專利名稱：監(jiān)測系統(tǒng)故障自診斷方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于結(jié)構(gòu)監(jiān)測領(lǐng)域，具體涉及對于監(jiān)測系統(tǒng)自身健康狀態(tài)的一種分析判斷方法。
背景技術(shù)：
目前大型結(jié)構(gòu)的長期監(jiān)測日益得到重視，在監(jiān)測過程中有時系統(tǒng)會出現(xiàn)故障，特別 是橋梁等結(jié)構(gòu)的監(jiān)測周期一般都遠(yuǎn)長于監(jiān)測設(shè)備的有效期，因此監(jiān)測設(shè)備的損壞問題難 以避免。監(jiān)測設(shè)備的損壞，常伴隨著異常測值的產(chǎn)生，而異常信息的產(chǎn)生，主要有2種 原因①真正由結(jié)構(gòu)本身的劣化而引起；②監(jiān)測系統(tǒng)自身故障。如果誤把監(jiān)測系統(tǒng)自 身故障當(dāng)作結(jié)構(gòu)異常處理就可能出現(xiàn)誤報警現(xiàn)象，因此對傳感器測值異常的成因分析是 后繼分析與預(yù)測的基礎(chǔ)，其準(zhǔn)確性關(guān)系到整個監(jiān)測工作是否可靠有效。對測值異常的判 斷比較復(fù)雜，目前在實(shí)際應(yīng)用中只有一些定性的原則可以幫助分析這些異常值是否由監(jiān) 測系統(tǒng)自身問題導(dǎo)致，如結(jié)構(gòu)變形破壞通常有一個累進(jìn)性；結(jié)構(gòu)響應(yīng)中的矢量一般保 持一定的方向性等，借助這些原則雖可以判斷出一些明顯的監(jiān)測系統(tǒng)故障，但對于系統(tǒng) 故障在測值上更加隱蔽的表現(xiàn)則無能為力。事實(shí)上，布置在同一結(jié)構(gòu)物中位置靠得較近 的各測點(diǎn)測值之間存在著某種聯(lián)系，結(jié)構(gòu)的變形與破壞一般不會僅限于影響某個孤立的 測點(diǎn)，而是有一定的范圍，布置在同一工程部位，位置靠得較近的各測點(diǎn)測值之間存在 著某種聯(lián)系。所以，在異常值分析時對相鄰點(diǎn)觀測值的比較是必要的，但目前對于測值 間的關(guān)聯(lián)性尚無量化的分析方法對測值異?，F(xiàn)象進(jìn)行診斷，因此有必要開發(fā)一種新的方 法來彌補(bǔ)此項(xiàng)不足。
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發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對目前結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)雖難以避免故障問題，卻由于智能化水平不足而影響 到監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性的現(xiàn)狀，基于"當(dāng)監(jiān)測系統(tǒng)正常工作時，結(jié)構(gòu)變化應(yīng)對位置靠得較 近的各測點(diǎn)測值均有影響"的原理將測值間的聯(lián)系用灰色關(guān)聯(lián)度加以量化，并提出了基 于測值間灰色關(guān)聯(lián)度聚類分析的結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)故障自診斷方法。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是監(jiān)測系統(tǒng)故障自診斷方法，包括下列步驟(1) 對不同測值的序列進(jìn)行關(guān)聯(lián)度分析 序列間灰色關(guān)聯(lián)度的計算方法比較多，這里采用絕對關(guān)聯(lián)度進(jìn)行分析作為示例。設(shè)
原始數(shù)據(jù)序列中，《和、分別為參考序列和比較序列(也即監(jiān)測系統(tǒng)測點(diǎn)I和測點(diǎn)J一 段時間的測值序列)，艮P:
《={乂洲"1,2".""} (J)
;^={，|"1，2，...,"} (2)
對長度不同序列間的比較，可以用插值等方法將短序列補(bǔ)齊，當(dāng)然這樣對關(guān)聯(lián)度值
有一定影響。對長度相同的兩序列可求其始點(diǎn)零化象^0 : ",),《(2)，…,《("))(/ = /,力 (3)
其中《("=《("-A①，按式(4)即可求得兩序列的絕對關(guān)聯(lián)度-
"+W+KH"'l (4)
式中
S = J"(WlM=J"，《|^)+。(") (/ = /力
(2) 利用測值序列間關(guān)聯(lián)度構(gòu)件模糊關(guān)系矩陣
假設(shè)監(jiān)測系統(tǒng)有m個測點(diǎn)，每個測點(diǎn)各測得n個測值，則這m段測值序列
y-化，^…，U構(gòu)成n維空間的樣本向量集，任意樣本向量Yi為-
i,i"yi2,…，yjT
其中&(/' = 152"'" 7;/ = 1^5''"")是第/個測點(diǎn)的第/個測值。為進(jìn)行模糊聚類分析，
將(1)步驟求得的關(guān)聯(lián)度。^^。^"量化y中兩兩元素間的彼此接近程度，將 組成 的矩陣^稱為模糊關(guān)系矩陣。
(3) 對測值序列進(jìn)行模糊聚類分析分析測值異常原因 根據(jù)測值序列聚類結(jié)果隨時間變化的情況，可以對監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)作出判斷，
當(dāng)某測值序列與同類的其它測值序列關(guān)聯(lián)度大幅下降，并導(dǎo)致聚類結(jié)果相應(yīng)發(fā)生變化， 即若要將該測值與原來同類的其它所有測值仍然歸為一類，則須將原來其它類中的某些 測值也歸入該類。這種聚類結(jié)果的變化說明測值間的關(guān)聯(lián)性發(fā)生了變化，可以初步判定監(jiān)測系統(tǒng)自身出現(xiàn)故障。 本發(fā)明的有益效果在于
(1) 與人工利用一些定性原則對異常測值進(jìn)行判斷的方法相比，基于測值間灰色關(guān) 聯(lián)度聚類分析的結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)故障自診斷方法可以用計算機(jī)程序?qū)Ω鳒y點(diǎn)測值之間存 在的聯(lián)系進(jìn)行量化分析，使監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)Ξ惓y值是否由自身故障所引發(fā)進(jìn)行診斷， 避免由于誤判引起誤報警而帶來的不必要的經(jīng)濟(jì)與社會成本投入，也便于及時采取措施 對監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行維修，提高了結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)的智能化水平與魯棒性，因此實(shí)用性較大。 以橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)為例，如果將監(jiān)測系統(tǒng)故障引起的測值異常誤判為結(jié)構(gòu)劣化，則勢 必要對橋梁進(jìn)行人工檢測或是維修，若為此中斷交通8小時左右，所產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)損
失可高達(dá)300萬元左右。采用本發(fā)明可使監(jiān)測系統(tǒng)能利用軟件自動分析出一部分由于監(jiān)
測系統(tǒng)由于自身故障引起的異常測值現(xiàn)象，降低了由于誤判造成的損失。
(2) 采用本發(fā)明的分析方法還可以在結(jié)構(gòu)監(jiān)測的其它方面得到應(yīng)用。隨著監(jiān)測技術(shù) 的發(fā)展，測點(diǎn)數(shù)量大幅增加，監(jiān)測周期越來越短，造成監(jiān)測數(shù)據(jù)異常龐大。進(jìn)行聚類分 析可以了解監(jiān)測儀器間測值的內(nèi)在聯(lián)系有利于掌握結(jié)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)，使得報表等材料的 制定更加簡潔。此外，有一部分儀器在結(jié)構(gòu)發(fā)生異常時能充分發(fā)揮作用，而在平時其測 值與周圍相同檢測項(xiàng)目儀器測值差別甚微，通過聚類分析可有目的地選擇有代表性的儀 器重點(diǎn)監(jiān)測，可以減小監(jiān)測資料的存儲與處理難度。


圖1是為本發(fā)明實(shí)施例1基底孔隙水壓力測點(diǎn)布置圖。 圖2是本發(fā)明實(shí)施例1孔隙水壓力測點(diǎn)的測值序列
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例做進(jìn)一步說明。 實(shí)施例1
某大橋基礎(chǔ)下埋設(shè)孔隙水壓力計9點(diǎn)，觀測基礎(chǔ)下孔隙水壓力分布，圖l所示為基 底孔隙水壓力測點(diǎn)布置圖。圖2為這些孔隙水壓力測點(diǎn)從2002年4月后的測值序列， 圖中可以看到測值變化主要可分為兩個階段，第一個階段為4月到9月約150天孔隙水 壓力隨著基礎(chǔ)施工附加荷載增加而增高的階段。第二階段為施工完畢孔隙水壓力逐漸消 散并趨于定值的固結(jié)階段。33131、 33231測點(diǎn)的測值序列一直保持在O值附近。(1)對不同測值的序列進(jìn)行關(guān)聯(lián)度分析-將2002年4月至2004年9月監(jiān)測值中的10次測值分成兩段序列進(jìn)行分析，每段 為連續(xù)5次監(jiān)測所得測值序列。根據(jù)式
l+l《l+l^.1
—,s I
(4)

可分別計算得到兩個階段各自的測值間絕對關(guān)聯(lián)度矩陣，這是兩個9><9的矩陣，矩陣中
行列數(shù)"y按順序分別代表33111 33331測點(diǎn)，矩陣元素 代表測值序列間的關(guān)聯(lián)度。 (2)利用測值序列間關(guān)聯(lián)度構(gòu)件模糊關(guān)系矩陣
其中2002.4 2002.7各測點(diǎn)測值關(guān)聯(lián)度矩陣1
(如表1所示)，而2002.7 2002.9
各測點(diǎn)測值關(guān)聯(lián)度矩陣為L'7」2 (如表2所示)。觀察兩個矩陣可以發(fā)現(xiàn)，隨著時間推移 不同測點(diǎn)的測值間關(guān)聯(lián)度會發(fā)生一定的波動，但是幅度都不大，但破壞的測點(diǎn)與正常測
點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)度卻急劇下降。
表1 2002.4 2002.7各測點(diǎn)測值關(guān)聯(lián)度矩陣
i細(xì)
0.973 0.977 0.933 0鄰5 0.9卯 0細(xì) 0.975 0.990
0.973 l細(xì) 0.953 0.957 0鄰8 0.964 0.922 0.951 0.964
0.977 0.953 1.000 0.915 0.963 0.986 0.884 0.997 0鄰6
0.933 0.957 0.915 l細(xì) 0.946 0.925 0.961 0.913 0.925
0.985 (X988 0.963 0.946 l扁 0.975 0,912 0,961 0,975
0.990 0.964 0.986 0.925 0.975 1.000 0.892 0.984 0.999
0細(xì) 0.922 0鵬 0.961 0.912 0.892 1.000 0.882 O.靴
0.975 0.951 0.997 0.913 0.961 0.984 0.882 l細(xì) 0.984
0.990-0.964 0鄰6 0.925 0.975 0.999 0.892 0.984 l細(xì)
表2 2002.7 2002.9各測點(diǎn)測值關(guān)聯(lián)度矩陣
1.000 0.976 0.758 0.946 0.987 0.758 0.929 0.990 0.940
0.976 l細(xì) 0.746 0.968 0.965 0.746 0.951 0.967 0.919
0.758 0.746 1.000 0.731 0.765 l扁 0.722 0.763 0.793
0,946 0.968 0.731 l細(xì) 0.935 0.731 0.981 0.937 0鵬
0.987 0.965 0.765 0.935 1.000 0.765 0.919 0.997 0.951
0.758 0.746 1.000 0.731 0.765 l扁 0.722 0.763 0.793
0.929 0.951 0.722 0.981 0.919 0.722 1.000 0.921 0.878
0.9% 0.967 0.763 0.937 0.997 0,763 0.921 l細(xì) 0.948
0.940 0.919 0.793 0.893 0.951 0.793 0.878 0.948 1.000
將[ 1作為模糊關(guān)系矩陣，采用閉包法求得模糊等價矩陣進(jìn)行聚類，取截集水平
;U0.975可將測點(diǎn)分為四類，分別為{33111,33121，33211,33221}、 {33131,33231}、 {33321，33331}、 {33311}?？梢钥闯鼍垲惤Y(jié)果大體反映了測點(diǎn)在空間分布上關(guān)聯(lián)的情況，
且33131， 33231兩破壞測點(diǎn)也被從其它測點(diǎn)中分離出來<
權(quán)利要求
1、監(jiān)測系統(tǒng)故障自診斷方法，其特征是，該方法包括下列步驟(1)對不同測值的序列進(jìn)行關(guān)聯(lián)度分析；(2)利用測值序列間關(guān)聯(lián)度構(gòu)件模糊關(guān)系矩陣；(3)對測值序列進(jìn)行模糊聚類分析分析測值異常原因，對監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)作出判斷。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的故障自診斷方法，其特征是，所述步驟(1)中采用絕對關(guān)聯(lián)度進(jìn)行分析，原始數(shù)據(jù)序列中，《和氣分別為參考序列和比較序列，艮口<formula>formula see original document page 2</formula>對長度相同的兩序列求其始點(diǎn)零化象<formula>formula see original document page 2</formula>其中X^)^'(A:)-x'(l)，按式(4)即可求得兩序列的絕對關(guān)聯(lián)度 =<formula>formula see original document page 2</formula>式中<formula>formula see original document page 2</formula>
3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的故障自診斷方法，其特征是，所述步驟(2)中，假設(shè)監(jiān) 測系統(tǒng)有m個測點(diǎn)，每個測點(diǎn)各測得n個測值，則這m段測值序列y-化，^，…^」構(gòu) 成n維空間的樣本向量集，任意樣本向量Y'為-其中々Chl'2'…，^7、U"'"")是第z'個測點(diǎn)的第/個測值；將步驟(1)中求得的關(guān)聯(lián)度 ^2 《1)，量化y中兩兩元素間的彼此接近程度，將 組成的矩陣^作為模糊關(guān)系矩陣。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的故障自診斷方法，其特征是，所述步驟(3)中，若某測 值序列與同類的其它測值序列關(guān)聯(lián)度大幅下降，并導(dǎo)致聚類結(jié)果相應(yīng)發(fā)生變化，則可初 步判定監(jiān)測系統(tǒng)自身出現(xiàn)故障。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的故障自診斷方法，其特征是，所述步驟(1)中，對長度 不同序列間的比較，用插值等方法將短序列補(bǔ)齊。
全文摘要
本發(fā)明涉及監(jiān)測系統(tǒng)故障自診斷方法，該方法包括下列步驟對不同測值的序列進(jìn)行關(guān)聯(lián)度分析；利用測值序列間關(guān)聯(lián)度構(gòu)件模糊關(guān)系矩陣；對測值序列進(jìn)行模糊聚類分析分析測值異常原因，對監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)作出判斷。本發(fā)明用計算機(jī)程序?qū)Ω鳒y點(diǎn)測值之間存在的聯(lián)系進(jìn)行量化分析，使監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)Ξ惓y值是否由自身故障所引發(fā)進(jìn)行診斷，避免由于誤判引起誤報警而帶來的不必要的經(jīng)濟(jì)與社會成本投入，也便于及時采取措施對監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行維修，提高了結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)的智能化水平與魯棒性，因此實(shí)用性較大。
文檔編號G01M99/00GK101526433SQ200910030990
公開日2009年9月9日 申請日期2009年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月20日
發(fā)明者斌 傅, 張宇峰, 朱曉文, 袁愛民 申請人:江蘇省交通科學(xué)研究院股份有限公司