專利名稱：基于索力監(jiān)測的索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)的遞進(jìn)式健康監(jiān)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明基于對索力的監(jiān)測，公開了一種識(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)測方法，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，這對受損索的識(shí)別是非常不利的。為了能對索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)的健康狀態(tài)有可靠的監(jiān)測和判斷，應(yīng)當(dāng)有一個(gè)能夠合理有效的建立索結(jié)構(gòu)的索力的變化同索系統(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)可以給出可信的索系統(tǒng)的健康評估。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種基于索力監(jiān)測的索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)的遞進(jìn)式健康監(jiān)測方法，針對索結(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，通過對索結(jié)構(gòu)的索力進(jìn)行監(jiān)測，公開了一種遞進(jìn)式地建立和分析監(jiān)測記錄得到的索力數(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)測系統(tǒng)所需的知識(shí)庫和參量的方法，以及基于知識(shí)庫(含參量)和實(shí)測信息的索系統(tǒng)的健康狀態(tài)評估方法；二、健康監(jiān)測系統(tǒng)的軟件和硬件部分。
本發(fā)明的第一部分建立索系統(tǒng)健康監(jiān)測所需的知識(shí)庫和參量的方法，以及基于知識(shí)庫(含參量)和實(shí)測信息的索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)的健康狀態(tài)評估方法?？砂慈缦虏襟E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)評估。
第一步每一次循環(huán)開始時(shí)，首先需要建立或已建立本次循環(huán)開始時(shí)的索系統(tǒng)初始損傷向量《。(/=1,2,3,")和結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型Ai (例如有限元基準(zhǔn)模型，/=1，2，3,..)，上標(biāo)i表示第i次循環(huán)。
第i次循環(huán)開始時(shí)需要的索系統(tǒng)初始損傷向量記為^。(如式(1)所示)，用A表示該次循環(huán)開始時(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)。
《2《W (1)
式(1)中4力'=1,2，3廣',」'=1,2,3, .......,AO表示第i次循環(huán)開始時(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，^。y為0時(shí)表示第乂根索無損傷，為100%時(shí)表示該索徹底喪失承載能力，介于O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)開始時(shí)建立索系統(tǒng)初始損傷向量(依據(jù)式(1)記為"7。)時(shí)，利用索的無損檢測數(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7。。如果沒有索的無損檢測數(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)為無損傷狀態(tài)時(shí)，向量W(,的各元素?cái)?shù)值取O。
第i次(!'=2, 3， 4, 5, 6…)循環(huán)開始時(shí)需要的索系統(tǒng)初始損傷向量A，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i次循環(huán)開始時(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)測數(shù)據(jù)，對斜拉橋、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)測數(shù)據(jù)。
第i次(/=2, 3， 4, 5, 6…)循環(huán)開始時(shí)需要的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型Ai時(shí)，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。
已有力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A!和索系統(tǒng)初始損傷向量^。后，模型A1中的各索的損傷由向量W。表達(dá)。在A!的基礎(chǔ)上，將所有索的損傷變更為O，力學(xué)模型八1更新為一個(gè)所有索的損傷都為0的力學(xué)模型(記為A"，力學(xué)模型AC實(shí)際上是完好無損的索結(jié)構(gòu)對應(yīng)的力學(xué)模型。不妨稱模型Afl為索結(jié)構(gòu)的無損傷模型AQ。
結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的索力數(shù)據(jù)可由索結(jié)構(gòu)的所有iV根承載索的索力來描述，結(jié)構(gòu)索力數(shù)據(jù)的變化就是所有W根索的索力的變化。每次共有W個(gè)索力測量值或計(jì)算值來表征結(jié)構(gòu)索力。用向量C'。 G'=l, 2, 3,…)表示第i次(/=1， 2， 3, 4, 5, 6…)循環(huán)開始時(shí)索結(jié)構(gòu)中所有指定的被監(jiān)測量(所有W根索的索力)的初始值(參見式(2))， C'。稱為"第i次循環(huán)被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量"。
《=[C" C:2 C" Cj (2)
式(2)中C'。力W,2，3,…；/t=l, 2,3, ........〃 )是第i次循環(huán)開始時(shí)、索結(jié)構(gòu)中第/t個(gè)被監(jiān)測
量(索力)，r表示向量的轉(zhuǎn)置(后同)。向量C'。是由前面定義的W個(gè)被監(jiān)測量依據(jù)一定順序排列而成，對此排列順序并無特殊要求，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)開始時(shí)，被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量^。(見式(2))由實(shí)測數(shù)據(jù)組成，由于根據(jù)模型AU十算所得被監(jiān)測量的初始數(shù)值可靠地接近于相對應(yīng)的實(shí)測數(shù)值，在后面的敘述中，將用同一符號來表示該計(jì)算值組成向量和實(shí)測值組成向量。
第i次(!'=2, 3, 4， 5, 6…)循環(huán)開始時(shí)需要的被監(jiān)測量的初始數(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)測量數(shù)值變化矩陣"記為JC' (/=1，2,3,"-)。
第一次循環(huán)建立的索結(jié)構(gòu)"單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣"記為z/C;。建立的過程如下
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)測量數(shù)值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)。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)值一稱為名義損傷A (/=1, 2, 3，…)，都是相對于將該次循環(huán)開始時(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"'/ (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D: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W個(gè)被監(jiān)測量的當(dāng)前計(jì)算值，每一次計(jì)算所得7V個(gè)被監(jiān)測量的當(dāng)前計(jì)算值組成一個(gè)"被監(jiān)測量的計(jì)算當(dāng)前數(shù)值向量"(當(dāng)假設(shè)第乂根索有單位損傷時(shí)，可用式(4)表示所有指定的W個(gè)被監(jiān)測量的計(jì)算當(dāng)前數(shù)值向量C、)；每一次計(jì)算得到的被監(jiān)測量的計(jì)算當(dāng)前數(shù)值向量減去被監(jiān)測量的初始數(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等為標(biāo)記)的"被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量"(當(dāng)?shù)趈'根索有單位損傷時(shí)，用5C:表示被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量，SC。的定義見式(5)、式(6)和式(7)，式(5)為式(4)減去式(2)后再除以向量D:的第y'個(gè)元素所得)，被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量3C',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y'根索)的單位損傷(例如Ay)，而引起的該元素所對應(yīng)的被監(jiān)測量的數(shù)值改變量相對于假定的單位損傷Ay的變化率；有根索就有7V個(gè)"被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量"，每個(gè)被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量有W個(gè)元素，由這W個(gè)"被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量"依次組成有7Vx7V個(gè)元素的"單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣(W行7V列A每一個(gè)向量3C。 (_/=1, 2, 3,.......，
AO是矩陣z(C'的一列，JC'的定義如式(8)所示。
化=[仏化2《 (3)
式(3)中名義單位損傷向量￡ ' 的元素￡^ G'-l,2,3，…；,1,2,3,......., AO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汰i c汰2C(,C。w ] (4)
式(4)中元素C'妙(/=1,2,3，...;戶1，2'3，.......，W; M,2,3,......., AO表示第Z次循環(huán)由于
第)根索有單位損傷時(shí)，依據(jù)編號規(guī)則所對應(yīng)的第fc個(gè)指定的被監(jiān)測量的計(jì)算當(dāng)前數(shù)值。-c丄
(5)
式(5)中各量的上標(biāo)/ (/=1,2，3,…)表示第欣循環(huán)，下標(biāo)乂 (戶1,2,3, .......,AO表示第乂根索
有單位損傷，式中D^是向量D'沖的第y個(gè)元素。向量5C)的定義如式(6)所示，3C5的第t (hi,2,3, .......個(gè)元素3C;表示第Z次循環(huán)中、建立矩陣z!C'時(shí)、假定第_/根索有單位損傷時(shí)計(jì)算所
得第/t個(gè)被監(jiān)測量的改變量相對于假定的單位損傷r^的變化率，其定義如式(7)所示。
、* 、4
『:議.
(6)
(7)
式(7)中各量的定義己在前面敘述過。
ac' = [<5c( 5c; ^c; i (8)
式(8)中向量c5C)(^1,2，3, .......，， y'=l，2,3, .......，7V)表示第/次循環(huán)中，由于第_/根索有單位
損傷D;而引起的、所有被監(jiān)測量的相對數(shù)值變化。矩陣/IC'的列(下楊')的編號規(guī)則與前面向量^。的元素的下標(biāo)y的編號規(guī)則相同。
第三步識(shí)別索系統(tǒng)的當(dāng)前健康狀態(tài)。具體過程如下。
第/ (z'=l，2, 3，…)次循環(huán)中，索系統(tǒng)"被監(jiān)測量的當(dāng)前(計(jì)算或?qū)崪y)數(shù)值向量C"'同"被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量C'。"、"單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣z(C'"和"當(dāng)前名義損傷向量A"間的近似線性關(guān)系，如式(9)或式(10)所示。
c'-c:, =ac'*《
(9)
(10)
式(9)和式(10)中被監(jiān)測量的當(dāng)前(計(jì)算或?qū)崪y)數(shù)值向量C'的定義類似于被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量C'。的定義，見式(11);索系統(tǒng)當(dāng)前名義損傷向量^的定義見式(12)。
c'=[c(. c;
式(11)中元素CV(/=1,2,3,.......;*=1,2,:
所對應(yīng)的編號為A:的被監(jiān)測量的當(dāng)前數(shù)值。
《.
c;]r (11)
.，AO是第/次循環(huán)時(shí)索結(jié)構(gòu)的、依據(jù)編號規(guī)則
《2
《w丫
(12)
式(12)中"'。(/=1，2,3,.......;戶1，2，3，.......， iV)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的編號規(guī)則與矩陣zlC'的列的編號規(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e'(式
(13))定義，表示式(9)或式(10)所示線性關(guān)系的誤差。
e'=血(ac' 《-c' + c:) (13)
式(13)中afo()是取絕對值函數(shù)，對括號內(nèi)求得的向量的每一個(gè)元素取絕對值。由于式(9)或式(10)所表示的線性關(guān)系存在一定誤差，因此不能簡單根據(jù)式(9)或式(10)和"被監(jiān)測量的當(dāng)前(實(shí)測)數(shù)值向量C'"來直接求解得到索當(dāng)前名義損傷向量d'e。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A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)來表達(dá)這一方法。
afc(AC、《-C'+C》g' (14)
式(14)中&^是取絕對值函數(shù)，向量g'描述偏離理想線性關(guān)系(式(9)或式(10))的合理偏差，由式(15)定義。
g'、[&' g:丫 (15)
式(15)中W=l,2，3,.......;^=1,2， 3，.......， iV)描述了第欲循環(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e'試算選定。
在被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量C'。(實(shí)測或計(jì)算得到)、索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣JC'(計(jì)算得到)和被監(jiān)測量的當(dāng)前數(shù)值向量C'(實(shí)測得到)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rf'(定義見式(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rf'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。
《]7 (16)
式(16)中《(/=1，2,3廣'〃'=1,2,3, .......，A0表示第Z次循環(huán)中第y根索的實(shí)際損傷值，其定義
見式(17)，《為0時(shí)表示第_/根索無損傷，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)表示第j根索喪失相應(yīng)比例的承載能力，向量^的元素的編號規(guī)則與式(1)中向量^。的元素的編號規(guī)則相同。
《=1-(1-《)(1-《) (17)
式(17)中^(/=l，2,3,4， ,j=l,2，3,……,iV)是向量c/。的第J個(gè)元素，^是向量A的第y個(gè)元素。
第四步判斷是否結(jié)束本次(第/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Z+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。具體過程如下。
在本次(第/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,，式(19)給出了標(biāo)識(shí)向量^的第7個(gè)元素的定義；如果標(biāo)識(shí)向量"的元素全為O，則在本次循環(huán)中繼續(xù)對索系統(tǒng)的健康監(jiān)測和計(jì)算；如果標(biāo)識(shí)向量W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，片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^(/=1，2,3,4,…)或索結(jié)構(gòu)的無損傷模型Ae的基礎(chǔ)上，令索的健康狀況狀況為J+'。后更新得到下一次(第i+l次，i=l,2,3,4,…)循環(huán)所需的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型Ai";最后，通過對力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A'"的計(jì)算得到被監(jiān)測量的初始數(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)測量的初始數(shù)值向量f。" (/=1，2,3,4, ")。(18)
式(18)中標(biāo)識(shí)向量P的上標(biāo)/表示第/次循環(huán)，其元素i^ (戶1，2,3,…，N)的下標(biāo)y表示第j 根索的損傷特征，只能取0和1兩個(gè)量，具體取值規(guī)則見式(19)。
0， ^《<%
。
w (19)
^《^
式(19)中元素《是標(biāo)識(shí)向量^的第j'個(gè)元素，Dg是名義單位損傷向量i^的第y個(gè)元素(見式(3 ))， ^V是索系統(tǒng)當(dāng)前名義損傷向量^c的第y'個(gè)元素(見式(12))，它們都表示第乂根索的相關(guān)信息。
《=1-(1-《)(1-《巧) (20)
式(20)中2)' 7是名義單位損傷向量￡>' 的第7個(gè)元素(見式(3)), d。是索系統(tǒng)當(dāng)前名義損傷向量 A的第乂個(gè)元素(見式(12))。
本發(fā)明的第二部分健康監(jiān)測系統(tǒng)的軟件和硬件部分。硬件部分包括索力監(jiān)測系統(tǒng)(例如 包括索力傳感器、對應(yīng)的信號調(diào)理器等)、信號采集器和計(jì)算機(jī)。 一般要求實(shí)時(shí)監(jiān)測每一根索的 索力。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)定的過程，即首
先根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)傳來的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)分析得到被監(jiān)測量的當(dāng)前數(shù)值向量d，然后讀取預(yù)先
存儲(chǔ)的索結(jié)構(gòu)的單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣zJC'、被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量C'。和名義單位 損傷向量D、，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A的非劣解，按照式(17)得到索系統(tǒng)當(dāng)前實(shí)際損傷向量3，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y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，首先確定索的編號規(guī)則，按此規(guī)則將索結(jié)構(gòu)中所有的索編號，該編號在 后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣；
b. 利用索的無損檢測數(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^。。 如果沒有索的無損檢測數(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)為無損傷狀態(tài)時(shí)，向量Y。的各元素?cái)?shù)值取0。
c. 在建立索系統(tǒng)初始損傷向量^。的同時(shí)，直接測量計(jì)算得到索結(jié)構(gòu)的所有指定的被監(jiān)測
量，即使有承載索的初始索力數(shù)據(jù)，組成"被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量C'。"；
d. 在建立索系統(tǒng)初始損傷向量^。和被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量C'。的同時(shí)，實(shí)測得到索結(jié)構(gòu) 的初始幾何數(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)的上述實(shí)測數(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。
f. 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，通過計(jì)算獲得"單位損傷被監(jiān)測 量數(shù)值變化矩陣JC'"和"名義單位損傷向量D' "。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，......；
g. 實(shí)測得到索結(jié)構(gòu)的所有指定被監(jiān)測量的當(dāng)前實(shí)測數(shù)值，組成"被監(jiān)測量的當(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時(shí)，應(yīng)使用同一編號規(guī)則，這樣可以保證本 步及本步之前出現(xiàn)的各向量的、編號相同的元素，表示同一被監(jiān)測量的、對應(yīng)于該元素所屬向 量所定義的相關(guān)信息；
h. 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c/ ，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應(yīng)關(guān)系，損傷向量的元素?cái)?shù)值代表對應(yīng)索的損傷程度 或健康狀態(tài)；
i. 依據(jù)"被監(jiān)測量的當(dāng)前數(shù)值向量C'"同"被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量C'。"、"單位損傷被監(jiān) 測量數(shù)值變化矩陣z/C"'和"當(dāng)前名義損傷向量A"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;
j.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^。和當(dāng)前名義損傷向量^的元素 間的關(guān)系，計(jì)算得到當(dāng)前實(shí)際損傷向量W的所有元素。
式2中)=1，2，3,......,N。
由于當(dāng)前實(shí)際損傷向量W的元素?cái)?shù)值代表對應(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；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。
k.在求得當(dāng)前名義損傷向量A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W的第乂個(gè) 元素的定義；
F2'巧i^f 式3
式3、式4中元素《是標(biāo)識(shí)向量戶的第7'個(gè)元素，Z^是名義單位損傷向量D'"的第7個(gè)元素，c^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y根索的相關(guān)信息。兩式中;'=1,2, 3，……,N。
1.如果標(biāo)識(shí)向量W的元素全為O，則回到第g步繼續(xù)本次循環(huán)；如果標(biāo)識(shí)向量P的元素不全 為0，則進(jìn)入下一步、即第m步。
m.根據(jù)式5計(jì)算得到下一次、即第z'+l次循環(huán)所需的初始損傷向量/^。的每一個(gè)元素^+、；
式5中D' ,是名義單位損傷向量Z)、的第_/個(gè)元素，^/是索系統(tǒng)當(dāng)前名義損傷向量A的第y個(gè) 元素，"是標(biāo)識(shí)向量P的第j個(gè)元素。式5中戶1，2,3,……，N。
n.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rf^。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+1;
o.通過對力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型AW的計(jì)算得到對應(yīng)于模型A'"的結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測索力的數(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)測量的初始數(shù)值向量C'+:;
《=1-(1-《)(1-《)
)p.回到第f步，開始下一次循環(huán)。
在步驟f中，獲得"單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣JC'"的具體方法為 fl.在結(jié)構(gòu)的力學(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，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7V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Z 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)測量的當(dāng)前數(shù)值，每一 次計(jì)算得到的所有被監(jiān)測量的當(dāng)前數(shù)值組成一個(gè)"被監(jiān)測量的計(jì)算當(dāng)前數(shù)值向量"。當(dāng)假設(shè)第/ 根索有單位損傷時(shí)，可用C'a表示對應(yīng)的"被監(jiān)測量的計(jì)算當(dāng)前數(shù)值向量"。在本步驟中給各向 量的元素編號時(shí)，應(yīng)同本發(fā)明中其它向量使用同一編號規(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、編號相同的元素，表達(dá)了同一被監(jiān)測量或同一對象的相關(guān) 信息；
f2.每一次計(jì)算得到的那個(gè)"被監(jiān)測量的計(jì)算當(dāng)前數(shù)值向量CV'減去"被監(jiān)測量的初始數(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)測量的數(shù)值變化向量3C'/';有W根索就有7V個(gè)"被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量"；
f3.由這7V個(gè)"被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量"依次組成有W列的"單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變 化矩陣zJC'";或者說"單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣"的每一列對應(yīng)于一個(gè)"被監(jiān)測量的數(shù) 值變化向量"。"單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣"的列的編號規(guī)則與當(dāng)前名義損傷向量d'e和當(dāng) 前實(shí)際損傷向量c/'的元素編號規(guī)則相同。
有益效果本發(fā)明公開的系統(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)測評估出索系統(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)測量的當(dāng)前數(shù)值向量C"'同"被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量C'。"、"單位損 傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣JC'"和"當(dāng)前名義損傷向量dV'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 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)明公開的系統(tǒng)和方法對索系統(tǒng)的有效健康監(jiān)測是非常有益的。
具體實(shí)施例方式
針對索結(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)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)測量的類型、位置和數(shù)量，并編號。具體過程為
首先確定索的編號規(guī)則，按此規(guī)則將所有的索編號。該編號在后續(xù)步驟中將用于生成向量
11和矩陣。
設(shè)索系統(tǒng)中共有7V根承載索，本發(fā)明中結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測量就是指這W根索的索力數(shù)據(jù)，被監(jiān) 測量數(shù)據(jù)的變化就是這W根索的索力的變化。每次共有W個(gè)索力測量值或計(jì)算值來表征結(jié)構(gòu)被 !^湖lj里。
第二步利用索的無損檢測數(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 7。。如果沒有索的無損檢測數(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)為無損傷狀態(tài)時(shí)，向量^。的各元素?cái)?shù)值取o。
第三步建立索系統(tǒng)初始損傷向量W。的同時(shí)，直接測量計(jì)算得到索結(jié)構(gòu)的所有指定的被監(jiān) 測量，組成"被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量C、"。例如可以通過加速度傳感器測量記錄索的振動(dòng)， 并通過對振動(dòng)信號的分析得到初始索力數(shù)據(jù)，這是成熟的測量技術(shù)。
第四步在建立索系統(tǒng)初始損傷向量W。和被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量^。的同時(shí)，可以采用 成熟的測量方法進(jìn)行應(yīng)變測量、角度測量和空間坐標(biāo)測量，直接測量或測量后計(jì)算得到索結(jié)構(gòu) 的初始幾何形狀數(shù)據(jù)(對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)測數(shù)據(jù)(包括初始索力數(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)測系統(tǒng)的硬件部分。硬件部分至少包括索力監(jiān)測系統(tǒng)(例如 含索力傳感器、信號調(diào)理器等)、信號(數(shù)據(jù))采集器、計(jì)算機(jī)和通信報(bào)警設(shè)備。可以使用加速 度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測索的振動(dòng)，由振動(dòng)信號分析可得索力數(shù)據(jù)。每一個(gè)指定的被監(jiān)測量都必須被 監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到；監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測每一個(gè)指定的被監(jiān)測量，并將信號傳輸?shù)叫盘?數(shù)據(jù))采集器； 信號經(jīng)信號采集器傳遞到計(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)測系統(tǒng)軟件。在每一次循環(huán)時(shí) 都運(yùn)行該軟件，或者說此軟件始終在運(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)硬盤上的數(shù)據(jù)文件中讀取"被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量C'。"和索結(jié)構(gòu)"單 位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣JC'"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)記錄通過信號采集器傳來的信號。
4. 對記錄的信號進(jìn)行信號處理，計(jì)算得到所有待測量的被監(jiān)測量的當(dāng)前數(shù)值，所有的被監(jiān)測量的當(dāng)前數(shù)值組成"被監(jiān)測量的當(dāng)前數(shù)值向量C'"。
5. 依據(jù)"被監(jiān)測量的當(dāng)前(計(jì)算或?qū)崪y)數(shù)值向量C'"同"被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量C'。"、 "單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣JC'"和"當(dāng)前名義損傷向量rf'c"(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(9)可以轉(zhuǎn)化成式(21)和式(22)所示的多目標(biāo)優(yōu)化問題，式(21) 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A的每一個(gè)元素的取值范圍(本實(shí)施例 要求向量d'c的每一個(gè)元素不小于O，不大于1)。式(21)的意思是尋找一個(gè)絕對值最小的實(shí)數(shù) /，使得式(22)得到滿足。式(22)中G(i/。由式(23)定義，式(22)中加權(quán)向量W與/ 的積表示式(22)中Gf^V與向量g'之間允許的偏差，g'的定義參見式(15)，其值將在第八步 計(jì)算得到。實(shí)際計(jì)算時(shí)向量r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dl minimize ;k'
(21)
/"， 《eQ
G(《)-『',W (22)
G(《)=血(AC' 《-C; + C》 (23)
求得當(dāng)前名義損傷向量《后，W依據(jù)式(17)得到的當(dāng)前實(shí)際損傷向量c/每一個(gè)元素，當(dāng)前 實(shí)際損傷向量^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)的索己經(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DV'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)測量的當(dāng)前數(shù)值，每一次計(jì)算得到的所有被監(jiān)測量的當(dāng)前數(shù)值組成一個(gè)"被監(jiān)測量的計(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;表示對應(yīng)的"被監(jiān)測量的計(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)測量的計(jì)算當(dāng)前數(shù)值向量C',/'減去"被監(jiān)測量的初 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)測量的數(shù)值變化向量^^";有W根索就有W個(gè)"被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量W/' (j=/,2,3,"<,AO。由這W個(gè)"被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量"依次組成有7V列的"單位損傷被監(jiān)測 量數(shù)值變化矩陣JC'";或者說"單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣JC'"的每一列(例如第j列) 對應(yīng)于一個(gè)"被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量"(例如3C》。"單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣"的列 的編號規(guī)則與當(dāng)前名義損傷向量和當(dāng)前實(shí)際損傷向量《的元素編號規(guī)則相同。
在本步驟中及其后給各向量的元素編號時(shí)，應(yīng)同本發(fā)明中其它向量使用同一編號規(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、編號相同的元素，表達(dá)了同 一被監(jiān)測量或同一對象的相關(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)測量的初始數(shù)值向量 C'。"、"單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣JC'")，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A的元素個(gè)數(shù)等于索的數(shù)量，向量^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，的其它元素的數(shù)值取0，那個(gè) 不為0的元素的編號與假定增加單位損傷的索的對應(yīng)關(guān)系、同其他向量的同編號的元素同該索 的對應(yīng)關(guān)系是相同的；將C'。、 C'。、 z/C'、 A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AT次計(jì)算，就有W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^。將向量g'.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，供健康監(jiān)測系統(tǒng)軟件使用。
第九步將"被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量C'。"和"單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣/!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)測系統(tǒng)軟件的計(jì)算機(jī)硬盤上。
第十步運(yùn)行索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)健康監(jiān)測系統(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)硬盤上的數(shù)據(jù)文件中讀取"被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量cV'和索結(jié)構(gòu)"單
位損傷被監(jiān)測量數(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)記錄通過信號采集器傳來的信號。
3. 對記錄的信號進(jìn)行信號處理，計(jì)算得到所有待測量的被監(jiān)測量的當(dāng)前數(shù)值，所有的被監(jiān) 測量的當(dāng)前數(shù)值組成"被監(jiān)測量的當(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 編號時(shí)，應(yīng)使用同一編號規(guī)則，這樣可以保證本步及本步之前出現(xiàn)的各向量的、編號相同的元 素，表示同一被監(jiān)測量的、對應(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)測量的當(dāng)前(計(jì)算或?qū)崪y)數(shù)值向量C'"同"被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量C'。"、 "單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣dC'"和"當(dāng)前名義損傷向量d'/ (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/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)向量戶。第十二步如果標(biāo)識(shí)向量^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^ 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/+1次循環(huán)所需的初始損傷向量^+/。的每一
個(gè)元素^+、。
第十四步在力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A'的基礎(chǔ)上，令索的健康狀況為上一步計(jì)算得到的向量^/+/。
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。
第十五步通過對力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型Ai+'的計(jì)算得到對應(yīng)于模型A'"的結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測索
力的數(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)測量的初始數(shù)值向量。
第十六步回到第七步，開始下一次循環(huán)。
1權(quán)利要求
1. 一種基于索力監(jiān)測的索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)的遞進(jìn)式健康監(jiān)測方法，其特征是該方法包括a. 設(shè)共有N根索，首先確定索的編號規(guī)則，按此規(guī)則將索結(jié)構(gòu)中所有的索編號，該編號在后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣；b. 利用索的無損檢測數(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dlo，如果沒有索的無損檢測數(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)為無損傷狀態(tài)時(shí)，向量dlo的各元素?cái)?shù)值取0；c. 在建立索系統(tǒng)初始損傷向量dlo的同時(shí)，直接測量計(jì)算得到索結(jié)構(gòu)的所有指定的被監(jiān)測量，即使有承載索的索力數(shù)據(jù)，組成“被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量Clo”；d. 在建立索系統(tǒng)初始損傷向量dlo和被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量C1o的同時(shí)，實(shí)測得到索結(jié)構(gòu)的初始幾何數(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)的上述實(shí)測數(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；f. 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，通過計(jì)算獲得“單位損傷被監(jiān)測量數(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，......；g. 實(shí)測得到索結(jié)構(gòu)的所有指定被監(jiān)測量的當(dāng)前實(shí)測數(shù)值，組成“被監(jiān)測量的當(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時(shí)，應(yīng)使用同一編號規(guī)則，這樣可以保證本步及本步之前出現(xiàn)的各向量的、編號相同的元素，表示同一被監(jiān)測量的、對應(yīng)于該元素所屬向量所定義的相關(guān)信息；h. 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應(yīng)關(guān)系，損傷向量的元素?cái)?shù)值代表對應(yīng)索的損傷程度或健康狀態(tài)；i. 依據(jù)“被監(jiān)測量的當(dāng)前數(shù)值向量Ci”同“被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量Cio”、“單位損傷被監(jiān)測量數(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1j. 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；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；k. 在求得當(dāng)前名義損傷向量dic后，按照式3建立標(biāo)識(shí)向量Fi，式4給出了標(biāo)識(shí)向量Fi的第j個(gè)元素的定義； 式3 式4式3、式4中元素Fij是標(biāo)識(shí)向量Fi的第j個(gè)元素，Diuj是名義單位損傷向量Diu的第j個(gè)元素，dicj是索系統(tǒng)當(dāng)前名義損傷向量dic的第j個(gè)元素，它們都表示第j根索的相關(guān)信息；兩式中j＝1，2，3，……，N；1. 如果標(biāo)識(shí)向量Fi的元素全為0，則回到第g步繼續(xù)本次循環(huán)；如果標(biāo)識(shí)向量Fi的元素不全為0，則進(jìn)入下一步、即第m步；m. 根據(jù)式5計(jì)算得到下一次、即第i+1次循環(huán)所需的初始損傷向量di+1。的每一個(gè)元素di+1oj； 式5式5中Diuj是名義單位損傷向量Diu的第j個(gè)元素，dicj是索系統(tǒng)當(dāng)前名義損傷向量dic的第j個(gè)元素，F(xiàn)ij是標(biāo)識(shí)向量Fi的第j個(gè)元素，式5中j＝1，2，3，……，N；n. 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di+1o后更新得到下一次、即第i+1次循環(huán)所需的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型Ai+1；o. 通過對力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型Ai+1的計(jì)算得到對應(yīng)于模型Ai+1的結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測索力的數(shù)值，這些數(shù)值組成下一次、即第i+1次循環(huán)所需的被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量Ci+1o；p. 回到第f步，開始下一次循環(huán)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于應(yīng)變監(jiān)測的索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)的遞進(jìn)式健康監(jiān)測方法，其特征在于在步驟f中，獲得"單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣Z(C'"的方法為fl.在結(jié)構(gòu)的力學(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，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)測量的當(dāng)前數(shù)值，每一 次計(jì)算得到的所有被監(jiān)測量的當(dāng)前數(shù)值組成一個(gè)"被監(jiān)測量的計(jì)算當(dāng)前數(shù)值向量"；當(dāng)假設(shè)第乂 根索有單位損傷時(shí)，用C'y表示對應(yīng)的"被監(jiān)測量的計(jì)算當(dāng)前數(shù)值向量"；在本步驟中給各向量 的元素編號時(shí)，同其它向量使用同一編號規(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、編號相同的元素，表達(dá)了同一被監(jiān)測量或同一對象的相關(guān)信息；f2.每一次計(jì)算得到的那個(gè)"被監(jiān)測量的計(jì)算當(dāng)前數(shù)值向量C',/'減去"被監(jiān)測量的初始數(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)測量的數(shù)值變化向量5C'/';有W根索就有AT個(gè)"被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量"；f3.由這W個(gè)"被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量"依次組成有7V列的"單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變 化矩陣ZIC"';或者說"單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣"的每一列對應(yīng)于一個(gè)"被監(jiān)測量的數(shù) 值變化向量"；"單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣"的列的編號規(guī)則與當(dāng)前名義損傷向量A和當(dāng) 前實(shí)際損傷向量c/'的元素編號規(guī)則相同?！?1-(1-
全文摘要
基于索力監(jiān)測的索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)的遞進(jìn)式健康監(jiān)測方法在以索力為被監(jiān)測量的前提下，考慮到了被監(jiān)測量的當(dāng)前數(shù)值向量同被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量、單位損傷被監(jiān)測量數(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)明基于索力監(jiān)測，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G05B19/048GK101477340SQ20091002849
公開日2009年7月8日 申請日期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 申請人:東南大學(xué)