被監(jiān)測(cè)量依據(jù)一定順序排 列而成，對(duì)此排列順序并無(wú)特殊要求，只要求后面所有相關(guān)向量也按此順序排列數(shù)據(jù)即可。
第一次循環(huán)開(kāi)始時(shí)，被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量C'。(見(jiàn)式(2))由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)組成，由于根據(jù) 模型ah十算所得被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值可靠地接近于相對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)數(shù)值，在后面的敘述中，將用 同一符號(hào)來(lái)表示該計(jì)算值組成向量和實(shí)測(cè)值組成向量。
第i次(/=2, 3, 4, 5， 6…)循環(huán)開(kāi)始時(shí)需要的被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量C'。，是在前一次(即第 i-l次，/=2，3，4,5，6-)循環(huán)結(jié)束前計(jì)算獲得的，具體方法在后文敘述。
第二步每一次循環(huán)需建立"單位損傷被監(jiān)測(cè)量數(shù)值變化矩陣"，第i次循環(huán)建立的"單位 損傷被監(jiān)測(cè)量數(shù)值變化矩陣"記為JC'(片1，2,3，…)。
第一次循環(huán)建立的索結(jié)構(gòu)"單位損傷被監(jiān)測(cè)量數(shù)值變化矩陣"記為ZIC7。建立Z(C7的過(guò)程 如下
在索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A1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)中只有一根索在原有損傷(原有損傷可以為0，也可以不為0)的 基礎(chǔ)上再增加單位損傷(單位損傷應(yīng)較小、且其引起的被監(jiān)測(cè)量數(shù)值變化能夠被傳感器準(zhǔn)確識(shí) 別出來(lái)，例如取10%損傷為單位損傷)。為方便計(jì)算，每一次循環(huán)中設(shè)定單位損傷時(shí)可以都是把 該次循環(huán)開(kāi)始時(shí)的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)當(dāng)成是完全健康的，并在此基礎(chǔ)上設(shè)定單位損傷(在后續(xù)步驟 中、計(jì)算出的、索的損傷數(shù)值---稱為名義損傷^(/=1,2, 3，…)，都是相對(duì)于將該次循環(huán)開(kāi)始時(shí) 的、將索的健康狀態(tài)當(dāng)成是完全健康而言的，因此必須依據(jù)后文給出的公式將計(jì)算出的名義損 傷換算成真實(shí)損傷。)。同一次循環(huán)的每一次計(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，并且每一次假定有損傷的索的單位損傷值可以不同于其他索的單位損傷值，用"名義單 位損傷向量DV'(如式(3)所示)記錄各次循環(huán)中所有索的假定的單位損傷，第一次循環(huán)時(shí)記為Z):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、在前面已指定的M個(gè)被 監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前計(jì)算值，每一次計(jì)算所得M個(gè)被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前計(jì)算值組成一個(gè)"被監(jiān)測(cè)量的計(jì)算 當(dāng)前數(shù)值向量"(當(dāng)假設(shè)第y'根索有單位損傷時(shí)，可用式(4)表示所有指定的M個(gè)被監(jiān)測(cè)量的 計(jì)算當(dāng)前數(shù)值向量C )；每一次計(jì)算得到的被監(jiān)測(cè)量的計(jì)算當(dāng)前數(shù)值向量減去被監(jiān)測(cè)量的初始 數(shù)值向量C'。，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"被監(jiān)測(cè) 量的數(shù)值變化向量"(當(dāng)?shù)趤V根索有單位損傷時(shí)，用3C',表示被監(jiān)測(cè)量的數(shù)值變化向量，3d,的 定義見(jiàn)式(5)、式(6)和式(7)，式(5)為式(4)減去式(2)后再除以向量￡); 的第7'個(gè)元 素A^所得)，被監(jiān)測(cè)量的數(shù)值變化向量<5C: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(例如第/根索)的單位損傷(例如Ay)，而引起的該元素所對(duì)應(yīng)的被監(jiān)測(cè)量的數(shù)值改變量 相對(duì)于假定的單位損傷A,的變化率；有W根索就有W個(gè)"被監(jiān)測(cè)量的數(shù)值變化向量"，每個(gè) 被監(jiān)測(cè)量的數(shù)值變化向量有M (—般的，M》AO個(gè)元素，由這W個(gè)"被監(jiān)測(cè)量的數(shù)值變化向 量"依次組成有MxW個(gè)元素的"單位損傷被監(jiān)測(cè)量數(shù)值變化矩陣/(C'" a/行w列A每一個(gè) 向量(5C',(戶1,2，3, .......,A0是矩陣J^的一列，JC'的定義如式(8)所示。
化=[化化2 ^v了 (3)
式(3)中名義單位損傷向量^ 的元素^ ,(戶1,2，3，…；戶1,2,3,…….,A0表示第/次循環(huán)中 假定的第J'根索的單位損傷數(shù)值，向量Z)^中的各元素的數(shù)值可以相同也可以不同。
Cy =C,H C汰2 C妙 CyM] (4)
式(4)中元素C'妙(!'=1,2,3,…,戶1,2，3,.......,JV,. h1,2,3,.......,M; M》W)表示第/次循
環(huán)由于第j'根索有單位損傷時(shí)，依據(jù)編號(hào)規(guī)則所對(duì)應(yīng)的第A個(gè)指定的被監(jiān)測(cè)量的計(jì)算當(dāng)前數(shù)值。
;《_《
)=^T^ (5)
"j
式(5)中各量的上標(biāo)/ (/=1,2, 3，...)表示第/次循環(huán)，下標(biāo)/ (戶1,2,3，.......,AO表示第乂根索
有單位損傷，式中/)' 7是向量￡)' 中的第_/個(gè)元素。向量SC',的定義如式(6)所示，3C)的第t 2,3, .......M》AO個(gè)元素5C'^表示第/次循環(huán)中，建立矩陣z(C'時(shí)，假定第y根索有單位損傷
時(shí)計(jì)算所得第A:個(gè)被監(jiān)測(cè)量的改變量相對(duì)于假定的單位損傷Z);的變化率，其定義如式(7)所示。
化)2 5C;J (6)
、't 、4
式(7)中各量的定義已在前面敘述過(guò)。
(7)
'W」 (8)
.,AO表示第z'次循環(huán)中，由于第;'根索有單位
式(8)中向量5C)(^1,2，3,......... _/=1,2, 3,.
損傷"'w而引起的、所有被監(jiān)測(cè)量的相對(duì)數(shù)值變化。矩P車z/C'的列(下標(biāo)7')的編號(hào)規(guī)則與前面向 量J。的元素的下標(biāo)y的編號(hào)規(guī)則相同。
第三步識(shí)別索系統(tǒng)的當(dāng)前健康狀態(tài)。具體過(guò)程如下。
第Z 0=1,2,3,...)次循環(huán)中，索系統(tǒng)"被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前(計(jì)算或?qū)崪y(cè))數(shù)值向量C'"同"被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量C'。"、"單位損傷被監(jiān)測(cè)量數(shù)值變化矩陣JC'"和"當(dāng)前名義損傷向 量^"間的近似線性關(guān)系，如式(9)或式(10)所示。
C'《+ AC'、《 (9)
C'_C:=AC'、《 (10)
式(9)和式(10)中被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前(計(jì)算或?qū)崪y(cè))數(shù)值向量C'的定義類似于被監(jiān)測(cè)量的初始 數(shù)值向量C'。的定義，見(jiàn)式(11);索系統(tǒng)當(dāng)前名義損傷向量A的定義見(jiàn)式(12)。
c'=[c( c; c: c;丫 (ii)
式(11)中元素CV(/4,2，3,.......;*=1，2,3，.......，M; M》A0是第/次循環(huán)時(shí)索結(jié)構(gòu)的、依據(jù)
編號(hào)規(guī)則所對(duì)應(yīng)的編號(hào)為A的被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值。
4丫 (12)
式(12)中Wq (/=1，2,3，.......;產(chǎn)1,2,3,......., AO是第/次循環(huán)中索系統(tǒng)第_/根索的當(dāng)前名義損
傷值，向量A.的元素的下標(biāo)y的編號(hào)規(guī)則與矩陣zJC'的列的編號(hào)規(guī)則相同。
當(dāng)索實(shí)際損傷不太大時(shí)，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
(9) 或式(10)所表示的這樣一種線性關(guān)系同實(shí)際情況的誤差較小，誤差可用誤差向量^ (式 (13))定義，表示式(9)或式(10)所示線性關(guān)系的誤差。
e'=c fc(AC、《-C'+C》 (13)
式(13)中"fe()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。
由于式(9)或式(10)所表示的線性關(guān)系存在一定誤差，因此不能簡(jiǎn)單根據(jù)式(9)或式
(10) 和"被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前(實(shí)測(cè))數(shù)值向量C。'來(lái)直接求解得到索當(dāng)前名義損傷向量A。如 果這樣做了，得到的損傷向量c^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^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(14)來(lái)表達(dá)這一方法。
血(AC' 《-C' + C:)《g' (14)
式(14)中afe()是取絕對(duì)值函數(shù)，向量giS述偏離理想線性關(guān)系(式(9)或式(10))的合理 偏差，由式(15)定義。
g'=[g;虬丫 (15)
式(15)中g(shù)、0'=l，2,3,.......;A=1，2，3,.......,M)描述了第;次循環(huán)中偏離式(9)或式(10)
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(13)定義的誤差向量/l式算選定。
在被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量C'。(實(shí)測(cè)或計(jì)算得到)、索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測(cè)量數(shù)值變化矩 陣^C'(計(jì)算得到)和被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值向量C (實(shí)測(cè)得到)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(14)，獲得索系統(tǒng)當(dāng)前名義損傷向量A的可接受的解，索系統(tǒng)當(dāng)前 實(shí)際損傷向量^ (定義見(jiàn)式(16))的元素可以根據(jù)式(17)計(jì)算得到，也就是得到了索當(dāng)前實(shí) 際損傷向量^'，從而可由W確定受損索的位置和損傷程度，也就是實(shí)現(xiàn)了索系統(tǒng)的健康監(jiān)測(cè)。<formula>formula see original document page 10</formula> (16)
式(16)中《(—1，2,3，…,v、1，2，3,.......,A0表示第;:次循環(huán)中第y根索的實(shí)際損傷值，其定義
見(jiàn)式(17)，《為0時(shí)表示第y根索無(wú)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)表示第y根索喪失相應(yīng)比例的承載能力，向量^的元素的編號(hào)規(guī)則與式()中向量c/。的元 素的編號(hào)規(guī)則相同。
《"-(1-《)(1-《) (17)
式(17)中<(/=1,2, 3,4， ;;'=1，2,3,……,A0是向量^。的第乂個(gè)元素，d^是向量^c的第乂個(gè) 元素。
第四步判斷是否結(jié)束本次(第Z次)循環(huán)，如果是，則完成本次循環(huán)結(jié)束前的收尾工作，
為下一次(即第/+1次，/-1,2,3,4,)循環(huán)準(zhǔn)備力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型和必要的向量。具體過(guò)程如 下。
在本次(第Z次)循環(huán)中求得當(dāng)前名義損傷向量A后，首先，按照式(18)建立標(biāo)識(shí)向量P， 式(19)給出了標(biāo)識(shí)向量P的第)個(gè)元素的定義；如果標(biāo)識(shí)向量W的元素全為O，則在本次循環(huán)中 繼續(xù)對(duì)索系統(tǒng)的健康監(jiān)測(cè)和計(jì)算；如果標(biāo)識(shí)向量"的元素不全為O，則完成后續(xù)步驟后，進(jìn)入下 一次循環(huán)。所謂的后續(xù)步驟為首先，根據(jù)式(20)計(jì)算得到下一次(即第/+1次，/=1,2,3,4，…) 循環(huán)所需的初始損傷向量《+'。的每一個(gè)元素^+;;第二，在力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A1(^1，2,3,4,…) 或索結(jié)構(gòu)的無(wú)損傷模型A^的基礎(chǔ)上，令索的健康狀況狀況為《+'。后更新得到下一次(第i+l次， /=1,2,3，4,-)循環(huán)所需的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A'";最后，通過(guò)對(duì)力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A'w的計(jì)算 得到被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值，由其組成下一次(即第i+l次，/=1, 2, 3, 4,…)循環(huán)所需的"被監(jiān) 測(cè)量的初始數(shù)值向量C'+'。" (~1， 2, 3， 4,…)。
F'=[《^《 i^:—
式(18)中標(biāo)識(shí)向量P的上標(biāo)/表示第i次循環(huán)，其元素。0'=1, 2, 3， 根索的損傷特征，只能取0和1兩個(gè)量，具體取值規(guī)則見(jiàn)式(19)。
"JO, ^《《 J 1, ^《^
(18)
N)的下標(biāo)j'表示第y
(19)
式(19)中元素《是標(biāo)識(shí)向量W的第y個(gè)元素，D;是名義單位損傷向量/)' 的第7個(gè)元素(見(jiàn)式(3))， c^是索系統(tǒng)當(dāng)前名義損傷向量rf'c的第y個(gè)元素(見(jiàn)式(12))，它們都表示第y根索的相關(guān)信息。 《、l —(l一《)(l-《巧) (20)
式(20)中1);是名義單位損傷向量￡>' 的第7'個(gè)元素(見(jiàn)式(3)), c4是索系統(tǒng)當(dāng)前名義損傷向量 A的第7個(gè)元素(見(jiàn)式(12))。
本發(fā)明的第二部分健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件和硬件部分。硬件部分包括監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、信號(hào)采集 器和計(jì)算機(jī)。要求實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每一個(gè)指定被監(jiān)測(cè)量的數(shù)值，這已有許多成熟的測(cè)量 方法。軟件應(yīng)當(dāng)具用下列功能軟件部分應(yīng)當(dāng)能夠完成本發(fā)明的第一部分所設(shè)定的過(guò)程，即首 先根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳來(lái)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)分析得到被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值向量C'，然后讀取預(yù)先 存儲(chǔ)的索結(jié)構(gòu)的單位損傷被監(jiān)測(cè)量數(shù)值變化矩陣z(d、被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量C'。和名義單位損傷向量/)' ，依據(jù)合適的算法(例如多目標(biāo)優(yōu)化算法)求解式(14)，得到索系統(tǒng)的當(dāng)前名義 損傷向量"'c的非劣解，按照式(17)得到索系統(tǒng)當(dāng)前實(shí)際損傷向量^，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。軟件部分還要根據(jù)每一次 循環(huán)求得的標(biāo)識(shí)向量"的具體情況判斷是否需要進(jìn)入下一次循環(huán)。
本發(fā)明方法具體包括
a. 設(shè)共有N根索，首先確定索的編號(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. 確定指定的將被監(jiān)測(cè)索力的索，給這些索編號(hào)；確定指定的將被監(jiān)測(cè)應(yīng)變的結(jié)構(gòu)上的點(diǎn)， 給這些點(diǎn)編號(hào)，確定將被監(jiān)測(cè)應(yīng)變的點(diǎn)的、將被監(jiān)測(cè)的應(yīng)變方向，并編號(hào)；確定指定的將被監(jiān) 測(cè)角度坐標(biāo)的點(diǎn)，將會(huì)監(jiān)測(cè)過(guò)這些指定點(diǎn)的一些指定直線的角度坐標(biāo)的變化，給所有指定點(diǎn)編 號(hào)，確定過(guò)這些測(cè)量點(diǎn)的被測(cè)量直線，給所有指定的被測(cè)量直線編號(hào)，確定每一被測(cè)量直線的 被測(cè)量的角度坐標(biāo)分量，給所有被測(cè)量角度坐標(biāo)分量編號(hào)；確定指定的將被監(jiān)測(cè)空間坐標(biāo)的點(diǎn)， 將會(huì)監(jiān)測(cè)這些指定點(diǎn)的空間坐標(biāo)，給所有指定點(diǎn)編號(hào)，確定被監(jiān)測(cè)點(diǎn)的、被監(jiān)測(cè)的坐標(biāo)分量， 并編號(hào)。上述所有的被監(jiān)測(cè)點(diǎn)的個(gè)數(shù)之和與被監(jiān)測(cè)量的個(gè)數(shù)之和一般不得小于索的數(shù)量。上述 編號(hào)在后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣；
c. 利用索的無(wú)損檢測(cè)數(shù)據(jù)等能夠表達(dá)索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)建立索系統(tǒng)初始損傷向量W。。如 果沒(méi)有索的無(wú)損檢測(cè)數(shù)據(jù)及其他能夠表達(dá)索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)時(shí)，或者可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)
為無(wú)損傷狀態(tài)時(shí)，向量W。的各元素?cái)?shù)值取o。
d. 在建立索系統(tǒng)初始損傷向量^。的同時(shí)，直接測(cè)量計(jì)算得到索結(jié)構(gòu)的所有指定的被監(jiān)測(cè) 量，組成"被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量d。"；
e. 在建立索系統(tǒng)初始損傷向量^。和被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量C7。的同時(shí)，實(shí)測(cè)得到索結(jié)構(gòu) 的所有索的初始索力數(shù)據(jù)，實(shí)測(cè)得到索結(jié)構(gòu)的初始幾何數(shù)據(jù)；
f. 根據(jù)索結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖、竣工圖和索結(jié)構(gòu)的上述實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建立索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算模型， 基于該模型計(jì)算所得的計(jì)算數(shù)據(jù)同上述實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)越接近越好，其間的差異一般不得大于5%，此 時(shí)該模型被稱為結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A1。
g. 在力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A'的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次力學(xué)計(jì)算，通過(guò)計(jì)算獲得"單位損傷被監(jiān)測(cè) 量數(shù)值變化矩陣JC'"和"名義單位損傷向量￡ ' "。其中i表示循環(huán)次數(shù)，后面i及上標(biāo)i都表 示循環(huán)次數(shù)，i=l,2,3,......;
h. 實(shí)測(cè)得到索結(jié)構(gòu)的所有指定被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前實(shí)測(cè)數(shù)值，組成"被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值向量 C'"。給本步及本步之前出現(xiàn)的所有向量的元素編號(hào)時(shí)，應(yīng)使用同一編號(hào)規(guī)則，這樣可以保證本 步及本步之前出現(xiàn)的各向量的、編號(hào)相同的元素，表示同一被監(jiān)測(cè)量的、對(duì)應(yīng)于該元素所屬向 量所定義的相關(guān)信息；
i. 定義索系統(tǒng)當(dāng)前名義損傷向量A和當(dāng)前實(shí)際損傷向量J'，損傷向量的元素個(gè)數(shù)等于索的 數(shù)量，損傷向量的元素和索之間是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，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)；
j.依據(jù)"被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值向量C'"同"被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量C'。"、"單位損傷被監(jiān) 測(cè)量數(shù)值變化矩陣JC"'和"當(dāng)前名義損傷向量^V'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A外的其它量均為已知，求解式1就可以算出當(dāng)前名義損傷向量A;k.利用式2表達(dá)的當(dāng)前實(shí)際損傷向量^同初始損傷向量t/。和當(dāng)前名義損傷向量A的元素 間的關(guān)系，計(jì)算得到當(dāng)前實(shí)際損傷向量"'的所有元素。
式2中乂=1,2,3，......,N。
由于當(dāng)前實(shí)際損傷向量"'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)前實(shí)際損傷向量 "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(cè)；若當(dāng)前實(shí)際損 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(méi)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。
1.在求得當(dāng)前名義損傷向量c/c后，按照式3建立標(biāo)識(shí)向量P，式4給出了標(biāo)識(shí)向量^的第乂個(gè) 元素的定義；
F';[F/F2'^ F力f 式3
式3、式4中元素《是標(biāo)識(shí)向量y的第y個(gè)元素，￡^是名義單位損傷向量# 的第_/個(gè)元素，^g是索
系統(tǒng)當(dāng)前名義損傷向量A的第y個(gè)元素，它們都表示第7根索的相關(guān)信息。兩式中7.=1, 2, 3,……,N。 m.如果標(biāo)識(shí)向量P的元素全為O，則回到第h步繼續(xù)本次循環(huán)；如果標(biāo)識(shí)向量片的元素不全
為0，則進(jìn)入下一步、即第n步。
n.根據(jù)式5計(jì)算得到下一次、即第/+1次循環(huán)所需的初始損傷向量^"。的每一個(gè)元素^+~;
式5中是名義單位損傷向量D、的第7'個(gè)元素，4是索系統(tǒng)當(dāng)前名義損傷向量J 'c的第乂個(gè) 元素，^是標(biāo)識(shí)向量^的第7個(gè)元素。式5中戶1,2,3,……,N。
o.在力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A'的基礎(chǔ)上，令索的健康狀況為d^。后更新得到下一次、即第i+l次 循環(huán)所需的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型八'+1;
p.通過(guò)對(duì)力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型AW的計(jì)算得到對(duì)應(yīng)于模型AW的結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測(cè)量的數(shù)值， 這些數(shù)值組成下一次、即第i+l次循環(huán)所需的被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量C'+'。；
q..回到第g步，開(kāi)始下一次循環(huán)。
在步驟g中，獲得"單位損傷被監(jiān)測(cè)量數(shù)值變化矩陣z(C'"的具體方法為 gl.在結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型Ai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W根索就有W次計(jì)算，每一次計(jì)算假設(shè)索系統(tǒng)中只有一根索在原有損傷的基礎(chǔ) 上再增加單位損傷，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，并且每一 次假定有損傷的索的單位損傷值可以不同于其他索的單位損傷值，用"名義單位損傷向量"V' 記錄所有索的假定的單位損傷，每一次計(jì)算得到索結(jié)構(gòu)中所有指定被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值，每一 次計(jì)算得到的所有被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值組成一個(gè)"被監(jiān)測(cè)量的計(jì)算當(dāng)前數(shù)值向量"。當(dāng)假設(shè)第)
《=1-(1-《)(1-《)
《=1-(1-根索有單位損傷時(shí)，可用<^,,表示對(duì)應(yīng)的"被監(jiān)測(cè)量的計(jì)算當(dāng)前數(shù)值向量"。在本步驟中給各向 量的元素編號(hào)時(shí)，應(yīng)同本發(fā)明中其它向量使用同一編號(hào)規(guī)則，這樣可以保證本步驟中各向量中 的任意一個(gè)元素，同其它向量中的、編號(hào)相同的元素，表達(dá)了同一被監(jiān)測(cè)量或同一對(duì)象的相關(guān)
{曰息。
g2.每一次計(jì)算得到的那個(gè)"被監(jiān)測(cè)量的計(jì)算當(dāng)前數(shù)值向量C'(/'減去"被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù) 值向量C'。"得到一個(gè)向量，再將該向量的每一個(gè)元素都除以本次計(jì)算中假定的單位損傷值后得 到一個(gè)"被監(jiān)測(cè)量的數(shù)值變化向量(5C'/';有W根索就有W個(gè)"被監(jiān)測(cè)量的數(shù)值變化向量"。
g3.由這W個(gè)"被監(jiān)測(cè)量的數(shù)值變化向量"依次組成有W列的"單位損傷被監(jiān)測(cè)量數(shù)值變
化矩陣JC'";或者說(shuō)"單位損傷被監(jiān)測(cè)量數(shù)值變化矩陣"的每一列對(duì)應(yīng)于一個(gè)"被監(jiān)測(cè)量的數(shù) 值變化向量"。"單位損傷被監(jiān)測(cè)量數(shù)值變化矩陣"的列的編號(hào)規(guī)則與當(dāng)前名義損傷向量rf'c和當(dāng)
前實(shí)際損傷向量"'的元素編號(hào)規(guī)則相同。
有益效果本發(fā)明公開(kāi)的系統(tǒng)和方法在有較多的索(例如多于30根索或多于30%的索)同 時(shí)受損的條件下可以非常準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)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)。這是由于"被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值向量C'"同"被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量C'。"、"單位損 傷被監(jiān)測(cè)量數(shù)值變化矩陣JC'"和"當(dāng)前名義損傷向量^V'間的線性關(guān)系是近似的，實(shí)際上是 非線性的關(guān)系，特別是在受損索較多或受損程度較大時(shí)，上述量之間的關(guān)系的非線性特征更加 明顯，為克服此障礙，本發(fā)明公開(kāi)了一種在小區(qū)間內(nèi)用線性關(guān)系逼近該非線性關(guān)系的健康監(jiān)測(cè) 方法。本發(fā)明實(shí)際上使用了用線性關(guān)系分段逼近非線性關(guān)系的方法，將大區(qū)間分割成一個(gè)個(gè)小 區(qū)間，在每一個(gè)小區(qū)間內(nèi)線性關(guān)系都是足夠準(zhǔn)確的，依據(jù)其判斷得到的索系統(tǒng)的健康狀態(tài)也是 可靠的，因此本發(fā)明公開(kāi)的系統(tǒng)和方法對(duì)索系統(tǒng)的有效健康監(jiān)測(cè)是非常有益的。
具體實(shí)施例方式
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(cè)，本發(fā) 明公開(kāi)了一種能夠合理有效地監(jiān)測(cè)索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)的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(shuō)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)明采用的算法用于監(jiān)測(cè)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。
第一步確定被監(jiān)測(cè)量的類型、位置和數(shù)量，并編號(hào)。具體過(guò)程為
首先確定索的編號(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。
設(shè)索系統(tǒng)中共有VV根承載索，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測(cè)的索力數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上VV/;個(gè)指定索的7W;個(gè)索力 數(shù)據(jù)來(lái)描述，結(jié)構(gòu)索力的變化就是所有指定索的索力的變化。每次共有^T;個(gè)索力測(cè)量值或計(jì)算 值來(lái)表征結(jié)構(gòu)的索力信息。M;是一不小于0，不大于W的整數(shù)。實(shí)際選定被監(jiān)測(cè)索力的索時(shí)， 可以選擇那些索力易于測(cè)量的索為被監(jiān)測(cè)索；
結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測(cè)的應(yīng)變數(shù)據(jù)可由結(jié)構(gòu)上《2個(gè)指定點(diǎn)的、及每個(gè)指定點(diǎn)的丄2個(gè)指定方向的應(yīng) 變來(lái)描述，結(jié)構(gòu)應(yīng)變數(shù)據(jù)的變化就是《2個(gè)指定點(diǎn)的所有應(yīng)變分量的變化。每次共有A^ 0^=《2 X丄P個(gè)應(yīng)變測(cè)量值或計(jì)算值來(lái)表征結(jié)構(gòu)應(yīng)變?！?和M2是兩個(gè)不小于0， 一般不大于W的整數(shù)。 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梁上的固定端)附近的一個(gè)點(diǎn)，該點(diǎn)一般不應(yīng)當(dāng)是應(yīng)力集中點(diǎn)，以避免出現(xiàn)過(guò)大的應(yīng)變測(cè)量值，這些點(diǎn)一般也不應(yīng)當(dāng) 全部是被監(jiān)測(cè)索力的索的固定端點(diǎn)或在其附近；
結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測(cè)的角度數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上&個(gè)指定點(diǎn)的、過(guò)每個(gè)指定點(diǎn)的^個(gè)指定直線的、每 個(gè)指定直線的/^個(gè)角度坐標(biāo)分量來(lái)描述，結(jié)構(gòu)角度的變化就是所有指定點(diǎn)的、所有指定直線的
所有指定的角度坐標(biāo)分量的變化。每次共有71^ rM產(chǎn)&x^x//^個(gè)角度坐標(biāo)分量測(cè)量值或計(jì)
算值來(lái)表征結(jié)構(gòu)的角度信息。&和M,是兩個(gè)不小于0， 一般不大于7V的整數(shù)。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)或其附近的一個(gè)點(diǎn)， "被監(jiān)測(cè)索力的索的固定端點(diǎn)或在其附近的點(diǎn)"和"被監(jiān)測(cè)應(yīng)變的點(diǎn)或在其附近的點(diǎn)" 一般不 應(yīng)該被全部選擇為被監(jiān)測(cè)角度數(shù)據(jù)的點(diǎn)；在每一指定點(diǎn)可以僅僅測(cè)量一個(gè)指定直線的一個(gè)角度 坐標(biāo)，例如測(cè)量過(guò)指定點(diǎn)的結(jié)構(gòu)表面法線或切線相對(duì)于重力加速度方向的角度坐標(biāo)，這里實(shí)際 上就是傾角測(cè)量；
結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測(cè)的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上《4個(gè)指定點(diǎn)的、及每個(gè)指定點(diǎn)的丄4個(gè)指定方向的 空間坐標(biāo)來(lái)描述，結(jié)構(gòu)空間坐標(biāo)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 A/, 0^=&X￡J個(gè)坐標(biāo)測(cè)量值或計(jì)算值來(lái)表征結(jié)構(gòu)空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)。^和」l^是兩個(gè)不小于0， 一般不大于;v的整數(shù)。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 梁上的固定端)；"被監(jiān)測(cè)索力的索的固定端點(diǎn)或在其附近的點(diǎn)"、"被監(jiān)測(cè)應(yīng)變的點(diǎn)或在其附近 的點(diǎn)"和"被監(jiān)測(cè)角度數(shù)據(jù)的點(diǎn)或在其附近的點(diǎn)" 一般不應(yīng)該被全部選擇為被監(jiān)測(cè)空間坐標(biāo)數(shù) 據(jù)的點(diǎn)；
綜合上述被監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，整個(gè)結(jié)構(gòu)共有M ^^M;+7k6+Mj+M"個(gè)被監(jiān)測(cè)量，定義參量K (《=局+&+&+^)，尺和M—般不得小于索的數(shù)量W。由于M個(gè)被監(jiān)測(cè)量可以是不同類型的， 所以本發(fā)明稱為"基于混合監(jiān)測(cè)的索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)的遞進(jìn)式健康監(jiān)測(cè)方法"。
第二步利用索的無(wú)損檢測(cè)數(shù)據(jù)等能夠表達(dá)索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)建立索系統(tǒng)初始損傷向量 ^。。如果沒(méi)有索的無(wú)損檢測(cè)數(shù)據(jù)及其他能夠表達(dá)索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)時(shí)，或者可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)初 始狀態(tài)為無(wú)損傷狀態(tài)時(shí)，向量W。的各元素?cái)?shù)值取0。
第三步建立索系統(tǒng)初始損傷向量^。的同時(shí)，直接測(cè)量計(jì)算得到索結(jié)構(gòu)的所有指定的被監(jiān)
測(cè)量，組成"被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量d。"。
第四步在建立索系統(tǒng)初始損傷向量d:和被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量C:的同時(shí)，可以釆用
成熟的測(cè)量方法進(jìn)行索力測(cè)量、應(yīng)變測(cè)量、角度測(cè)量和空間坐標(biāo)測(cè)量。同時(shí)，直接測(cè)量或測(cè)量 后計(jì)算得到索結(jié)構(gòu)的所有索的初始索力和索結(jié)構(gòu)初始幾何形狀數(shù)據(jù)(對(duì)于斜拉橋就是其初始橋 型數(shù)據(jù))，索結(jié)構(gòu)的初始幾何形狀數(shù)據(jù)可以是所有索的端點(diǎn)的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)加上結(jié)構(gòu)上一系列的 點(diǎn)的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)，目的在于根據(jù)這些坐標(biāo)數(shù)據(jù)就可以確定索結(jié)構(gòu)的幾何特征。對(duì)斜拉橋而言， 初始幾何形狀數(shù)據(jù)可以是所有索的端點(diǎn)的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)加上橋梁兩端上若干點(diǎn)的空間坐標(biāo)數(shù) 據(jù)，這就是所謂的橋型數(shù)據(jù)。
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(cè)數(shù)據(jù)(可以包括結(jié)構(gòu)初始幾何形狀數(shù)據(jù)、初 始角度坐標(biāo)數(shù)據(jù)、所有索的初始索力等數(shù)據(jù)，對(duì)斜拉橋、懸索橋而言是橋的橋型數(shù)據(jù)、角度坐 標(biāo)數(shù)據(jù)、索力數(shù)據(jù)等數(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)，基于該模型計(jì)算所得的計(jì)算數(shù)據(jù)同上述實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)越接近越好，其間
的差異一般不得大于5%，此時(shí)該模型被稱為結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A1。
第五步安裝索結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件部分。硬件部分至少包括監(jiān)測(cè)被監(jiān)測(cè)量的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(例如含角度測(cè)量分系統(tǒng)、索力測(cè)量分系統(tǒng)、應(yīng)變測(cè)量分系統(tǒng)、空間坐標(biāo)測(cè)量分系統(tǒng)、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)指定的被監(jiān)測(cè)量都必須被監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 監(jiān)測(cè)到；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)每一個(gè)指定的被監(jiān)測(cè)量，并將信號(hào)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)的索系統(tǒng)的健康監(jiān)測(cè)軟件，包括記錄信號(hào) 采集器傳遞來(lái)的信號(hào)；當(dāng)監(jiān)測(cè)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。
第六步編制并在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上安裝索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件。在每一次循環(huán)時(shí) 都運(yùn)行該軟件，或者說(shuō)此軟件始終在運(yùn)行。該軟件包括如下幾種功能模塊
1. 完成本步驟即其它所有步驟的計(jì)算、控制和監(jiān)控工作，并能依據(jù)設(shè)定的條件(例如損傷 達(dá)到某一值)，自動(dòng)通知或提示監(jiān)控人員通知特定的技術(shù)人員完成必要的計(jì)算工作。
2. 從存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)硬盤(pán)上的數(shù)據(jù)文件中讀取"被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量C'。"和索結(jié)構(gòu)"單 位損傷被監(jiān)測(cè)量數(shù)值變化矩陣zfC'"等所有必要參數(shù)。本發(fā)明中用i表達(dá)循環(huán)次數(shù)，第一次執(zhí)行 本步時(shí)i=l，后面i及上標(biāo)/都表示循環(huán)次數(shù)，i=l,2,3，......；用j表達(dá)第j根索的相關(guān)信息，
j=l，2，3,..,N。
3. 定時(shí)(或隨機(jī)觸發(fā)式)記錄通過(guò)信號(hào)采集器傳來(lái)的信號(hào)。
4. 對(duì)記錄的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理，計(jì)算得到所有待測(cè)量的被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值，所有的被監(jiān) 測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值組成"被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值向量C'"。
5. 依據(jù)"被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前(計(jì)算或?qū)崪y(cè))數(shù)值向量C'"同"被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量C'。"、 "單位損傷被監(jiān)測(cè)量數(shù)值變化矩陣z/C'"和"當(dāng)前名義損傷向量rfV'(由所有索的當(dāng)前名義損傷
量組成)間存在的近似線性關(guān)系(見(jiàn)式(9))，按照多目標(biāo)優(yōu)化算法計(jì)算索系統(tǒng)當(dāng)前名義損傷向 量(的非劣解。
可以采用的多目標(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)前名義損傷向量Wc的過(guò)程，其它算法的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)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(9)可以轉(zhuǎn)化成式(21)和式(22)所示的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，式(21) 中/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A的每一個(gè)元素的取值范圍(本實(shí)施例 要求向量^e的每一個(gè)元素不小于0，不大于l)。式(21)的意思是尋找一個(gè)絕對(duì)值最小的實(shí)數(shù) /，使得式(22)得到滿足。式(22)中G(i/V由式(23)定義，式(22)中加權(quán)向量W與/ 的積表示式(22)中G(^g與向量g'之間允許的偏差，g'的定義參見(jiàn)式(15)，其值將在第八步 計(jì)算得到。實(shí)際計(jì)算時(shí)向量W可以與向量g'相同。目標(biāo)規(guī)劃法的具體編程實(shí)現(xiàn)己經(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)前名義損傷向量Wc。 minimize ;k'
(21)
《eQ
G(《)-『'y^g' (22)<formula>formula see original document page 16</formula> (23)
求得當(dāng)前名義損傷向量J'c后，^7依據(jù)式(17)得到的當(dāng)前實(shí)際損傷向量d每一個(gè)元素，當(dāng)前 實(shí)際損傷向量c/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。若解得的當(dāng)前實(shí)際損傷向量^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(méi)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。
6. 數(shù)據(jù)生成功能。即可定期或由人員操作健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)生成索系統(tǒng)健康情況報(bào)表。
7. 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。
第七步在力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型Ai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)中只有一根索在原有損傷的基礎(chǔ)上再 增加單位損傷，本次循環(huán)中每一次計(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，并 且每一次假定有損傷的索的單位損傷值可以不同于其他索的單位損傷值，用"名義單位損傷向 量Z)V'記錄所有索的假定的單位損傷，每一次計(jì)算(例如采用有限元法)得到索結(jié)構(gòu)中所有指 定被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值，每一次計(jì)算得到的所有被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值組成一個(gè)"被監(jiān)測(cè)量的計(jì) 算當(dāng)前數(shù)值向量"。當(dāng)假設(shè)第J根索有單位損傷時(shí)，可用C'y表示對(duì)應(yīng)的"被監(jiān)測(cè)量的計(jì)算當(dāng)前
數(shù)值向量"。每一次計(jì)算得到的那個(gè)"被監(jiān)測(cè)量的計(jì)算當(dāng)前數(shù)值向量c',/'減去"被監(jiān)測(cè)量的初
始數(shù)值向量c'。"得到一個(gè)向量，再將該向量的每一個(gè)元素都除以本次計(jì)算中假定的單位損傷值 后得到一個(gè)"被監(jiān)測(cè)量的數(shù)值變化向量c5C)";有AA根索就有W個(gè)"被監(jiān)測(cè)量的數(shù)值變化向量3C)" (_/=/,2,3,-,A0。由這W個(gè)"被監(jiān)測(cè)量的數(shù)值變化向量"依次組成有W列的"單位損傷被監(jiān)測(cè)
量數(shù)值變化矩陣/JC'";或者說(shuō)"單位損傷被監(jiān)測(cè)量數(shù)值變化矩陣JC'"的每一列(例如第j歹U)
對(duì)應(yīng)于一個(gè)"被監(jiān)測(cè)量的數(shù)值變化向量"(例如3C》。"單位損傷被監(jiān)測(cè)量數(shù)值變化矩陣"的列
的編號(hào)規(guī)則與當(dāng)前名義損傷向量和當(dāng)前實(shí)際損傷向量^的元素編號(hào)規(guī)則相同。
在本步驟中及其后給各向量的元素編號(hào)時(shí)，應(yīng)同本發(fā)明中其它向量使用同一編號(hào)規(guī)則，這 樣可以保證本步驟中各向量中的任意一個(gè)元素，同其它向量中的、編號(hào)相同的元素，表達(dá)了同 一被監(jiān)測(cè)量或同一對(duì)象的相關(guān)信息。
第八步建立線性關(guān)系誤差向量e'和向量g'。利用前面的數(shù)據(jù)("被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量 C'。"、"單位損傷被監(jiān)測(cè)量數(shù)值變化矩陣ZIC'")，在第七步進(jìn)行每一次計(jì)算的同時(shí)，即在每一次 計(jì)算中假設(shè)索系統(tǒng)中只有一根索在原有損傷的基礎(chǔ)上再增加單位損傷的同時(shí)，每一次計(jì)算組成 一個(gè)損傷向量A，損傷向量《的元素個(gè)數(shù)等于索的數(shù)量，向量A的所有元素中只有一個(gè)元素 的數(shù)值取每一次計(jì)算中假設(shè)增加單位損傷的索的單位損傷值，A的其它元素的數(shù)值取0，那個(gè) 不為0的元素的編號(hào)與假定增加單位損傷的索的對(duì)應(yīng)關(guān)系、同其他向量的同編號(hào)的元素同該索 的對(duì)應(yīng)關(guān)系是相同的；將C'y、 C'。、 Z(C'、 ^帶入式(13)，得到一個(gè)線性關(guān)系誤差向量e'，每一 次計(jì)算得到一個(gè)線性關(guān)系誤差向量e';有W根索就有W次計(jì)算，就有W個(gè)線性關(guān)系誤差向量e', 將這7V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7V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e'。將向量g'保存在運(yùn)行健 康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件的計(jì)算機(jī)硬盤(pán)上，供健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件使用。
第九步將"被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量C'。"和"單位損傷被監(jiān)測(cè)量數(shù)值變化矩陣Z(C'"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(cè)系統(tǒng)軟件的計(jì)算機(jī)硬盤(pán)上。
第十步運(yùn)行索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)系統(tǒng)(含硬件和軟件)，完成下列幾種功能
1. 從存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)硬盤(pán)上的數(shù)據(jù)文件中讀取"被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量C'。"和索結(jié)構(gòu)"單 位損傷被監(jiān)測(cè)量數(shù)值變化矩陣JC'"等所有必要參數(shù)。
2. 定時(shí)(或隨機(jī)觸發(fā)式)記錄通過(guò)信號(hào)采集器傳來(lái)的信號(hào)。
3. 對(duì)記錄的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理，計(jì)算得到所有待測(cè)量的被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值，所有的被監(jiān)
測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值組成"被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值向量c'"。給本步及本步之前出現(xiàn)的所有向量的元素
編號(hào)時(shí)，應(yīng)使用同一編號(hào)規(guī)則，這樣可以保證本步及本步之前出現(xiàn)的各向量的、編號(hào)相同的元 素，表示同一被監(jiān)測(cè)量的、對(duì)應(yīng)于該元素所屬向量所定義的相關(guān)信息。
4. 依據(jù)"被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前(計(jì)算或?qū)崪y(cè))數(shù)值向量C"'同"被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量C'。"、 "單位損傷被監(jiān)測(cè)量數(shù)值變化矩陣z(C'"和"當(dāng)前名義損傷向量(由所有索的當(dāng)前名義損傷
量組成)間存在的近似線性關(guān)系(見(jiàn)式(9))，按照多目標(biāo)優(yōu)化算法計(jì)算索系統(tǒng)當(dāng)前名義損傷向 量A的非劣解。
5. 數(shù)據(jù)生成功能。即可定期或由人員操作健康監(jiān)測(cè)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)控等人員報(bào)警。
第十一步在本次循環(huán)，即第Z次循環(huán)中求得當(dāng)前名義損傷向量A后，按照式(18)、式 (19)建立標(biāo)識(shí)向量P。
第十二步如果標(biāo)識(shí)向量W的元素全為0，則回到第十步繼續(xù)本次循環(huán)；如果標(biāo)識(shí)向量W 的元素不全為0，則進(jìn)入下一步、即第十三步。
第十三步根據(jù)式(20)計(jì)算得到下一次、即第汁l次循環(huán)所需的初始損傷向量d+'。的每一 個(gè)元素f 。,。
第十四步在力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型Ai的基礎(chǔ)上，令索的健康狀況為上一步計(jì)算得到的向量J"。 后，得到新的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型，即下一次(第i+l次)循環(huán)所需的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型八1+1。
第十五步通過(guò)對(duì)力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型AW的計(jì)算得到對(duì)應(yīng)于模型A'"的結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測(cè)量 的數(shù)值，這些數(shù)值組成下一次、即第i+l次循環(huán)所需的向量C'"。，即被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量。
第十六步回到第七步，開(kāi)始下一次循環(huán)。
權(quán)利要求
1. 一種基于混合監(jiān)測(cè)的索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)的遞進(jìn)式健康監(jiān)測(cè)方法，其特征是該方法包括a. 設(shè)共有N根索，首先確定索的編號(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. 確定指定的將被監(jiān)測(cè)索力的索，給這些索編號(hào)；確定指定的將被監(jiān)測(cè)應(yīng)變的結(jié)構(gòu)上的點(diǎn)，給這些點(diǎn)編號(hào)，確定將被監(jiān)測(cè)應(yīng)變的點(diǎn)的、將被監(jiān)測(cè)的應(yīng)變方向，并編號(hào)；確定指定的將被監(jiān)測(cè)角度坐標(biāo)的點(diǎn)，將會(huì)監(jiān)測(cè)過(guò)這些指定點(diǎn)的一些指定直線的角度坐標(biāo)的變化，給所有指定點(diǎn)編號(hào)，確定過(guò)這些測(cè)量點(diǎn)的被測(cè)量直線，給所有指定的被測(cè)量直線編號(hào)，確定每一被測(cè)量直線的被測(cè)量的角度坐標(biāo)分量，給所有被測(cè)量角度坐標(biāo)分量編號(hào)；確定指定的將被監(jiān)測(cè)空間坐標(biāo)的點(diǎn)，將會(huì)監(jiān)測(cè)這些指定點(diǎn)的空間坐標(biāo)，給所有指定點(diǎn)編號(hào)，確定被監(jiān)測(cè)點(diǎn)的、被監(jiān)測(cè)的坐標(biāo)分量，并編號(hào)；上述所有的被監(jiān)測(cè)點(diǎn)的個(gè)數(shù)之和與被監(jiān)測(cè)量的個(gè)數(shù)之和一般不得小于索的數(shù)量，上述編號(hào)在后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣；c. 利用索的無(wú)損檢測(cè)數(shù)據(jù)等能夠表達(dá)索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)建立索系統(tǒng)初始損傷向量dIo；如果沒(méi)有索的無(wú)損檢測(cè)數(shù)據(jù)及其他能夠表達(dá)索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)時(shí)，或者可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)為無(wú)損傷狀態(tài)時(shí)，向量dIo的各元素?cái)?shù)值取0；d. 在建立索系統(tǒng)初始損傷向量dIo的同時(shí)，直接測(cè)量計(jì)算得到索結(jié)構(gòu)的所有指定的被監(jiān)測(cè)量，組成“被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量CIo”；e. 在建立索系統(tǒng)初始損傷向量dIo和被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量CIo。的同時(shí)，實(shí)測(cè)得到索結(jié)構(gòu)的所有索的初始索力數(shù)據(jù)，實(shí)測(cè)得到索結(jié)構(gòu)的初始幾何數(shù)據(jù)；f. 根據(jù)索結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖、竣工圖和索結(jié)構(gòu)的上述實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建立索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算模型，基于該模型計(jì)算所得的計(jì)算數(shù)據(jù)同上述實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)越接近越好，其間的差異一般不得大于5％，此時(shí)該模型被稱為結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型AI；g. 在力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型Ai的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次力學(xué)計(jì)算，通過(guò)計(jì)算獲得“單位損傷被監(jiān)測(cè)量數(shù)值變化矩陣ΔCi”和“名義單位損傷向量Diu”；其中i表示循環(huán)次數(shù)，后面i及上標(biāo)i都表示循環(huán)次數(shù)，i＝1，2，3，......；h. 實(shí)測(cè)得到索結(jié)構(gòu)的所有指定被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前實(shí)測(cè)數(shù)值，組成“被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值向量Ci”，給本步及本步之前出現(xiàn)的所有向量的元素編號(hào)時(shí)，應(yīng)使用同一編號(hào)規(guī)則，這樣可以保證本步及本步之前出現(xiàn)的各向量的、編號(hào)相同的元素，表示同一被監(jiān)測(cè)量的、對(duì)應(yīng)于該元素所屬向量所定義的相關(guān)信息；i. 定義索系統(tǒng)當(dāng)前名義損傷向量dic和當(dāng)前實(shí)際損傷向量di，損傷向量的元素個(gè)數(shù)等于索的數(shù)量，損傷向量的元素和索之間是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，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)；j. 依據(jù)“被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值向量Ci”同“被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量Cio”、“單位損傷被監(jiān)測(cè)量數(shù)值變化矩陣ΔCi”和“當(dāng)前名義損傷向量dic”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dic外的其它量均為已知，求解式1就可以算出當(dāng)前名義損傷向量dic；式1k. 利用式2表達(dá)的當(dāng)前實(shí)際損傷向量di同初始損傷向量dio和當(dāng)前名義損傷向量dic的元素間的關(guān)系，計(jì)算得到當(dāng)前實(shí)際損傷向量di的所有元素； 式2式2中j＝1，2，3，……，N，由于當(dāng)前實(shí)際損傷向量di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)前實(shí)際損傷向量di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(cè)；若當(dāng)前實(shí)際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(méi)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所述的基于應(yīng)變監(jiān)測(cè)的索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)的遞進(jìn)式健康監(jiān)測(cè)方法，其特征在于在步驟g中，獲得"單位損傷被監(jiān)測(cè)量數(shù)值變化矩陣JC'"的方法為gl.在結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型Ai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W根索就有W次計(jì)算，每一次計(jì)算假設(shè)索系統(tǒng)中只有一根索在原有損傷的基礎(chǔ)上再增加單位損傷，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，并且每一次假定有損傷的索的單位損傷值可以不同于其他索的單位損傷值，用"名義單位損傷向量DV'記錄所有索的假定的單位損傷，每一次計(jì)算得到索結(jié)構(gòu)中所有指定被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值，每一次計(jì)算得到的所有被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值組成一個(gè)"被監(jiān)測(cè)量的計(jì)算當(dāng)前數(shù)值向量"；當(dāng)假設(shè)第y根索有單位損傷時(shí)，用C;表示對(duì)應(yīng)的"被監(jiān)測(cè)量的計(jì)算當(dāng)前數(shù)值向量"；在本步驟中給各向量的元素編號(hào)時(shí)，同其它向量使用同一編號(hào)規(guī)則，這樣可以保證本步驟中各向量中的任意一個(gè)元素，同其它向量中的、編號(hào)相同的元素，表達(dá)了同一被監(jiān)測(cè)量或同一對(duì)象的相關(guān)信息；g2.每一次計(jì)算得到的那個(gè)"被監(jiān)測(cè)量的計(jì)算當(dāng)前數(shù)值向量C',/'減去"被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量C'。"得到一個(gè)向量，再將該向量的每一個(gè)元素都除以本次計(jì)算中假定的單位損傷值后得到一個(gè)"被監(jiān)測(cè)量的數(shù)值變化向量5C'/';有W根索就有7V個(gè)"被監(jiān)測(cè)量的數(shù)值變化向量"；g3.由這7V個(gè)"被監(jiān)測(cè)量的數(shù)值變化向量"依次組成有W列的"單位損傷被監(jiān)測(cè)量數(shù)值變化矩陣Z/C'";或者說(shuō)"單位損傷被監(jiān)測(cè)量數(shù)值變化矩陣"的每一列對(duì)應(yīng)于一個(gè)"被監(jiān)測(cè)量的數(shù)值變化向量"；"單位損傷被監(jiān)測(cè)量數(shù)值變化矩陣"的列的編號(hào)規(guī)則與當(dāng)前名義損傷向量d口當(dāng)前實(shí)際損傷向量rf'的元素編號(hào)規(guī)則相同。
全文摘要
基于混合監(jiān)測(cè)的索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)的遞進(jìn)式健康監(jiān)測(cè)方法在以多類參量為被監(jiān)測(cè)量的前提下，考慮到了被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值向量同被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量、單位損傷被監(jiān)測(cè)量數(shù)值變化矩陣和當(dāng)前名義損傷向量間的線性關(guān)系是近似的，特別是在受損索較多或且受損程度較大時(shí)，上述量之間的非線性關(guān)系特征更加明顯。為克服此缺陷，本發(fā)明基于混合監(jiān)測(cè)，給出了使用線性關(guān)系分段逼近非線性關(guān)系的方法，將大區(qū)間分割成連續(xù)的一個(gè)個(gè)小區(qū)間，在每一個(gè)小區(qū)間內(nèi)上述線性關(guān)系都是足夠準(zhǔn)確的，在每一個(gè)小區(qū)間內(nèi)可以利用多目標(biāo)優(yōu)化算法等合適的算法算出當(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)G01M99/00GK101476989SQ20091002845
公開(kāi)日2009年7月8日 申請(qǐng)日期2009年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月20日
發(fā)明者韓玉林 申請(qǐng)人:東南大學(xué)