基于应变监测的索结构中索系统的递进式健康监测方法

专利名称：基于应变监测的索结构中索系统的递进式健康监测方法
技术领域：
本发明基于对应变的监测，公开了一种识别索结构(特别是大型索结构，例如大型斜拉桥、 悬索桥)的索系统(指所有承载索)中的受损索的递进式健康监测方法，属工程结构健康监测 领域。
背录技术
索系统通常是索结构的关键组成部分，它的失效常常带来整个结构的失效，基于结构健康 监测技术来识别索结构(特别是大型索结构，例如大型斜拉桥、悬索桥)的索系统中的受损索 是一种极具潜力的方法。目前结构健康监测技术主要通过对索力的监测，根据索力的变化来识 别受损索及其损伤程度。然而就单一索而言，其索力变化同其健康状况(损伤程度)有明确的、 单调变化的关系，但是，当这根索是索结构(特别是大型索结构，例如大型斜拉桥、悬索桥) 的索系统中的一根时，由于每一根特定索的索力变化不仅仅受它自身健康状况的影响，还受其 它索健康状况的影响，因此观察每一根特定索的索力的变化时，即使在该索相同健康状况(相 同损伤程度或无损伤)条件下，也会监测到其索力变化忽正忽负、忽大忽小的现象，这对受损 索的识别是非常不利的。实际上，每一根索的健康状况除了会影响所有索的索力外，还会影响 索结构的变形或应变，因此应变的变化包含了索系统的健康状态信息，也就是说可以利用结构 应变数据判断结构的健康状态。
为了能对索结构的索系统的健康状态有可靠的监测和判断，应当有一个能够合理有效的建 立索结构的应变的变化同索系统中所有索的健康状况间的关系的方法，基于该方法建立的健康 监测系统可以给出可信的索系统的健康评估。

发明内容
技术问題本发明的目的是提供一种基于应变监测的索结构中索系统的递进式健康监测方 法，针对索结构(特别是大型索结构，例如大型斜拉桥、悬索桥)中索系统的健康监测问题， 通过对索结构的应变进行监测，公开了一种递进式地建立和分析监测记录得到的应变数据同索 系统的健康状态间关系的方法，进而能够合理有效地监测索结构的索系统的健康状态的方法。
技术方案本发明由两大部分组成。分别是 一、建立索结构的索系统的健康监测系统所 需的知识库和参量的方法，以及基于知识库(含参量)和实测信息的索系统的健康状态评估方 法；二、健康监测系统的软件和硬件部分。
本发明的第一部分建立索系统健康监测所需的知识库和参量的方法，以及基于知识库(含 参量)和实测信息的索结构的索系统的健康状态评估方法。可按如下步骤依次循环往复地、递 进式进行，以获得更准确的索系统的健康状态评估。
第一步每一次循环开始时，首先需要建立或已建立本次循环开始时的索系统初始损伤向量rf。' (,'=1，2，3，一)和结构的力学计算基准模型A'(例如有限元基准模型，z'-l，2，3，…)，上标 i表示第i次循环。
第i次循环开始时霈要的索系统初始损伤向量记为rf。'(如式(1)所示)，用A'表示该次循 环开始时索结构(用力学计算基准模型Ai表示)的索系统的健康状态。
式(1)中A(片l，2，3，…;"1，2，3，........AO表示第i次循环开始时、力学计算基准模型^中
的索系统的第/根索的初始损伤值，d^为0时表示第/根索无损伤，为100%时表示该索彻底丧失承 载能力，介于0与100%之间时表示第/根索丧失相应比例的承载能力。
设索系统中共有W根索，第一次循环开始时建立索系统初始损伤向量(依据式(1)记为 W。)时，利用索的无损检测数据等能够表达索的健康状态的数据建立索系统初始损伤向量W。。 如果没有索的无损检测数据及其他能够表达索的健康状态的数据时，或者可以认为结构初始状 态为无损伤状态时，向量^。的各元素数值取0。
第i次(1'=2, 3, 4， 5， 6…)循环开始时需要的索系统初始损伤向量cf。，是在前一次(即第i-l 次，/=2,3，4，5，6—)循环结束前计算获得的，具体方法在后文叙述。
第i次循环开始时需要建立的力学计算基准模型或已建立的力学计算基准模型记为A:
第一次循环开始时建立的索结构的力学计算基准模型记为A1, A'是根据索结构的设计图、 竣工图和索结构的实测数据(一般包括索力数据、结构角度数据、形状数据、空间坐标数据、 应变数据、结构模态数据等实测数据，对斜拉桥、悬索桥而言是桥的索力数据、桥型数据、应 变数据、角度数据、桥的模态数据等实测数据)等反映索结构建成时初始状态的数据，或反映 安装健康监测系统时索结构当前状态的数据，利用力学方法(例如有限元法)建立该结构的力 学计算基准模型(例如有限元基准模型)，基于该计算基准模型计算得到的结构计算数据(对斜 拉桥、悬索桥而言是桥的索力数据、桥型数据、应变数据、角度数据等实测数据)必须非常接 近其实测数据，误差一般不得大于5%。这样可保证在此计算基准模型上计算所得的模拟情况下 的数据(例如索力数据、应变数据、角度数据、结构形状计算数据和空间坐标计算数据等)可 靠地接近模拟情况真实发生时的实测数据。
第i次(''=2, 3， 4, 5， 6…)循环开始时需要的力学计算基准模型A'时，是在前一次(即第i-l 次，/=2,3，4，5，6 )循环结束前计算获得的，具体方法在后文叙述。
已有力学计算基准模型A1和索系统初始损伤向量W。后，模型A1中的各索的损伤由向量 W。表达。在A'的基础上，将所有索的损伤变更为O，力学模型A1更新为一个所有索的损伤都 为0的力学模型(记为A。)，力学模型A。实际上是完好无损的索结构对应的力学模型。不妨称 模型AQ为索结构的无损伤模型A。。
结构的被监测的应变数据可由结构上K个指定点的、及每个指定点的￡个指定方向的应变
来描述，结构应变数据的变化就是/i:个指定点的所有应变分量的变化。每次共有Maz-尺^aj
个应变测量值或计算值来表征结构应变。K和A/—般不得小于索的数量W。用向量C1。 (/=1，2， 3，…)表示第1次(''=1，2，3，4，5,6-)循环开始时索结构中所有指定的被监测量(应变)的初始 值(参见式(2)), C。称为"第i次循环被监测量的初始数值向量"。
c:=[c" c:2 c" c:J (2)
式(2)中C"。力'-1，2，3，…；A:=l,2，3，........M;M》W;)是第i次循环开始时、索结构中第A个被监测量(应变)，r表示向量的转置(后同)。向量C。是由前面定义的A/个被监测量依据一 定顺序排列而成，对此排列顺序并无特殊要求，只要求后面所有相关向量也按此顺序排列数据 即可。
第一次循环开始时，被监测量的初始数值向量C'。(见式(2))由实测数据组成，由于根据 模型A'计算所得被监测量的初始数值可靠地接近于相对应的实测数值，在后面的叙述中，将用 同一符号来表示该计算值组成向量和实测值组成向量。
第i次(/=2， 3， 4， 5， 6…)循环开始时需要的被监测量的初始数值向量C1。，是在前一次(即第 i-l次，—2，3，4，5，6…)循环结束前计算获得的，具体方法在后文叙述。
第二步每一次循环需建立"单位损伤被监测量数值变化矩阵"，第i次循环建立的"单位 损伤被监测量数值变化矩阵"记为z/d (片1，2，3，…)。
第一次循环建立的索结构"单位损伤被监测量数值变化矩阵"记为^C7。建立的过程 如下
在索结构的力学计算基准模型A1的基础上进行若干次计算，计算次数数值上等于所有索的 数量。每一次计算假设索系统中只有一根索在原有损伤(原有损伤可以为O,也可以不为0)的 基础上再增加单位损伤(单位损伤应较小、且其引起的被监测量数值变化能够被传感器准确识 别出来，例如取10%损伤为单位损伤)。为方便计算，每一次循环中设定单位损伤时可以都是把 该次循环开始时的结构健康状态当成是完全健康的，并在此基础上设定单位损伤(在后续步骤 中、计算出的、索的损伤数值…称为名义损伤^(/=1，2, 3，…)，都是相对于将该次循环开始时 的、将索的健康状态当成是完全健康而言的，因此必须依据后文给出的公式将计算出的名义损 伤换算成真实损伤。)。同一次循环的每一次计算中出现损伤的索不同于其它次计算中出现损伤 的索，并且每一次假定有损伤的索的单位损伤值可以不同于其他索的单位损伤值，用"名义单 位损伤向量￡ ' "(如式(3)所示)记录各次循环中所有索的假定的单位损伤，第一次循环时记 为Z^，每一次计算都利用力学方法(例如有限元法)计算索结构的、在前面已指定的A/个被 监测量的当前计算值，每一次计算所得A/个被监测量的当前计算值组成一个"被监测量的计算 当前数值向量"(当假设第y根索有单位损伤时，可用式(4)表示所有指定的A/个被监测量的 计算当前数值向量C、)；每一次计算得到的被监测量的计算当前数值向量减去被监测量的初始 数值向量C7。，所得向量就是此条件下(以有单位损伤的索的位置或编号等为标记)的"被监测 量的数值变化向量"(当第y根索有单位损伤时，用SC:表示被监测量的数值变化向量，(5C;的 定义见式(5)、式(6)和式(7),式(5)为式(4)减去式(2)后再除以向量￡); 的第;'个元 素A(/所得)，被监测量的数值变化向量3C;的每一元素表示由于计算时假定有单位损伤的那根 索(例如第y根索)的单位损伤(例如Ay)，而引起的该元素所对应的被监测量的数值改变量 相对于假定的单位损伤的变化率；有W根索就有W个"被监测量的数值变化向量"，每个 被监测量的数值变化向量有(—般的，M》AO个元素，由这W个"被监测量的数值变化向 量"依次组成有A/x7V个元素的"单位损伤被监测量数值变化矩阵/JC" OZ行W列义每一个 向量5C;(户1，2,3,.......,W)是矩阵Z(C'的一列，zJC'的定义如式(8)所示。
化=[化，"2《W (3)
式(3)中名义单位损伤向量Z):的元素D; (M,2,3，…;乂=1,2，3........，JV)表示第/次循环中
假定的第_/根索的单位损伤数值，向量1)' 中的各元素的数值可以相同也可以不同。c" =[c,ti C汰2 參Cy.t 一 Cpw] (4)
式(4)中元素C; (/=1，2，3，...；产1,2，3........,见.*=1，2,3........，A/> Af》AO表示第次循
环由于第/根索有单位损伤时，依据编号规则所对应的第/t个指定的被监测量的计算当前数值。
式(5)中各量的上标!' (/=1，2,3,...)表示第;次循环，下标_/ (户1，2,3........,W)表示第/根索
有单位损伤，式中i^是向量z^中的第y个元素。向量sc^的定义如式(6)所示，sc^的第/t (/t=i,
2， 3,........A/; Af》AO个元素5C^表示第/次循环中，建立矩阵/ld时，假定第y根索有单位损伤
时计算所得第it个被监测量的改变量相对于假定的单位损伤i);的变化率，其定义如式(7)所示。
[《5C^丫 (6)
厂'一r''
"5T
妙二 。* (7)
式(7)中各量的定义已在前面叙述过。
△c'+q 5c; "c) 《] (8)
式(8)中向量5(^(/=1，2，3，.........7=1， 2， 3,.......，A0表示第,'次循环中，由于第/根索有单位
损伤Z)'w而引起的、所有被监测量的相对数值变化。矩阵z/C的列(下标y)的编号规则与前面向 量^。的元素的下标y的编号规则相同。
第三步识别索系统的当前健康状态。具体过程如下。
第；(/=1，2, 3,...)次循环中，索系统"被监测量的当前(计算或实测)数值向量^"同 "被监测量的初始数值向量CV'、"单位损伤被监测量数值变化矩阵z(d"和"当前名义损伤向 量A"间的近似线性关系，如式(9)或式(10)所示。
C'=《+ AC'、《 (9)
C:=AC'、《 (10)
式(9)和式(10)中被监测量的当前(计算或实测)数值向量C的定义类似于被监测量的初始 数值向量(^。的定义，见式(11);索系统当前名义损伤向量《的定义见式(12)。
c'=[c,' q q c;J (ii)
式(11)中元素(^(!'=1，2,3，……；A=1,2,3，……,M; M》A0是第!'次循环时索结构的、依据 编号规则所对应的编号为)t的被监测量的当前数值。
《aJ (12) 式(12)中cZ^ (/-1，2，3, .......;y=l，2，3，.......， AO是第''次循环中索系统第_/裉索的当前名义损
伤值，向量^c的元素的下标/的编号规则与矩阵^C"的列的编号规则相同。
当索实际损伤不太大时，由于索结构材料仍然处在线弹性阶段，索结构的变形也较小，式 (9)或式(10)所表示的这样一种线性关系同实际情况的误差较小，误差可用误差向量e'(式(13))定义，表示式(9)或式(10)所示线性关系的误差。
e'、血(AC、《-C'+C:) (13)
式(13)中ate。是取绝对值函数，对括号内求得的向量的每一个元素取绝对值。
由于式(9)或式(10)所表示的线性关系存在一定误差，因此不能简单根据式(9)或式 (10)和"被监测量的当前(实测)数值向量^"来直接求解得到索当前名义损伤向量^c。如 果这样做了，得到的损伤向量^c中的元素甚至会出现较大的负值，也就是负损伤，这明显是不 合理的。因此获得索损伤向量c/c的可接受的解(即带有合理误差，但可以比较准确的从索系统 中确定受损索的位置及其损伤程度)成为一个合理的解决方法，可用式(14)来表达这一方法。
血(AC' 《-C' + C:)《g' (14)
式(14)中afo( 是取绝对值函数，向量^描述偏离理想线性关系(式(9)或式(10)) 的合理偏差，由式(15)定义。
g'=[g; g; gi 礼丫 (is)
式(15)中g、(,'=1,2,3,.......;一1，2，3，.......描述了第/次循环中偏离式(9)或式(10)
所示的理想线性关系的最大允许偏差。向量g'可根据式(13)定义的误差向量e'试算选定。
在被监测量的初始数值向量^。(实测或计算得到)、索结构单位损伤被监测量数值变化矩 阵dd (计算得到)和被监测量的当前数值向量C1 (实测得到)已知时，可以利用合适的算法(例 如多目标优化算法)求解式(14),获得索系统当前名义损伤向量Jc的可接受的解，索系统当前 实际损伤向量d'(定义见式(16))的元素可以根据式(17)计算得到，也就是得到了索当前实 际损伤向量rf',从而可由c/'确定受损索的位置和损伤程度，也就是实现了索系统的健康监测。
《]7 (16)
式(16)中<(!'=1，2，3广',=1，2，3,.......，M表示第i次循环中第y根索的实际损伤值，其定义
见式(17),《为0时表示第_/根索无损伤，为100%时表示该索彻底丧失承载能力，介于0与100% 之间时表示第/根索丧失相应比例的承载能力，向量t/的元素的编号规则与式(1)中向量c/。的元 素的编号规则相同。
《=1-(1-《)(1-《) (17)
式(17)中c^(!'-l,2，3,4，'",7=1，2，3, .......，AO是向量t/。的第/个元素，^4是向量A的第/个元素。
第四步判断是否结束本次(第Z次)循环，如果是，则完成本次循环结束前的收尾工作， 为下一次(即第汁1次，！'-l，2，3，4，…)循环准备力学计算基准模型和必要的向量。具体过程如 下。
在本次(第/次)循环中求得当前名义损伤向量^c后，首先，按照式(18)建立标识向量"， 式(19)给出了标识向量户的第_/个元素的定义；如果标识向量"的元素全为O，则在本次循环中 继续对索系统的健康监测和计算；如果标识向量f的元素不全为O,则完成后续步骤后，进入下 一次循环。所谓的后续步骤为首先，根据式(20)计算得到下一次(即第&1次，/=1，2，3，4，) 循环所需的初始损伤向量^w。的每一个元素^+、;第二，在力学计算基准模型^(/=1,2，3，4，"-)
8或索结构的无损伤模型A。的基础上，令索的健康状况状况为乂+/。后更新得到下一次(第i+l次， /=1，2，3，4，.")循环所需的力学计算基准模型Ai+';最后，通过对力学计算基准模型AW的计算 得到被监测量的初始数值，由其组成下一次(即第i+l次，/=1, 2,3,4，)循环所需的"被监 测量的初始数值向量f。" (!'=1，2，3，4，…)。
式(18)中标识向量户的上标/表示第,'次循环，其元素巧(产1，2，3,…，N)的下标J表示第y 根索的损伤特征，只能取0和1两个量，具体取值规则见式(19)。
式(19)中元素《是标识向量y的第y个元素，D;是名义单位损伤向量Z^的第乂个元素(见式(3 ))， dg是索系统当前名义损伤向量c/'c的第y个元素(见式(12))，它们都表示竭/根索的相关信息。
式(20)中z4是名义单位损伤向量^"的第y个元素(见式(3))， ^/是索系统当前名义损伤向量 A的第j'个元素(见式(12))。
本发明的第二部分健康监测系统的软件和硬件部分。硬件部分包括应变监测系统(例如 包括应变传感器、对应的信号调理器等)、信号采集器和计算机。要求实时监测每一个指定点的 所有指定方向的应变，例如可以用多个应变传感器监测每一个指定点的所有指定方向的应变。 软件应当具用下列功能软件部分应当能够完成本发明的第一部分所设定的过程，即首先根据 监测系统传来的数据实时或准实时分析得到被监测量的当前数值向量C1,然后读取预先存储的 索结构的单位损伤被监测量数值变化矩阵dd、被监测量的初始数值向量d。和名义单位损伤向 量￡>' ，依据合适的算法(例如多目标优化算法)求解式(14)，得到索系统的当前名义损伤向 量c/'c的非劣解，按照式(17)得到索系统当前实际损伤向量^，也就是带有合理误差、但可以 比较准确地从索系统中确定受损索的位置及其损伤程度的解。软件部分还要根据每一次循环求 得的标识向量"的具体情况判断是否需要进入下一次循环。
本发明方法具体包括
a. 设共有N根索，首先确定索的编号规则，按此规则将索结构中所有的索编号，该编号在 后续步骤中将用于生成向量和矩阵；
b. 确定指定的将被监测应变的结构上的点，给这些点编号，确定将被监测应变的点的、将 被监测的应变方向，并编号。上述编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵。上述所有的被监 测量的个数之和一般不得小于索的数量；
C.利用索的无损检测数据等能够表达索的健康状态的数据建立索系统初始损伤向量c/。。如 果没有索的无损检测数据及其他能够表达索的健康状态的数据时，或者可以认为结构初始状态
为无损伤状态时，向量W。的各元素数值取o。
d. 在建立索系统初始损伤向量W。的同时，直接测量计算得到索结构的所有指定的被监测 量，组成"被监测量的初始数值向量C、"；
e. 在建立索系统初始损伤向量^。和被监测量的初始数值向量C'。的同时，实测得到索结构
《小(l-《)(l-奶的所有索的初始索力数据，实测得到索结构的初始几何数据；
f. 根据索结构的设计图、竣工图和索结构的上述实测数据，建立索结构的力学计算模型， 基于该模型计算所得的计算数据同上述实测数据越接近越好，其间的差异一般不得大于5%，此 时该模型被称为结构的力学计算基准模型A1。
g. 在力学计算基准模型AJ的基础上进行若干次力学计算，通过计算获得"单位损伤被监测 量数值变化矩阵z(d"和"名义单位损伤向量￡ ' "。其中i表示循环次数，后面i及上标i都表 示循环次数，i=l,2，3，......；
h. 实测得到索结构的所有指定被监测量的当前实测数值，组成"被监測量的当前数值向量 C"。给本步及本步之前出现的所有向量的元素编号时，应使用同一编号规则，这样可以保证本 步及本步之前出现的各向量的、编号相同的元素，表示同一被监测量的、对应于该元素所属向 量所定义的相关信息；
i. 定义索系统当前名义损伤向量<^和当前实际损伤向量d、损伤向量的元素个数等于索的 数量，损伤向量的元素和索之间是一一对应关系，损伤向量的元素数值代表对应索的损伤程度 或健康状态,-
j.依据"被监测量的当前数值向量C"同"被监测量的初始数值向量CV'、"单位损伤被监 测量数值变化矩阵JC"和"当前名义损伤向量dV'间存在的近似线性关系，该近似线性关系 可表达为式1，式1中除A外的其它量均为已知，求解式1就可以算出当前名义损伤向量d^
k.利用式2表达的当前实际损伤向量^同初始损伤向量^。和当前名义损伤向量4的元素 间的关系，计算得到当前实际损伤向量c/'的所有元素。
式2中产1,2,3，……,N。
由于当前实际损伤向量W的元素数值代表对应索的损伤程度，所以根据当前实际损伤向量 ^就能确定有哪些索受损及其损伤程度，即实现了索结构中索系统的健康监测；若当前实际损 伤向量的某一元素的数值为0,表示该元素所对应的索是完好的，没有损伤的*,若其数值为100%， 则表示该元素所对应的索已经完全丧失承载能力若其数值介于0和100%之间，则表示该索丧 失了相应比例的承载能力。
1.在求得当前名义损伤向量^后，按照式3建立标识向量,，式4给出了标识向量,的第_/个 元素的定义；
F=[《'尸2' 《]r 式3
式4中元素力是标识向量P的第y个元素，Z^是名义单位损伤向量D'u的第/个元素，义,是索系统 当前名义损伤向量^的第_/个元素，它们都表示第/根索的相关信息。式4中_/-1,2，3，……,N。
m.如果标识向量,的元素全为0，则回到第h步继续本次循环；如果标识向量P的元素不全 为O,则进入下一步、即第n步。
《=l-(l —《,Xl-《)n.根据式5计算得到下一次、即第,'+l次循环所需的初始损伤向量cZ+'。的每一个元素^+、； 《、1 —(1一《)(1一Z^巧) 式5
式5中D;是名义单位损伤向量Z):的第y个元素，("是索系统当前名义损伤向量c/'c的第y个 元素，《是标识向量户的第7个元素。式5中产1，2,3,……，N。
o.在力学计算基准模型Ai的基础上，令索的健康状况为3+/。后更新得到下一次、即第i+l次 循环所需的力学计算基准模型Ai";
p.通过对力学计算基准模型Ai"的计算得到对应于模型Ai"的结构的所有被监测应变的点 的、将被监测的应变方向的应变数值，这些数值组成下一次、即第i+l次循环所需的被监测量的 初始数值向量C^。；
q.回到第g步，开始下一次循环。
在步骤g中，获得"单位损伤被监测量数值变化矩阵ZIC'"的具体方法为 gl.在结构的力学计算基准模型A'的基础上进行若干次力学计算，计算次数数值上等于所 有索的数量，有W根索就有iV次计算，每一次计算假设索系统中只有一根索在原有损伤的基础 上再增加单位损伤，每一次计算中出现损伤的索不同于其它次计算中出现损伤的索，并且每一 次假定有损伤的索的单位损伤值可以不同于其他索的单位损伤值，用"名义单位损伤向量Z '/ 记录所有索的假定的单位损伤，每一次计算得到索结构中所有指定被监测量的当前数值，每一 次计算得到的所有被监测量的当前数值组成一个"被监测量的计算当前数值向量"。当假设第J' 根索有单位损伤时，可用cv表示对应的"被监测量的计算当前数值向量"。在本步骤中给各向
量的元素编号时，应同本发明中其它向量使用同一编号规则，这样可以保证本步骤中各向量中 的任意一个元素，同其它向量中的、编号相同的元素，表达了同一被监测量或同一对象的相关 倍息；
g2.每一次计算得到的那个"被监测量的计算当前数值向量C'/'减去"被监测量的初始数 值向量CV'得到一个向量，再将该向量的每一个元素都除以本次计算中假定的单位损伤值后得 到一个"被监测量的数值变化向量3Cy';有7V根索就有7V个"被监测量的数值变化向量"；
g3.由这W个"被监测量的数值变化向量"依次组成有W列的"单位损伤被监测量数值变 化矩阵^C'";或者说"单位损伤被监测量数值变化矩阵"的每一列对应于一个"被监测量的数 值变化向量"。"单位损伤被监测量数值变化矩阵"的列的编号规则与当前名义损伤向量c/'c和当 前实际损伤向量d'的元素编号规则相同。
有益效果本发明公开的系统和方法在有较多的索(例如多于30根索或多于30%的索)同 步受损的条件下可以非常准确地监测评估出索系统的健康状态(包括所有受损索的位置和损伤 程度)。这是由于"被监测量的当前数值向量^"同"被监测量的初始数值向量CV'、"单位损 伤被监测量数值变化矩阵和"当前名义损伤向量C间的线性关系是近似的，实际上是 非线性的关系，特别是在受损索较多或受损程度较大时，上述量之间的关系的非线性特征更加 明显，为克服此障碍，本发明公开了一种在小区间内用线性关系逼近该非线性关系的健康监测 方法。本发明实际上使用了用线性关系分段逼近非线性关系的方法，将大区间分割成一个个小 区间，在每一个小区间内线性关系都是足够准确的，依据其判断得到的索系统的健康状态也是 可靠的，因此本发明公开的系统和方法对索系统的有效健康监测是非常有益的。
具体实施例方式
针对索结构(特别是大型索结构，例如大型斜拉桥、悬索桥)的索系统的健康监测，本发 明公开了一种能够合理有效地监测索结构的索系统的每一根索的健康状况的系统和方法。本发 明的实施例的下面说明实质上仅仅是示例性的，并且目的绝不在于限制本发明的应用或使用。
本发明采用的算法用于监测索结构(例如大型斜拉桥、悬索桥)中的索系统(所有索)的 健康状态。具体实施时，下列步骤是可采取的各种步骤中的一种。
第一步确定被监测量的类型、位置和数量，并编号。具体过程为
首先确定索的编号规则，按此规则将所有的索编号。该编号在后续步骤中将用于生成向量 和矩阵。
设索系统中共有W根索，结构的被监测量可由结构上《个指定点的、及每个指定点的i个
指定方向的应变来描述，结构应变数据的变化就是/:个指定点的所有应变分量的变化。每次共 有m a/=《xij个应变测量值或计算值来表征结构应变。a/是一个不小于o, —般不小于w 的整数。每一个指定点可以就是每一根索的固定端点(例如是斜拉桥的拉索在桥梁上的固定端)
附近的一个点，该点一般不应当是应力集中点，以避免出现过大的应变测量值；整个结构共有 m个被监测量，k和m—般不得小于索的数量W。
第二步利用索的无损检测数据等能够表达索的健康状态的数据建立索系统初始损伤向量 W。。如果没有索的无损检测数据及其他能够表达索的健康状态的数据时，或者可以认为结构初 始状态为无损伤状态时，向量W。的各元素数值取0。
第三步建立索系统初始损伤向量c/。的同时，直接测量计算得到索结构的所有指定的被监 测量，组成"被监测量的初始数值向量C:"。
第四步在建立索系统初始损伤向量W。和被监测量的初始数值向量^。的同时，可以采用 成熟的测量方法进行索力测量、应变测量、角度测量和空间坐标测量。同时，直接测量或测量 后计算得到索结构的所有索的初始索力和索结构初始几何形状数据(对于斜拉桥就是其初始桥 型数据)，索结构的初始几何形状数据可以是所有索的端点的空间坐标数据加上结构上一系列的 点的空间坐标数据，目的在于根据这些坐标数据就可以确定索结构的几何特征。对斜拉桥而言， 初始几何形状数据可以是所有索的端点的空间坐标数据加上桥梁两端上若干点的空间坐标数 据，这就是所谓的桥型数据。
根据索结构的设计图、竣工图和索结构的实测数据(可以包括结构初始几何形状数据、初 始角度坐标数据、所有索的初始索力等数据，对斜拉桥、悬索桥而言是桥的桥型数据、角度坐 标数据、索力数据等数据)，利用力学方法(例如采用有限元法)建立该结构的力学计算基准模 型(例如有限元基准模型)，基于该模型计算所得的计算数据同上述实测数据越接近越好，其间 的差异一般不得大于5%，此时该模型被称为结构的力学计算基准模型A1。
第五步安装索结构健康监测系统的硬件部分。硬件部分至少包括应变监测系统(例如 含应变传感器、信号调理器等)、信号(数据)采集器、计算机和通信报警设备。每一个指定的 被监测量都必须被监测系统监测到；监测系统监测每一个指定的被监测量，并将信号传输到信 号(数据)采集器；信号经信号采集器传递到计算机；计算机则负责运行索结构的索系统的健 康监测软件，包括记录信号采集器传递来的信号；当监测到索有损伤时，计箅机控制通信报警 设备向监控人员、业主和(或)指定的人员报警。
第六步编制并在监控计算机上安装索结构的索系统健康监测系统软件。在每一次循环时
12都运行该软件，或者说此软件始终在运行。该软件包括如下几种功能模块-
1. 完成本步骤即其它所有步骤的计算、控制和监控工作，并能依据设定的条件(例如损伤 达到某一值)，自动通知或提示监控人员通知特定的技术人员完成必要的计算工作。
2. 从存储在计算机硬盘上的数据文件中读取"被监测量的初始数值向量CV'和索结构"单 位损伤被监测量数值变化矩阵Jd"等所有必要参数。本发明中用i表达循环次数，第一次执行 本步时i=l，后面i及上标/都表示循环次数，i=l,2，3，......；用j表达第j根索的相关信息，
j-l，2，3，…，N。
3. 定时(或随机触发式)记录通过信号采集器传来的信号。
4. 对记录的信号进行信号处理，计算得到所有待测量的被监测量的当前数值.所有的被监 测量的当前数值组成"被监测量的当前数值向量d"。
5. 依据"被监测量的当前(计算或实测)数值向量C1"同"被监测量的初始数值向量CV'、 "单位损伤被监测量数值变化矩阵zlC"和"当前名义损伤向量^V'(由所有索的当前名义损伤
量组成)间存在的近似线性关系(见式(9))，按照多目标优化算法计算索系统当前名义损伤向 量J:的非劣解。
可以采用的多目标优化算法有很多种，例如基于遗传算法的多目标优化、基于人工神经 网络的多目标优化、基于粒子群的多目标优化算法、基于蚁群算法的多目标优化、约束法 (Constrain Method)、加权法(Weighted Sum Method)、目标规划法(Goal Attainment Method) 等等。由于各种多目标优化算法都是常规算法，可以方便地实现，本实施步骤仅以目标规划法 为例给出求解当前名义损伤向量rf'c的过程，其它算法的具体实现过程可根据其具体算法的要求 以类似的方式实现。
按照目标规划法，式(9)可以转化成式(21)和式(22)所示的多目标优化问题，式(21) 中y'是一个实数，W是实数域，空间区域f2限制了向量^的每一个元素的取值范围(本实施例 要求向量^c的每一个元素不小于0,不大于l)。式(21)的意思是寻找一个绝对值最小的实数 /，使得式(22)得到满足。式(22)中G^'cJ由式(23)定义，式(22)中加权向量^与/ 的积表示式(22)中G^g与向量g'之间允许的偏差，g'的定义参见式(15)，其值将在第八步 计算得到。实际计算时向量^可以与向量g'相同。目标规划法的具体编程实现已经有通用程序
可以直接采用。按照目标规划法就可以求得当前名义损伤向量^c。
minimize
, , (21)
/"，《eQ
G(《)-『V'、g' (22)
) = 一AC' < - C' + C:) (23)
求得当前名义损伤向量c/'c后，可依据式(17)得到的当前实际损伤向量3每一个元素，当前 实际损伤向量J就是带有合理误差、但可以比较准确地从所有索中确定受损索的位置及其损伤 程度的解。若解得的当前实际损伤向量J的某一元素的数值为0，表示该元素所对应的索是完 好的，没有损伤的；若其数值为100%，则表示该元素所对应的索已经完全丧失承载能力；若其 数值介于0和100%之间，则表示该索丧失了相应比例的承载能力。
6. 数据生成功能。即可定期或由人员操作健康监测系统生成索系统健康情况报表。
137.报警功能。在指定条件下，自动操作通信报警设备向监控人员、业主和(或)指定的人员 报警。
第七步在力学计算基准模型Ai基础上进行若干次力学计算，计算次数数值上等于所有索 的数量，有W根索就有W次计算，每一次计算假设索系统中只有一根索在原有损伤的基础上再 增加单位损伤，每一次计算中出现损伤的索不同于其它次计算中出现损伤的索，并且每一次假 定有损伤的索的单位损伤值可以不同于其他索的单位损伤值，用"名义单位损伤向量￡>' "记录 所有索的假定的单位损伤，每一次计算(例如采用有限元法)得到索结构中所有指定被监测量 的当前数值，每一次计算得到的所有被监测量的当前数值组成一个"被监测量的计算当前数值 向量"。当假设第J根索有单位损伤时，可用cv表示对应的"被监测量的计算当前数值向量"。 每一次计算得到的那个"被监测量的计算当前数值向量cv'减去"被监测量的初始数值向量 CV'得到一个向量，再将该向量的每一个元素都除以本次计算中假定的单位损伤值后得到一个 "被监测量的数值变化向量3CV';有W根索就有W个"被监测量的数值变化向量d《" j,…,iV)。由这W个"被监测量的数值变化向量"依次组成有W列的"单位损伤被监测 量数值变化矩阵JC^':或者说"单位损伤被监测量数值变化矩阵JC"'的每一列(例如第j歹!j)
对应于一个"被监测量的数值变化向量"(例如3c;)。"单位损伤被监测量数值变化矩阵"的列
的编号规则与当前名义损伤向量ci'c和当前实际损伤向量d的元素编号规则相同。
在本步骤中及其后给各向量的元素编号时，应同本发明中其它向量使用同一编号规则，这 样可以保证本步骤中各向量中的任意一个元素，同其它向量中的、编号相同的元素，表达了同 一被监测量或同一对象的相关信息。
第八步建立线性关系误差向量^和向量g'。利用前面的数据("被监测量的初始数值向量 CV'、"单位损伤被监测量数值变化矩阵JC'")，在第七步进行每一次计算的同时，即在每一次 计算中假设索系统中只有一根索在原有损伤的基础上再增加单位损伤的同时，每一次计算组成 —个损伤向量A，损伤向量A的元素个数等于索的数量，向量A的所有元素中只有一个元素 的数值取每一次计算中假设增加单位损伤的索的单位损伤值，A的其它元素的数值取0，那个 不为0的元素的编号与假定增加单位损伤的索的对应关系、同其他向量的同编号的元素同该索 的对应关系是相同的；将C'。、 C" JC'、 t/,带入式(13),得到一个线性关系误差向量e'，每一 次计算得到一个线性关系误差向量e';有W根索就有W次计算，就有iV个线性关系误差向量e'， 将这W个线性关系误差向量e'相加后得到一个向量，将此向量的每一个元素除以W后得到的新 向量就是最终的线性关系误差向量e'。向量g'等于最终的误差向量e'。将向量g'保存在运行健 康监测系统软件的计算机硬盘上，供健康监测系统软件使用。
第九步将"被监测量的初始数值向量CV'和"单位损伤被监测量数值变化矩阵dd"等 参数以数据文件的方式保存在运行健康监测系统软件的计算机硬盘上。
第十步运行索结构的索系统健康监测系统系统(含硬件和软件)，完成下列几种功能
1. 从存储在计算机硬盘上的数据文件中读取"被监测量的初始数值向量cV'和索结构"单
位损伤被监测量数值变化矩阵JC"'等所有必要参数。
2. 定时(或随机触发式)记录通过信号采集器传来的信号。
3. 对记录的信号进行信号处理，计算得到所有待测量的被监测量的当前数值，所有的被监 测量的当前数值组成"被监测量的当前数值向量C"。给本步及本步之前出现的所有向量的元素 编号时，应使用同一编号规则，这样可以保证本步及本步之前出现的各向量的、编号相同的元素，表示同一被监测量的、对应于该元素所属向量所定义的相关信息。
4. 依据"被监测量的当前(计算或实测)数值向量C""同"被监测量的初始数值向量CV'、 "单位损伤被监测量数值变化矩阵和"当前名义损伤向量rf'c"(由所有索的当前名义损伤
量组成)间存在的近似线性关系(见式(9))，按照多目标优化算法计算索系统当前名义损伤向 量A的非劣解。
5. 数据生成功能。即可定期或由人员操作健康监测系统生成索系统健康情况报表。
6. 报警功能。在指定条件下，自动操作通信报警设备向监控等人员报警。
第十一步在本次循环，即第''次循环中求得当前名义损伤向量^^后，首先，按照式U8)、 式(19)建立标识向量P。
第十二步如果标识向量,的元素全为0，则回到第十步继续本次循环；如果标识向量户 的元素不全为0，则进入下一步、即第十三步。
第十三步根据式(20)计算得到下一次、即第!'+1次循环所需的初始损伤向量"+/。的每一 个元素^+、。
第十四步在力学计算基准模型Ai的基础上，令索的健康状况为上一步计算得到的向量乂+'。 后，得到新的力学计算基准模型，即下一次(第i+l次)循环所需的力学计算基准模型^+1。
第十五步通过对力学计算基准模型Ai"的计算得到对应于模型Ai"的结构的所有被监测应 变的点的、将被监测的应变方向的应变数值，这些数值组成下一次、即第i+l次循环所需的向量 ^+/。，即被监测量的初始数值向量。
第十六步回到第七步，开始下一次循环。
1权利要求
1. 一种基于应变监测的索结构中索系统的递进式健康监测方法，其特征是该方法包括a. 设共有N根索，首先确定索的编号规则，按此规则将索结构中所有的索编号，该编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵；b. 确定指定的将被监测应变的结构上的点，给这些点编号，确定将被监测应变的点的、将被监测的应变方向，并编号。上述编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵。上述所有的被监测量的个数之和一般不得小于索的数量；c. 利用索的无损检测数据等能够表达索的健康状态的数据建立索系统初始损伤向量dio。如果没有索的无损检测数据及其他能够表达索的健康状态的数据时，或者可以认为结构初始状态为无损伤状态时，向量dlo的各元素数值取0。d. 在建立索系统初始损伤向量dlo的同时，直接测量计算得到索结构的所有指定的被监测量，组成“被监测量的初始数值向量Clo”；e. 在建立索系统初始损伤向量dlo和被监测量的初始数值向量Clo的同时，实测得到索结构的所有索的初始索力数据，实测得到索结构的初始几何数据；f. 根据索结构的设计图、竣工图和索结构的上述实测数据，建立索结构的力学计算模型，基于该模型计算所得的计算数据同上述实测数据越接近越好，其间的差异一般不得大于5％，此时该模型被称为结构的力学计算基准模型A1。g. 在力学计算基准模型Ai的基础上进行若干次力学计算，通过计算获得“单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔCi”和“名义单位损伤向量Diu”。其中i表示循环次数，后面i及上标i都表示循环次数，i＝1，2，3，......；h. 实测得到索结构的所有指定被监测量的当前实测数值，组成“被监测量的当前数值向量Ci(null)”。给本步及本步之前出现的所有向量的元素编号时，应使用同一编号规则，这样可以保证本步及本步之前出现的各向量的、编号相同的元素，表示同一被监测量的、对应于该元素所属向量所定义的相关信息；i. 定义索系统当前名义损伤向量dic和当前实际损伤向量di，损伤向量的元素个数等于索的数量，损伤向量的元素和索之间是一一对应关系，损伤向量的元素数值代表对应索的损伤程度或健康状态；
2.根据权利要求1所述的基于应变监测的索结构中索系统的递进式健康监测方法，其特征 在于在步骤g中，获得"单位损伤被监测量数值变化矩阵dC"'的方法为gl.在结构的力学计算基准模型Ai的基础上进行若干次力学计算，计算次数数值上等于所 有索的数量，有W根索就有iV次计算，每一次计算假设索系统中只有一根索在原有损伤的基础 上再增加单位损伤，每一次计算中出现损伤的索不同于其它次计算中出现损伤的索，并且每一 次假定有损伤的索的单位损伤值可以不同于其他索的单位损伤值，用"名义单位损伤向量Z)'"" 记录所有索的假定的单位损伤，每一次计算得到索结构中所有指定被监测量的当前数值，每一 次计算得到的所有被监测量的当前数值组成一个"被监测量的计算当前数值向量"。当假设第y 根索有单位损伤时，可用C;表示对应的"被监测量的计算当前数值向量"。在本步骤中给各向 量的元素编号时，应同本发明中其它向量使用同一编号规则，这样可以保证本步骤中各向量中 的任意一个元素，同其它向量中的、编号相同的元素，表达了同一被监测量或同一对象的相关 信息；g2.每一次计算得到的那个"被监测量的计算当前数值向量CV'减去"被监测量的初始数 值向量CV'得到一个向量，再将该向量的每一个元素都除以本次计算中假定的单位损伤值后得 到一个"被监测量的数值变化向量5C^";有iV根索就有W个"被监测量的数值变化向量"；g3.由这iV个"被监测量的数值变化向量"依次组成有W列的"单位损伤被监测量数值变 化矩阵/ld";或者说"单位损伤被监测量数值变化矩阵"的每一列对应于一个"被监测量的数 值变化向量"。"单位损伤被监测量数值变化矩阵"的列的编号规则与当前名义损伤向量^c和当 前实际损伤向量d'的元素编号规则相同。
全文摘要
基于应变监测的索结构中索系统的递进式健康监测方法在以应变为被监测量的前提下，考虑到了被监测量的当前数值向量同被监测量的初始数值向量、单位损伤被监测量数值变化矩阵和当前名义损伤向量间的线性关系是近似的，特别是在受损索较多或且受损程度较大时，上述量之间的非线性关系特征更加明显。为克服此缺陷，本发明基于应变监测，给出了使用线性关系分段逼近非线性关系的方法，将大区间分割成连续的一个个小区间，在每一个小区间内上述线性关系都是足够准确的，在每一个小区间内可以利用多目标优化算法等合适的算法算出当前索损伤向量的非劣解，据此可以比较准确地确定受损索的位置及其损伤程度。
文档编号G01M99/00GK101504333SQ200910028140
公开日2009年8月12日 申请日期2009年1月9日 优先权日2009年1月9日
发明者韩玉林 申请人:东南大学