專利名稱：基于空間坐標(biāo)監(jiān)測的識別受損索和支座位移的健康監(jiān)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
斜拉橋、懸索橋、桁架結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)有一個共同點，就是它們有許多承受拉伸載荷的部件，如斜拉索、主纜、吊索、拉桿等等，該類結(jié)構(gòu)的共同點是以索、纜或僅承受拉伸載荷的 桿件為支承部件，為方便起見本發(fā)明將該類結(jié)構(gòu)表述為“索結(jié)構(gòu)”。在索結(jié)構(gòu)的服役過程中， 索結(jié)構(gòu)的支承系統(tǒng)(指所有承載索、及所有起支承作用的僅承受拉伸載荷的桿件，為方便 起見，本專利將該類結(jié)構(gòu)的全部支承部件統(tǒng)一稱為“索系統(tǒng)”，但實際上索系統(tǒng)不僅僅指支 承索，也包括僅承受拉伸載荷的桿件)會受損，同時索結(jié)構(gòu)的支座也可能出現(xiàn)位移，這些變 化對索結(jié)構(gòu)的安全是一種威脅，本發(fā)明基于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)，基于空間坐標(biāo)監(jiān)測來識別 支座位移和索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)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)：
支座位移對索結(jié)構(gòu)安全是一項重大威脅，同樣的，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結(jié)構(gòu)的失效，基于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)來識別支座位移和索 結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)中的受損索是一種極具潛力的方法。當(dāng)支座出現(xiàn)位移時、或索系統(tǒng)的健康狀 態(tài)發(fā)生變化時、或者兩種情況同時發(fā)生時，會引起結(jié)構(gòu)的可測量參數(shù)的變化，例如會引起索 力的變化，會影響索結(jié)構(gòu)的變形或應(yīng)變，會影響索結(jié)構(gòu)的形狀或空間坐標(biāo)，會引起過索結(jié)構(gòu) 的每一點的任意假想直線的角度坐標(biāo)的變化(例如結(jié)構(gòu)表面任意一點的切平面中的任意 一根過該點的直線的角度坐標(biāo)的變化，或者結(jié)構(gòu)表面任意一點的法線的角度坐標(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，實際上這些可測量參數(shù)的變化包含了索 系統(tǒng)的健康狀態(tài)信息、包含了支座位移信息，也就是說可以利用結(jié)構(gòu)的可測量參數(shù)來識別 支座位移和受損索。為了能對索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)的健康狀態(tài)和支座位移有可靠的監(jiān)測和判斷，必須有一 個能夠合理有效的建立索結(jié)構(gòu)的可測量參數(shù)的變化同支座位移和索系統(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)可以給出更可信的支座位移評估和 索系統(tǒng)的健康評估。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明公開了一種基于空間坐標(biāo)監(jiān)測的識別受損索和支座位移的健康 監(jiān)測方法，方法可以同時識別出索結(jié)構(gòu)支座位移和索系統(tǒng)的健康狀態(tài)(包括所有受損索的 位置和損傷程度)。技術(shù)方案設(shè)索的數(shù)量和支座位移分量的數(shù)量之和為N。為敘述方便起見，本發(fā)明 統(tǒng)一稱被評估的索和支座位移為“被評估對象”，給被評估對象連續(xù)編號，本發(fā)明用用變量i 表示這一編號，i = 1，2，3，...，N，因此可以說有N個被評估對象。本發(fā)明由三大部分組成。分別是建立被評估對象健康監(jiān)測系統(tǒng)所需的知識庫和參 量的方法、基于知識庫(含參量)和實測索結(jié)構(gòu)的空間坐標(biāo)的被評估對象健康狀態(tài)評估方法、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被評估對象健康監(jiān)測的知識庫和參量的方法。具體如下1.建立索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計算基準(zhǔn)模型A。(例如有限元基準(zhǔn)模型)的方法如下。建立A。時，根據(jù)索結(jié)構(gòu)完工之時的索結(jié)構(gòu)的實測數(shù)據(jù)(包括索結(jié)構(gòu)形狀數(shù)據(jù)、索 力數(shù)據(jù)、拉桿拉力數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)模態(tài)數(shù)據(jù)等實測數(shù)據(jù)，對斜拉橋、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)、索的無損檢測數(shù)據(jù)等能夠表達索的健康 狀態(tài)的數(shù)據(jù))和設(shè)計圖、竣工圖，利用力學(xué)方法(例如有限元法)建立A。；如果沒有索結(jié)構(gòu) 完工之時的結(jié)構(gòu)的實測數(shù)據(jù)，那么就在建立健康監(jiān)測系統(tǒng)前對結(jié)構(gòu)進行實測，得到索結(jié)構(gòu) 的實測數(shù)據(jù)(包括索結(jié)構(gòu)形狀數(shù)據(jù)、索力數(shù)據(jù)、拉桿拉力數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)數(shù)據(jù)、索結(jié) 構(gòu)模態(tài)數(shù)據(jù)等實測數(shù)據(jù)，對斜拉橋、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)、 索的無損檢測數(shù)據(jù)等能夠表達索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù))，根據(jù)此數(shù)據(jù)和索結(jié)構(gòu)的設(shè)計圖、竣工 圖，利用力學(xué)方法(例如有限元法)建立A。。不論用何種方法獲得A。，基于A。計算得到的索 結(jié)構(gòu)計算數(shù)據(jù)(對斜拉橋、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 常接近其實測數(shù)據(jù)，誤差一般不得大于5%。這樣可保證利用A。計算所得的模擬情況下的 應(yīng)變計算數(shù)據(jù)、索力計算數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)形狀計算數(shù)據(jù)和位移計算數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)角度數(shù)據(jù)等， 可靠地接近所模擬情況真實發(fā)生時的實測數(shù)據(jù)。“結(jié)構(gòu)的全部被監(jiān)測的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)”由結(jié)構(gòu)上K個指定點的、及每個指定點的L 個指定方向的空間坐標(biāo)來描述，結(jié)構(gòu)空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)的變化就是K個指定點的所有空間坐標(biāo) 分量的變化。每次共有M(M = KXL)個空間坐標(biāo)測量值或計算值來表征結(jié)構(gòu)空間坐標(biāo)信息。 K和M不得小于支承索的數(shù)量N。為方便起見，在本發(fā)明中將“結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)”簡稱為“被監(jiān)測量”。 在后面提到“被監(jiān)測量的某某矩陣或某某向量”時，也可讀成“空間坐標(biāo)的某某矩陣或某某
向量”本發(fā)明中用被監(jiān)測量初始向量C。表示索結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測量的初始值組成的向 量(見式(1))。要求在獲得A。的同時獲得C。。因在前述條件下，基于索結(jié)構(gòu)的計算基準(zhǔn)模 型計算所得的被監(jiān)測量可靠地接近于初始被監(jiān)測量的實測數(shù)據(jù)，在后面的敘述中，將用同 一符號來表示該計算值和實測值。C0= [C01 C02- · .C0, · -C0JT (1)式(1)中C。j(j = 1，2，3，.......，M ;M彡N)是索結(jié)構(gòu)中第j個被監(jiān)測量的初始
量，該分量依據(jù)編號規(guī)則對應(yīng)于特定的第j個被監(jiān)測量。T表示向量的轉(zhuǎn)置(后同)。本發(fā)明中用被監(jiān)測量當(dāng)前數(shù)值向量C是由索結(jié)構(gòu)中所有被監(jiān)測量的當(dāng)前值組成 的向量(定義見式(2))。C = [C1 C2 · · · Cj · · · CJT (2)式(2)中CjG = 1,2,3,.......，M;M彡N)是索結(jié)構(gòu)中第j個被監(jiān)測量的當(dāng)前
值，該分量依據(jù)編號規(guī)則與對應(yīng)于同一“被監(jiān)測量”。2.建立索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測量單位變化矩陣AC的方法。建立索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測量單位變化矩陣Δ C的具體方法如下在索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計算基準(zhǔn)模型Α。的基礎(chǔ)上進行若干次計算，計算次數(shù)數(shù)值上等于N。每一次計算假設(shè)只有一個被評估對象有單位損傷或單位位移，具體的，如果該被評估對 象是索系統(tǒng)中的一根支承索，那么就假設(shè)該支承索有單位損傷(例如取5 %、10 %、20 %或 30%等損傷為單位損傷)，如果該被評估對象是一個支座的一個方向的位移分量，就假設(shè)該 支座在該位移方向發(fā)生單位位移(例如10mm，20mm, 30mm等為單位位移)，用Dui記錄這一 單位損傷或單位位移，其中i表示發(fā)生單位損傷或單位位移的被評估對象的編號。用“單位 損傷或單位位移向量Du”(如式(3)所示)記錄所有的單位損傷或單位位移。每一次計算 中出現(xiàn)單位損傷或單位位移的被評估對象不同于其它次計算中出現(xiàn)單位損傷或單位位移 的被評估對象，每一次計算都利用力學(xué)方法(例如有限元法)計算索結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測量 的當(dāng)前計算值，每一次計算得到的所有被監(jiān)測量的當(dāng)前計算值組成一個被監(jiān)測量計算當(dāng)前 向量(當(dāng)假設(shè)第i個被監(jiān)測量有單位損傷或單位位移時，可用式(4)表示被監(jiān)測量計算當(dāng) 前向量CtD ；每一次計算得到被監(jiān)測量計算當(dāng)前向量減去被監(jiān)測量初始向量后再除以該次 計算所假設(shè)的單位損傷或單位位移數(shù)值，所得向量就是此條件下(以有單位損傷或單位位 移的被評估對象的編號為標(biāo)記)的被監(jiān)測量變化向量(當(dāng)?shù)趇個被評估對象有單位損傷或 單位位移時，用S Ci表示被監(jiān)測量變化向量，定義見式(5)，式(5)為式(4)減去式(1)所 得)，被監(jiān)測量變化向量的每一元素表示由于計算時假定有單位損傷或單位位移的那個被 評估對象的單位變化而引起的該元素所對應(yīng)的被監(jiān)測量的改變量；有N個被評估對象就有 N個被監(jiān)測量變化向量，由于有M個被監(jiān)測量，所以每個被監(jiān)測量變化向量有M個元素，由 這N個被監(jiān)測量變化向量依次組成有MXN個元素的被監(jiān)測量單位變化矩陣AC，AC的定 義如式(6)所示。Du= [Dul Du2 - · -Dui - · -DJt (3)式(3)中單位損傷或單位位移向量Du的元素Dui (i = 1,2,3,.......，N)表示第
i個被評估對象的單位損傷或單位位移數(shù)值，向量Du中的各元素的數(shù)值可以相同也可以不 同。<formula>formula see original document page 6</formula>式(4)中元素<formula>formula see original document page 6</formula>N)表示由
于第i個被評估對象有單位損傷或單位位移時，依據(jù)編號規(guī)則所對應(yīng)的第j個被監(jiān)測量的 當(dāng)前計算量。<formula>formula see original document page 6</formula>式(6)中 Δ 表示僅由
于第i個被評估對象有單位損傷或單位位移而引起的、依據(jù)編號規(guī)則所對應(yīng)的第j個被監(jiān) 測量的計算當(dāng)前數(shù)值的變化(代數(shù)值)。被監(jiān)測量變化向量S Ci實際上是矩陣AC中的一列。3.被監(jiān)測量當(dāng)前數(shù)值向量C(計算或?qū)崪y)同被監(jiān)測量初始向量C。、被監(jiān)測量單 位變化矩陣△ C和被評估對象當(dāng)前狀態(tài)向量d間的近似線性關(guān)系，如式(7)或式(8)所示。 被評估對象當(dāng)前狀態(tài)向量d的定義參見式(9)。C = C。+ Δ C · d(7)C-C0 =AOd(8)d = [Cl1 d2 · · · Cli · · · dN]T (9)式(9)中CliG = 1，2，3，.......，N)是第i個被評估對象的當(dāng)前狀態(tài)，如果該被
評估對象是索系統(tǒng)中的一根索(或拉桿)，那么di表示其當(dāng)前損傷，Cli為O時表示無損傷， 為100%時表示該索徹底喪失承載能力，介于O與100%之間時表示喪失相應(yīng)比例的承載能 力，如果該被評估對象是一個支座的一個位移分量，那么Cli表示其當(dāng)前位移數(shù)值?？捎檬?10)定義的線性關(guān)系誤差向量e表示式(7)或式(8)所示線性關(guān)系的誤 差。e = abs ( Δ C · d_C+C。) (10)式(10)中abs()是取絕對值函數(shù)，對括號內(nèi)求得的向量的每一個元素取絕對值。本發(fā)明的第二部分基于知識庫(含參量)和實測被監(jiān)測量的被評估對象健康狀 態(tài)評估方法。由于式(7)或式(8)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(7) 或式(8)和實測被監(jiān)測量當(dāng)前數(shù)值向量C來直接求解得到被評估對象當(dāng)前狀態(tài)向量d。如 果這樣做了，得到的被評估對象當(dāng)前狀態(tài)向量d中的元素甚至?xí)霈F(xiàn)較大的負值，也就是 負損傷或負支座沉降，就是這明顯是不合理的。因此獲得被評估對象當(dāng)前狀態(tài)向量d的可 接受的解(即帶有合理誤差，但可以比較準(zhǔn)確的確定支座位移和確定受損索的位置及其損 傷程度)成為一個合理的解決方法，可用式(U)來表達這一方法。abs(^-AC*d-C + C0)<g(11)
U式(11)中abs()是取絕對值函數(shù)，向量g描述偏離理想線性關(guān)系(式(7)或式 (8))的合理偏差，由式(12)定義。g = [gl g2 · · · gj · · · gM]T (12)式(12)中g(shù)j(j = 1，2，3，.......，Μ)描述了偏離式(7)或式(8)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。在被監(jiān)測量初始向量C。、被監(jiān)測量單位變化矩陣Δ C和實測被監(jiān)測量當(dāng)前數(shù)值向 量C已知時，可以利用合適的算法(例如多目標(biāo)優(yōu)化算法)求解式(11)，獲得被評估對象當(dāng) 前狀態(tài)向量d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。硬件部分包括被監(jiān)測量監(jiān)測系統(tǒng)、信號采集器和計算機等。要求實時或準(zhǔn)實時監(jiān)測每一個被監(jiān)測量。軟件應(yīng)當(dāng)具用下列功能軟件部分首先根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)傳來的數(shù)據(jù)實時或準(zhǔn)實時分 析得到當(dāng)前索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測量當(dāng)前數(shù)值向量C，然后讀取預(yù)先存儲的索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計算基準(zhǔn) 模型A。、被監(jiān)測量單位變化矩陣AC和被監(jiān)測量初始向量C。，依據(jù)合適的算法(例如多目標(biāo)優(yōu)化算法)求解式(11)，得到被評估對象當(dāng)前狀態(tài)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、可以比較準(zhǔn)確地識別 支座位移的解。本發(fā)明方法具體包括a.為敘述方便起見，本發(fā)明統(tǒng)一稱被評估的支承索和支座位移分量 為被評估對 象，設(shè)被評估的支承索的數(shù)量和支座位移分量的數(shù)量之和為N，即被評估對象的數(shù)量為N ； 確定被評估對象的編號規(guī)則，按此規(guī)則將索結(jié)構(gòu)中所有的被評估對象編號，該編號在后續(xù) 步驟中將用于生成向量和矩陣；本發(fā)明用變量i表示這一編號，i = 1,2,3,...,N；b.確定指定的將被監(jiān)測空間坐標(biāo)的被測量點，給所有指定點編號；確定過每一測 量點的將被監(jiān)測的空間坐標(biāo)分量，給所有被測量空間坐標(biāo)分量編號；上述編號在后續(xù)步驟 中將用于生成向量和矩陣；“結(jié)構(gòu)的全部被監(jiān)測的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)”由上述所有被測量空間坐 標(biāo)分量組成；為方便起見，在本發(fā)明中將“結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)”稱為“被監(jiān)測量”； 所有被測量空間坐標(biāo)分量的數(shù)量之和不得小于N ；c.直接測量計算得到索結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測量的初始數(shù)值，組成被監(jiān)測量初始向量 C0 ；在實測得到被監(jiān)測量初始向量C。的同時，實測得到索結(jié)構(gòu)的所有索的初始索力數(shù)據(jù)、結(jié) 構(gòu)的初始幾何數(shù)據(jù)和初始索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)數(shù)據(jù)；d.根據(jù)索結(jié)構(gòu)的設(shè)計圖、竣工圖和索結(jié)構(gòu)的實測數(shù)據(jù)、索的無損檢測數(shù)據(jù)和初始 索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)數(shù)據(jù)建立索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計算基準(zhǔn)模型A。；e.在力學(xué)計算基準(zhǔn)模型A。的基礎(chǔ)上進行若干次力學(xué)計算，通過計算獲得索結(jié)構(gòu)被 監(jiān)測量單位變化矩陣AC;f.實測得到索結(jié)構(gòu)的所有指定被監(jiān)測量的當(dāng)前實測數(shù)值，組成被監(jiān)測量的當(dāng)前數(shù) 值向量C ；g.定義被評估對象當(dāng)前狀態(tài)向量d，被評估對象當(dāng)前狀態(tài)向量d的元素個數(shù)等于 被評估對象的數(shù)量，被評估對象當(dāng)前狀態(tài)向量d的元素和被評估對象之間是一一對應(yīng)關(guān) 系，被評估對象當(dāng)前狀態(tài)向量d的元素數(shù)值代表對應(yīng)被評估對象的損傷程度或位移；h.依據(jù)被監(jiān)測量的當(dāng)前數(shù)值向量C同被監(jiān)測量初始向量C。、索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測量單位 變化矩陣△ C和待求的被評估對象當(dāng)前狀態(tài)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就可以算出被評估對象當(dāng)前狀 態(tài)向量d ；由于被評估對象當(dāng)前狀態(tài)向量d的元素數(shù)值代表對應(yīng)被評估對象的損傷程度或 位移，所以根據(jù)被評估對象當(dāng)前狀態(tài)向量確定有哪些索受損及其損傷程度，可以確定支座 位移，即實現(xiàn)了支座位移的評估和索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)的健康狀態(tài)評估；C = C。+ Δ C · d 式 1在步驟e中，在力學(xué)計算基準(zhǔn)模型A。的基礎(chǔ)上，通過若干次力學(xué)計算獲得索結(jié)構(gòu) 被監(jiān)測量單位變化矩陣△ C的具體方法為el.在索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計算基準(zhǔn)模型Α。的基礎(chǔ)上進行若干次力學(xué)計算，計算次數(shù)數(shù) 值上等于N ；每一次計算假設(shè)只有一個被評估對象有單位損傷或單位位移，具體的，如果該 被評估對象是索系統(tǒng)中的一根支承索，那么就假設(shè)該支承索有單位損傷，如果該被評估對 象是一個支座的一個方向的位移分量，就假設(shè)該支座在該位移方向發(fā)生單位位移，用Dui記 錄這一單位損傷或單位位移，其中i表示發(fā)生單位損傷或單位位移的被評估對象的編號；每一次計算中出現(xiàn)單位損傷或單位位移的被評估對象不同于其它次計算中出現(xiàn)單位損傷 或單位位移的被評估對象，每一次計算都利用力學(xué)方法計算索結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測量的當(dāng)前 計算值，每一次計算得到的所有被監(jiān)測量的當(dāng)前計算值組成一個被監(jiān)測量計算當(dāng)前向量；e2.每一次計算得到的被監(jiān)測量計算當(dāng)前向量減去被監(jiān)測量初始向量后再除以該 次計算所假設(shè)的單位損傷或單位位移數(shù)值，得到一個被監(jiān)測量變化向量，有N個被評估對 象就有N個被監(jiān)測量變化向量；e3.由這N個被監(jiān)測量變化向量依次組成有N列的索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測量單位變化矩陣 AC ；索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測量單位變化矩陣AC的每一列對應(yīng)于一個被監(jiān)測量變化向量。有益效果本發(fā)明公開的方法可以同時識別出索結(jié)構(gòu)支座位移和索系統(tǒng)的健康狀 態(tài)(包括所有受損索的位置和損傷程度)，本發(fā)明公開的系統(tǒng)和方法對索結(jié)構(gòu)的安全是非 常有益的。
具體實施例方式針對索結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測，本發(fā)明公開了一種能夠合理有效地同時監(jiān)測索結(jié)構(gòu)中索 系統(tǒng)中每一根索的健康狀況和每一個支座位移分量的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的實施例的下面 說明實質(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)中的索系統(tǒng)的健康狀態(tài)。具體實施 時，下列步驟是可采取的各種步驟中的一種。第一步為敘述方便起見，本發(fā)明統(tǒng)一稱被評估的支承索和支座位移分量為被評 估對象，設(shè)被評估的支承索的數(shù)量和支座位移分量的數(shù)量之和為N，即被評估對象的數(shù)量為 N ；確定被評估對象的編號規(guī)則，按此規(guī)則將索結(jié)構(gòu)中所有的被評估對象編號，該編號在后 續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣；本發(fā)明用變量i表示這一編號，i = 1,2,3,...,N0確定指定的被測量點(即所有表征結(jié)構(gòu)空間坐標(biāo)的指定點，設(shè)有K個指定點)，每 一個指定點可以就是每一根索的固定端點(例如是斜拉橋的拉索在橋面上的固定端)附近 的一個點，該指定點還可以是結(jié)構(gòu)支座附近的一個點，或者直接就是結(jié)構(gòu)支座支點，給所有 指定點編號；確定過每一測量點的被測量空間坐標(biāo)分量(設(shè)過每一測量點有L個被測量的 空間坐標(biāo)分量)，給所有指定的被測量的空間坐標(biāo)分量編號。上述編號在后續(xù)步驟中同樣將 用于生成向量和矩陣?！敖Y(jié)構(gòu)的全部被監(jiān)測的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)”由上面確定的結(jié)構(gòu)上K個指定 點的、過每個指定點的L個空間坐標(biāo)分量來描述，結(jié)構(gòu)空間坐標(biāo)的變化就是所有指定點的、 所有指定的空間坐標(biāo)分量的變化。每次共有M(M = KXL)個空間坐標(biāo)分量測量值或計算值 來表征結(jié)構(gòu)的空間坐標(biāo)信息。K和M不得小于支承索的數(shù)量N。為方便起見，在本發(fā)明中將 “結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)”稱為“被監(jiān)測量”。第二步直接測量計算得到索結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測量的初始數(shù)值，組成被監(jiān)測量初 始向量C。；在實測得到被監(jiān)測量初始向量C。的同時，實測得到索結(jié)構(gòu)的所有索的初始索力 數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)的初始幾何數(shù)據(jù)(對于斜拉橋就是其初始橋型數(shù)據(jù))和初始索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)數(shù) 據(jù)。第三步根據(jù)索結(jié)構(gòu)的設(shè)計圖、竣工圖和索結(jié)構(gòu)的實測數(shù)據(jù)(包括結(jié)構(gòu)初始幾何 形狀數(shù)據(jù)、應(yīng)變數(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)，對斜拉橋、懸索橋而言是橋 的橋型數(shù)據(jù)、應(yīng)變數(shù)據(jù)、索力數(shù)據(jù)、橋的模態(tài)數(shù)據(jù))、索的無損檢測數(shù)據(jù)和初始索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)數(shù)據(jù)建立索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計算基準(zhǔn)模型A。，基于力學(xué)計算基準(zhǔn)模型A。計算得到結(jié)構(gòu)的計算 數(shù)據(jù)必須非常接近其實測數(shù)據(jù)，誤差一般不得大于5%。 第四步在力學(xué)計算基準(zhǔn)模型A。的基礎(chǔ)上進行若干次力學(xué)計算，通過計算獲得索 結(jié)構(gòu)被監(jiān)測量單位變化矩陣△(;具體方法為在索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計算基準(zhǔn)模型A。的基礎(chǔ)上 進行若干次力學(xué)計算，計算次數(shù)數(shù)值上等于N ；每一次計算假設(shè)只有一個被評估對象有單 位損傷或單位位移，具體的，如果該被評估對象是索系統(tǒng)中的一根支承索，那么就假設(shè)該支 承索有單位損傷，如果該被評估對象是一個支座的一個方向的位移分量，就假設(shè)該支座在 該位移方向發(fā)生單位位移，用Dui記錄這一單位損傷或單位位移，其中i表示發(fā)生單位損傷 或單位位移的被評估對象的編號；每一次計算中出現(xiàn)單位損傷或單位位移的被評估對象不 同于其它次計算中出現(xiàn)單位損傷或單位位移的被評估對象，每一次計算都利用力學(xué)方法計 算索結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測量的當(dāng)前計算值，每一次計算得到的所有被監(jiān)測量的當(dāng)前計算值組 成一個被監(jiān)測量計算當(dāng)前向量；每一次計算得到的被監(jiān)測量計算當(dāng)前向量減去被監(jiān)測量 初始向量后再除以該次計算所假設(shè)的單位損傷或單位位移數(shù)值，得到一個被監(jiān)測量變化向 量，有N個被評估對象就有N個被監(jiān)測量變化向量；由這N個被監(jiān)測量變化向量依次組成有 N列的索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測量單位變化矩陣AC ；索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測量單位變化矩陣AC的每一列對應(yīng) 于一個被監(jiān)測量變化向量。第五步建立線性關(guān)系誤差向量e和向量g。利用前面的數(shù)據(jù)(被監(jiān)測量初始向 量C。、被監(jiān)測量單位變化矩陣ΔΟ，在第四步進行每一次計算的同時，即在每一次計算中出 現(xiàn)單位變化Dui (單位變化指第四步中的單位損傷或單位位移)的被評估對象不同于其它次 計算中出現(xiàn)單位變化的被評估對象，每一次計算都利用力學(xué)方法計算索結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測 量的當(dāng)前計算值，每一次計算得到的所有被監(jiān)測量的當(dāng)前計算值組成一個被監(jiān)測量計算當(dāng) 前向量的同時，每一次計算組成一個被評估對象狀態(tài)向量d，該被評估對象狀態(tài)向量d的所 有元素中只有一個元素的數(shù)值取本次計算指定的單位變化Dui，其它元素的數(shù)值取0，被評 估對象狀態(tài)向量d中數(shù)值是Dui的元素對應(yīng)于該次計算時唯一發(fā)生單位變化的被評估對象 的單位變化程度(Dui)；將C、C。、AC、d帶入式(10)，得到一個線性關(guān)系誤差向量e，每一次 計算得到一個線性關(guān)系誤差向量e ；有N個被評估對象就有N次計算，就有N個線性關(guān)系誤 差向量e，將這N個線性關(guān)系誤差向量e相加后得到一個向量，將此向量的每一個元素除以 N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。第六步安裝索結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的硬件部分。硬件部分至少包括被監(jiān)測量監(jiān) 測系統(tǒng)(含空間坐標(biāo)測量系統(tǒng)、信號調(diào)理器等)、信號(數(shù)據(jù))采集器、計算機和通信報警設(shè) 備。每一個被監(jiān)測量都必須被監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到，監(jiān)測系統(tǒng)將監(jiān)測到的信號傳輸?shù)叫盘?數(shù) 據(jù))采集器；信號經(jīng)信號采集器傳遞到計算機；計算機則負責(zé)運行索結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測軟件， 包括記錄信號采集器傳遞來的信號；當(dāng)監(jiān)測到索有損傷或支座有位移時，或者兩種情況同 時發(fā)生時，計算機控制通信報警設(shè)備向監(jiān)控人員、業(yè)主和(或)指定的人員報警。第七步將被監(jiān)測量初始向量C。、被監(jiān)測量單位變化矩陣AC以數(shù)據(jù)文件的方式 保存在運行健康監(jiān)測系統(tǒng)軟件的計算機硬盤上。第八步編制并在計算機上安裝運行基于空間坐標(biāo)監(jiān)測的識別受損索和支座位移 的健康監(jiān)測系統(tǒng)軟件，該軟件將完成本發(fā)明“基于空間坐標(biāo)監(jiān)測的識別受損索和支座位移 的健康監(jiān)測方法”任務(wù)所需要的監(jiān)測、記錄、控制、存儲、計算、通知、報警等功能(即本具體實施方法中所有可以用計算機完成的工作)。第九步實測得到索結(jié)構(gòu)的所有指定被監(jiān)測量的當(dāng)前實測數(shù)值，組成“被監(jiān)測量的當(dāng)前數(shù)值向量C”。第十步依據(jù)被監(jiān)測量的當(dāng)前數(shù)值向量C同被監(jiān)測量初始向量C。、被監(jiān)測量單位 變化矩陣△(和被評估對象當(dāng)前狀態(tài)向量d(由所有被評估對象的當(dāng)前健康狀態(tài)數(shù)據(jù)組成) 間存在的近似線性關(guān)系(式(7))，按照多目標(biāo)優(yōu)化算法計算被評估對象當(dāng)前狀態(tài)向量d的 非劣解，也就是帶有合理誤差、但可以比較準(zhǔn)確地評估所有被評估對象的健康狀態(tài)的解。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)、力口權(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，可以方便地實現(xiàn)，本實施步驟僅以 目標(biāo)規(guī)劃法為例給出求解被評估對象當(dāng)前狀態(tài)向量d的過程，其它算法的具體實現(xiàn)過程可 根據(jù)其具體算法的要求以類似的方式實現(xiàn)。按照目標(biāo)規(guī)劃法，式(7)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是一個實數(shù)，R是實數(shù)域，空間區(qū)域Ω限制了向量d的每一個元素的取值范圍 (本實施例要求向量d的每一個元素不小于0，不大于1 ；對應(yīng)于支座位移的每一個元素根 據(jù)支座約束范圍選定，例如安置在橋墩上的橋塔支座不應(yīng)發(fā)生大于2米的位移)。式(13) 的意思是尋找一個最小的實數(shù)Y，使得式(14)得到滿足。式(14)中G(d)由式(15)定義， 式(14)中加權(quán)向量W與Y的積表示式(14)中G(d)與向量g之間允許的偏差，g的定義 參見式(12)，其值已在第七步計算得到。實際計算時向量W可以與向量g相同。目標(biāo)規(guī)劃 法的具體編程實現(xiàn)已經(jīng)有通用程序可以直接采用。使用目標(biāo)規(guī)劃法就可以求得被評估對象 當(dāng)前狀態(tài)向量d。<formula>formula see original document page 11</formula>被評估對象當(dāng)前狀態(tài)向量d的元素個數(shù)等于被評估對象的數(shù)量，被評估對象當(dāng)前 狀態(tài)向量d的元素和被評估對象之間是一一對應(yīng)關(guān)系；如果被評估對象當(dāng)前狀態(tài)向量d的 一個元素對應(yīng)的該被評估對象是支承索，那么該被評估對象當(dāng)前狀態(tài)向量d的元素數(shù)值代 表對應(yīng)索的損傷程度或健康狀態(tài)若解得的該元素的數(shù)值為0，表示該元素所對應(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；如果被評估對象當(dāng)前 狀態(tài)向量d的一個元素對應(yīng)的該被評估對象是一個支座位移分量，那么該被評估對象當(dāng)前 狀態(tài)向量d的元素數(shù)值代表對應(yīng)支座位移分量的數(shù)值。第十一步健康監(jiān)測系統(tǒng)中的計算機定期自動或由人員操作健康監(jiān)測系統(tǒng)生成索 系統(tǒng)健康情況報表。第十二步在指定條件下，健康監(jiān)測系統(tǒng)中的計算機自動操作通信報警設(shè)備向監(jiān) 控人員、業(yè)主和(或)指定的人員報警。
權(quán)利要求
一種基于空間坐標(biāo)監(jiān)測的識別受損索和支座位移的健康監(jiān)測方法，其特征在于所述方法包括a.稱被評估的支承索和支座位移分量為被評估對象，設(shè)被評估的支承索的數(shù)量和支座位移分量的數(shù)量之和為N，即被評估對象的數(shù)量為N；確定被評估對象的編號規(guī)則，按此規(guī)則將索結(jié)構(gòu)中所有的被評估對象編號，該編號在后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣；用變量i表示這一編號，i＝1，2，3，...，N；b.確定指定的將被監(jiān)測空間坐標(biāo)的被測量點，給所有指定點編號；確定過每一測量點的將被監(jiān)測的空間坐標(biāo)分量，給所有被測量空間坐標(biāo)分量編號；上述編號在后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣；“結(jié)構(gòu)的全部被監(jiān)測的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)”由上述所有被測量空間坐標(biāo)分量組成；為方便起見，將“結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)”稱為“被監(jiān)測量”；所有被測量空間坐標(biāo)分量的數(shù)量之和不得小于N；c.直接測量計算得到索結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測量的初始數(shù)值，組成被監(jiān)測量初始向量Co；在實測得到被監(jiān)測量初始向量Co的同時，實測得到索結(jié)構(gòu)的所有索的初始索力數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)的初始幾何數(shù)據(jù)和初始索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)數(shù)據(jù)；d.根據(jù)索結(jié)構(gòu)的設(shè)計圖、竣工圖和索結(jié)構(gòu)的實測數(shù)據(jù)、索的無損檢測數(shù)據(jù)和初始索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)數(shù)據(jù)建立索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計算基準(zhǔn)模型Ao；e.在力學(xué)計算基準(zhǔn)模型Ao的基礎(chǔ)上進行若干次力學(xué)計算，通過計算獲得索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測量單位變化矩陣ΔC；f.實測得到索結(jié)構(gòu)的所有指定被監(jiān)測量的當(dāng)前實測數(shù)值，組成被監(jiān)測量的當(dāng)前數(shù)值向量C；g.定義被評估對象當(dāng)前狀態(tài)向量d，被評估對象當(dāng)前狀態(tài)向量d的元素個數(shù)等于被評估對象的數(shù)量，被評估對象當(dāng)前狀態(tài)向量d的元素和被評估對象之間是一一對應(yīng)關(guān)系，被評估對象當(dāng)前狀態(tài)向量d的元素數(shù)值代表對應(yīng)被評估對象的損傷程度或位移；h.依據(jù)被監(jiān)測量的當(dāng)前數(shù)值向量C同被監(jiān)測量初始向量Co、索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測量單位變化矩陣ΔC和待求的被評估對象當(dāng)前狀態(tài)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就可以算出被評估對象當(dāng)前狀態(tài)向量d；由于被評估對象當(dāng)前狀態(tài)向量d的元素數(shù)值代表對應(yīng)被評估對象的損傷程度或位移，所以根據(jù)被評估對象當(dāng)前狀態(tài)向量確定有哪些索受損及其損傷程度，可以確定支座位移，即實現(xiàn)了支座位移的評估和索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)的健康狀態(tài)評估；C＝Co+ΔC·d式1
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于空間坐標(biāo)監(jiān)測的識別受損索和支座位移的健康監(jiān)測方 法，其特征在于在步驟e中，在力學(xué)計算基準(zhǔn)模型A。的基礎(chǔ)上，通過若干次力學(xué)計算獲得索 結(jié)構(gòu)被監(jiān)測量單位變化矩陣△(的具體方法為el.在索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計算基準(zhǔn)模型Α。的基礎(chǔ)上進行若干次力學(xué)計算，計算次數(shù)數(shù)值上 等于N ；每一次計算假設(shè)只有一個被評估對象有單位損傷或單位位移，具體的，如果該被評 估對象是索系統(tǒng)中的一根支承索，那么就假設(shè)該支承索有單位損傷，如果該被評估對象是 一個支座的一個方向的位移分量，就假設(shè)該支座在該位移方向發(fā)生單位位移，用Dui記錄這 一單位損傷或單位位移，其中i表示發(fā)生單位損傷或單位位移的被評估對象的編號；每一 次計算中出現(xiàn)單位損傷或單位位移的被評估對象不同于其它次計算中出現(xiàn)單位損傷或單位位移的被評估對象，每一次計算都利用力學(xué)方法計算索結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測量的當(dāng)前計算 值，每一次計算得到的所有被監(jiān)測量的當(dāng)前計算值組成一個被監(jiān)測量計算當(dāng)前向量；e2.每一次計算得到的被監(jiān)測量計算當(dāng)前向量減去被監(jiān)測量初始向量后再除以該次計 算所假設(shè)的單位損傷或單位位移數(shù)值，得到一個被監(jiān)測量變化向量，有N個被評估對象就 有N個被監(jiān)測量變化向量；e3.由這N個被監(jiān)測量變化向量依次組成有N列的索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測量單位變化矩陣AC; 索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測量單位變化矩陣AC的每一列對應(yīng)于一個被監(jiān)測量變化向量.
全文摘要
基于空間坐標(biāo)監(jiān)測的識別受損索和支座位移的健康監(jiān)測方法基于空間坐標(biāo)監(jiān)測，根據(jù)索結(jié)構(gòu)的設(shè)計圖、竣工圖和索結(jié)構(gòu)的實測數(shù)據(jù)等建立索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計算基準(zhǔn)模型，在力學(xué)計算基準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上進行若干次力學(xué)計算，通過計算獲得索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測量單位變化矩陣；依據(jù)被監(jiān)測量的當(dāng)前數(shù)值向量同被監(jiān)測量初始向量、索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測量單位變化矩陣和待求的被評估對象當(dāng)前狀態(tài)向量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識別出支座位移和受損索。
文檔編號G01M99/00GK101806666SQ201010137528
公開日2010年8月18日 申請日期2010年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月31日
發(fā)明者萬江, 韓玉林 申請人:東南大學(xué)