專利名稱：基于混合監(jiān)測來識別需調(diào)整索力的支承索的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明基于對多類參量的混合監(jiān)測來識別索支承結(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)(指所有支承索)中的需調(diào)整索力的支承索，并給出具體的索長調(diào)整量，屬工程結(jié)構(gòu)安全領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
索系統(tǒng)通常是索結(jié)構(gòu)(特別是大型索結(jié)構(gòu)，例如大型斜拉橋、懸索橋)的關(guān)鍵組成部分，由于松弛等原因，新結(jié)構(gòu)竣工一段時(shí)間后支承索的索力通常會發(fā)生變化，結(jié)構(gòu)長期服役后其支承索的松弛也會引起支承索索力的變化，這些變化都將引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化，對結(jié)構(gòu)的安全造成不良影響，嚴(yán)重時(shí)將會引起結(jié)構(gòu)的失效，因此準(zhǔn)確及時(shí)地識別需調(diào)整索力的支承索是非常必要的。
支承索系統(tǒng)的健康狀態(tài)發(fā)生變化(例如發(fā)生松弛、損傷等)后，除了會引起索力的變化外，還會引起結(jié)構(gòu)的其它可測量參數(shù)的變化，例如還會影響索結(jié)構(gòu)的變形或應(yīng)變，還會影響索結(jié)構(gòu)的形狀或空間坐標(biāo)，還會引起過索結(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，因此可以通過對這些不同類型的結(jié)構(gòu)的特征參量的變化的混合監(jiān)測來識別需調(diào)整索力的索，這樣就必須有一個(gè)能夠合理有效的建立被監(jiān)測量同所有索的特征參數(shù)間(具體根據(jù)索的特征參數(shù)來表征需調(diào)整索力的索)的關(guān)系的方法，基于該方法建立的需調(diào)整索力的支承索的識別結(jié)果才會更可信。


發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是針對索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)中的、需調(diào)整索力的支承索的識別問題，公開了一種基于對多類參量的混合監(jiān)測的、能夠合理有效地識別需調(diào)整索力的支承索的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法。
依據(jù)支承索的索力變化的原因，可將支承索的索力變化分為兩種情況一是支承索受到了損傷，例如支承索出現(xiàn)了局部裂紋和銹蝕等等；二是支承索并無損傷，但索力也發(fā)生了變化，出現(xiàn)這種變化的主要原因之一是支承索自由狀態(tài)(此時(shí)索張力也稱索力為0)下的索長度(稱為自由長度，本發(fā)明專指支承索兩支承端點(diǎn)間的那段索的自由長度)發(fā)生了變化。本發(fā)明的主要目的之一就是要識別出自由長度發(fā)生了變化的支承索，并識別出它們的自由長度的改變量，此改變量為該索的索力調(diào)整提供了直接依據(jù)。支承索自由長度發(fā)生變化的原因不是單一的，為了方便，本發(fā)明將自由長度發(fā)生變化的支承索統(tǒng)稱為松弛索。
技術(shù)方案本發(fā)明由三大部分組成。分別是建立用于識別索系統(tǒng)中的、需調(diào)整索力的支承索的健康監(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)、基于對多類參量的混合監(jiān)測的、識別索結(jié)構(gòu)的需調(diào)整索力的支承索的方法、用于識別索系統(tǒng)的需調(diào)整索力的支承索的結(jié)構(gòu)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識別索系統(tǒng)中的、需調(diào)整索力的支承索的健康監(jiān)測系統(tǒng)所需的知識庫和參量的方法。可分為如下三個(gè)步驟 1.建立索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型(例如基準(zhǔn)有限元模型)。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)(包括結(jié)構(gòu)角度數(shù)據(jù)、形狀數(shù)據(jù)、索力數(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、懸索橋而言是橋的角度數(shù)據(jù)、橋型數(shù)據(jù)、索力數(shù)據(jù)、橋的模態(tài)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(例如基準(zhǔn)有限元模型)，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、懸索橋而言是橋的角度數(shù)據(jù)、橋型數(shù)據(jù)、索力數(shù)據(jù)、橋的模態(tài)數(shù)據(jù)等)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索力計(jì)算數(shù)據(jù)、角度計(jì)算數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)形狀計(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)。
下面先給出本發(fā)明所需的部分量的定義 在本發(fā)明中用“初始”專指3種情況，分別是A.索結(jié)構(gòu)開始服役的那個(gè)時(shí)刻，此時(shí)支承索無松弛、無損傷，或可以假設(shè)其無松弛、無損傷；B.監(jiān)測系統(tǒng)開始投入使用的那個(gè)時(shí)刻，經(jīng)過檢測已經(jīng)確定此時(shí)支承索無松弛、無損傷，或可以假設(shè)其無松弛、無損傷；C.支承索無松弛、無損傷，或可以假設(shè)其無松弛、無損傷的那個(gè)時(shí)刻?？傊俺跏肌笔呛罄m(xù)計(jì)算、評估的參照點(diǎn)、參照時(shí)刻、起始點(diǎn)和起始時(shí)刻。例如在本發(fā)明中提到A的初始B向量(這里A和B是代稱)，就指在支承索松弛、無損傷(或假設(shè)此時(shí)支承索無松弛、無損傷)條件下，A的B向量(這里A和B是代稱)。
在本發(fā)明中用“當(dāng)前”專指在索結(jié)構(gòu)服役一段時(shí)間后，在評估支承索的松弛和損傷的這一時(shí)刻，此時(shí)支承索可能有松弛、有損傷，也可能無松弛、無損傷，需要在評估后才能確定究竟有無松弛、有無損傷以及程度如何，本發(fā)明就是要提供這樣一種評估方法。例如在本發(fā)明中提到A的當(dāng)前B向量(這里A和B是代稱)，就指在需要評估支承索松弛、損傷程度的那個(gè)時(shí)刻，A的B向量(這里A和B是代稱)。
設(shè)索系統(tǒng)中共有N根支承索，結(jié)構(gòu)索力數(shù)據(jù)由N根支承索的索力來描述?？捎贸跏妓髁ο蛄縁o表示索結(jié)構(gòu)中所有支承索的初始索力(定義見式(1))。因?yàn)榛谒鹘Y(jié)構(gòu)的計(jì)算基準(zhǔn)模型計(jì)算所得的初始索力可靠地接近于初始索力的實(shí)測數(shù)據(jù)，在后面的敘述中，將用同一符號來表示該計(jì)算值和實(shí)測值。
Fo＝[Fo1 Fo2···Foi···FoN]T (1) 式(1)中Foi(i＝1，2，3，......，N)是索結(jié)構(gòu)中第i根支承索的初始索力，該元素依據(jù)編號規(guī)則對應(yīng)于指定支承索的索力。T表示向量的轉(zhuǎn)置(后同)。后文各向量中凡是下標(biāo)為i的元素，都表示第i根支承索的相關(guān)信息。
本發(fā)明中用當(dāng)前索力向量F表示索結(jié)構(gòu)中所有支承索的當(dāng)前索力(定義見式(2))。
F＝[F1 F2···Fi···FN]T (2) 式(2)中Fi(i＝1，2，3，......，N)是索結(jié)構(gòu)中第i根支承索的當(dāng)前索力。
本發(fā)明中，在支承索初始狀態(tài)(無損傷、無松弛)下，且支承索處于自由狀態(tài)(自由狀態(tài)指索力為0，后同)時(shí)，支承索的長度稱為初始自由長度，用支承索初始自由長度向量lo表示索結(jié)構(gòu)中所有支承索的初始自由長度(定義見式(3))。
lo＝[lo1 lo2 · · · loi · · · loN]T (3) 式(3)中l(wèi)oi(i＝1，2，3，......，N)是索結(jié)構(gòu)中第i根支承索的初始自由長度。
本發(fā)明中，用支承索當(dāng)前自由長度向量l表示索結(jié)構(gòu)中所有支承索的當(dāng)前自由長度(定義見式(4))。
l＝[l1 l2···li···lN]T(4) 式(4)中l(wèi)i(i＝1，2，3，......，N)是索結(jié)構(gòu)中第i根支承索的當(dāng)前自由長度。
本發(fā)明中，用支承索自由長度改變向量(或稱支承索當(dāng)前松弛程度向量)Δl表示索結(jié)構(gòu)中所有支承索的自由長度的改變量(定義見式(5)和式(6))。
Δl＝[Δl1 Δl2···Δli···ΔlN]T (5) 式(5)中Δli(i＝1，2，3，......，N)是當(dāng)前索結(jié)構(gòu)中第i根支承索的自由長度的改變量，其定義見式(6)，Δli不為0的索為松弛索，Δli的數(shù)值為索的松弛量，并表示索系統(tǒng)第i根支承索的當(dāng)前松弛程度，也是調(diào)整索力時(shí)該索的索長調(diào)整量。
Δli＝li-loi (6) 在本發(fā)明中通過將松弛索同受損索進(jìn)行力學(xué)等效來進(jìn)行松弛索的識別，等效的力學(xué)條件是 一、兩等效的索的無松弛和無損傷時(shí)的初始自由長度、幾何特性參數(shù)及材料的力學(xué)特性參數(shù)相同； 二、松弛或損傷后，兩等效的松弛索和損傷索的索力和變形后的總長相同。
滿足上述兩個(gè)等效條件時(shí)，這樣的兩根支承索在結(jié)構(gòu)中的力學(xué)功能就是完全相同的，即如果用等效的受損索代替松弛索后，索結(jié)構(gòu)不會發(fā)生任何變化，反之亦然。
本發(fā)明中，同第i個(gè)支承索(其當(dāng)前松弛程度用Δli定義)進(jìn)行等效的虛擬受損的支承索的當(dāng)前虛擬損傷程度用di定義(因?yàn)橹С兴鲗?shí)際上可能是松弛而沒有損傷，為表示區(qū)別，這里稱虛擬損傷)，di是當(dāng)前虛擬損傷向量d的第i個(gè)元素，d的定義見式(7)。松弛的第i個(gè)支承索的當(dāng)前松弛程度Δli同等效的受損索的虛擬當(dāng)前損傷程度di之間的關(guān)系由前述兩項(xiàng)力學(xué)等效條件確定。Δli同di之間的具體關(guān)系可以采用多種方法實(shí)現(xiàn)，例如可以直接根據(jù)前述等效條件確定(參見式(8))，也可采用基于Ernst等效彈性模量對式(8)中的E進(jìn)行修正后確定(參見式(9))，也可以采用基于有限元法的試算法等其它方法來確定。
d＝[d1 d2···di···dN]T (7) 式(7)中di(i＝1，2，3，......，N)是索系統(tǒng)第i根支承索的當(dāng)前虛擬損傷程度；di為0時(shí)表示無損傷，為100％時(shí)表示該索不能給結(jié)構(gòu)提供任何支承力，介于0與100％之間時(shí)表示喪失相應(yīng)比例的承載能力。
式(8)和式(9)中E是該支承索的彈性模量，A是該支承索的橫截面面積，F(xiàn)i是該支承索的當(dāng)前索力，di是該支承索的虛擬損傷程度，ωi是該支承索的單位長度的重量，lix是該支承索的兩個(gè)支承端點(diǎn)的水平距離。式(9)中[]內(nèi)的項(xiàng)是該支承索的Ernst等效彈性模量，由式(8)或式(9)可以就可以確定支承索當(dāng)前松弛程度向量Δl。式(9)是對式(8)的修正。
被監(jiān)測的多類參量可以包括索力、應(yīng)變、角度和空間坐標(biāo)，分別敘述如下 設(shè)索系統(tǒng)中共有N根索，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的索力數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上M1個(gè)指定索的M1個(gè)索力數(shù)據(jù)來描述，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M1個(gè)索力測量值或計(jì)算值來表征結(jié)構(gòu)的索力信息。M1是一個(gè)不小于0的整數(shù)。
結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的應(yīng)變數(shù)據(jù)可由結(jié)構(gòu)上K2個(gè)指定點(diǎn)的、及每個(gè)指定點(diǎn)的L2個(gè)指定方向的應(yīng)變來描述，結(jié)構(gòu)應(yīng)變數(shù)據(jù)的變化就是K2個(gè)指定點(diǎn)的所有被測應(yīng)變的變化。每次共有M2(M2＝K2×L2)個(gè)應(yīng)變測量值或計(jì)算值來表征結(jié)構(gòu)應(yīng)變。M2是一個(gè)不小于0的整數(shù)。
結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的角度數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上K3個(gè)指定點(diǎn)的、過每個(gè)指定點(diǎn)的L3個(gè)指定直線的、每個(gè)指定直線的H3個(gè)角度坐標(biāo)分量來描述，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M3(M3＝K3×L3×H3)個(gè)角度坐標(biāo)分量測量值或計(jì)算值來表征結(jié)構(gòu)的角度信息。M3是一個(gè)不小于0的整數(shù)。
結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的形狀數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上K4個(gè)指定點(diǎn)的、及每個(gè)指定點(diǎn)的L4個(gè)指定方向的空間坐標(biāo)來描述，結(jié)構(gòu)形狀數(shù)據(jù)的變化就是K4個(gè)指定點(diǎn)的所有坐標(biāo)分量的變化。每次共有M4(M4＝K4×L4)個(gè)坐標(biāo)測量值或計(jì)算值來表征結(jié)構(gòu)形狀。M4是一個(gè)不小于0的整數(shù)。
綜合上述被監(jiān)測量，整個(gè)結(jié)構(gòu)共有M(M＝M1+M2+M3+M4)個(gè)被監(jiān)測量，定義參量K(K＝M1+K2+K3+K4)，K和M不得小于索的數(shù)量N。由于M個(gè)被監(jiān)測量是不同類型的，所以本發(fā)明稱為“基于混合監(jiān)測來識別需調(diào)整索力的支承索的方法”。
為方便起見，在本發(fā)明中將“結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的所有參量”簡稱為“被監(jiān)測量”。
本發(fā)明中用被監(jiān)測量初始向量Co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(10))。因在前述條件下，基于索結(jié)構(gòu)的計(jì)算基準(zhǔn)模型計(jì)算所得的被監(jiān)測量可靠地接近于初始被監(jiān)測量的實(shí)測數(shù)據(jù)，在后面的敘述中，將用同一符號來表示該計(jì)算值和實(shí)測值。
Co＝[Co1 Co2···Coj···CoM]T (10) 式(10)中Coj(j＝1，2，3，......，M；M≥N)是索結(jié)構(gòu)中第j個(gè)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(gè)被監(jiān)測量。
本發(fā)明中用被監(jiān)測量當(dāng)前向量C表示索結(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(11))。
C＝[C1 C2···Cj···CM]T(11) 式(11)中Cj(j＝1，2，3，......，M；M≥N)是索結(jié)構(gòu)中第j個(gè)被監(jiān)測量的當(dāng)前值，該分量Cj依據(jù)編號規(guī)則與Coj對應(yīng)于同一“被監(jiān)測量”。
2.建立索結(jié)構(gòu)虛擬單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ΔC。
在索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次計(jì)算，計(jì)算次數(shù)數(shù)值上等于所有支承索的數(shù)量。每一次計(jì)算假設(shè)索系統(tǒng)中只有一根支承索有虛擬單位損傷Du(虛擬單位損傷應(yīng)較小，例如取5％、10％、20％或30％等損傷為虛擬單位損傷)，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，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)的所有被監(jiān)測量的當(dāng)前計(jì)算值，每一次計(jì)算得到的所有被監(jiān)測量的當(dāng)前計(jì)算值組成一個(gè)被監(jiān)測量計(jì)算當(dāng)前向量(當(dāng)假設(shè)第i根索有單位損傷時(shí)，可用式(12)表示被監(jiān)測量計(jì)算當(dāng)前向量Cti)；每一次計(jì)算得到被監(jiān)測量計(jì)算當(dāng)前向量減去被監(jiān)測量初始向量，所得向量就是此條件下(以有單位損傷的支承索的位置或編號等為標(biāo)記)的被監(jiān)測量變化向量(當(dāng)?shù)趇根索有單位損傷時(shí)，用δCj表示被監(jiān)測量變化向量，定義見式(13)，式(13)為式(12)減去式(10)所得)，被監(jiān)測量變化向量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的單位損傷而引起的該元素所對應(yīng)的被監(jiān)測量的改變量；有N根索就有N個(gè)被監(jiān)測量變化向量，由于有M個(gè)被監(jiān)測量，所以每個(gè)被監(jiān)測量變化向量有M個(gè)元素，由這N個(gè)被監(jiān)測量變化向量依次組成有M×N個(gè)元素的虛擬單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ΔC，ΔC的定義如式(14)所示。
式(12)中元素Ctji(i＝1，2，3，......，N；j＝1，2，3，......，M；M≥N)表示由于第i根索有單位損傷時(shí)，依據(jù)編號規(guī)則所對應(yīng)的第j個(gè)被監(jiān)測量的當(dāng)前計(jì)算量。
式(4)中ΔCj，i(i＝1，2，3，......，N；j＝1，2，3，......，M；M≥N)表示僅由于第i根索有單位損傷而引起的、依據(jù)編號規(guī)則所對應(yīng)的第j個(gè)被監(jiān)測量的計(jì)算當(dāng)前數(shù)值的變化(代數(shù)值)。被監(jiān)測量變化向量δCj實(shí)際上是矩陣ΔC中的一列，也就是說式(14)也可以寫成式(15)。
ΔC＝[δC1 δC2···δCi···δCN] (15) 3.索系統(tǒng)被監(jiān)測量當(dāng)前向量C(計(jì)算或?qū)崪y)同被監(jiān)測量初始向量Co、虛擬單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ΔC、單位損傷標(biāo)量Du和當(dāng)前虛擬損傷向量d間的近似線性關(guān)系，如式(16)或式(17)所示。
若設(shè)索損傷為100％時(shí)表示索徹底喪失承載能力，那么當(dāng)實(shí)際損傷不太大時(shí)(例如不大于30％的損傷)，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(16)或式(17)所表示的這樣一種線性關(guān)系同實(shí)際情況的誤差較小。用式(18)定義的線性關(guān)系誤差向量e表示式(16)或式(17)所示線性關(guān)系的誤差。
式(18)中abs()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。
本發(fā)明的第二部分基于知識庫(含參量)和實(shí)測被監(jiān)測量的索結(jié)構(gòu)的需調(diào)整索力的支承索的識別方法。
由于式(16)或式(17)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(16)或式(17)和實(shí)測被監(jiān)測量當(dāng)前向量C來直接求解得到當(dāng)前虛擬損傷向量d。如果這樣做了，得到的當(dāng)前虛擬損傷向量d中的元素甚至?xí)霈F(xiàn)較大的負(fù)值，也就是負(fù)損傷，對應(yīng)的松弛就是負(fù)松弛，這明顯是不合理的。因此獲得當(dāng)前虛擬損傷向量d的可接受的解(即帶有合理誤差，但可以比較準(zhǔn)確的從索系統(tǒng)中確定虛擬受損索的位置及其虛擬損傷程度)成為一個(gè)合理的解決方法，可用式(19)來表達(dá)這一方法。
式(19)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(16)或式(17))的合理偏差，由式(20)定義。
g＝[g1 g2···gj···gM]T (20) 式(20)中g(shù)j(j＝1，2，3，......，M)描述了偏離式(16)或式(17)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(18)定義的誤差向量e試算選定。
在被監(jiān)測量初始向量Co、虛擬單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ΔC、實(shí)測被監(jiān)測量當(dāng)前向量C和單位損傷Du(計(jì)算ΔC前設(shè)定)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(19)，獲得當(dāng)前虛擬損傷向量d的可接受的解，從而確定虛擬受損索的位置和虛擬損傷程度，然后根據(jù)式(7)、式(8)(或式(9))可以確定松弛索的位置和松弛程度，也就是確定了需調(diào)整索力的索及其索長調(diào)整量。
本發(fā)明的第三部分用于識別索系統(tǒng)的需調(diào)整索力的支承索的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的軟件和硬件部分。硬件部分包括監(jiān)測系統(tǒng)(監(jiān)測被監(jiān)測量、索力、支承索兩支承端點(diǎn)的水平距離)、信號采集器和計(jì)算機(jī)等。要求實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)測每一個(gè)被監(jiān)測量、每一個(gè)支承索的索力，要求實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)測每一個(gè)支承索兩支承端點(diǎn)的水平距離。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(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)分析得到被監(jiān)測量當(dāng)前向量C、當(dāng)前索力向量F和每一個(gè)支承索兩支承端點(diǎn)的水平距離，然后讀取預(yù)先存儲的索系統(tǒng)虛擬單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ΔC、被監(jiān)測量初始向量Co、初始索力向量Fo和虛擬單位損傷值Du，依據(jù)合適的算法(例如多目標(biāo)優(yōu)化算法)求解式(19)，得到索系統(tǒng)的當(dāng)前虛擬損傷向量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)中確定虛擬受損索的位置及其虛擬損傷程度的解。當(dāng)前虛擬損傷向量d中數(shù)值不為0的元素對應(yīng)的支承索就是可能的松弛索或可能的受損索，其數(shù)值反應(yīng)了松弛或損傷的程度，使用無損檢測等方法從中鑒別出真實(shí)受損索后，剩下的虛擬受損索就是需調(diào)整索力的索，然后根據(jù)式(7)、式(8)(或式(9))可以確定松弛索的位置和松弛程度。
本發(fā)明方法具體包括 a.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.確定混合監(jiān)測時(shí)指定的將被監(jiān)測索力的支承索，設(shè)索系統(tǒng)中共有N根索，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的索力數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上M1個(gè)指定索的M1個(gè)索力數(shù)據(jù)來描述，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M1個(gè)索力測量值或計(jì)算值來表征結(jié)構(gòu)的索力信息。M1是一個(gè)不小于0的整數(shù)。
c.確定混合監(jiān)測時(shí)指定的將被監(jiān)測應(yīng)變的被測量點(diǎn)，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的應(yīng)變數(shù)據(jù)可由結(jié)構(gòu)上K2個(gè)指定點(diǎn)的、及每個(gè)指定點(diǎn)的L2個(gè)指定方向的應(yīng)變來描述，結(jié)構(gòu)應(yīng)變數(shù)據(jù)的變化就是K2個(gè)指定點(diǎn)的所有被測應(yīng)變的變化。每次共有M2個(gè)應(yīng)變測量值或計(jì)算值來表征結(jié)構(gòu)應(yīng)變，M2為K2和L2之積。M2是不小于0的整數(shù)。
d.確定混合監(jiān)測時(shí)指定的將被監(jiān)測角度的被測量點(diǎn)，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的角度數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上K3個(gè)指定點(diǎn)的、過每個(gè)指定點(diǎn)的L3個(gè)指定直線的、每個(gè)指定直線的H3個(gè)角度坐標(biāo)分量來描述，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M3個(gè)角度坐標(biāo)分量測量值或計(jì)算值來表征結(jié)構(gòu)的角度信息，M3為K3、L3和H3之積。M3是一個(gè)不小于0的整數(shù)。
e.確定混合監(jiān)測時(shí)指定的將被監(jiān)測的形狀數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的形狀數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上K4個(gè)指定點(diǎn)的、及每個(gè)指定點(diǎn)的L4個(gè)指定方向的空間坐標(biāo)來描述，結(jié)構(gòu)形狀數(shù)據(jù)的變化就是K4個(gè)指定點(diǎn)的所有坐標(biāo)分量的變化。每次共有M4個(gè)坐標(biāo)測量值或計(jì)算值來表征結(jié)構(gòu)形狀，M4為K4和L4之積。M4是一個(gè)不小于0的整數(shù)。
f.綜合上述混合監(jiān)測的被監(jiān)測量，整個(gè)結(jié)構(gòu)共有M個(gè)被監(jiān)測量，M為M1、M2、M3和M4之和，定義參量K，K為M1、M2、K3和K4之和，K和M不得小于索的數(shù)量N。由于M個(gè)被監(jiān)測量是不同類型的，所以本發(fā)明稱為“基于混合監(jiān)測來識別需調(diào)整索力的支承索的方法”。為方便起見，在本發(fā)明中將本步所列出的“混合監(jiān)測時(shí)結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的所有參量”簡稱為“被監(jiān)測量”。
g.在支承索無松弛、無損傷條件或可認(rèn)為無松弛、無損傷條件下，直接測量計(jì)算得到索結(jié)構(gòu)的所有支承索的初始索力，組成初始索力向量Fo；同時(shí)，依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、竣工數(shù)據(jù)得到所有索的初始自由長度，組成支承索初始自由長度向量lo；同時(shí)，直接測量計(jì)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；同時(shí)，實(shí)測得到索結(jié)構(gòu)的初始幾何數(shù)據(jù)； h.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。
i.在力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次力學(xué)計(jì)算，通過計(jì)算獲得虛擬單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ΔC； j.實(shí)測得到索結(jié)構(gòu)的所有支承索的當(dāng)前索力，組成當(dāng)前索力向量F；同時(shí)，實(shí)測得到所有被監(jiān)測量，組成被監(jiān)測量當(dāng)前向量C；同時(shí)，實(shí)測得到每一個(gè)支承索兩支承端點(diǎn)的水平距離； k.定義索系統(tǒng)當(dāng)前虛擬損傷向量d，當(dāng)前虛擬損傷向量的元素個(gè)數(shù)等于索的數(shù)量，當(dāng)前虛擬損傷向量的元素和索之間是一一對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)前虛擬損傷向量的元素?cái)?shù)值代表對應(yīng)索的虛擬損傷程度或健康狀態(tài)； l.依據(jù)被監(jiān)測量當(dāng)前向量C同被監(jiān)測量初始向量Co、虛擬單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ΔC、虛擬單位損傷標(biāo)量Du和當(dāng)前虛擬損傷向量d間存在的近似線性關(guān)系，該近似線性關(guān)系可表達(dá)為式1，式1中除d外的其它量均為已知，求解式1就可以算出當(dāng)前虛擬損傷向量d。當(dāng)前虛擬損傷向量d中數(shù)值不為0的元素對應(yīng)的支承索就是可能的松弛索或可能的受損索，其數(shù)值反應(yīng)了松弛或損傷的程度； 式1 m.從可能的松弛索和受損索中鑒別出受損索，剩下的就是松弛索。
n.通過將松弛索同受損索進(jìn)行力學(xué)等效來計(jì)算松弛索的松弛程度，等效的力學(xué)條件是一、兩等效的索的無松弛和無損傷時(shí)的初始自由長度、幾何特性參數(shù)、密度及材料的力學(xué)特性參數(shù)相同；二、松弛或損傷后，兩等效的松弛索和損傷索的索力和變形后的總長相同。滿足上述兩個(gè)等效條件時(shí)，這樣的兩根支承索在結(jié)構(gòu)中的力學(xué)功能就是完全相同的，即如果用等效的受損索代替松弛索后，索結(jié)構(gòu)不會發(fā)生任何變化。依據(jù)前述力學(xué)等效條件求得那些被判定為松弛索的松弛程度，松弛程度就是支承索自由長度的改變量，也就是確定了那些需調(diào)整索力的支承索的索長調(diào)整量。這樣就實(shí)現(xiàn)了包含了松弛識別和損傷識別的索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)的健康監(jiān)測。
在步驟i中，獲得虛擬單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ΔC的具體方法為 i1.在結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型的基礎(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N根索就有N次計(jì)算，每一次計(jì)算假設(shè)索系統(tǒng)中只有一根索有虛擬單位損傷，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，每一次計(jì)算得到索結(jié)構(gòu)中所有被監(jiān)測量的當(dāng)前數(shù)值，每一次計(jì)算得到的所有被監(jiān)測量當(dāng)前數(shù)值組成一個(gè)被監(jiān)測量計(jì)算當(dāng)前向量； i2.每一次計(jì)算得到的那個(gè)被監(jiān)測量計(jì)算當(dāng)前向量減去被監(jiān)測量初始向量得到一個(gè)被監(jiān)測量變化向量；有N根索就有N個(gè)被監(jiān)測量變化向量； i3.由這N個(gè)被監(jiān)測量變化向量依次組成有N列的虛擬單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣。
有益效果本發(fā)明公開的系統(tǒng)和方法在只有不太多的支承索(例如30根索或30％的索)受損或松弛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)(包括所有松弛索和受損索的位置、及其松弛程度或損傷程度，因?yàn)榇藭r(shí)索結(jié)構(gòu)的變形較小，線性關(guān)系較好)。在受損或松弛索很多(例如多于30根索或50％以上索同步受損或松弛)時(shí)，可以相當(dāng)準(zhǔn)確地監(jiān)測評估出絕大部分松弛索和受損索的位置、及其松弛程度或損傷程度。考慮到索系統(tǒng)的索損傷和松弛通常是非均衡、損傷和松弛通常也是由小漸大的、非大量索同步受損或松弛的，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，對識別需調(diào)整索力的索，并估計(jì)需調(diào)整的索長是非常有益的。

具體實(shí)施例方式 針對索結(jié)構(gòu)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)(包括索的受損和松弛程度)。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。
確定混合監(jiān)測時(shí)指定的將被監(jiān)測索力的支承索，設(shè)索系統(tǒng)中共有N根索，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的索力數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上M1個(gè)指定索的M1個(gè)索力數(shù)據(jù)來描述，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M1個(gè)索力測量值或計(jì)算值來表征結(jié)構(gòu)的索力信息。M1是一個(gè)不小于0的整數(shù)。實(shí)際選定被監(jiān)測索力的索時(shí)，可以選擇那些索力易于測量的索為被監(jiān)測索。
確定混合監(jiān)測時(shí)指定的將被監(jiān)測應(yīng)變的被測量點(diǎn)，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的應(yīng)變數(shù)據(jù)可由結(jié)構(gòu)上K2個(gè)指定點(diǎn)的、及每個(gè)指定點(diǎn)的L2個(gè)指定方向的應(yīng)變來描述，結(jié)構(gòu)應(yīng)變數(shù)據(jù)的變化就是K2個(gè)指定點(diǎn)的所有被測應(yīng)變的變化。每次共有M2個(gè)應(yīng)變測量值或計(jì)算值來表征結(jié)構(gòu)應(yīng)變，M2為K2和L2之積。M2是一個(gè)不小于0的整數(shù)。每一個(gè)將被監(jiān)測應(yīng)變的被測量點(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)過大的應(yīng)變測量值，這些點(diǎn)一般也不應(yīng)當(dāng)全部是混合監(jiān)測時(shí)指定的被監(jiān)測索力的索的固定端點(diǎn)或在其附近。
確定混合監(jiān)測時(shí)指定的將被監(jiān)測角度的被測量點(diǎn)，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的角度數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上K3個(gè)指定點(diǎn)的、過每個(gè)指定點(diǎn)的L3個(gè)指定直線的、每個(gè)指定直線的H3個(gè)角度坐標(biāo)分量來描述，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M3個(gè)角度坐標(biāo)分量測量值或計(jì)算值來表征結(jié)構(gòu)的角度信息，M3為K3、L3和H3之積。M3是一個(gè)不小于0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)測角度數(shù)據(jù)的點(diǎn)一般不應(yīng)該全部選擇為“混合監(jiān)測中指定的被監(jiān)測索力的索的固定端點(diǎn)或在其附近的點(diǎn)”和“混合監(jiān)測中指定的被監(jiān)測應(yīng)變的點(diǎn)或在其附近的點(diǎn)”；在每一指定點(diǎn)可以僅僅測量一個(gè)指定直線的一個(gè)角度坐標(biāo)，例如測量過指定點(diǎn)的結(jié)構(gòu)表面法線或切線相對于重力加速度方向的角度坐標(biāo)，這里實(shí)際上就是傾角測量。
確定混合監(jiān)測時(shí)指定的將被監(jiān)測的形狀數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的形狀數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上K4個(gè)指定點(diǎn)的、及每個(gè)指定點(diǎn)的L4個(gè)指定方向的空間坐標(biāo)來描述，結(jié)構(gòu)形狀數(shù)據(jù)的變化就是K4個(gè)指定點(diǎn)的所有坐標(biāo)分量的變化。每次共有M4個(gè)坐標(biāo)測量值或計(jì)算值來表征結(jié)構(gòu)形狀，M4為K4和L4之積。M4是一個(gè)不小于0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)；這里選定的被監(jiān)測點(diǎn)不應(yīng)該全部選用“混合監(jiān)測中指定的被監(jiān)測索力的索的固定端點(diǎn)或在其附近的點(diǎn)”、“混合監(jiān)測中指定的被監(jiān)測應(yīng)變的點(diǎn)或在其附近的點(diǎn)”和“混合監(jiān)測中指定的被監(jiān)測角度數(shù)據(jù)的點(diǎn)或在其附近的點(diǎn)”。
綜合上述被監(jiān)測量，整個(gè)結(jié)構(gòu)就混合監(jiān)測而言共有M個(gè)被監(jiān)測量，M為M1、M2、M3和M4之和，定義參量K，K為M1、K2、K3和K4之和，K和M不得小于索的數(shù)量N。由于M個(gè)被監(jiān)測量是不同類型的，所以本發(fā)明稱為“基于混合監(jiān)測來識別需調(diào)整索力的支承索的方法”。為方便起見，在本發(fā)明中將本步所列出的“混合監(jiān)測時(shí)結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的所有參量”簡稱為“被監(jiān)測量”。
第二步在支承索無松弛、無損傷條件或可認(rèn)為無松弛、無損傷條件下，直接測量計(jì)算得到索結(jié)構(gòu)的所有支承索的初始索力，組成初始索力向量Fo，有N根索Fo就有個(gè)元素(后面類推)；同時(shí)，依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、竣工數(shù)據(jù)得到所有索的初始自由長度，組成支承索初始自由長度向量lo；同時(shí)，直接測量計(jì)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，有M個(gè)被監(jiān)測量，Co就有M個(gè)元素(后面類推)；同時(shí)，實(shí)測或根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、竣工資料得到所有索的彈性模量、密度、初始橫截面面積、初始自由長度；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))。
第三步建立索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型。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)(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、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)、角度坐標(biāo)數(shù)據(jù)、索力數(shù)據(jù)、橋的模態(tài)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)，基于該基準(zhǔn)模型計(jì)算得到結(jié)構(gòu)的計(jì)算數(shù)據(jù)必須非常接近其對應(yīng)的實(shí)測數(shù)據(jù)，誤差一般不得大于5％。在力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型上計(jì)算得到的所有被監(jiān)測量的初始數(shù)值組成被監(jiān)測量計(jì)算初始向量。
第四步建立索結(jié)構(gòu)虛擬單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ΔC。在索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型的基礎(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)中只有一根索有虛擬單位損傷Du(虛擬單位損傷應(yīng)較小，例如取5％、10％、20％或30％等損傷為虛擬單位損傷)，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，每一次計(jì)算都利用力學(xué)方法(例如采用有限元法)計(jì)算索結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測量，每一次計(jì)算得到所有被監(jiān)測量數(shù)值組成一個(gè)被監(jiān)測量計(jì)算當(dāng)前向量；每一次計(jì)算得到的被監(jiān)測量計(jì)算當(dāng)前向量減去監(jiān)測量計(jì)算初始向量，所得向量就是此條件下(以有虛擬單位損傷的索的位置或編號等為標(biāo)記)的被監(jiān)測量變化向量，被監(jiān)測量變化向量的每一元素表示由于計(jì)算時(shí)假定有虛擬單位損傷的那根索的虛擬單位損傷而引起的該元素所對應(yīng)的指定被監(jiān)測量的改變量；有N根索就有N個(gè)被監(jiān)測量變化向量，每個(gè)被監(jiān)測量變化向量有M個(gè)元素，由這N個(gè)索力變化向量依次組成有M×N個(gè)元素的虛擬單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ΔC，或者說虛擬單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ΔC的每一列對應(yīng)于一個(gè)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。利用前四步的數(shù)據(jù)(被監(jiān)測量初始向量Co、虛擬單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ΔC)，在第四步進(jìn)行每一次計(jì)算的同時(shí)，即在“每一次計(jì)算假設(shè)索系統(tǒng)中只有一根索有虛擬單位損傷Du，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，每一次計(jì)算都利用力學(xué)方法(例如采用有限元法)計(jì)算索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)中所有被監(jiān)測量的當(dāng)前數(shù)值，每一次計(jì)算組成一個(gè)被監(jiān)測量計(jì)算當(dāng)前向量C”的同時(shí)，每一次計(jì)算組成一個(gè)當(dāng)前虛擬損傷向量d，該當(dāng)前虛擬損傷向量d的所有元素中只有一個(gè)元素的數(shù)值取Du，其它元素的數(shù)值取0，當(dāng)前虛擬損傷向量d中數(shù)值是Du的元素對應(yīng)于該次計(jì)算時(shí)唯一假定受損的索的單位損傷程度Du；將C、Co、ΔC、Du、d帶入式(18)，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N根索就有N次計(jì)算，就有N個(gè)線性關(guān)系誤差向量e，將這N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等于最終的線性關(guān)系誤差向量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)(例如含角度測量分系統(tǒng)、索力測量分系統(tǒng)、應(yīng)變測量分系統(tǒng)、空間坐標(biāo)測量分系統(tǒng)、信號調(diào)理器等)、索力監(jiān)測系統(tǒng)(例如含加速度傳感器、信號調(diào)理器等)、各支承索兩支承端點(diǎn)的水平距離監(jiān)測系統(tǒng)(例如用全站儀進(jìn)行測量)、信號采集器、計(jì)算機(jī)和通信報(bào)警設(shè)備。每一個(gè)被監(jiān)測量、每一個(gè)支承索的索力和每一根支承索兩支承端點(diǎn)的水平距離都必須被監(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(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)測到索有松弛或損傷時(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。
第七步將初始索力向量Fo、被監(jiān)測量初始向量Co、虛擬單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ΔC、虛擬單位損傷Du、所有索的初始自由長度、彈性模量、初始橫截面面積、索的單位長度重量等參數(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。
第八步編制并在計(jì)算機(jī)上安裝運(yùn)行索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)健康監(jiān)測系統(tǒng)軟件。該軟件包括如下幾種功能模塊1.從存儲在計(jì)算機(jī)硬盤上的數(shù)據(jù)文件中讀取初始索力向量Fo、被監(jiān)測量初始向量Co、虛擬單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ΔC、虛擬單位損傷Du、所有索的初始自由長度、彈性模量、初始橫截面面積、索的單位長度重量等所有必要參數(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)算得到所有索的兩支承端點(diǎn)的水平距離、所有被監(jiān)測量的當(dāng)前數(shù)值和所有索的當(dāng)前索力，所有被監(jiān)測量的當(dāng)前數(shù)值組成被監(jiān)測量當(dāng)前向量C。4.依據(jù)被監(jiān)測量當(dāng)前向量C同被監(jiān)測量初始向量Co、虛擬單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ΔC、虛擬單位損傷Du和索系統(tǒng)當(dāng)前虛擬損傷向量d(由所有索的當(dāng)前虛擬損傷量組成)間存在的近似線性關(guān)系(式(16))，按照多目標(biāo)優(yōu)化算法計(jì)算索系統(tǒng)當(dāng)前虛擬損傷向量d的非劣解，即帶有合理誤差、但可以比較準(zhǔn)確地從所有索中確定松弛索或受損索的位置及其損傷程度的解。
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)、加權(quán)法(Weighted Sum Method)或目標(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)前損傷向量d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(16)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γ是一個(gè)實(shí)數(shù)，R是實(shí)數(shù)域，空間區(qū)域Ω限制了向量d的每一個(gè)元素的取值范圍(本實(shí)施例要求向量d的每一個(gè)元素不小于0，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)γ，使得式(22)得到滿足。式(22)中G(d)由式(23)定義，式(22)中加權(quán)向量W與γ的積表示式(22)中G(d)與向量g之間允許的偏差，g的定義參見式(20)，其值已在第五步計(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)已經(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)前索損傷向量d。
mmimize γ(21) γ∈R，d∈Ω G(d)-Wγ≤g (22) 若解得的當(dāng)前虛擬損傷向量d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，沒有松弛或損傷的；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。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。
第九步由于當(dāng)前虛擬損傷向量d的元素?cái)?shù)值代表對應(yīng)索的虛擬損傷程度，所以根據(jù)當(dāng)前虛擬損傷向量就能確定有哪些索可能受損或松弛了及其可能的損傷程度或松弛程度，但這些索究竟是發(fā)生了損傷還是發(fā)生了松弛，需進(jìn)行鑒別。鑒別的方法多種多樣，可以通過去除支承索的保護(hù)層，對支承索進(jìn)行目視鑒別，或者借助光學(xué)成像設(shè)備進(jìn)行目視鑒別，也可以通過無損檢測方法對支承索是否受損進(jìn)行鑒別，超聲波探傷就是一種目前廣泛使用的無損檢測方法。鑒別后那些沒有發(fā)現(xiàn)損傷且虛擬損傷程度不為0的支承索就是發(fā)生了松弛的索，就是需調(diào)整索力的索。對那些判定為松弛的支承索，使用上一步求得的當(dāng)前虛擬損傷向量d中對應(yīng)于該支承索的元素，依據(jù)式(8)或式(9)可以求得這些索的松弛程度(即索長調(diào)整量)。這樣就實(shí)現(xiàn)了包含了損傷識別和松弛識別的索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)的健康監(jiān)測。
權(quán)利要求
1.一種基于對多類參量的混合監(jiān)測來識別需調(diào)整索力的支承索的方法，其特征在于所述方法包括
a.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.確定混合監(jiān)測時(shí)指定的將被監(jiān)測索力的支承索，設(shè)索系統(tǒng)中共有N根索，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的索力數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上M1個(gè)指定索的M1個(gè)索力數(shù)據(jù)來描述，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M1個(gè)索力測量值或計(jì)算值來表征結(jié)構(gòu)的索力信息。M1是一個(gè)不小于0的整數(shù)。
c.確定混合監(jiān)測時(shí)指定的將被監(jiān)測應(yīng)變的被測量點(diǎn)，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的應(yīng)變數(shù)據(jù)可由結(jié)構(gòu)上K2個(gè)指定點(diǎn)的、及每個(gè)指定點(diǎn)的L2個(gè)指定方向的應(yīng)變來描述，結(jié)構(gòu)應(yīng)變數(shù)據(jù)的變化就是K2個(gè)指定點(diǎn)的所有被測應(yīng)變的變化。每次共有M2個(gè)應(yīng)變測量值或計(jì)算值來表征結(jié)構(gòu)應(yīng)變，M2為K2和L2之積。M2是一個(gè)不小于0的整數(shù)。
d.確定混合監(jiān)測時(shí)指定的將被監(jiān)測角度的被測量點(diǎn)，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的角度數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上K3個(gè)指定點(diǎn)的、過每個(gè)指定點(diǎn)的L3個(gè)指定直線的、每個(gè)指定直線的H3個(gè)角度坐標(biāo)分量來描述，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M3個(gè)角度坐標(biāo)分量測量值或計(jì)算值來表征結(jié)構(gòu)的角度信息，M3為K3、L3和H3之積。M3是一個(gè)不小于0的整數(shù)。
e.確定混合監(jiān)測時(shí)指定的將被監(jiān)測的形狀數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的形狀數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上K4個(gè)指定點(diǎn)的、及每個(gè)指定點(diǎn)的L4個(gè)指定方向的空間坐標(biāo)來描述，結(jié)構(gòu)形狀數(shù)據(jù)的變化就是K4個(gè)指定點(diǎn)的所有坐標(biāo)分量的變化。每次共有M4個(gè)坐標(biāo)測量值或計(jì)算值來表征結(jié)構(gòu)形狀，M4為K4和L4之積。M4是一個(gè)不小于0的整數(shù)。
f.綜合上述混合監(jiān)測的被監(jiān)測量，整個(gè)結(jié)構(gòu)共有M個(gè)被監(jiān)測量，M為M1、M2、M3和M4之和，定義參量K，K為M1、K2、K3和K4之和，K和M不得小于索的數(shù)量N。由于M個(gè)被監(jiān)測量是不同類型的，所以本發(fā)明稱為“基于混合監(jiān)測來識別需調(diào)整索力的支承索的方法”。為方便起見，在本發(fā)明中將本步所列出的“混合監(jiān)測時(shí)結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的所有參量”簡稱為“被監(jiān)測量”。
g.在支承索無松弛、無損傷條件或可認(rèn)為無松弛、無損傷條件下，直接測量計(jì)算得到索結(jié)構(gòu)的所有支承索的初始索力，組成初始索力向量Fo；同時(shí)，依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、竣工數(shù)據(jù)得到所有索的初始自由長度，組成支承索初始自由長度向量lo；同時(shí)，直接測量計(jì)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；同時(shí)，實(shí)測得到索結(jié)構(gòu)的初始幾何數(shù)據(jù)；
h.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。
i.在力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次力學(xué)計(jì)算，通過計(jì)算獲得虛擬單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ΔC；
j.實(shí)測得到索結(jié)構(gòu)的所有支承索的當(dāng)前索力，組成當(dāng)前索力向量F；同時(shí)，實(shí)測得到所有被監(jiān)測量，組成被監(jiān)測量當(dāng)前向量C；同時(shí)，實(shí)測得到每一個(gè)支承索兩支承端點(diǎn)的水平距離；
k.定義索系統(tǒng)當(dāng)前虛擬損傷向量d，當(dāng)前虛擬損傷向量的元素個(gè)數(shù)等于索的數(shù)量，當(dāng)前虛擬損傷向量的元素和索之間是一一對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)前虛擬損傷向量的元素?cái)?shù)值代表對應(yīng)索的虛擬損傷程度或健康狀態(tài)；
l.依據(jù)被監(jiān)測量當(dāng)前向量C同被監(jiān)測量初始向量Co、虛擬單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ΔC、虛擬單位損傷標(biāo)量Du和當(dāng)前虛擬損傷向量d間存在的近似線性關(guān)系，該近似線性關(guān)系可表達(dá)為式1，式1中除d外的其它量均為已知，求解式1就可以算出當(dāng)前虛擬損傷向量d。當(dāng)前虛擬損傷向量d中數(shù)值不為0的元素對應(yīng)的支承索就是可能的松弛索或可能的受損索，其數(shù)值反應(yīng)了松弛或損傷的程度；
式1
m.從可能的松弛索和受損索中鑒別出受損索，剩下的就是松弛索。
n.通過將松弛索同受損索進(jìn)行力學(xué)等效來計(jì)算松弛索的松弛程度，等效的力學(xué)條件是一、兩等效的索的無松弛和無損傷時(shí)的初始自由長度、幾何特性參數(shù)、密度及材料的力學(xué)特性參數(shù)相同；二、松弛或損傷后，兩等效的松弛索和損傷索的索力和變形后的總長相同。滿足上述兩個(gè)等效條件時(shí)，這樣的兩根支承索在結(jié)構(gòu)中的力學(xué)功能就是完全相同的，即如果用等效的受損索代替松弛索后，索結(jié)構(gòu)不會發(fā)生任何變化。依據(jù)前述力學(xué)等效條件求得那些被判定為松弛索的松弛程度，松弛程度就是支承索自由長度的改變量，也就是確定了那些需調(diào)整索力的支承索的索長調(diào)整量。這樣就實(shí)現(xiàn)了包含了松弛識別和損傷識別的索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)的健康監(jiān)測。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于對多類參量的混合監(jiān)測來識別需調(diào)整索力的支承索的方法，其特征在于在步驟i中，獲得虛擬單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ΔC的具體方法為
i1.在結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型的基礎(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N根索就有N次計(jì)算，每一次計(jì)算假設(shè)索系統(tǒng)中只有一根索有虛擬單位損傷，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，每一次計(jì)算得到索結(jié)構(gòu)中所有被監(jiān)測量的當(dāng)前數(shù)值，每一次計(jì)算得到的所有被監(jiān)測量當(dāng)前數(shù)值組成一個(gè)被監(jiān)測量計(jì)算當(dāng)前向量；
i2.每一次計(jì)算得到的那個(gè)被監(jiān)測量計(jì)算當(dāng)前向量減去被監(jiān)測量初始向量得到一個(gè)被監(jiān)測量變化向量；有N根索就有N個(gè)被監(jiān)測量變化向量；
i3.由這N個(gè)被監(jiān)測量變化向量依次組成有N列的虛擬單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣。
全文摘要
基于混合監(jiān)測來識別需調(diào)整索力的支承索的方法在結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上做若干次力學(xué)計(jì)算，計(jì)算次數(shù)等于索的數(shù)量。每次計(jì)算假設(shè)只有一根索有單位損傷并得到一個(gè)被監(jiān)測量計(jì)算當(dāng)前向量(后文省略“被監(jiān)測量”四字)；每個(gè)計(jì)算當(dāng)前向量減去初始向量，獲得一個(gè)變化向量；所有的變化向量組成虛擬單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣。依據(jù)當(dāng)前向量同初始向量、虛擬單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣和當(dāng)前虛擬損傷向量間的近似線性關(guān)系，可用多目標(biāo)優(yōu)化等算法算出當(dāng)前虛擬損傷向量的非劣解，據(jù)此可識別出虛擬受損索，使用無損檢測等方法從中鑒別出真實(shí)受損索后，剩下的虛擬受損索就是需調(diào)整索力的索，依據(jù)松弛程度同虛擬損傷程度間的關(guān)系就可確定需調(diào)整的索長。
文檔編號G06F17/50GK101673316SQ20091014519
公開日2010年3月17日 申請日期2009年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月13日
發(fā)明者韓玉林 申請人:東南大學(xué)