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(cè)、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(cè)、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(cè)橋梁結(jié)構(gòu)的各
種狀態(tài)信息，并進(jìn)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(rèn)最為復(fù)雜的一類
工程結(jié)構(gòu)，而橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)、故障診斷及預(yù)警技術(shù)又具有高度學(xué)科交叉的特點(diǎn)，這決定了這
項(xiàng)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(wèn)題，原始數(shù)據(jù)失真與變異即是
其中一個(gè)極為重要、但又處于學(xué)科交叉薄弱點(diǎn)上、直接影響故障診斷結(jié)果的關(guān)鍵核心問(wèn)題。 在橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)、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(jì)
服役年限為數(shù)十、上百年的橋梁之間存在巨大的時(shí)間差；而橋梁在惡劣的野外環(huán)境下(頻
繁振動(dòng)、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(huì)大大加劇，這使得監(jiān)測(cè)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(cuò)誤的故障診斷結(jié)果、產(chǎn)生誤漏報(bào)警的問(wèn)題。 在橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)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(zhǔn)"漂移"會(huì)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(guò)程，會(huì)產(chǎn)生一系列無(wú)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(chǎng)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(dòng)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(wú) 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(huì)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(qiáng)風(fēng)、等環(huán)境災(zāi)變?cè)斐傻臉蛄汗收项愃疲蛘吲c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(shí)別開(kāi)來(lái)，輕者會(huì)影響橋梁結(jié)構(gòu)故障診斷的準(zhǔn)確性、重者會(huì)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(yán)重后果。 由于目前從事橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)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(kāi)展橋梁結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別與故障診斷方法的研 究，因而對(duì)系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)失真與變異問(wèn)題普遍缺乏足夠的認(rèn)識(shí)；而少數(shù)涉足橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān) 測(cè)、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(cè)量技術(shù)的 角度出發(fā)研究及其可靠性問(wèn)題，基本沒(méi)有從狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(wèn)題；因此橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)失真與變異這樣一個(gè) 重大共性關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問(wèn)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(duì)原始 信號(hào)進(jìn)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(chǎng)安裝工藝技 術(shù)，因而這將是一個(gè)十分漫長(zhǎng)的過(guò)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(huì)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(hào)處 理方法，對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理雖然是一個(gè)相對(duì)有效的低成本的方法，但因?yàn)閷I(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(wèn)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(wèn)題，根本不能解決這樣一個(gè)跨學(xué)科的大 問(wèn)題。更為嚴(yán)重的是，橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)的研究人員界普遍還沒(méi)有認(rèn)識(shí)到這個(gè) 問(wèn)題的嚴(yán)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(rèn)為，系統(tǒng)獲取的 全部是真實(shí)、有效、無(wú)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(rèn) 識(shí)導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別與故障診斷技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)陷入了一個(gè)"數(shù)據(jù)災(zāi)難"的困境， 如投資數(shù)千萬(wàn)港幣、建于90年代中期的香港某大橋狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，雖然采用了當(dāng)時(shí)全球最 為先進(jìn)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(dòng)、相當(dāng)比例的異常波動(dòng) 程度都超過(guò)了結(jié)構(gòu)損傷的數(shù)據(jù)變化，使得絕大多數(shù)損傷識(shí)別與故障診斷的算法與軟件都頻 頻誤報(bào)警、產(chǎn)生出"數(shù)據(jù)災(zāi)難"的新問(wèn)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(jìn)行結(jié)構(gòu)辨識(shí)與處理算法研究，但由于始終沒(méi)有考慮數(shù)據(jù)失真與變異問(wèn)題的影響， 故十余年的努力沒(méi)有取得實(shí)質(zhì)性突破，即使在近期對(duì)該橋的硬件系統(tǒng)進(jìn)行了大幅度更新?lián)Q 代后，這個(gè)"數(shù)據(jù)災(zāi)難"問(wèn)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(cè)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(gè)方面入手、單用某一種處理方法，都是難以達(dá)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(cè)系統(tǒng)的 安全評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)中的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存單元和軟件評(píng)價(jià)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(cè)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(chǔ)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(kāi)來(lái)，對(duì)干擾信息和/或角色失效信息的來(lái)源進(jìn)行角色定位并進(jìn)行角 色維護(hù)，只將結(jié)構(gòu)信息送入軟件評(píng)價(jià)單元。 角色診斷系統(tǒng)由數(shù)據(jù)診斷、角色識(shí)別和角色維護(hù)決策三個(gè)模塊組成；1)數(shù)據(jù)診斷 模塊對(duì)傳來(lái)的待分析數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)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(kāi) 來(lái)；2)角色識(shí)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(hù)決策模塊對(duì)定位到的角色進(jìn)行角色維護(hù) 和角色重構(gòu)。 角色維護(hù)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(duì)相 應(yīng)角色的軟硬件進(jìn)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(shí)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(duì)這部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)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(chǔ)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(gè)傳感器 對(duì)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(chǔ)存設(shè)備；軟件部分包括對(duì)各種傳感器數(shù) 據(jù)進(jìn)行預(yù)處理的各個(gè)軟件模塊，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸、匯流、中轉(zhuǎn)、儲(chǔ)存進(jìn)行控制的各個(gè)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(gè)角色；各個(gè)角色按其關(guān)聯(lián) 性劃分為多個(gè)簇，具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)性的角色歸于同一簇，簇與簇之間的角色之間無(wú)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(diǎn)和角色診斷中心組成同簇中的各個(gè)角色都連接
到同一父節(jié)點(diǎn)，簇和父節(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，各個(gè)父節(jié)點(diǎn)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(wèn)題的新方法。


圖1、現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)的信息傳輸模型； 圖6、信息采集單元的差錯(cuò)控制機(jī)制；
具體實(shí)施例方式
對(duì)于背景技術(shù)中述及的問(wèn)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(wèn)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(píng)價(jià)這兩個(gè)環(huán)節(jié)剝離出來(lái)
形成一個(gè)新的信息智能診斷環(huán)節(jié)，并集中信息與結(jié)構(gòu)兩個(gè)領(lǐng)域的人員與知識(shí)，在學(xué)科交叉
點(diǎn)上提煉關(guān)鍵共性問(wèn)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(wèn)題開(kāi)創(chuàng)一
個(gè)有效的新途徑，并將使橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)產(chǎn)生跳躍性發(fā)展。 參見(jiàn)圖l，在典型橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，系統(tǒng)可以分為信息獲取和安全評(píng)價(jià)兩
個(gè)環(huán)節(jié)，每一個(gè)環(huán)節(jié)都還可以進(jìn)一步細(xì)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(gè)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(fù)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(yuǎn)程監(jiān)控中心分析、處理。安全評(píng)價(jià) 環(huán)節(jié)可以分為數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和軟件評(píng)價(jià)兩個(gè)單元，數(shù)據(jù)儲(chǔ)存單元主要是計(jì)算機(jī)和相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 設(shè)備等，主要功能是將傳輸來(lái)的信息按照格式要求存儲(chǔ)起來(lái)，提供給評(píng)價(jià)軟件對(duì)橋梁結(jié)構(gòu) 狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)和進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢；而軟件評(píng)價(jià)主要是基于各種各樣的結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)方法形成的軟 件系統(tǒng)。 參見(jiàn)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(cè)系統(tǒng)的安全評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)中 的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存單元和軟件評(píng)價(jià)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(cè)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(chǔ)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(kāi)來(lái)(結(jié)構(gòu)信息中由被監(jiān)測(cè)對(duì)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(duì)干擾信息和/或角色失效信息的來(lái) 源進(jìn)行角色定位并進(jìn)行角色維護(hù)，只將結(jié)構(gòu)信息送入軟件評(píng)價(jià)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(jiàn)圖3，它由數(shù)據(jù)診斷、角色識(shí)別和角色維護(hù)決策三個(gè) 模塊組成；1)數(shù)據(jù)診斷模塊對(duì)傳來(lái)的待分析數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)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(kāi)來(lái)；2)角色識(shí)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(hù)決策模塊對(duì)定位 到的角色進(jìn)行角色維護(hù)和角色重構(gòu)。 角色診斷思想主要來(lái)源于計(jì)算機(jī)軟件工程領(lǐng)域的角色設(shè)計(jì)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(duì)于角色的概念和內(nèi)涵進(jìn)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(gè)硬件、軟件實(shí)體，它可以是一個(gè)子系統(tǒng)或子環(huán)節(jié)，也可以是一個(gè)傳感器，一個(gè)軟件 模塊，直至系統(tǒng)中的最小單位，針對(duì)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(chǔ)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(gè)傳感器 對(duì)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(chǔ)存設(shè)備；軟件部分包括對(duì)各種傳感器數(shù) 據(jù)進(jìn)行預(yù)處理的各個(gè)軟件模塊，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸、匯流、中轉(zhuǎn)、儲(chǔ)存進(jìn)行控制的各個(gè)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(gè)角色； 這些角色分布在系統(tǒng)中的不同位置，每一個(gè)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(duì)這些角色進(jìn)行劃分，才能對(duì)失效角色進(jìn)行定位。各個(gè)角 色按其關(guān)聯(lián)性劃分為多個(gè)簇，具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)性的角色歸于同一簇，簇與簇之間的角色之間無(wú) 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(cè)系統(tǒng)是一個(gè)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(shí)輸出相應(yīng)的響應(yīng)信息，具體來(lái)說(shuō)，橋梁是一個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，當(dāng)受到外部作用的時(shí)候， 橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)之間都會(huì)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(duì)于同一結(jié)構(gòu) 參數(shù)，測(cè)量點(diǎn)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(cè)量點(diǎn)都對(duì)于外部 作用這種反應(yīng)表現(xiàn)在橋梁結(jié)構(gòu)測(cè)量點(diǎn)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(fù)相關(guān)和無(wú)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(dòng)的方向相同，謂之正相關(guān)。2、負(fù)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(dòng)的方向相反，謂之負(fù)相關(guān)。3、無(wú)相關(guān)在兩 種變量之間， 一種變量變動(dòng)時(shí)，另一種變量毫無(wú)變動(dòng)，即使變動(dòng)也無(wú)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(jī)的好壞等是無(wú)什么關(guān)系的，這兩種變量的關(guān) 系謂之無(wú)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(cè)量點(diǎn)或不同監(jiān)測(cè)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(yáng)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(cè)試位置，同樣的測(cè)試位置上布置了 若干個(gè)測(cè)量點(diǎn)，這些測(cè)量點(diǎn)呈現(xiàn)出位置上的關(guān)聯(lián)性。 一般而言，位置上鄰近的測(cè)量點(diǎn)之間的 有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。
4)時(shí)間關(guān)聯(lián)性 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)在同一時(shí)間點(diǎn)都要采集數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)表現(xiàn)
出來(lái)在時(shí)間上的關(guān)聯(lián)性，即在某一時(shí)刻受到同一外部作用的時(shí)候，某些結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)表現(xiàn)出在
這一時(shí)刻的關(guān)聯(lián)性，但是，這種關(guān)聯(lián)性不會(huì)一直保持不變，在以后的某一時(shí)刻，這種關(guān)聯(lián)性
會(huì)發(fā)生變化。 5)類別關(guān)聯(lián)性 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中有不同類別的測(cè)試參數(shù)，如撓度、應(yīng)變、溫度等，不同類
別的的測(cè)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(cè)試參數(shù)
同樣也會(huì)存在很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，如不同撓度測(cè)量點(diǎn)之間、應(yīng)變測(cè)量點(diǎn)之間等。 在劃分角色時(shí)，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(diǎn)
和角色診斷中心組成參見(jiàn)圖4，同簇中的各個(gè)角色都連接到同一父節(jié)點(diǎn)，簇和父節(jié)點(diǎn)一一
對(duì)應(yīng)，各個(gè)父節(jié)點(diǎn)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(lái)，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(yùn)行 前文中敘述了，數(shù)據(jù)診斷、角色識(shí)別和角色維護(hù)決策三個(gè)模塊分步對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)
別、定位、制定解決方案，下面詳細(xì)敘述各個(gè)模塊是如何工作的。
(1)數(shù)據(jù)診斷模塊 參見(jiàn)圖5，現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的每一個(gè)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(chǔ)存_評(píng)價(jià)"，采用本發(fā)明方案后，這種處理流程就變?yōu)?采集_傳 輸-儲(chǔ)存-角色診斷-評(píng)價(jià)"。 從圖5可以看出，每一個(gè)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(hào)，F(xiàn)—為信息獲取環(huán)節(jié)信息采集單元采樣得到的實(shí)際數(shù)據(jù)信號(hào)，e為信息獲取環(huán)節(jié)信息采集單元的噪聲 信號(hào)；F—為信息獲取環(huán)節(jié)信息傳輸單元的輸出信號(hào)，e —為信息獲取環(huán)節(jié)信息傳輸單元的 噪聲信號(hào)；F——為安全評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)中數(shù)據(jù)儲(chǔ)存單元的輸出信號(hào)，e —為安全評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)中數(shù)據(jù) 儲(chǔ)存單元的噪聲信號(hào)；評(píng)價(jià)結(jié)果R與信號(hào)F——之間為函數(shù)關(guān)系，描述為
R =①(F…) 可見(jiàn)，評(píng)價(jià)結(jié)果R的輸出直接與信號(hào)F——關(guān)聯(lián)，如果信號(hào)F——是失真信號(hào)，即 |F—-F| > S 其中，S為設(shè)定的閾值； 也就是說(shuō)當(dāng)F——與原始采樣信號(hào)F差異過(guò)大的時(shí)候，可以認(rèn)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(hào)在采樣過(guò)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(píng)價(jià)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(kāi)始到最終進(jìn)入安全評(píng)價(jià)過(guò)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(biāo)給出，所以需要建立一個(gè)信息的 失效度和有效度模型來(lái)量化各個(gè)角色的工作情況。 以傳感器為例，設(shè)第i個(gè)傳感器在單位時(shí)間內(nèi)的函數(shù)為fi，則有 & = (xn， xi2， . . . ， xim) ， m為采集的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，xim為該傳感器采集到的第m個(gè)數(shù)
據(jù)，其中，fi中有n個(gè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)判據(jù)分析為失真數(shù)據(jù)，則該傳感器的在該單位時(shí)間內(nèi)的失效
度模型為Yi，即
=單位時(shí)間失真數(shù)=w ^—單位時(shí)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(shí)間變
長(zhǎng)，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(shí)間采樣數(shù)-單位時(shí)間失真數(shù)=—-—=
7'—單位時(shí)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(shí) 間變長(zhǎng)，ni逐漸下降。所以，失效度Yi和有效度模型ni可以有效的對(duì)包括傳感器在內(nèi)的各種角色信息
的可靠性進(jìn)行判斷和評(píng)估即設(shè)定Yi和/或ni的閾值，如果不滿足閾值要求，即可認(rèn)為該
角色為失效角色； (2)角色識(shí)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(yùn)行中，
就可以十分準(zhǔn)確的通過(guò)失效特征來(lái)定位到失效角色及其位置。
(3)角色維護(hù)決策模塊 角色識(shí)別模塊根據(jù)失效特征找到失效的角色后，角色維護(hù)決策模塊根據(jù)該角色的標(biāo)識(shí)，識(shí)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(hù)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(cuò)控制機(jī)制)，針對(duì)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(cuò)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(cuò)誤，這時(shí)就需 要檢錯(cuò)模型和糾錯(cuò)模型進(jìn)行處理了 ，
1)檢錯(cuò)模型 設(shè)第i個(gè)傳感器在時(shí)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(gè)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(gè)數(shù) 據(jù)是正常的，必須滿足如下公式 人2 ^ 設(shè)在時(shí)間t上的監(jiān)測(cè)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(gè)傳感器關(guān)聯(lián)集為Ei，時(shí) 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(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定方程。
檢錯(cuò)原理為當(dāng)F(Axj》二a被破壞的時(shí)候，即確認(rèn)第i個(gè)傳感器的時(shí)間t上的數(shù) 據(jù)x^出錯(cuò)。 找到出錯(cuò)數(shù)據(jù)后，就需要采用糾錯(cuò)模型對(duì)這部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行修復(fù)，
2)糾錯(cuò)模型 設(shè)第i個(gè)傳感器中從第t個(gè)數(shù)據(jù)開(kāi)始連續(xù)p個(gè)數(shù)據(jù)出錯(cuò)，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(cuò)數(shù)據(jù)，將對(duì) 應(yīng)的修正后的數(shù)據(jù)記為Xit— ，Xi(t+1)— ，. . . ，Xi(t+p—，對(duì)任意對(duì)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(gè)極小數(shù)據(jù)值，根據(jù)精度要求來(lái)確定。
2、信息傳輸單元的差錯(cuò)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(cuò)控制，現(xiàn)有流行的 通信協(xié)議主要為自動(dòng)重新發(fā)送來(lái)保證數(shù)據(jù)的正確性和合理性；在信息傳輸單元，對(duì)于外部 干擾引起的數(shù)據(jù)失真進(jìn)行差錯(cuò)控制，信息傳輸單元的失效角色解決方案見(jiàn)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(cè)系統(tǒng)的安全評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)中的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存單元和軟件評(píng)價(jià)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(cè)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(chǔ)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(kāi)來(lái)，對(duì)干擾信息和/或角色失效信息的來(lái)源進(jìn)行角色定位并進(jìn)行角色維護(hù)，只將結(jié)構(gòu)信息送入軟件評(píng)價(jià)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(shí)別和角色維護(hù)決策三個(gè)模塊組成；1)數(shù)據(jù)診斷模塊對(duì)傳來(lái)的待分析數(shù)據(jù) 進(jìn)行識(shí)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(kāi)來(lái)；2)角色識(shí)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(hù)決策模塊對(duì)定位到的角色進(jìn)行角色維護(hù)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(hù)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(duì)相應(yīng)角色的軟硬件進(jìn)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(shí)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(duì)這部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)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(chǔ)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(gè)傳感器對(duì)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(chǔ)存設(shè)備；軟件部分包括對(duì)各種傳感器數(shù)據(jù)進(jìn) 行預(yù)處理的各個(gè)軟件模塊，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸、匯流、中轉(zhuǎn)、儲(chǔ)存進(jìn)行控制的各個(gè)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(gè)角色；各個(gè)角色按其關(guān)聯(lián)性劃 分為多個(gè)簇，具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)性的角色歸于同一簇，簇與簇之間的角色之間無(wú)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(diǎn)和角色診斷中心組成同簇中的各個(gè)角色都連接到同 一父節(jié)點(diǎn)，簇和父節(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，各個(gè)父節(jié)點(diǎn)都連接到角色診斷中心。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)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(cè)系統(tǒng)的安全評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)中的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存單元和軟件評(píng)價(jià)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(cè)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(chǔ)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(kāi)來(lái)，對(duì)干擾信息和/或角色失效信息的來(lái)源進(jìn)行角色定位并進(jìn)行角色維護(hù)，只將結(jié)構(gòu)信息送入軟件評(píng)價(jià)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(wèn)題的新方法。
文檔編號(hào)G06F19/00GK101714190SQ20091019154
公開(kāi)日2010年5月26日 申請(qǐng)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(qǐng)人:重慶大學(xué)