專利名稱：一種橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)角色診斷系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷與預(yù)警技術(shù)，尤其涉及一種橋梁結(jié)
構(gòu)狀態(tài)角色診斷系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測、故障診斷與預(yù)警技術(shù)，是利用信息技術(shù)的手段、監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)的各
種狀態(tài)信息，并進行結(jié)構(gòu)分析與故障診斷。但由于橋梁是結(jié)構(gòu)工程界公認最為復(fù)雜的一類
工程結(jié)構(gòu)，而橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測、故障診斷及預(yù)警技術(shù)又具有高度學(xué)科交叉的特點，這決定了這
項起步不久的新興技術(shù)必然存在大量需要深入研究的科學(xué)問題，原始數(shù)據(jù)失真與變異即是
其中一個極為重要、但又處于學(xué)科交叉薄弱點上、直接影響故障診斷結(jié)果的關(guān)鍵核心問題。 在橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測、故障診斷及預(yù)警系統(tǒng)中，由各類傳感器以及儀器設(shè)備組成的信
息獲取環(huán)節(jié)是獲取結(jié)構(gòu)原始狀態(tài)信息的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它一般只有幾年的使用壽命，這與設(shè)計
服役年限為數(shù)十、上百年的橋梁之間存在巨大的時間差；而橋梁在惡劣的野外環(huán)境下(頻
繁振動、交變受力，高塵、高濕、高低溫變化、高腐蝕性環(huán)境，等)，信息獲取環(huán)節(jié)的性能衰退
還會大大加劇，這使得監(jiān)測儀器設(shè)備出現(xiàn)故障或失效而引發(fā)的原始數(shù)據(jù)失真與變異、并誘
發(fā)錯誤的故障診斷結(jié)果、產(chǎn)生誤漏報警的問題。 在橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)中，引發(fā)原始數(shù)據(jù)失真與變異的原因眾多、產(chǎn)生 的變異現(xiàn)象各異。傳感器及其儀器設(shè)備的基準"漂移"會造成原始數(shù)據(jù)按一定規(guī)律與方向 的失真與變異；硬件儀器設(shè)備從量變到質(zhì)變的性能衰退過程，會產(chǎn)生一系列無規(guī)律、且逐 漸加劇的原始數(shù)據(jù)失真與變異；橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)場的各種環(huán)境干擾(如電磁干擾、人為操作失 誤、停電、電源意外的劇烈波動或電力沖擊等粗大誤差)，也往往產(chǎn)生一系列陡然突變或無 規(guī)律的原始數(shù)據(jù)失真與變異；部分傳感器或儀器設(shè)備修理、更換之后，亦會產(chǎn)生初始參數(shù)變
異，......。所有上述原始數(shù)據(jù)的失真與變異，不是與橋梁結(jié)構(gòu)的性能衰退與老化相似，就
是與地震、強風(fēng)、等環(huán)境災(zāi)變造成的橋梁故障類似，或者與橋梁的超限超載、意外撞擊、人為 破壞的非自然損傷相近，因此如果不把這此原始數(shù)據(jù)失真與變異同橋梁結(jié)構(gòu)的損傷信息故 障分離識別開來，輕者會影響橋梁結(jié)構(gòu)故障診斷的準確性、重者會被誤判為橋梁結(jié)構(gòu)陡然 突變的事故先兆，給橋梁故障診斷結(jié)果造成混亂，產(chǎn)生嚴重后果。 由于目前從事橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)研究的主力基本上都是結(jié)構(gòu)工程領(lǐng) 域的學(xué)者，因此他們主要從力學(xué)的角度出發(fā)開展橋梁結(jié)構(gòu)的損傷識別與故障診斷方法的研 究，因而對系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)失真與變異問題普遍缺乏足夠的認識；而少數(shù)涉足橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān) 測、故障診斷及預(yù)警技術(shù)研究的信息學(xué)科的學(xué)者，則一般都是單純從傳感器與測量技術(shù)的 角度出發(fā)研究及其可靠性問題，基本沒有從狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的整體出發(fā)去探討數(shù) 據(jù)的失真與變異問題；因此橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)失真與變異這樣一個 重大共性關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題，還處于原始的起步階段。 大幅度提高傳感器系統(tǒng)自身的可靠性及壽命、增加系統(tǒng)的硬軟件冗余度、對原始 信號進行濾波等預(yù)處理，是目前的通行解決方法。提高傳感器系統(tǒng)的可靠性、環(huán)境適應(yīng)性、使用壽命，是解決原始數(shù)據(jù)失真與變異的根本途徑，也是信息科學(xué)領(lǐng)域工作者義不容辭的 責(zé)任，但因它不僅涉及眾多不同種類的傳感器、儀器設(shè)備，還涉及系統(tǒng)的現(xiàn)場安裝工藝技 術(shù)，因而這將是一個十分漫長的過程。增加系統(tǒng)的硬軟件冗余度是最常規(guī)的一種方法，但它 會大幅度增加系統(tǒng)的復(fù)雜性以及成本，因此難以被橋梁界接受。而采用濾波等常規(guī)信號處 理方法，對原始信號進行預(yù)處理雖然是一個相對有效的低成本的方法，但因為專業(yè)背景的 限制，結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的技術(shù)人員只是從力學(xué)與結(jié)構(gòu)角度出發(fā)考慮問題、而信息學(xué)科的技術(shù) 人員則只是從傳感器與儀器系統(tǒng)的角度出發(fā)考慮問題，根本不能解決這樣一個跨學(xué)科的大 問題。更為嚴重的是，橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的研究人員界普遍還沒有認識到這個 問題的嚴重性；特別是以結(jié)構(gòu)工程為主力的絕大多數(shù)研究人員想當(dāng)然地認為，系統(tǒng)獲取的 全部是真實、有效、無失真的原始數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)的變異全部是由橋梁結(jié)構(gòu)引起的。這種認 識導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的損傷識別與故障診斷技術(shù)在實際應(yīng)用時陷入了一個"數(shù)據(jù)災(zāi)難"的困境， 如投資數(shù)千萬港幣、建于90年代中期的香港某大橋狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，雖然采用了當(dāng)時全球最 為先進的硬件系統(tǒng)，但仍然存在各種硬件引起的原始數(shù)據(jù)大幅波動、相當(dāng)比例的異常波動 程度都超過了結(jié)構(gòu)損傷的數(shù)據(jù)變化，使得絕大多數(shù)損傷識別與故障診斷的算法與軟件都頻 頻誤報警、產(chǎn)生出"數(shù)據(jù)災(zāi)難"的新問題，該大橋不得不每年花巨資吸引全球結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域 的人才、進行結(jié)構(gòu)辨識與處理算法研究，但由于始終沒有考慮數(shù)據(jù)失真與變異問題的影響， 故十余年的努力沒有取得實質(zhì)性突破，即使在近期對該橋的硬件系統(tǒng)進行了大幅度更新?lián)Q 代后，這個"數(shù)據(jù)災(zāi)難"問題依然在困擾該橋及全球的相關(guān)研究人員。 由于橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)失真與變異，完全是與橋梁結(jié)構(gòu)自身故 障產(chǎn)生的異常信息是混雜在一起，它所涉及的技術(shù)基礎(chǔ)跨越了不同專業(yè)領(lǐng)域，因此單純依 賴某一專業(yè)的人員、單從某一個方面入手、單用某一種處理方法，都是難以達到目的的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)角色診斷系統(tǒng)，在現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的 安全評價環(huán)節(jié)中的數(shù)據(jù)儲存單元和軟件評價單元之間插入角色診斷系統(tǒng)，現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)狀 態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的信息獲取環(huán)節(jié)獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)儲存單元處理后得到待分析數(shù)據(jù)，將待分析 數(shù)據(jù)輸入角色診斷系統(tǒng)，由角色診斷系統(tǒng)將待分析數(shù)據(jù)中的結(jié)構(gòu)信息、干擾信息和角色失 效信息三種信息區(qū)別開來，對干擾信息和/或角色失效信息的來源進行角色定位并進行角 色維護，只將結(jié)構(gòu)信息送入軟件評價單元。 角色診斷系統(tǒng)由數(shù)據(jù)診斷、角色識別和角色維護決策三個模塊組成；1)數(shù)據(jù)診斷 模塊對傳來的待分析數(shù)據(jù)進行識別、分析，將結(jié)構(gòu)信息、干擾信息和角色失效信息區(qū)別開 來；2)角色識別模塊根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定位出產(chǎn)生干擾或引起失效的角色及其位置；3)定位到 產(chǎn)生干擾或引起失效的角色及其位置后，角色維護決策模塊對定位到的角色進行角色維護 和角色重構(gòu)。 角色維護和角色重構(gòu)包括定位到產(chǎn)生干擾或引起失效的角色及其位置后，對相 應(yīng)角色的軟硬件進行維修、更換；從發(fā)現(xiàn)角色失效起，到維修、更換結(jié)束為止的時間段內(nèi)，被 維修、更換的角色應(yīng)當(dāng)發(fā)送而未發(fā)送的數(shù)據(jù)，對這部分數(shù)據(jù)進行恢復(fù)、重構(gòu)。
角色診斷系統(tǒng)按如下方法建立數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 角色診斷系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸入端之前的信息獲取環(huán)節(jié)和數(shù)據(jù)儲存單元按軟/硬件分為硬件部分和軟件部分兩種，其中，硬件部分包括；各種橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)傳感器，與各個傳感器 對應(yīng)的數(shù)據(jù)預(yù)處理、傳輸設(shè)備，數(shù)據(jù)匯流、中轉(zhuǎn)、儲存設(shè)備；軟件部分包括對各種傳感器數(shù) 據(jù)進行預(yù)處理的各個軟件模塊，對數(shù)據(jù)傳輸、匯流、中轉(zhuǎn)、儲存進行控制的各個軟件模塊；前 述的硬件部分和軟件部分中，最底層的軟/硬件單元即構(gòu)成一個角色；各個角色按其關(guān)聯(lián) 性劃分為多個簇，具有強關(guān)聯(lián)性的角色歸于同一簇，簇與簇之間的角色之間無關(guān)聯(lián)性或具 有弱關(guān)聯(lián)性； 得到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由角色、父節(jié)點和角色診斷中心組成同簇中的各個角色都連接
到同一父節(jié)點，簇和父節(jié)點一一對應(yīng)，各個父節(jié)點都連接到角色診斷中心。 本發(fā)明的有益技術(shù)效果是從系統(tǒng)高度提出了一種解決橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息原始數(shù)
據(jù)失真與變異問題的新方法。


圖1、現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖； 圖2、本發(fā)明的橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)角色診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖； 圖3、角色診斷系統(tǒng)組成； 圖4、本發(fā)明的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)； 圖5、橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的信息傳輸模型； 圖6、信息采集單元的差錯控制機制；
具體實施例方式
對于背景技術(shù)中述及的問題，現(xiàn)有技術(shù)不管是在研究的難度還是在研究的深度，
都難以令人滿意，必須跳出目前的研究思路、另辟蹊徑，從系統(tǒng)的高度出發(fā)，尋求從根本上
解決問題的新途徑。而將原始信息失真的研究從信息獲取和安全評價這兩個環(huán)節(jié)剝離出來
形成一個新的信息智能診斷環(huán)節(jié)，并集中信息與結(jié)構(gòu)兩個領(lǐng)域的人員與知識，在學(xué)科交叉
點上提煉關(guān)鍵共性問題、并注入信息技術(shù)領(lǐng)域最新的研究成果，將為解決前述問題開創(chuàng)一
個有效的新途徑，并將使橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)產(chǎn)生跳躍性發(fā)展。 參見圖l，在典型橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中，系統(tǒng)可以分為信息獲取和安全評價兩
個環(huán)節(jié)，每一個環(huán)節(jié)都還可以進一步細分為不同的單元。其中，信息獲取環(huán)節(jié)包括信息采集
和信息傳輸兩個單元，信息采集單元主要是傳感器系統(tǒng)硬件設(shè)備部分，包括撓度、應(yīng)變、溫 度等，其主要功能是負責(zé)采集橋梁的結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息；而信息傳輸單元主要是指數(shù)據(jù)通信設(shè)
備、通信協(xié)議等，主要功能是將采集得到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程監(jiān)控中心分析、處理。安全評價 環(huán)節(jié)可以分為數(shù)據(jù)儲存和軟件評價兩個單元，數(shù)據(jù)儲存單元主要是計算機和相關(guān)數(shù)據(jù)存儲 設(shè)備等，主要功能是將傳輸來的信息按照格式要求存儲起來，提供給評價軟件對橋梁結(jié)構(gòu) 狀態(tài)進行評價和進行數(shù)據(jù)查詢；而軟件評價主要是基于各種各樣的結(jié)構(gòu)評價方法形成的軟 件系統(tǒng)。 參見圖2，本發(fā)明的創(chuàng)新在于在現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的安全評價環(huán)節(jié)中 的數(shù)據(jù)儲存單元和軟件評價單元之間插入角色診斷系統(tǒng)，現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的信 息獲取環(huán)節(jié)獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)儲存單元處理后得到待分析數(shù)據(jù)，將待分析數(shù)據(jù)輸入角色診 斷系統(tǒng)，由角色診斷系統(tǒng)將待分析數(shù)據(jù)中的結(jié)構(gòu)信息、干擾信息和角色失效信息三種信息區(qū)別開來(結(jié)構(gòu)信息中由被監(jiān)測對象損傷引起的數(shù)據(jù)變化也叫"失常"數(shù)據(jù)，由傳感器、數(shù) 據(jù)傳輸設(shè)備引起的數(shù)據(jù)變化可籠稱為"失效"數(shù)據(jù))，對干擾信息和/或角色失效信息的來 源進行角色定位并進行角色維護，只將結(jié)構(gòu)信息送入軟件評價單元。
( — )角色診斷系統(tǒng)構(gòu)成 本發(fā)明的角色診斷系統(tǒng)，參見圖3，它由數(shù)據(jù)診斷、角色識別和角色維護決策三個 模塊組成；1)數(shù)據(jù)診斷模塊對傳來的待分析數(shù)據(jù)進行識別、分析，將結(jié)構(gòu)信息、干擾信息和 角色失效信息區(qū)別開來；2)角色識別模塊根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定位出產(chǎn)生干擾或引起失效的角 色及其位置；3)定位到產(chǎn)生干擾或引起失效的角色及其位置后，角色維護決策模塊對定位 到的角色進行角色維護和角色重構(gòu)。 角色診斷思想主要來源于計算機軟件工程領(lǐng)域的角色設(shè)計與分析技術(shù)，借用了相 關(guān)的概念和定義。發(fā)明人在本發(fā)明的角色診斷系統(tǒng)中對于角色的概念和內(nèi)涵進行了更寬層 次上的推廣，將角色定義為橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)角色診斷系統(tǒng)中，角色診斷系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸入端之前 的每一個硬件、軟件實體，它可以是一個子系統(tǒng)或子環(huán)節(jié)，也可以是一個傳感器，一個軟件 模塊，直至系統(tǒng)中的最小單位，針對本發(fā)明，角色的具體定義如下 角色診斷系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸入端之前的信息獲取環(huán)節(jié)和數(shù)據(jù)儲存單元按軟/硬件分為 硬件部分和軟件部分兩種，其中，硬件部分包括各種橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)傳感器，與各個傳感器 對應(yīng)的數(shù)據(jù)預(yù)處理、傳輸設(shè)備，數(shù)據(jù)匯流、中轉(zhuǎn)、儲存設(shè)備；軟件部分包括對各種傳感器數(shù) 據(jù)進行預(yù)處理的各個軟件模塊，對數(shù)據(jù)傳輸、匯流、中轉(zhuǎn)、儲存進行控制的各個軟件模塊；前 述的硬件部分和軟件部分中，最底層的軟/硬件單元即構(gòu)成一個角色； 這些角色分布在系統(tǒng)中的不同位置，每一個角色都可能引起系統(tǒng)數(shù)據(jù)的失真與變 異，這些角色數(shù)量多、類型廣，必須對這些角色進行劃分，才能對失效角色進行定位。各個角 色按其關(guān)聯(lián)性劃分為多個簇，具有強關(guān)聯(lián)性的角色歸于同一簇，簇與簇之間的角色之間無 關(guān)聯(lián)性或具有弱關(guān)聯(lián)性； 由于橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，其參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性也是復(fù)雜多 樣的。橋梁的關(guān)聯(lián)性不僅表現(xiàn)在內(nèi)部子系統(tǒng)之間的相關(guān)性，以及子系統(tǒng)與整體之間的相關(guān) 性，而且還表現(xiàn)在橋梁系統(tǒng)與外界環(huán)境的相互作用，即橋梁系統(tǒng)在接受外界環(huán)境信息的同 時輸出相應(yīng)的響應(yīng)信息，具體來說，橋梁是一個復(fù)雜的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，當(dāng)受到外部作用的時候， 橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)之間都會有不同的反應(yīng)，只是參數(shù)之間表征不一樣，其中，撓度反應(yīng)在豎向位 移的變化，應(yīng)變表征在應(yīng)力大小的變化，索力加速度表征在頻率的變化；即使對于同一結(jié)構(gòu) 參數(shù)，測量點布置的位置不一樣，反應(yīng)的程度也不同；但是，所有類型的測量點都對于外部 作用這種反應(yīng)表現(xiàn)在橋梁結(jié)構(gòu)測量點之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系上，可以從結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)出發(fā)，按照兩種 數(shù)據(jù)變化的方向分，有正相關(guān)、負相關(guān)和無相關(guān)1、正相關(guān)一種變量增加或減少，另一種 變量也在增加或減少，兩種變量變動的方向相同，謂之正相關(guān)。2、負相關(guān)一種變量增加或 減少，另一種變量也在減少或增加，兩種變量變動的方向相反，謂之負相關(guān)。3、無相關(guān)在兩 種變量之間， 一種變量變動時，另一種變量毫無變動，即使變動也無一定的規(guī)律，如人的相 貌與人的思想品德，人的身體高矮與學(xué)習(xí)成績的好壞等是無什么關(guān)系的，這兩種變量的關(guān) 系謂之無相關(guān)或零相關(guān)。
關(guān)聯(lián)性的表現(xiàn)形式一般有如下5種
1)環(huán)境關(guān)聯(lián)性
6
結(jié)構(gòu)參數(shù)都是不同測量點或不同監(jiān)測量而已，但是，它們都是處于同樣的環(huán)境條 件下，當(dāng)然，不同位置上的結(jié)構(gòu)參數(shù)受到環(huán)境影響有所不同。如，朝陽面結(jié)構(gòu)參數(shù)比朝陰面 的受溫度影響作用大一些；橋梁結(jié)構(gòu)外的比結(jié)構(gòu)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)參數(shù)受到的的溫度、風(fēng)、雨水作 用大些。 2)結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)性 橋梁是由不同的結(jié)構(gòu)體構(gòu)成，位于不同的結(jié)構(gòu)體上的結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性也有 不同。如橋梁主梁、斜拉橋的塔、橋礅等結(jié)構(gòu)體，在同一結(jié)構(gòu)體上的結(jié)構(gòu)參數(shù)相比其他結(jié)構(gòu) 體上的結(jié)構(gòu)參數(shù)有更好的關(guān)聯(lián)性。
3)位置關(guān)聯(lián)性 橋梁的尺寸較大，按照結(jié)構(gòu)力學(xué)分析有很多測試位置，同樣的測試位置上布置了 若干個測量點，這些測量點呈現(xiàn)出位置上的關(guān)聯(lián)性。 一般而言，位置上鄰近的測量點之間的 有較強的關(guān)聯(lián)性。
4)時間關(guān)聯(lián)性 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)在同一時間點都要采集數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)表現(xiàn)
出來在時間上的關(guān)聯(lián)性，即在某一時刻受到同一外部作用的時候，某些結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)表現(xiàn)出在
這一時刻的關(guān)聯(lián)性，但是，這種關(guān)聯(lián)性不會一直保持不變，在以后的某一時刻，這種關(guān)聯(lián)性
會發(fā)生變化。 5)類別關(guān)聯(lián)性 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中有不同類別的測試參數(shù)，如撓度、應(yīng)變、溫度等，不同類
別的的測試參數(shù)存在關(guān)聯(lián)性，如前面分析的溫度和撓度、應(yīng)變之間，而同一類別的測試參數(shù)
同樣也會存在很強的關(guān)聯(lián)性，如不同撓度測量點之間、應(yīng)變測量點之間等。 在劃分角色時，上述5種關(guān)聯(lián)性可擇一采用，由此得到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由角色、父節(jié)點
和角色診斷中心組成參見圖4，同簇中的各個角色都連接到同一父節(jié)點，簇和父節(jié)點一一
對應(yīng)，各個父節(jié)點都連接到角色診斷中心；根據(jù)這種樹狀的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)可以很快的將產(chǎn)
生干擾或引起失效的角色定位出來，這就使得為相關(guān)"失效"角色制定解決方案提供了可能性。
( 二 )角色診斷系統(tǒng)的運行 前文中敘述了，數(shù)據(jù)診斷、角色識別和角色維護決策三個模塊分步對數(shù)據(jù)進行識
別、定位、制定解決方案，下面詳細敘述各個模塊是如何工作的。
(1)數(shù)據(jù)診斷模塊 參見圖5，現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的每一個數(shù)據(jù)都要經(jīng)歷如圖所示的數(shù)據(jù)處 理流程，即"采集_傳輸_儲存_評價"，采用本發(fā)明方案后，這種處理流程就變?yōu)?采集_傳 輸-儲存-角色診斷-評價"。 從圖5可以看出，每一個環(huán)節(jié)都可能由于外部噪聲產(chǎn)生數(shù)據(jù)失真，則可以將數(shù)據(jù)
信息表示為 <formula>formula see original document page 7</formula>
其中，F(xiàn)為信息獲取環(huán)節(jié)信息采集單元(傳感器)采樣得到的理想信號，F(xiàn)—為信息獲取環(huán)節(jié)信息采集單元采樣得到的實際數(shù)據(jù)信號，e為信息獲取環(huán)節(jié)信息采集單元的噪聲 信號；F—為信息獲取環(huán)節(jié)信息傳輸單元的輸出信號，e —為信息獲取環(huán)節(jié)信息傳輸單元的 噪聲信號；F——為安全評價環(huán)節(jié)中數(shù)據(jù)儲存單元的輸出信號，e —為安全評價環(huán)節(jié)中數(shù)據(jù) 儲存單元的噪聲信號；評價結(jié)果R與信號F——之間為函數(shù)關(guān)系，描述為
R =①(F…) 可見，評價結(jié)果R的輸出直接與信號F——關(guān)聯(lián)，如果信號F——是失真信號，即 |F—-F| > S 其中，S為設(shè)定的閾值； 也就是說當(dāng)F——與原始采樣信號F差異過大的時候，可以認為是失真數(shù)據(jù)，艮卩
lim|F—— _F| = 0 此外，還可能存在的情況是如果信息獲取環(huán)節(jié)采樣的原始信號在采樣過程中，由 于傳感器故障等因素，F(xiàn)本身也是失真數(shù)據(jù)。 建立角色診斷系統(tǒng)的目的就是為了保證提供給診斷與評價子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)的正確 性和完整性，信息從傳感器采樣開始到最終進入安全評價過程中，每一環(huán)節(jié)都可能導(dǎo)致信 息出現(xiàn)失真，信息的可靠性如何保證，必須要以量化的指標給出，所以需要建立一個信息的 失效度和有效度模型來量化各個角色的工作情況。 以傳感器為例，設(shè)第i個傳感器在單位時間內(nèi)的函數(shù)為fi，則有 & = (xn， xi2， . . . ， xim) ， m為采集的數(shù)據(jù)個數(shù)，xim為該傳感器采集到的第m個數(shù)
據(jù)，其中，fi中有n個數(shù)據(jù)經(jīng)過判據(jù)分析為失真數(shù)據(jù)，則該傳感器的在該單位時間內(nèi)的失效
度模型為Yi，即
=單位時間失真數(shù)=w ^—單位時間采樣數(shù)— 其中，0《Yi《l，在傳感器系統(tǒng)安裝的初期，Yi近似為O，隨著系統(tǒng)使用時間變
長，Yi逐漸上升， 因而，與失效度模型相反的有效度模型則可以定義如下，艮卩
_單位時間采樣數(shù)-單位時間失真數(shù)=—-—=
7'—單位時間采樣數(shù)一"^T— 一7' 其中，o- ni《i，一般在傳感器系統(tǒng)安裝的初期，ni近似為i，隨著系統(tǒng)使用時 間變長，ni逐漸下降。所以，失效度Yi和有效度模型ni可以有效的對包括傳感器在內(nèi)的各種角色信息
的可靠性進行判斷和評估即設(shè)定Yi和/或ni的閾值，如果不滿足閾值要求，即可認為該
角色為失效角色； (2)角色識別模塊 由于不同角色引起的失效所產(chǎn)生的失效特征是完全不同的，在后期系統(tǒng)運行中，
就可以十分準確的通過失效特征來定位到失效角色及其位置。
(3)角色維護決策模塊 角色識別模塊根據(jù)失效特征找到失效的角色后，角色維護決策模塊根據(jù)該角色的標識，識別出該角色是什么軟件或硬件、在系統(tǒng)中的位置；角色維護決策模塊內(nèi)預(yù)先寫入 有為不同角色制定的不同解決方案(也叫差錯控制機制)，針對角色在系統(tǒng)中的不同位置， 以及角色的不同屬性，有多種解決方案，其具體方法如下
1、信息采集單元的差錯控制 這種解決方案主要用于屬于信息采集單元內(nèi)的角色，如傳感器；當(dāng)角色被判定為 失效角色后，不一定是所有數(shù)據(jù)都是失真數(shù)據(jù)，為了確定是哪些數(shù)據(jù)出現(xiàn)了錯誤，這時就需 要檢錯模型和糾錯模型進行處理了 ，
1)檢錯模型 設(shè)第i個傳感器在時間上的函數(shù)為f i，則& = (xn， xi2， . . . ， xim) ， xim為該傳感器 采集到的第m個數(shù)據(jù)，其上限范圍函數(shù)為f/，下限范圍函數(shù)為f/，若fi的第k(k G m)個數(shù) 據(jù)是正常的，必須滿足如下公式 人2 ^ 設(shè)在時間t上的監(jiān)測數(shù)據(jù)序列為xlt， x2t， . . . ， xnt，增量為A xlt， A x2t， . . . ， A xnt， n為序數(shù)，即為Axkt = xkt-X(k—1)t，(式中，k取大于等于2)。第i個傳感器關(guān)聯(lián)集為Ei，時 間t上的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)增量為 Qi = { A Xjt I A Xjt G ( A xlt， A x2t， ， A xnt) n Xj G
F( Axjs) = a， A xjs G Q丄 其中，1《j《n， s為序數(shù)，a為穩(wěn)定系數(shù)，F(xiàn)( A Xjs) = a為一個系統(tǒng)的穩(wěn)定方程。
檢錯原理為當(dāng)F(Axj》二a被破壞的時候，即確認第i個傳感器的時間t上的數(shù) 據(jù)x^出錯。 找到出錯數(shù)據(jù)后，就需要采用糾錯模型對這部分數(shù)據(jù)進行修復(fù)，
2)糾錯模型 設(shè)第i個傳感器中從第t個數(shù)據(jù)開始連續(xù)p個數(shù)據(jù)出錯，即數(shù)據(jù)序列表示為Xil，
Xi2，... ，Xit，Xi(t+1)， . . ，Xi(t+p—d， . . ，Xim，其中Xit，Xi(t+d，... ，Xi(t+p—"為連續(xù)出錯數(shù)據(jù)，將對 應(yīng)的修正后的數(shù)據(jù)記為Xit— ，Xi(t+1)— ，. . . ，Xi(t+p—，對任意對應(yīng)的修正前、后數(shù)據(jù)XijP Xis—， 必須滿足I xis_xis— I < e 。 其中，e為一個極小數(shù)據(jù)值，根據(jù)精度要求來確定。
2、信息傳輸單元的差錯控制 在信息傳輸單元，一般都是依靠的成熟的局域網(wǎng)技術(shù)中的差錯控制，現(xiàn)有流行的 通信協(xié)議主要為自動重新發(fā)送來保證數(shù)據(jù)的正確性和合理性；在信息傳輸單元，對于外部 干擾引起的數(shù)據(jù)失真進行差錯控制，信息傳輸單元的失效角色解決方案見圖6。
權(quán)利要求
一種橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)角色診斷系統(tǒng)，其特征在于在現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的安全評價環(huán)節(jié)中的數(shù)據(jù)儲存單元和軟件評價單元之間，插入角色診斷系統(tǒng)；現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的信息獲取環(huán)節(jié)獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)儲存單元處理后得到待分析數(shù)據(jù)，將待分析數(shù)據(jù)輸入角色診斷系統(tǒng)，由角色診斷系統(tǒng)將待分析數(shù)據(jù)中的結(jié)構(gòu)信息、干擾信息和角色失效信息三種信息區(qū)別開來，對干擾信息和/或角色失效信息的來源進行角色定位并進行角色維護，只將結(jié)構(gòu)信息送入軟件評價單元。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)角色診斷系統(tǒng)，其特征在于角色診斷系統(tǒng)由 數(shù)據(jù)診斷、角色識別和角色維護決策三個模塊組成；1)數(shù)據(jù)診斷模塊對傳來的待分析數(shù)據(jù) 進行識別、分析，將結(jié)構(gòu)信息、干擾信息和角色失效信息區(qū)別開來；2)角色識別模塊根據(jù)數(shù) 據(jù)結(jié)構(gòu)定位出產(chǎn)生干擾或引起失效的角色及其位置；3)定位到產(chǎn)生干擾或引起失效的角 色及其位置后，角色維護決策模塊對定位到的角色進行角色維護和角色重構(gòu)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)角色診斷系統(tǒng)，其特征在于角色維護和角色 重構(gòu)包括定位到產(chǎn)生干擾或引起失效的角色及其位置后，對相應(yīng)角色的軟硬件進行維修、 更換；從發(fā)現(xiàn)角色失效起，到維修、更換結(jié)束為止的時間段內(nèi)，被維修、更換的角色應(yīng)當(dāng)發(fā)送 而未發(fā)送的數(shù)據(jù)，對這部分數(shù)據(jù)進行恢復(fù)、重構(gòu)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)角色診斷系統(tǒng)，其特征在于角色診斷系統(tǒng)按 如下方法建立數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)角色診斷系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸入端之前的信息獲取環(huán)節(jié)和數(shù)據(jù)儲存單元按軟/硬件分為硬件 部分和軟件部分兩種，其中，硬件部分包括各種橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)傳感器，與各個傳感器對應(yīng) 的數(shù)據(jù)預(yù)處理、傳輸設(shè)備，數(shù)據(jù)匯流、中轉(zhuǎn)、儲存設(shè)備；軟件部分包括對各種傳感器數(shù)據(jù)進 行預(yù)處理的各個軟件模塊，對數(shù)據(jù)傳輸、匯流、中轉(zhuǎn)、儲存進行控制的各個軟件模塊；前述的 硬件部分和軟件部分中，最底層的軟/硬件單元即構(gòu)成一個角色；各個角色按其關(guān)聯(lián)性劃 分為多個簇，具有強關(guān)聯(lián)性的角色歸于同一簇，簇與簇之間的角色之間無關(guān)聯(lián)性或具有弱 關(guān)聯(lián)性；得到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由角色、父節(jié)點和角色診斷中心組成同簇中的各個角色都連接到同 一父節(jié)點，簇和父節(jié)點一一對應(yīng)，各個父節(jié)點都連接到角色診斷中心。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)角色診斷系統(tǒng)，其特征在于在現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的安全評價環(huán)節(jié)中的數(shù)據(jù)儲存單元和軟件評價單元之間，插入角色診斷系統(tǒng)；現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的信息獲取環(huán)節(jié)獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)儲存單元處理后得到待分析數(shù)據(jù)，將待分析數(shù)據(jù)輸入角色診斷系統(tǒng)，由角色診斷系統(tǒng)將待分析數(shù)據(jù)中的結(jié)構(gòu)信息、干擾信息和角色失效信息三種信息區(qū)別開來，對干擾信息和/或角色失效信息的來源進行角色定位并進行角色維護，只將結(jié)構(gòu)信息送入軟件評價單元。本發(fā)明的有益技術(shù)效果是從系統(tǒng)高度提出了一種解決橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息原始數(shù)據(jù)失真與變異問題的新方法。
文檔編號G06F19/00GK101714190SQ20091019154
公開日2010年5月26日 申請日期2009年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月20日
發(fā)明者胡順仁, 陳偉民 申請人:重慶大學(xué)