專利名稱：用于索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)的健康監(jiān)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明基于索力監(jiān)測(cè)來(lái)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)(指所有索)中的受損索，屬工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)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(lái)整個(gè)結(jié)構(gòu)的失效， 基于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)來(lái)識(shí)別索結(jié)構(gòu)(特別是大型索結(jié)構(gòu)，例如大型斜拉、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(cè)技術(shù)主要通 過(guò)對(duì)索力的監(jiān)測(cè)，根據(jù)索力的變化來(lái)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、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(wú)損傷)條件下，也會(huì)監(jiān)測(cè)到其索力變化忽正忽負(fù)、 忽大忽小的現(xiàn)象，這對(duì)受損索的識(shí)別是非常不利的。目前還沒(méi)有一種公開(kāi)的、有 效的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和方法解決了此問(wèn)題。
為了能對(duì)索結(jié)構(gòu)(特別是大型索結(jié)構(gòu)，例如大型斜拉、懸索橋)的索系統(tǒng)的 健康狀態(tài)有可靠的監(jiān)測(cè)和判斷，就必須有一個(gè)能夠合理有效的建立它們的索系統(tǒng) 中每一根索的索力變化同索系統(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(cè)系統(tǒng)給出的健康評(píng)估才會(huì)更可信。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明的目的是針對(duì)索結(jié)構(gòu)(特別是大型索結(jié)構(gòu)，例如大型斜拉、 懸索橋)中索系統(tǒng)的健康監(jiān)測(cè)問(wèn)題，公開(kāi)了一種能夠合理有效地監(jiān)測(cè)索結(jié)構(gòu)(特 別是大型索結(jié)構(gòu)，例如大型斜拉、懸索橋)的索系統(tǒng)中每一根索的健康狀況的系 統(tǒng)和方法。技術(shù)方案本發(fā)明由三大部分組成。分別是建立索系統(tǒng)健康監(jiān)測(cè)所需的知識(shí) 庫(kù)和參量的方法、基于知識(shí)庫(kù)(含參量)和實(shí)測(cè)索力的索系統(tǒng)健康狀態(tài)評(píng)估方法、 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件和硬件部分。
本發(fā)明的第一部分建立用于索系統(tǒng)健康監(jiān)測(cè)的知識(shí)庫(kù)和參量的方法?？煞?為如下三個(gè)步驟-
1. 建立索結(jié)構(gòu)的計(jì)算基準(zhǔn)模型(例如有限元基準(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(cè)數(shù)據(jù)(包括結(jié)構(gòu)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(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)斜拉橋、懸索橋而言是橋的橋型數(shù)據(jù)、索力數(shù)據(jù)、橋的模態(tài)數(shù)據(jù))、利 用力學(xué)方法(例如有限元法)建立該結(jié)構(gòu)的計(jì)算(例如有限元)基準(zhǔn)模型，基于 該計(jì)算基準(zhǔn)模型(例如有限元基準(zhǔn)模型)計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)計(jì)算數(shù)據(jù)(對(duì)斜拉橋、 懸索橋而言是橋的橋型數(shù)據(jù)、索力數(shù)據(jù)、橋的模態(tài)數(shù)據(jù))必須非常接近其實(shí)測(cè)數(shù) 據(jù)，誤差不得大于5%。這樣可保證在此計(jì)算基準(zhǔn)模型上做的模擬情況下的索力計(jì) 算數(shù)據(jù)，可靠地接近模擬情況真實(shí)發(fā)生時(shí)的索力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。
設(shè)索系統(tǒng)中共有iV根索，那么可用向量F。表示索系統(tǒng)中所有索的初始索力(參 見(jiàn)式(l))。因在上述條件下，基于索結(jié)構(gòu)的計(jì)算基準(zhǔn)模型計(jì)算所得的索的索力可 靠地接近于索力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在后面的敘述中，將用同一符號(hào)來(lái)表示計(jì)算值和實(shí)測(cè) 值。
& 《，W 。)
式(1)中^。,(/=1，2，3， .......， A/)是索系統(tǒng)中第/根索的初始索力(假設(shè)此時(shí)該索
無(wú)損傷)。r表示向量的轉(zhuǎn)置(后同)。
2. 建立索結(jié)構(gòu)索力變化單位矩陣JF。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 只有一根索有單位損傷A^ (單位損傷應(yīng)較小、且其引起的索力變化能夠被傳感器 準(zhǔn)確識(shí)別出來(lái)，例如取10%損傷為單位損傷)，每一計(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)的索系統(tǒng)中每一根索的當(dāng)前索力，每一次計(jì)算組成一個(gè)所有索的計(jì)算當(dāng)前索 力向量(當(dāng)假設(shè)第/根索有單位損傷時(shí)，可用式(2)表示所有索的計(jì)算當(dāng)前索力 向量F/);每一次計(jì)算得到的計(jì)算當(dāng)前索力向量減去初始索力向量，所得向量就是
此條件下(以有單位損傷的索的位置或編號(hào)等為標(biāo)記)的索力變化向量(當(dāng)?shù)趛 根索有單位損傷時(shí)，用3巧表示索力變化向量，定義見(jiàn)式(3)，式(3)為式(2)減去式(1)所得)，索力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(duì)應(yīng)的索的索力改變量；有7V根索就有iV個(gè) 索力變化向量，每個(gè)索力變化向量有W個(gè)元素，由這W個(gè)索力變化向量依次組成 有iVxW個(gè)元素的索力變化單位矩陣JF， ^!F的定義如式(4)所示。
W, 巧力丫 (2)
式(2)中元素F,/ (/=1，2，3, .......，AO表示由于第/根索有單位損傷時(shí)，第!'根索的
計(jì)算當(dāng)前索力。
<formula>formula see original document page 6</formula>(4)
式(4)中z/Fv(/，y'=I，2,3, .......,M表示僅僅由于第_/根索有單位損傷而引起的第
/根索的索力的變化(代數(shù)值)。索力變化向量c5巧實(shí)際上是矩陣z!F中的一列，也就 是說(shuō)式(4)也可以寫成式(5)。
(5)<formula>formula see original document page 6</formula>
3.索系統(tǒng)當(dāng)前(計(jì)算)索力向量F同初始索力向量F。、索力變化單位矩陣zJF、 單位損傷標(biāo)量A^和當(dāng)前損傷向量d間的近似線性關(guān)系，如式(6)所示。
(6)<formula>formula see original document page 6</formula>
式(6)中當(dāng)前索力向量F的定義類似于初始索力向量F。的定義，參見(jiàn)式(7);索 系統(tǒng)當(dāng)前損傷向量d的定義參見(jiàn)式(8); /) 是單位損傷，已在前面說(shuō)明過(guò)。
F, F2 巧 Fwf (7)
式(7)中尸,(/=1,2，3，.......，A0是索系統(tǒng)第/根索的當(dāng)前索力。
d = [(i
《《t/w ]r (8)
式(8)中c/,(/=l,2,3,.......,A0是索系統(tǒng)第f根索的當(dāng)前損傷；^為0時(shí)表示無(wú)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)表示喪失相應(yīng)比例的承載能力。
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)系統(tǒng) 的變形也較小，式(6)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 (9)定義的誤差向量e表示式(6)所示線性關(guān)系的誤差。
e-血(+AF"-F + F。) (9) 式(9)中afe()是取絕對(duì)值函數(shù)，對(duì)括號(hào)內(nèi)求得的向量的每一個(gè)元素取絕對(duì)值。
本發(fā)明的第二部分基于知識(shí)庫(kù)(含參量)和當(dāng)前實(shí)測(cè)索力的索系統(tǒng)健康狀 態(tài)評(píng)估方法。由于式(6)所表示的線性關(guān)系存在一定誤差，因此不能簡(jiǎn)單根據(jù)式 (6)和實(shí)測(cè)當(dāng)前索力向量F來(lái)直接求解得到索損傷向量d。如果這樣做了，得到的 索損傷向量^中的元素甚至?xí)霈F(xiàn)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t/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(10) 來(lái)表達(dá)這一方法。
血(+AF"-F + F。)Sg (10)
式(10)中W^是取絕對(duì)值函數(shù)，向量g描述偏離理想線性關(guān)系(式(6))的合 理偏差，由式(11)定義。
g = [& (11)
式(11)中g(shù),(f=l,2,3，.......,A0描述了偏離式(6)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(9)定義的誤差向量e試算選定。
在初始索力向量F。(實(shí)測(cè)得到)、索結(jié)構(gòu)索力變化單位矩陣z/F (計(jì)算得到)和 單位損傷" (計(jì)算JF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(10),獲得索損傷向量t/的可接受的解，從而確定受損索的位置和損 傷程度。
本發(fā)明的第三部分健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件和硬件部分。硬件部分包括索力監(jiān) 測(cè)傳感器、對(duì)應(yīng)的信號(hào)調(diào)理器、信號(hào)采集器和計(jì)算機(jī)。要求在每一根索上安裝傳 感器(例如加速度傳感器)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)索力。軟件應(yīng)當(dāng)具用下列功能軟件部分首先根據(jù)傳感器傳來(lái)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)分析得到所有索的當(dāng)前索力向量^ (例如 可根據(jù)索振動(dòng)數(shù)據(jù)分析索的基頻，據(jù)此計(jì)算索力)，然后讀取預(yù)先存儲(chǔ)的索系統(tǒng)索 力變化單位矩陣JF和單位損傷值依據(jù)合適的算法(例如多目標(biāo)優(yōu)化算法) 求解式(10)，得到索系統(tǒng)的索損傷向量c/的非劣解，也就是帶有合理誤差、但可 以比較準(zhǔn)確地從索系統(tǒng)中確定受損索的位置及其損傷程度的解。 本發(fā)明方法具體包括
a. 確定索的編號(hào)規(guī)則，按此規(guī)則將索結(jié)構(gòu)中所有索的編號(hào)，該編號(hào)在后續(xù)步 驟中將用于生成各個(gè)向量和矩陣；
b. 在索結(jié)構(gòu)無(wú)損傷條件或可認(rèn)為無(wú)損傷條件下，直接測(cè)量計(jì)算得到索結(jié)構(gòu)的
所有索的初始索力，組成初始索力向量；
c. 在索結(jié)構(gòu)無(wú)損傷條件或可認(rèn)為無(wú)損傷條件下，在實(shí)測(cè)得到初始索力向量的 同時(shí)，實(shí)測(cè)索結(jié)構(gòu)的幾何數(shù)據(jù)；
d. 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(cè)數(shù)據(jù)，建立索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì) 算基準(zhǔn)模型，索結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)至少包括結(jié)構(gòu)的幾何數(shù)據(jù)和初始索力向量；
e. 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(guò)計(jì)算獲得索力變 化單位矩陣；
f. 實(shí)測(cè)得到索結(jié)構(gòu)的所有索的當(dāng)前實(shí)測(cè)索力，組成當(dāng)前索力向量；
g. 定義索系統(tǒng)當(dāng)前損傷向量，當(dāng)前損傷向量的元素個(gè)數(shù)和編號(hào)規(guī)則等同于當(dāng) 前索力向量和初始索力向量，當(dāng)前損傷向量的每一個(gè)元素對(duì)應(yīng)且僅對(duì)應(yīng)于一根索；
h. 依據(jù)當(dāng)前索力向量同初始索力向量、索力變化單位矩陣、單位損傷標(biāo)量和 待求的索系統(tǒng)當(dāng)前損傷向量間存在的近似線性關(guān)系，算出當(dāng)前索損傷向量的非劣 解；
i. 根據(jù)當(dāng)前損傷向量和編號(hào)規(guī)則確定受損索的位置及其損傷程度，從而實(shí)現(xiàn) 索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)的健康監(jiān)測(cè)，若解得的當(dāng)前索損傷向量的某一元素的數(shù)值為O，表 示該元素按照編號(hào)規(guī)則所對(duì)應(yīng)的索是完好的，沒(méi)有損傷的；若其數(shù)值為100%，則 表示該元素所對(duì)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。
在步驟h中，算出當(dāng)前索損傷向量的非劣解的方法包括優(yōu)化算法、多目標(biāo)優(yōu) 化算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、遺傳算法。
在步驟e中，具體方法為(a)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，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iV次計(jì)算，每一次計(jì)算 假設(shè)索系統(tǒng)中只有一根索有單位損傷，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)算得到索系統(tǒng)中所有索的當(dāng)前索力，每一次計(jì)算 得到的所有索的當(dāng)前索力組成一個(gè)計(jì)算當(dāng)前索力向量；(b)每一次計(jì)算得到的那個(gè) 計(jì)算當(dāng)前索力向量減去初始索力向量得到一個(gè)索力變化向量；有W根索就有JV個(gè) 索力變化向量，每個(gè)索力變化向量有yV個(gè)元素；(c)由這7V個(gè)索力變化向量依次 組成有AAxiV個(gè)元素的索力變化單位矩陣；或者說(shuō)索力變化單位矩陣的每一列對(duì)應(yīng) 于一個(gè)索力變化向量；
有益效果本發(fā)明公開(kāi)的系統(tǒng)和方法在只有不太多的索(例如30根索)同步 受損的條件下可以非常準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)評(píng)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，因?yàn)榇藭r(shí)索系統(tǒng)的變形較小，線性關(guān)系較好)。在受損索很多(例 如多于30根索或一半以上索同步受損)時(shí)，可以相當(dāng)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)評(píng)估出絕大部分 受損索的位置及其損傷程度?？紤]到索系統(tǒng)的索損傷通常是非均衡、非大量索同 步受損的，本發(fā)明公開(kāi)的系統(tǒng)和方法對(duì)索系統(tǒng)的有效健康監(jiān)測(cè)是非常有益的。
具體實(shí)施例方式
針對(duì)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(cè)，本發(fā)明公開(kāi)了一種能夠合理有效地監(jiān)測(cè)索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)中每一根索的健 康狀況的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的實(shí)施例的下面說(shuō)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(cè)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。
第一步確定索的編號(hào)規(guī)則，按此規(guī)則將所有索編號(hào)。該編號(hào)在后續(xù)步驟中 將用于生成各個(gè)向量和矩陣。所有向量的相同編號(hào)的元素表示同一根索的不同信 息。
第二步直接測(cè)量或測(cè)量后計(jì)算得到索結(jié)構(gòu)的所有索的初始索力，組成初始 索力向量F。。例如可采用加速度傳感器實(shí)測(cè)所有索的振動(dòng)信號(hào)，采用信號(hào)處理技 術(shù)獲得索振動(dòng)的基頻，根據(jù)基頻可計(jì)算出索力。所有索的初始索力數(shù)值組成初始 索力向量F。。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(cè)數(shù)據(jù)(包括結(jié)構(gòu)幾何形狀數(shù)據(jù)、索力數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)模態(tài)數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)， 對(duì)斜拉橋、懸索橋而言是橋的橋型數(shù)據(jù)、索力數(shù)據(jù)、橋的模態(tài)數(shù)據(jù))，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)(對(duì)斜拉橋、懸索橋而言至少是橋的橋 型數(shù)據(jù)、索力數(shù)據(jù))必須非常接近其實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，誤差不得大于5%。
第四步建立索結(jié)構(gòu)索力變化單位矩陣JF。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)中只有一根索有單位損傷Z)"(單位損傷應(yīng)較小、且其引起的索力變化能夠被 傳感器準(zhǔn)確識(shí)別出來(lái)，例如取10%損傷為單位損傷)，每一計(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(例如釆用有限元 法)計(jì)算索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)中每一根索的當(dāng)前索力，每一次計(jì)算組成一個(gè)所有索的 計(jì)算當(dāng)前索力向量；每一次計(jì)算得到的計(jì)算當(dāng)前索力向量減去初始索力向量，所 得向量就是此條件下(以有單位損傷的索的位置或編號(hào)等為標(biāo)記)的索力變化向 量，索力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(duì)應(yīng)的索的索力改變量；有iV根索就有iV個(gè)索力變化向量， 每個(gè)索力變化向量有iV個(gè)元素，由這iV個(gè)索力變化向量依次組成有iVxW個(gè)元素 的索力變化單位矩陣JF，或者說(shuō)索力變化單位矩陣JF的每一列對(duì)應(yīng)于一個(gè)索力 變化向量。
第五步安裝索結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件部分。硬件部分至少包括傳感器、 信號(hào)調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)和通信報(bào)警設(shè)備。在每一根索上至少安裝一個(gè) 傳感器(例如加速度傳感器)以監(jiān)測(cè)索的狀態(tài)；傳感器由信號(hào)調(diào)理器提供能源， 傳感器監(jiān)測(cè)到的信號(hào)由信號(hào)調(diào)理器傳輸?shù)叫盘?hào)采集器；信號(hào)經(jīng)信號(hào)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(cè)軟件，包括記錄信號(hào)采集 器傳遞來(lái)的信號(hào)；當(dāng)監(jiān)測(cè)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。
第六步將初始索力向量F。、索結(jié)構(gòu)索力變化單位矩陣Z1F、單位損傷￡ 和 所有索的幾何與力學(xué)性能參數(shù)以數(shù)據(jù)文件的方式保存在運(yùn)行健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件的 計(jì)算機(jī)硬盤上。
第七步編制并在計(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(cè)系統(tǒng)軟件。該軟件包括如下幾種功能模塊1.從存儲(chǔ)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F。、索結(jié)構(gòu)索力變化單位矩陣JF、單位損傷D"和所有索的幾何與力學(xué)性 能參數(shù)。2.定時(shí)(或隨機(jī)觸發(fā)式)記錄通過(guò)信號(hào)釆集器傳來(lái)的傳感器信號(hào)。3.對(duì) 記錄的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理，計(jì)算得到每一根索的當(dāng)前索力(例如對(duì)加速度傳感器 的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理，得到每一根索的基頻，根據(jù)基頻和索的幾何與力學(xué)性能參 數(shù)計(jì)算每一根索的當(dāng)前索力)，所有索的當(dāng)前索力組成當(dāng)前索力向量F。 4.依據(jù)當(dāng) 前索力向量(由所有索的當(dāng)前實(shí)測(cè)索力組成)同初始索力向量、索力變化單位矩 陣、單位損傷標(biāo)量和索系統(tǒng)當(dāng)前損傷向量(由所有索當(dāng)前損傷量組成)間存在的 近似線性關(guān)系，按照多目標(biāo)優(yōu)化算法計(jì)算索系統(tǒng)當(dāng)前損傷向量^的非劣解，也就 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)前索損傷向量"的某一元素的數(shù)值為0，表示該元素所對(duì)應(yīng)的索
是完好的，沒(méi)有損傷的；若其數(shù)值為100%，則表示該元素所對(duì)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(cè)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)控人員、業(yè)主和(或) 指定的人員報(bào)警。
權(quán)利要求
1.一種用于索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)的健康監(jiān)測(cè)方法，其特征在于所述方法包括a.確定索的編號(hào)規(guī)則，按此規(guī)則將索結(jié)構(gòu)中所有索的編號(hào)，該編號(hào)在后續(xù)步驟中將用于生成各個(gè)向量和矩陣；b.在索結(jié)構(gòu)無(wú)損傷條件或可認(rèn)為無(wú)損傷條件下，直接測(cè)量計(jì)算得到索結(jié)構(gòu)的所有索的初始索力，組成初始索力向量；c.在索結(jié)構(gòu)無(wú)損傷條件或可認(rèn)為無(wú)損傷條件下，在實(shí)測(cè)得到初始索力向量的同時(shí)，實(shí)測(cè)索結(jié)構(gòu)的幾何數(shù)據(jù)；d.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(cè)數(shù)據(jù)，建立索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型，索結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)至少包括結(jié)構(gòu)的幾何數(shù)據(jù)和初始索力向量；e.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(guò)計(jì)算獲得索力變化單位矩陣；f.實(shí)測(cè)得到索結(jié)構(gòu)的所有索的當(dāng)前實(shí)測(cè)索力，組成當(dāng)前索力向量；g.定義索系統(tǒng)當(dāng)前損傷向量，當(dāng)前損傷向量的元素個(gè)數(shù)和編號(hào)規(guī)則等同于當(dāng)前索力向量和初始索力向量，當(dāng)前損傷向量的每一個(gè)元素對(duì)應(yīng)且僅對(duì)應(yīng)于一根索；h.依據(jù)當(dāng)前索力向量同初始索力向量、索力變化單位矩陣、單位損傷標(biāo)量和待求的索系統(tǒng)當(dāng)前損傷向量間存在的近似線性關(guān)系，算出當(dāng)前索損傷向量的非劣解；i.根據(jù)當(dāng)前損傷向量和編號(hào)規(guī)則確定受損索的位置及其損傷程度，從而實(shí)現(xiàn)索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)的健康監(jiān)測(cè)，若解得的當(dāng)前索損傷向量的某一元素的數(shù)值為0，表示該元素按照編號(hào)規(guī)則所對(duì)應(yīng)的索是完好的，沒(méi)有損傷的；若其數(shù)值為100％，則表示該元素所對(duì)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。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)的健康監(jiān)測(cè)方法，其特征在于 在步驟h中，算出當(dāng)前索損傷向量的非劣解的方法包括優(yōu)化算法、多目標(biāo)優(yōu)化算 法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、遺傳算法。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)的健康監(jiān)測(cè)方法，其特征在于 在步驟e中，具體方法為a. 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，計(jì)算次數(shù)數(shù)值上等于所有索的數(shù)量，有iV根索就有W次計(jì)算，每一次計(jì)算假設(shè)索 系統(tǒng)中只有一根索有單位損傷，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)算得到索系統(tǒng)中所有索的當(dāng)前索力，每一次計(jì)算得到的 所有索的當(dāng)前索力組成一個(gè)計(jì)算當(dāng)前索力向量；b. 每一次計(jì)算得到的那個(gè)計(jì)算當(dāng)前索力向量減去初始索力向量得到一個(gè)索力變化向量；有7V根索就有iV個(gè)索力變化向量，每個(gè)索力變化向量有iV個(gè)元素；C.由這iV個(gè)索力變化向量依次組成有iVxiV個(gè)元素的索力變化單位矩陣；或者說(shuō)索力變化單位矩陣的每一列對(duì)應(yīng)于一個(gè)索力變化向量。
全文摘要
用于索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)的健康監(jiān)測(cè)方法在結(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)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，每次計(jì)算結(jié)果組成一個(gè)計(jì)算當(dāng)前索力向量；每個(gè)計(jì)算當(dāng)前索力向量減去初始索力向量，獲得一個(gè)索力變化向量；所有的索力變化向量組成索力變化單位矩陣。依據(jù)當(dāng)前索力向量(由所有索當(dāng)前實(shí)測(cè)索力組成)同初始索力向量、索力變化單位矩陣、單位損傷標(biāo)量和當(dāng)前索損傷向量(由所有索當(dāng)前損傷量組成)間存在的近似線性關(guān)系，可以利用多目標(biāo)優(yōu)化算法等合適的算法快速算出當(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(hào)G01L5/04GK101319962SQ20081012447
公開(kāi)日2008年12月10日 申請(qǐng)日期2008年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月8日
發(fā)明者申文求, 韓玉林 申請(qǐng)人:東南大學(xué)