專利名稱：：基于空間坐標監(jiān)測的識別松弛的支承索的遞進式方法
技術領域：
：本發(fā)明基于空間坐標等量的監(jiān)測，公開了一種識別索結構(特別是大型索結構，例如大型斜拉橋、懸索橋)的索系統(tǒng)(指所有承載索)中的需調整索力的支承索，并給出具體的索長調整量，屬工程結構安全領域。
背景技術：
：索系統(tǒng)通常是索結構(特別是大型索結構，例如大型斜拉橋、懸索橋)的關鍵組成部分，由于松弛等原因，新結構竣工一段時間后支承索的索力通常會發(fā)生變化，結構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構內力的變化，對結構的安全造成不良影響，嚴重時將會引起結構的失效，因此準確及時地識別需調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，還會引起結構的其它可測量參數(shù)的變化，例如還會影響索結構的形狀或空間坐標，因此形狀或空間坐標的變化包含了索系統(tǒng)的健康狀態(tài)信息，也就是說可以基于空間坐標監(jiān)測來識別需調整索力的索，這樣就必須有一個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)來表征需調整索力的索)的關系的方法，基于該方法建立的需調整索力的支承索的識別結果才會更可信。
發(fā)明內容技術問題本發(fā)明的目的是提供一種基于空間坐標等量的監(jiān)測的、能夠合理有效地識別需調整索力的支承索的遞進式健康監(jiān)測方法，針對索結構中索系統(tǒng)的健康監(jiān)測問題，通過對索結構的空間坐標等量進行監(jiān)測，公開了一種遞進式地、能夠合理有效地識別需調整索力的支承索的結構健康監(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)、基于空間坐標等量的監(jiān)測的、識別索結構的需調整索力的支承索的方法、用于識別索系統(tǒng)的需調整索力的支承索的結構健康監(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，以及基于知識庫(含參量)和實測信息的識別需調整索力的支承索的方法。可按如下步驟依次循環(huán)往復地、遞進式進行，以獲得更準確的索系統(tǒng)的健康狀態(tài)評估。第一步每一次循環(huán)開始時，首先需要建立或已建立本次循環(huán)開始時的索系統(tǒng)初始虛擬損傷向量d。i(i=1，2，3，…。因為支承索實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"，后同)和結構的力學計算基準模型Ai(例如有限元基準模型，i=1，2，3，…)，上標i表示第i次循環(huán)。第i次循環(huán)開始時需要的索系統(tǒng)"初始虛擬損傷向量記為d。i"(如式(1)所示)，用d。i表示該次循環(huán)開始時索結構(用力學計算基準模型A1表示)的索系統(tǒng)的健康狀態(tài)。W(i)式(1)中di。j(i=1，2，3，…;j=1，2，3，.......，N)表示第i次循環(huán)開始時、力學計算基準模型A1中的索系統(tǒng)的第j根索的初始虛擬損傷值，di。j為0時表示第j根索無損傷無松弛，為100%時表示該索徹底喪失承載能力，介于0與100%之間時表示第j根索喪失相應比例的承載能力。式(1)中T表示向量的轉置(后同)。設索系統(tǒng)中共有N根索，第一次循環(huán)開始時建立索系統(tǒng)初始虛擬損傷向量(依據(jù)式(1)記為d1。)時，利用索的無損檢測數(shù)據(jù)等能夠表達索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)建立索系統(tǒng)初始虛擬損傷向量d1。。如果沒有索的無損檢測數(shù)據(jù)及其他能夠表達索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)時，或者可以認為結構初始狀態(tài)為無損傷無松弛狀態(tài)時，向量d1。的各元素數(shù)值取0。第i次(i=2，3，4，5，6…)循環(huán)開始時需要的索系統(tǒng)初始虛擬損傷向量是在前一次(即第i-l次，i=2，3，4，5，6…)循環(huán)結束前計算獲得的，具體方法在后文敘述。第i次循環(huán)開始時需要建立的力學計算基準模型或已建立的力學計算基準模型記為A、第一次循環(huán)開始時建立的索結構的力學計算基準模型記為A1，A1是根據(jù)索結構的設計圖、竣工圖和索結構的實測數(shù)據(jù)(一般包括索力數(shù)據(jù)、結構角度數(shù)據(jù)、形狀數(shù)據(jù)、空間坐標數(shù)據(jù)、應變數(shù)據(jù)、結構模態(tài)數(shù)據(jù)等實測數(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)、應變數(shù)據(jù)、角度數(shù)據(jù)、橋的模態(tài)數(shù)據(jù)等實測數(shù)據(jù))等反映索結構建成時初始狀態(tài)的數(shù)據(jù)，或反映安裝健康監(jiān)測系統(tǒng)時索結構當前狀態(tài)的數(shù)據(jù)，利用力學方法(例如有限元法)建立該結構的力學計算基準模型(例如有限元基準模型)，基于該計算基準模型計算得到的結構計算數(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)、應變數(shù)據(jù)、角度數(shù)據(jù)等實測數(shù)據(jù))必須非常接近其實測數(shù)據(jù)，誤差一般不得大于5%。這樣可保證在此計算基準模型上計算所得的模擬情況下的數(shù)據(jù)(例如索力數(shù)據(jù)、應變數(shù)據(jù)、角度數(shù)據(jù)、結構形狀計算數(shù)據(jù)和空間坐標計算數(shù)據(jù)等)可靠地接近模擬情況真實發(fā)生時的實測數(shù)據(jù)。第i次(i=2，3，4，5，6…)循環(huán)開始時需要的力學計算基準模型A、是在前一次(即第i-l次，i=2，3，4，5，6…)循環(huán)結束前計算獲得的，具體方法在后文敘述。已有力學計算基準模型A1和索系統(tǒng)初始虛擬損傷向量d1。后，模型A1中的各索的虛擬損傷由向量d1。表達。在A1的基礎上，將所有索的虛擬損傷值變更為0，力學模型A1更新為一個所有索的虛擬損傷都為0的力學模型(記為A°)，力學模型A°實際上是完好無損無松弛的索結構對應的力學模型。不妨稱模型A°為索結構的無損傷無松弛模型A°。"結構的全部被監(jiān)測的空間坐標數(shù)據(jù)"由結構上K個指定點的、及每個指定點的L個指定方向的空間坐標來描述，結構空間坐標數(shù)據(jù)的變化就是K個指定點的所有空間坐標分量的變化。每次共有M(M=KXL)個空間坐標測量值或計算值來表征結構空間坐標信息。K和M不得小于支承索的數(shù)量N。為方便起見，在本發(fā)明中將"結構的被監(jiān)測的空間坐標數(shù)據(jù)"簡稱為"被監(jiān)測量"。本發(fā)明用"被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量Ci。"(i=1，2，3，…)表示第i次(i=1，2，3，4，5，6…)循環(huán)開始時所有指定的被監(jiān)測量的初始值(參見式(2))，Ci。的全稱為"第i次循環(huán)被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量"。c::[c:'c:2c二丫'(2)式(2)中C^(i=1，2，3，…;k=1，2，3，.，M;M>N;)是第i次循環(huán)開始時、索結構中第k個被監(jiān)測量。向量Ci。是由前面定義的M個被監(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向量也按此順序排列數(shù)據(jù)即可。第一次循環(huán)開始時，"第1次循環(huán)被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量C、"(見式(2))由實測數(shù)據(jù)組成，由于根據(jù)模型A1計算所得被監(jiān)測量的初始數(shù)值可靠地接近于相對應的實測數(shù)值，在后面的敘述中，將用同一符號來表示該計算值組成向量和實測值組成向量。第i次(i=2，3，4，5，6…)循環(huán)開始時需要的"第i次循環(huán)被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量CV'，是在前一次(即第i-l次，i=2，3，4，5，6-)循環(huán)結束前計算獲得的，具體方法在后文敘述。第二步每一次循環(huán)需建立"虛擬單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣"，第i次循環(huán)建立的"虛擬單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣"記為AC、i=1，2，3，…)。第一次循環(huán)建立的索結構"虛擬單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣"記為AC1。建立A^的過程如下在索結構的力學計算基準模型A1的基礎上進行若干次計算，計算次數(shù)數(shù)值上等于所有索的數(shù)量。每一次計算假設索系統(tǒng)中只有一根索在原有虛擬損傷(原有虛擬損傷可以為0，也可以不為0，具體數(shù)值與向量d1。的對應元素的數(shù)值相同)的基礎上再增加虛擬單位損傷(單位損傷應較小，例如取5%、10%、20%或30%等損傷為虛擬單位損傷)。為方便計算，每一次循環(huán)中設定虛擬單位損傷時可以都是把該次循環(huán)開始時的結構健康狀態(tài)當成是完全健康的，并在此基礎上設定虛擬單位損傷(在后續(xù)步驟中計算出的索的損傷數(shù)值被稱為名義虛擬損傷d、(i=1，2，3，…)，都是相對于將該次循環(huán)開始時的、將索的健康狀態(tài)當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算出的名義虛擬損傷值換算成真實虛擬損傷值)。同一次循環(huán)的每一次計算中出現(xiàn)虛擬損傷的索不同于其它次計算中出現(xiàn)虛擬損傷的索，并且每一次假定有虛擬損傷的索的虛擬單位損傷值可以不同于其他索的虛擬單位損傷值，用"名義虛擬單位損傷向量Diu"(如式(3)所示)記錄各次循環(huán)中所有索的假定的虛擬單位損傷，第一次循環(huán)時記為D、，每一次計算都利用力學方法(例如有限元法)計算索結構的、在前面已指定的M個被監(jiān)測量的當前計算值，每一次計算所得M個被監(jiān)測量的當前計算值組成一個"被監(jiān)測量的計算當前數(shù)值向量"(當假設第j根索有單位損傷時，可用式(4)表示所有指定的M個被監(jiān)測量的計算當前數(shù)值向量C^);每一次計算得到的"被監(jiān)測量的計算當前數(shù)值向量C^."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(以有虛擬單位損傷的索的位置或編號等為標記)的"被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量"(當?shù)趈根索有單位損傷時，用sc、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j個元素Duj所得)，被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量SC、的每一元素表示由于計算時假定有虛擬單位損傷的那根索(例如第j根索)的虛擬單位損傷(例如Duj)，而引起的該元素所對應的被監(jiān)測量的數(shù)值改變量相對于假定的虛擬單位損傷Duj的變化率；有N根索就有N個"被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量"，每個被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量有M(—般的，M^N)個元素，由這N個"被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量"依次組成有MXN個元素的"虛擬單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣AC1"(M行N列)，每一個向量SC、(j=1，2，3，.......，N)是矩陣AC1的一列，AC1的定義如式(8)所示。":2"二(3)式(3)中名義虛擬單位損傷向量Diu的元素Diuj(i=1，2，3，3，.......，N)表示第i次循環(huán)中假定的第j根索的虛擬單位損傷數(shù)值，向j素的數(shù)值可以相同也可以不同。…；j=1，2，D、中的各元C^[Q《2C二c二(4)式(4)中元素C、jk(i=1，2，3，..；j=1，2，3，.......，N;k=1，2，3，.......，M;M>N)表示第i次循環(huán)由于第j根索有名義虛擬單位損傷時，依據(jù)編號規(guī)則所對應的第k個指定的被監(jiān)測量的計算當前數(shù)值。w,,=.(5)式(5)中各量的上標i(i=1，2，3，...)表示第i次循環(huán)，下標j(j=1，2，3，.......，N)表示第j根索有名義虛擬單位損傷，式中D、j是向量D、中的第j個元素。向SC、的定義如式(6)所示，SC、的第k(k二1，2，3，.......，M;M^N)個元素S表示第i被監(jiān)測次循環(huán)中，建立矩陣AC1時，假定第j根索有名義虛擬單位損傷時計算所得第k個量的改變量相對于假定的名義虛擬單位損傷0^的變化率，其定義如式(7)所示。S第三步識別索系統(tǒng)的當前健康狀態(tài)。具體過程如下。第i(i=1，2，3，...)次循環(huán)中，索系統(tǒng)"被監(jiān)測量的當前(計算或實測)數(shù)值向量Ci"同"被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量Ci。"、"虛擬單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣AC"'和"當前名義虛擬損傷向量di。"間的近似線性關系，如式(9)或式(10)所示。C'=C:+AC'*《(9)C'-C:=AC、《.(10)式(9)和式(10)中被監(jiān)測量的當前(計算或實測)數(shù)值向量Ci的定義類似于被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量Ci。的定義，見式(11);索系統(tǒng)"當前名義虛擬損傷向量di。"的定義見式(12)。C'=[C,'C;C;C;丫(11)式(11)中元素Cik(i=1，2，3，.......；k=1，2，3，.......，M;M>N)是第i次循環(huán)時索結構的、依據(jù)編號規(guī)則所對應的編號為k的被監(jiān)測量的當前數(shù)值?！?《W(12)式(12)中d、j(i=1，2，3，.......；j=1，2，3，.......，N)是第i次循環(huán)中索系統(tǒng)第j根索的當前名義虛擬損傷值，向量《的元素的下標j的編號規(guī)則與矩陣AC1的列的編號規(guī)則相同。當索實際損傷不太大時，由于索結構材料仍然處在線彈性階段，索結構的變形也較小，式(9)或式(10)所表示的這樣一種線性關系同實際情況的誤差較小，誤差可用誤差向量ei(式(13))定義，表示式(9)或式(10)所示線性關系的誤差。e'=afc(AC'《:-C'+O(13)式(13)中abs()是取絕對值函數(shù)，對括號內求得的向量的每一個元素取絕對值。由于式(9)或式(10)所表示的線性關系存在一定誤差，因此不能簡單根據(jù)式(9)或式(10)和"被監(jiān)測量的當前(實測)數(shù)值向量ci"來直接求解得到"當前名義虛擬損傷向量《"。如果這樣做了，得到的向量di。中的元素甚至會出現(xiàn)較大的負值，也就是負損傷，這明顯是不合理的。因此獲得向量《的可接受的解(即帶有合理誤差，但可以比較準確地確定虛擬受損索的位置及其虛擬損傷程度)成為一個合理的解決方法，可用式(14)來表達這一方法。血(AC'《-C'+C》Sg'(14)式(14)中abs()是取絕對值函數(shù)，向量g1描述偏離理想線性關系(式(9)或式(10))的合理偏差，由式(15)定義。g;g丄^丫(15)式(15)中gik(i=1，2，3，.......；k=1，2，3，.......，M)描述了第i次循環(huán)中偏離式(9)或式(10)所示的理想線性關系的最大允許偏差。向量gi可根據(jù)式(13)定義的誤差向量eH式算選定。在"被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量C、"(實測或計算得到)、"虛擬單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣AC1"(計算得到)禾P"被監(jiān)測量的當前數(shù)值向量Ci"(實測得到)已知時，可以利用合適的算法(例如多目標優(yōu)化算法)求解式(14)，獲得"當前名義虛擬損傷向量di。"的可接受的解，然后"當前實際虛擬損傷向量di"(定義見式(16))的元素可以根據(jù)式(17)計算得到，也就是得到了""當前實際虛擬損傷向量&，從而可由el1確定虛擬受損索的位置和虛擬損傷程度，然后根據(jù)下面將敘述的方法確定松弛索的位置和松弛程度，也就是確定了需調整索力的索及其索長調整量。<i'=[t/(《《《丁(16)式(16)中(^(i=1，2，3，…；j=1，2，3，.......，N)表示第i次循環(huán)中第j根索的實際虛擬損傷值，其定義見式(17)，《.為0時表示第j根索無損傷無松弛，為100%時表示該索徹底喪失承載能力，介于0與100%之間時表示第j根索喪失相應比例的承載能力，向量di的元素的編號規(guī)則與式(1)中向量di。的元素的編號規(guī)則相同?！?1一(1-《)(1-《.)(17)式(17)中=1，2，3，4，…；j二l，2，3，.......，N)是向量d、的第j個元素，di。j是向量di。的第j個元素。下面敘述得到了索當前實際虛擬損傷向量di后，如何確定松弛索的位置和松弛程度。設索系統(tǒng)中共有N根支承索，結構索力數(shù)據(jù)由N根支承索的索力來描述?？捎?初始索力向量F。"表示索結構中所有支承索的初始索力(定義見式(18))。因為基于索結構的計算基準模型計算所得的初始索力可靠地接近于初始索力的實測數(shù)據(jù)，在后面的敘述中，將用同一符號來表示該計算值和實測值。F。=[F^F。2…F。j…F。N]T(18)式(18)中F。Jj=1，2，3，.......，N)是索結構中第j根支承索的初始索力，該元素依據(jù)編號規(guī)則對應于指定支承索的索力。向量F。是常量，與循環(huán)次數(shù)無關，在第一次循環(huán)開始時確定后，就不再變化。在建立索結構的力學計算基準模型A1時使用了向量F。。本發(fā)明中用"當前索力向量Fi"表示第i次循環(huán)時實測得到的索結構中所有支承索的當前索力(定義見式(19))。F2'巧巧T(19)式(19)中F、.(i=1，2，3，4，…；j=1，2，3，.......，N)是第i次循環(huán)時索結構中第j根支承索的當前索力。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，支承索的長度稱為初始自由長度，用"初始自由長度向量1。"表示索結構中所有支承索的初始自由長度(定義見式(20))。1。=[1。山2…l。j…l。jT(20)式(20)中1。j(j=1，2，3，.......，N)是索結構中第j根支承索的初始自由長度。向量1。是常量，與循環(huán)次數(shù)無關，在第一次循環(huán)開始時確定后，就不再變化。本發(fā)明中，用"當前自由長度向量1"'表示第i次循環(huán)時索結構中所有支承索的當前自由長度(定義見式(21))。"[/)'/;了'(21)式(21)中l(wèi)ij(i=1，2，3，4，…；j=1，2，3，.......，N)是第i次循環(huán)時索結構中第j根支承索的當前自由長度。本發(fā)明中，用"自由長度改變向量Al"，(或稱支承索當前松弛程度向量)表示第i次循環(huán)時索結構中所有支承索的自由長度的改變量(定義見式(22)和式(23))?！?、[△/,'△/;△/)厶/;丁(22)式(22)中A巧(i=1，2，3，4，…；j=1，2，3，.......，N)是當前(第i次循環(huán)時)索結構中第j根支承索的自由長度的改變量，其定義見式(23)，A1、.不為0的索為松弛索，AIS的數(shù)值為索的松弛量，并表示索系統(tǒng)第j根支承索的當前松弛程度，也是調整索力時該索的索長調整量。Al1在本發(fā)明中通過將松弛索同受損索進行力學等效來進行松弛索的松弛程度識別，等效的力學條件是—、兩等效的索的無松弛和無損傷時的初始自由長度、幾何特性參數(shù)及材料的力學特性參數(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。滿足上述兩個等效條件時，這樣的兩根支承索在結構中的力學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，索結構不會發(fā)生任何變化，反之亦然。本發(fā)明中，第i次循環(huán)時，同第j個支承索(其當前松弛程度用AIS定義)進行等效的虛擬受損的支承索的當前實際虛擬損傷程度用dij表示(dij的定義見式(16)和式(17))。松弛的第j個支承索的當前松弛程度Alij(Alij的定義見式(22))同等效的受損索的當前實際虛擬損傷程度dij之間的關系由前述兩項力學等效條件確定。AIS同(1、.之間的具體關系可以采用多種方法實現(xiàn)，例如可以直接根據(jù)前述等效條件確定(參見式(24))，也可采用基于Ernst等效彈性模量代替式(24)中的E進行修正后確定(參見式(25))，也可以采用基于有限元法的試算法等其它方法來確定。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(24)(25)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>式(24)和式(25)中E是該支承索的彈性模量，A是該支承索的橫截面面積^是該支承索的當前索力，dij是該支承索的當前實際虛擬損傷程度，"i是該支承索的單位長度的重量，1^是該支承索的兩個支承端點的水平距離。式(25)中[]內的項是該支承索的Ernst等效彈性模量，由式(24)或式(25)可以就可以確定支承索當前松弛程度向量Al、式(25)是對式(24)的修正。第四步判斷是否結束本次(第i次)循環(huán)，如果是，則完成本次循環(huán)結束前的收尾工作，為下一次(即第i+l次，i=1，2，3，4，…)循環(huán)準備力學計算基準模型和必要的向量。具體過程如下。在本次(第i次)循環(huán)中求得"當前名義虛擬損傷向量d'后，首先，按照式(26)建立"標識向量Bi"，式(27)給出了"標識向量Bi"的第j個元素的定義；如果"標識向量B"'的元素全為0，則在本次循環(huán)中繼續(xù)對索系統(tǒng)的健康監(jiān)測和計算；如果"標識向量B"'的元素不全為O，則完成后續(xù)步驟后，進入下一次循環(huán)。所謂的后續(xù)步驟為首先，根據(jù)式(28)計算得到下一次(即第i+l次，i=1，2，3，4，…)循環(huán)所需的"初始虛擬損傷向量dw。"的每一個元素dW。j;第二，在力學計算基準模型Ai(i=1，2，3，4，…)或索結構的無損傷模型A°的基礎上，令索的健康狀況為dw。后更新得到下一次(第i+l次，i=1，2，3，4，…)循環(huán)所需的力學計算基準模型Ai+1;最后，通過對力學計算基準模型Ai+1的計算得到被監(jiān)測量的初始數(shù)值，由其組成下一次(即第i+1次，i=1，2，3，4，…)循環(huán)所需的"被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量C,"(i=1，2，3，4，)。萬'W5;5)《]7(26)式(26)中標識向量Bi的上標i表示第i次循環(huán)，其元素Bij(j=1，2，3，…，N)的下標j表示第j根索的損傷特征，只能取0和1兩個量，具體取值規(guī)則見式(27)。f0,I/《，<It5;=4乂yw(27)式(27)中元素是"標識向量B"'的第j個元素，D、j是"名義虛擬單位損傷向量D、"的第j個元素(見式(3))，di。j是"當前名義虛擬損傷向量di。"的第j個元素(見式(12))，它們都表示第j根索的相關信息?！禴l-(1-《)(1-A《)(28)式(28)中Diuj是"名義虛擬單位損傷向量Di/的第j個元素(見式(3))，d^是"當前名義虛擬損傷向量d、"的第j個元素(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。硬件部分包括監(jiān)測系統(tǒng)(監(jiān)測被監(jiān)測量、索力、支承索兩支承端點的水平距離)、信號采集器和計算機等。要求實時或準實時監(jiān)測每一個被監(jiān)測量、監(jiān)測每一個支承索的索力、監(jiān)測每一個支承索兩支承端點的水平距離。軟件應當具用下列功能軟件部分應當能夠完成本發(fā)明的第一部分所設定的過程，即首先根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)傳來的數(shù)據(jù)實時或準實時分析得到被監(jiān)測量的當前數(shù)值向量Ci，然后讀取預先存儲的虛擬單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣ACi、被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量Ci。和名義虛擬單位損傷向量Diu，依據(jù)合適的算法(例如多目標優(yōu)化算法)求解式(14)，得到當前名義虛擬損傷向量d、的非劣解，按照式(17)得到當前實際虛擬損傷向量di，也就是帶有合理誤差、但可以比較準確地從索系統(tǒng)中確定虛擬受損索的位置及其虛擬損傷程度的解。依據(jù)力學等效條件求得那些被判定為松弛索的松弛程度.軟件部分還要根據(jù)每一次循環(huán)求得的標識向量Bi的具體情況判斷是否需要進入下一次循環(huán)。本發(fā)明方法具體包括a.設共有N根索，首先確定索的編號規(guī)則，按此規(guī)則將索結構中所有的索編號，該編號在后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣；b.確定指定的將被監(jiān)測空間坐標的被監(jiān)測點，給所有指定點編號；確定過每一監(jiān)測點的將被監(jiān)測的空間坐標分量，給所有指定的被監(jiān)測空間坐標分量編號。"被監(jiān)測空間坐標分量編號"在后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣。"結構的全部被監(jiān)測的空間坐標數(shù)據(jù)"由上述所有被監(jiān)測空間坐標分量組成。將"結構的被監(jiān)測的空間坐標數(shù)據(jù)"簡稱為"被監(jiān)測量"。被監(jiān)測點的數(shù)量不得小于索的數(shù)量；所有被監(jiān)測空間坐標分量的數(shù)量之和不得小于索的數(shù)量；c.利用索的無損檢測數(shù)據(jù)等能夠表達索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)建立初始虛擬損傷向量d:其中i表示循環(huán)次數(shù)，后面i及上標i都表示循環(huán)次數(shù)，i=1，2，3，......；第一次循環(huán)時di。記為d1。。如果沒有索的無損檢測數(shù)據(jù)及其他能夠表達索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)時，或者可以認為結構初始狀態(tài)為無松弛、無損傷狀態(tài)時，向量d1。的各元素數(shù)值取0。d.在建立初始虛擬損傷向量d1。的同時，直接測量計算得到索結構的所有被監(jiān)測量的初始數(shù)值，組成被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量C1。；e.在建立初始虛擬損傷向量d、和被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量C、的同時，直接測量計算得到所有支承索的初始索力，組成初始索力向量F。；同時，依據(jù)結構設計數(shù)據(jù)、竣工數(shù)據(jù)得到所有支承索的初始自由長度，組成初始自由長度向量1。；同時，依據(jù)結構設計數(shù)據(jù)、竣工數(shù)據(jù)或實測得到索結構的初始幾何數(shù)據(jù)；同時，實測或根據(jù)結構設計、竣工資料得到所有索的彈性模量、密度、初始橫截面面積；f.根據(jù)索結構的設計圖、竣工圖和索結構的上述實測數(shù)據(jù)，建立索結構的力學計算模型，基于該模型計算所得的計算數(shù)據(jù)同上述實測數(shù)據(jù)越接近越好，此時該模型被稱為結構的力學計算基準模型A1。A1對應的索的健康狀態(tài)由d1。描述；g.在力學計算基準模型Ai的基礎上進行若干次力學計算，通過計算獲得"名義虛擬單位損傷向量Diu"和"虛擬單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣AC"'。其中i表示循環(huán)次數(shù)，后面i及上標i都表示循環(huán)次數(shù)，i=1，2，3，......。Ai對應的索的健康狀態(tài)由《描述；h.實測得到索結構的所有支承索的當前索力，組成當前索力向量Fi;同時，實測得到索結構的所有指定被監(jiān)測量的當前實測數(shù)值，組成"被監(jiān)測量的當前數(shù)值向量C"'。實測計算得到所有支承索的兩個支承端點的水平距離。給本步及本步之前出現(xiàn)的所有向量的元素編號時，應使用同一編號規(guī)則，這樣可以保證本步及本步之前和之后出現(xiàn)的各向量的、編號相同的元素，表示同一被監(jiān)測量的、對應于該元素所屬向量所定義的相關信息；i.定義待求的當前名義虛擬損傷向量di。和當前實際虛擬損傷向量di。損傷向量d1。、d、和el1的元素個數(shù)等于索的數(shù)量，損傷向量的元素和索之間是一一對應關系，損傷向量的元素數(shù)值代表對應索的虛擬損傷程度或健康狀態(tài)；j.依據(jù)"被監(jiān)測量的當前數(shù)值向量Ci"同"被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量Ci。"、"虛擬單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣AC"，和"當前名義虛擬損傷向量dV，間存在的近似線性關系，該近似線性關系可表達為式l，式1中除《外的其它量均為已知，求解式1就可以算出當前名義虛擬損傷向量d、；C'、C:+AC'、《式1k.利用式2表達的當前實際虛擬損傷向量el1的元素&同初始虛擬損傷向量《的元素di。j和當前名義虛擬損傷向量d、的元素d、j間的關系，計算得到當前實際虛擬損傷向量di的所有元素。《1-(1-《)(1-《試2式2中j=1，2，3，......，N。由于當前實際虛擬損傷向量el1的元素數(shù)值代表對應索的當前實際虛擬損傷程度，即實際松弛程度或實際損傷程度，當前實際虛擬損傷向量&中數(shù)值不為0的元素對應的支承索就是有問題的支承索，有問題的支承索可能是松弛索、也可能是受損索，其數(shù)值反應了松弛或損傷的程度；1.從第k步中識別出的有問題的支承索中鑒別出受損索，剩下的就是松弛索。m.利用在第k步獲得的當前實際虛擬損傷向量el1得到松弛索的當前實際虛擬損傷程度，利用在第h步獲得的當前索力向量F、利用在第h步獲得的所有支承索的兩個支承端點的水平距離，利用在第e步獲得的初始自由長度向量1。，利用在第e步獲得的所有索的13彈性模量、密度、初始橫截面面積數(shù)據(jù)，通過將松弛索同受損索進行力學等效來計算松弛索的、與當前實際虛擬損傷程度等效的松弛程度，等效的力學條件是一、兩等效的索的無松弛和無損傷時的初始自由長度、幾何特性參數(shù)、密度及材料的力學特性參數(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。滿足上述兩個等效條件時，這樣的兩根支承索在結構中的力學功能就是完全相同的，即如果用等效的松弛索代替受損索后，索結構不會發(fā)生任何變化，反之亦然。依據(jù)前述力學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整索力的支承索的索長調整量。這樣就實現(xiàn)了支承索的松弛識別和損傷識別。計算時所需索力由當前索力向量Fi對應元素給出。n.在求得當前名義虛擬損傷向量di。后，按照式3建立標識向量Bi，式4給出了標識向量Bi的第j個元素的定義；5'=[《W式3式3、式4中元素是標識向量Bi的第j個元素，D、j是名義虛擬單位損傷向量D、的第j個元素，d、j是當前名義虛擬損傷向量d、的第j個元素，它們都表示第j根索的相關信息。式4中j=1，2，3，，N。o.如果標識向量Bi的元素全為O，則回到第h步繼續(xù)本次循環(huán)；如果標識向量Bi的元素不全為0，則進入下一步、即第p步。p.根據(jù)式5計算得到下一次、即第i+l次循環(huán)所需的初始虛擬損傷向量di+1。的每一個元素di+1。j;《=1-(l-《)(l-i^)式5式5中D、j是第i次循環(huán)名義虛擬單位損傷向量Diu的第j個元素，d、j是第i次循環(huán)當前名義虛擬損傷向量《的第j個元素，Bij是第i次循環(huán)標識向量Bi的第j個元素。式5中j=1，2，3，......，N。q.在力學計算基準模型Ai的基礎上，令索的健康狀況為cT。后更新得到下一次、即第i+l次循環(huán)所需的力學計算基準模型#+1;r.通過對力學計算基準模型#+1的計算得到對應于模型#+1的結構的所有被監(jiān)測量的數(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(^+1。；s.回到第g步，開始下一次循環(huán)。在步驟g中，獲得"名義虛擬單位損傷向量Diu"和"虛擬單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣ACi"的方法為gl.在結構的力學計算基準模型A1的基礎上進行若干次力學計算，計算次數(shù)數(shù)值上等于所有索的數(shù)量，有N根索就有N次計算，每一次計算假設索系統(tǒng)中只有一根索在原有虛擬損傷的基礎上再增加虛擬單位損傷，每一次計算中出現(xiàn)虛擬單位損傷的索不同于其它次計算中出現(xiàn)虛擬單位損傷的索，并且每一次假定有虛擬單位損傷的索的虛擬單位損傷值可以不同于其他索的虛擬單位損傷值，用"名義虛擬單位損傷向量D、"記錄所有索的假定的單位損傷，每一次計算得到所有被監(jiān)測量的當前數(shù)值，每一次計算得到的所有被監(jiān)測量的當前數(shù)值組成一個"被監(jiān)測量的計算當前數(shù)值向量"。當假設第j根索有單位損傷時，可用Citj表示對應的"被監(jiān)測量的當前計算數(shù)值向量Citj"。在本步驟中給各向量的元素編號時，應同本發(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元素，同其它向量中的、編號相同的元素，表達了同一被監(jiān)測量或同一對象的相關信息；g2.每一次計算得到的那個"被監(jiān)測量的當前計算數(shù)值向量Citj"減去"被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量ci。"得到一個向量，再將該向量的每一個元素都除以本次計算中假定的虛擬單位損傷值后得到一個"被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量";有N根索就有N個"被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量"；g3.由這N個"被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量"依次組成有N列的"虛擬單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣AC"'。"虛擬單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣"的列的編號規(guī)則與當前名義虛擬損傷向量di。和當前實際虛擬損傷向量di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)同步受損或松弛的條件下可以非常準確地監(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)。這是由于"被監(jiān)測量的當前數(shù)值向量Ci"同"被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量Ci。"、"虛擬單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣AC"'和"當前名義虛擬損傷向量dV'間的線性關系是近似的，實際上是非線性的關系，特別是在受損索較多或受損程度較大時，上述量之間的關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)間內用線性關系逼近該非線性關系的健康監(jiān)測方法。本發(fā)明實際上使用了用線性關系分段逼近非線性關系的方法，將大區(qū)間分割成一個個小區(qū)間，在每一個小區(qū)間內線性關系都是足夠準確的，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。具體實施例方式針對索結構的索系統(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)測索結構的索系統(tǒng)的每一根索的健康狀況的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的實施例的下面說明實質上僅僅是示例性的，并且目的絕不在于限制本發(fā)明的應用或使用。本發(fā)明采用一種算法，該算法用于監(jiān)測索結構中的索系統(tǒng)的健康狀態(tài)(包括索的松弛程度和受損程度)。具體實施時，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和矩陣。設索系統(tǒng)中共有N根索。確定指定的被監(jiān)測點(即所有表征結構空間坐標的指定點，設有K個指定點)，給所有指定點編號；確定過每一監(jiān)測點的被監(jiān)測空間坐標分量(設過每一監(jiān)測點有L個被監(jiān)測的空間坐標分量)，給所有指定的被監(jiān)測的空間坐標分量編號。上述編號在后續(xù)步驟中同樣將用于生成向量和矩陣。"結構的全部被監(jiān)測的空間坐標數(shù)據(jù)"由上面確定的結構上K個指定點的、過每個指定點的L個空間坐標分量來描述，結構空間坐標的變化就是所有指定點的、所有指定的空間坐標分量的變化。每次共有M(M二KXL)個空間坐標分量測量值或計算值來表征結構的空間坐標信息。K和M不得小于支承索的數(shù)量N。每一個指定被監(jiān)測點可以就是每一根索的固定端點(例如是斜拉橋的拉索在橋梁上的固定端)或其附近的一個點；在每一個指定被監(jiān)測點可以監(jiān)測一個或一個以上的空間坐標分量。為方便起見，在本發(fā)明中將"結構的被監(jiān)測的空間坐標數(shù)據(jù)"稱為"被監(jiān)測量"。第二步利用索的無損檢測數(shù)據(jù)等能夠表達索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)建立初始虛擬損傷向量d1。。如果沒有索的無損檢測數(shù)據(jù)及其他能夠表達索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)時，或者可以認為結構初始狀態(tài)為無損傷、無松弛狀態(tài)時，向量d1。的各元素數(shù)值取0。第三步在建立初始虛擬損傷向量d1。的同時，直接測量計算得到索結構的所有被監(jiān)測量的初始數(shù)值，組成"被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量C、";同時，直接測量計算得到索結構的所有支承索的初始索力，組成"初始索力向量F。"；同時，依據(jù)結構設計數(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1。"；同時，實測或根據(jù)結構設計、竣工資料得到所有索的彈性模量、密度、初始橫截面面積。第四步在建立初始虛擬損傷向量d1。的同時，可以采用成熟的測量方法進行索力測量、應變測量、角度測量和空間坐標測量。直接測量或測量后計算得到索結構初始幾何形狀數(shù)據(jù)(對于斜拉橋就是其初始橋型數(shù)據(jù))，索結構的初始幾何形狀數(shù)據(jù)可以是所有索的端點的空間坐標數(shù)據(jù)加上結構上一系列的點的空間坐標數(shù)據(jù)，目的在于根據(jù)這些坐標數(shù)據(jù)確定索結構的幾何特征。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的空間坐標數(shù)據(jù)加上橋梁兩端上若干點的空間坐標數(shù)據(jù)，這就是所謂的橋型數(shù)據(jù)。根據(jù)索結構的設計圖、竣工圖和索結構的實測數(shù)據(jù)(可以包括結構初始幾何形狀數(shù)據(jù)、初始角度坐標數(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)、角度坐標數(shù)據(jù)、索力數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù))，利用力學方法(例如采用有限元法)建立該結構的力學計算基準模型(例如有限元基準模型)，基于該模型計算所得的計算數(shù)據(jù)同上述實測數(shù)據(jù)越接近越好，其間的差異一般不得大于5%，此時該模型被稱為結構的力學計算基準模型A1。第五步安裝索結構健康監(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)(例如含空間坐標測量傳感器、信號調理器等)、索力監(jiān)測系統(tǒng)(例如含加速度傳感器、信號調理器等)、各支承索兩支承端點的水平距離監(jiān)測系統(tǒng)(例如用全站儀進行測量)、信號(數(shù)據(jù))采集器、計算機和通信報警設備。每一個被監(jiān)測量、每一個支承索的索力和每一根支承索兩支承端點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；信號經信號采集器傳遞到計算機；計算機則負責運行索結構的索系統(tǒng)的健康監(jiān)測軟件，包括記錄信號采集器傳遞來的信號；當監(jiān)測到索有松弛或損傷時，計算機控制通信報警設備向監(jiān)控人員、業(yè)主和(或)指定的人員報警。第六步編制并在監(jiān)控計算機上安裝索結構的索系統(tǒng)健康監(jiān)測系統(tǒng)軟件。在每次循環(huán)時都運行該軟件，或者說此軟件始終在運行。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算、控制和監(jiān)控工作，并能依據(jù)設定的條件(例如虛擬損傷達到某一值)，自動通知或提示監(jiān)控人員通知特定的技術人員完成必要的計算工作。2.從存儲在計算機硬盤上的數(shù)據(jù)文件中讀取"被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量Ci。"和"虛擬單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣ACi"等所有必要參數(shù)。本發(fā)明中用i表達循環(huán)次數(shù)，第一次執(zhí)行本步時i=l，后面i及上標i都表示循環(huán)次數(shù)，i=1，2，3，......；用j表達第j根索的相關信息，j=1，2，3，…，N。3.定時(或隨機觸發(fā)式)記錄通過信號采集器傳來的信號。4.對記錄的信號進行信號處理，計算得到所有待測量的被監(jiān)測量的當前數(shù)值，所有的被監(jiān)測量的當前數(shù)值組成"被監(jiān)測量的當前數(shù)值向量Ci"。對記錄的信號進行信號處理，計算得到索結構的所有支承索的當前索力，組成當前索力向量Fi。對記錄的信號進行信號處理，計算得到所有支承索的兩個支承端點的水平距離。5.依據(jù)"被監(jiān)測量的當前(計算或實測)數(shù)值向量Ci"同"被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量Ci。"、"虛擬單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣ACi"和"當前名義虛擬損傷向量d、"間存在的近似線性關系(見式(9))，按照多目標優(yōu)化算法計算索系統(tǒng)當前名義虛擬損傷向量《的非劣解。可以采用的多目標優(yōu)化算法有很多種，例如基于遺傳算法的多目標優(yōu)化、基于人工神經網絡的多目標優(yōu)化、基于粒子群的多目標優(yōu)化算法、基于蟻群算法的多目標優(yōu)化、約束法(ConstrainMethod)、力口權法(WeightedSumMethod)、目標規(guī)劃法(GoalAttainmentMethod)等等。由于各種多目標優(yōu)化算法都是常規(guī)算法，可以方便地實現(xiàn)，本實施步驟僅以目標規(guī)劃法為例給出求解當前名義虛擬損傷向量di。的過程，其它算法的具體實現(xiàn)過程可根據(jù)其具體算法的要求以類似的方式實現(xiàn)。按照目標規(guī)劃法，式(9)可以轉化成式(29)和式(30)所示的多目標優(yōu)化問題，式(29)中Yi是一個實數(shù)，R是實數(shù)域，空間區(qū)域Q限制了向量di。的每一個元素的取值范圍(本實施例要求向量di。的每一個元素不小于0，不大于l)。式(29)的意思是尋找一個絕對值最小的實數(shù)yi，使得式(30)得到滿足。式(30)中G(d。由式(31)定義，式(30)中加權向量Wi與的積表示式(30)中G(d、)與向量gi之間允許的偏差，gi的定義參見式(15)，其值將在第八步計算得到。實際計算時向量Wi可以與向量gi相同。目標規(guī)劃法的具體編程實現(xiàn)已經有通用程序可以直接采用。按照目標規(guī)劃法就可以求得當前名義損傷向量《。minimize(29)《:eQG(《)一PFy、g'(30)G(《)-血(AC、《-C'+C:)(31)求得當前名義虛擬損傷向量《后，可依據(jù)式(17)得到的當前實際虛擬損傷向量&每一個元素，當前實際虛擬損傷向量el1就是帶有合理誤差、但可以比較準確地從所有索中確定有問題的索(即虛擬受損索，可能是受損也可能是松弛)的位置及其虛擬損傷程度的解。若解得的當前實際虛擬損傷向量&的某一元素的數(shù)值為O，表示該元素所對應的索是完好的，沒有損傷或松弛的；若其數(shù)值為100%，則表示該元素所對應的索已經完全喪失承載能力；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)健康情況報表。7.報警功能。在指定條件下，自動操作通信報警設備向監(jiān)控人員、業(yè)主和(或)指定的人員報警。8.對那些判定為松弛的支承索，使用求得的當前實際虛擬損傷向量el1(后面將列出具體方法)中對應于該支承索的元素數(shù)值，利用測量獲得的當前索力向量Fi中對應于該17支承索的元素數(shù)值，利用測量獲得的所有支承索的兩個支承端點的水平距離，利用測量獲得的初始自由長度向量1。，利用已知的所有索的彈性模量、密度、初始橫截面面積數(shù)據(jù)，依據(jù)式(24)或式(25)可以求得這些索的松弛程度(即索長調整量)。這樣就實現(xiàn)了包含松弛識別和損傷識別的索結構的索系統(tǒng)的健康監(jiān)測。第七步在力學計算基準模型Ai基礎上進行若干次力學計算，計算次數(shù)數(shù)值上等于所有索的數(shù)量，有N根索就有N次計算，每一次計算假設索系統(tǒng)中只有一根索在原有虛擬損傷的基礎上再增加虛擬單位損傷，每一次計算中出現(xiàn)虛擬損傷的索不同于其它次計算中出現(xiàn)虛擬損傷的索，并且每一次假定有損傷的索的虛擬單位損傷值可以不同于其他索的虛擬單位損傷值，用"名義虛擬單位損傷向量D、"記錄所有索的假定的虛擬單位損傷，每一次計算(例如采用有限元法)得到索結構中所有指定被監(jiān)測量的當前數(shù)值，每一次計算得到的所有被監(jiān)測量的當前數(shù)值組成一個"被監(jiān)測量的計算當前數(shù)值向量"。當假設第j根索有單位損傷時，可用Citj表示對應的"被監(jiān)測量的計算當前數(shù)值向量"。每一次計算得到的那個"被監(jiān)測量的計算當前數(shù)值向量citj"減去"被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量cV'得到一個向量，再將該向量的每一個元素都除以本次計算中假定的虛擬單位損傷值后得到一個"被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量SCij";有N根索就有N個"被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量Scij"(j=1，2，3，…，N)。由這N個"被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量"依次組成有N列的"虛擬單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣ACi"，實際上"虛擬單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣ACi"的每一列(例如第j列)對應于一個"被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量"(例如SCij)。"虛擬單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣"的列的編號規(guī)則與當前名義虛擬損傷向量(1、和當前實際虛擬損傷向量di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，應同本發(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元素，同其它向量中的、編號相同的元素，表達了同一被監(jiān)測量或同一對象的相關信息。第八步建立線性關系誤差向量^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Ci。"、"虛擬單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣ACi")，在第七步進行每一次計算的同時，即在每一次計算中假設索系統(tǒng)中只有一根索在原有虛擬損傷的基礎上再增加虛擬單位損傷的同時，每一次計算組成一個"虛擬損傷向量(1、"，虛擬損傷向量(1\的元素個數(shù)等于索的數(shù)量，虛擬損傷向量d、的所有元素中只有一個元素的數(shù)值取每一次計算中假設增加虛擬單位損傷的索的虛擬單位損傷值，d、的其它元素的數(shù)值取0，那個不為0的元素的編號與假定增加虛擬單位損傷的索的對應關系、同其他向量的同編號的元素同該索的對應關系是相同的；將Citj、Ci。、厶(^、(1\帶入式(13)(需注意的，式(13)中C1用C^.帶入，d、用A帶入)，得到一個線性關系誤差向量ei，每一次計算得到一個線性關系誤差向量^;有N根索就有N次計算，就有N個線性關系誤差向量ei，將這N個線性關系誤差向量^相加后得到一個向量，將此向量的每一個元素除以N后得到的新向量就是最終的線性關系誤差向量e、向量gi等于最終的誤差向量ei。將向量gi保存在運行健康監(jiān)測系統(tǒng)軟件的計算機硬盤上，供健康監(jiān)測系統(tǒng)軟件使用。第九步將"初始索力向量F。"、"被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量Ci。"、"名義虛擬單位損傷向量Diu"、"初始自由長度向量l。"、"虛擬單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣ACi"和所有索的彈性模量、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行健康監(jiān)測系統(tǒng)軟件的計算機硬盤上。第十步運行索結構的索系統(tǒng)健康監(jiān)測系統(tǒng)(含硬件和軟件)，完成下列功能1.從存儲在計算機硬盤上的數(shù)據(jù)文件中讀取"初始索力向量F。"、"被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量Ci。"、"名義虛擬單位損傷向量Diu"、"初始自由長度向量l。"、"虛擬單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣ACi"和所有索的彈性模量、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(或隨機觸發(fā)式)記錄通過信號采集器傳來的信號。3.對記錄的信號進行信號處理，計算得到所有待測量的被監(jiān)測量的當前數(shù)值，所有的被監(jiān)測量的當前數(shù)值組成"被監(jiān)測量的當前數(shù)值向量Ci"。對記錄的信號進行信號處理，計算得到所有支承索的兩個支承端點的水平距離。對記錄的信號進行信號處理，計算得到索結構的所有支承索的當前索力，組成當前索力向量Fi。給本步及本步之前出現(xiàn)的所有向量的元素編號時，應使用同一編號規(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、對應于該元素所屬向量所定義的相關信息。4.依據(jù)"被監(jiān)測量的當前(計算或實測)數(shù)值向量Ci"同"被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量Ci。"、"虛擬單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣ACi"和"當前名義虛擬損傷向量di。"(由所有索的當前名義虛擬損傷量組成)間存在的近似線性關系(見式(9))，按照多目標優(yōu)化算法計算索系統(tǒng)當前名義虛擬損傷向量di。的非劣解。然后依據(jù)式(17)得到當前實際虛擬損傷向量di。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)健康情況報表。6.報警功能。在指定條件下，自動操作通信報警設備向監(jiān)控等人員報警，以便相關人員采取必要措施，例如通知相關人員對識別出的有問題的支承索進行鑒別，鑒別出受損索和松弛索(具體方法在第十一步介紹)。7.根據(jù)支承索的實際虛擬損傷程度計算出支承索等效的松弛程度。第十一步由于當前實際虛擬損傷向量di的元素數(shù)值代表對應索的虛擬損傷程度，所以根據(jù)當前實際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，需進行鑒別。鑒別的方法多種多樣，可以通過去除支承索的保護層，對支承索進行目視鑒別，或者借助光學成像設備進行目視鑒別，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，就是需調整索力的索，可由軟件完成松弛索的松弛程度(即索長調整量)的求解。第十二步在本次循環(huán)，即第i次循環(huán)中求得當前名義虛擬損傷向量di。后，首先，按照式(26)、式(27)建立標識向量B、第十三步如果標識向量Bi的元素全為O，則回到第十步繼續(xù)本次循環(huán)；如果標識向量Bi的元素不全為0，則進入下一步、即第十四步。第十四步根據(jù)式(28)計算得到下一次、即第i+l次循環(huán)所需的初始虛擬損傷向量cT。的每一個元素di+1。j。第十五步在力學計算基準模型Ai的基礎上，令索的健康狀況為上一步計算得到的向量dw。后，得到新的力學計算基準模型，即下一次(第i+l次)循環(huán)所需的力學計算基準模型#+1。第十六步通過對力學計算基準模型Ai+1的計算得到對應于模型Ai+1的結構的所有被監(jiān)測量的數(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ci+1。，即被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量。第十七步回到第七步，開始下一次循環(huán)。權利要求一種基于空間坐標監(jiān)測的識別松弛的支承索的遞進式健康監(jiān)測方法，其特征是該方法包括a.設共有N根索，首先確定索的編號規(guī)則，按此規(guī)則將索結構中所有的索編號，該編號在后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣；b.確定指定的將被監(jiān)測空間坐標的被監(jiān)測點，給所有指定點編號；確定過每一監(jiān)測點的將被監(jiān)測的空間坐標分量，給所有指定的被監(jiān)測空間坐標分量編號，“被監(jiān)測空間坐標分量編號”在后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣，“結構的全部被監(jiān)測的空間坐標數(shù)據(jù)”由上述所有被監(jiān)測空間坐標分量組成，將“結構的被監(jiān)測的空間坐標數(shù)據(jù)”簡稱為“被監(jiān)測量”，被監(jiān)測點的數(shù)量不得小于索的數(shù)量；所有被監(jiān)測空間坐標分量的數(shù)量之和不得小于索的數(shù)量；c.利用索的無損檢測數(shù)據(jù)等能夠表達索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)建立初始虛擬損傷向量dio，其中i表示循環(huán)次數(shù)，后面i及上標i都表示循環(huán)次數(shù)，i＝1，2，3，......；第一次循環(huán)時dio記為dlo；如果沒有索的無損檢測數(shù)據(jù)及其他能夠表達索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)時，或者可以認為結構初始狀態(tài)為無松弛、無損傷狀態(tài)時，向量dlo的各元素數(shù)值取0；d.在建立初始虛擬損傷向量dlo的同時，直接測量計算得到索結構的所有被監(jiān)測量的初始數(shù)值，組成被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量Clo；e.在建立初始虛擬損傷向量dlo和被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量Clo的同時，直接測量計算得到所有支承索的初始索力，組成初始索力向量Fo；同時，依據(jù)結構設計數(shù)據(jù)、竣工數(shù)據(jù)得到所有支承索的初始自由長度，組成初始自由長度向量lo；同時，依據(jù)結構設計數(shù)據(jù)、竣工數(shù)據(jù)或實測得到索結構的初始幾何數(shù)據(jù)；同時，實測或根據(jù)結構設計、竣工資料得到所有索的彈性模量、密度、初始橫截面面積；f.根據(jù)索結構的設計圖、竣工圖和索結構的上述實測數(shù)據(jù)，建立索結構的力學計算模型，基于該模型計算所得的計算數(shù)據(jù)同上述實測數(shù)據(jù)越接近越好，此時該模型被稱為結構的力學計算基準模型A1，A1對應的索的健康狀態(tài)由dlo描述；g.在力學計算基準模型Ai的基礎上進行若干次力學計算，通過計算獲得“名義虛擬單位損傷向量Diu”和“虛擬單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣ΔCi”；其中i表示循環(huán)次數(shù)，后面i及上標i都表示循環(huán)次數(shù)，i＝1，2，3，......。Ai對應的索的健康狀態(tài)由dio描述；h.實測得到索結構的所有支承索的當前索力，組成當前索力向量Fi；同時，實測得到索結構的所有指定被監(jiān)測量的當前實測數(shù)值，組成“被監(jiān)測量的當前數(shù)值向量Ci”；實測計算得到所有支承索的兩個支承端點的水平距離，給本步及本步之前出現(xiàn)的所有向量的元素編號時，應使用同一編號規(guī)則，這樣可以保證本步及本步之前和之后出現(xiàn)的各向量的、編號相同的元素，表示同一被監(jiān)測量的、對應于該元素所屬向量所定義的相關信息；i.定義待求的當前名義虛擬損傷向量dic和當前實際虛擬損傷向量di。損傷向量dlo、dic和di的元素個數(shù)等于索的數(shù)量，損傷向量的元素和索之間是一一對應關系，損傷向量的元素數(shù)值代表對應索的虛擬損傷程度或健康狀態(tài)；j.依據(jù)“被監(jiān)測量的當前數(shù)值向量Ci”同“被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量Cio”、“虛擬單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣ΔCi”和“當前名義虛擬損傷向量dic”間存在的近似線性關系，該近似線性關系可表達為式1，式1中除dic外的其它量均為已知，求解式1就可以算出當前名義虛擬損傷向量dic；<mrow><msup><mi>C</mi><mi>i</mi></msup><mo>=</mo><msubsup><mi>C</mi><mi>o</mi><mi>i</mi></msubsup><mo>+</mo><mi>Δ</mi><msup><mi>C</mi><mi>i</mi></msup><mo>·</mo><msubsup><mi>d</mi><mi>c</mi><mi>i</mi></msubsup></mrow>式1k.利用式2表達的當前實際虛擬損傷向量di的元素dij同初始虛擬損傷向量dio的元素dioj和當前名義虛擬損傷向量dic的元素dicj間的關系，計算得到當前實際虛擬損傷向量di的所有元素，<mrow><msub><msup><mi>d</mi><mi>i</mi></msup><mi>j</mi></msub><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><msubsup><mi>d</mi><mi>oj</mi><mi>i</mi></msubsup><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><msubsup><mi>d</mi><mi>cj</mi><mi>i</mi></msubsup><mo>)</mo></mrow></mrow>式2式2中j＝1，2，3，……，N，由于當前實際虛擬損傷向量di的元素數(shù)值代表對應索的當前實際虛擬損傷程度，即實際松弛程度或實際損傷程度，當前實際虛擬損傷向量di中數(shù)值不為0的元素對應的支承索就是有問題的支承索，有問題的支承索可能是松弛索、也可能是受損索，其數(shù)值反應了松弛或損傷的程度；l.從第k步中識別出的有問題的支承索中鑒別出受損索，剩下的就是松弛索；m.利用在第k步獲得的當前實際虛擬損傷向量di得到松弛索的當前實際虛擬損傷程度，利用在第h步獲得的當前索力向量Fi，利用在第h步獲得的所有支承索的兩個支承端點的水平距離，利用在第e步獲得的初始自由長度向量lo，利用在第e步獲得的所有索的彈性模量、密度、初始橫截面面積數(shù)據(jù)，通過將松弛索同受損索進行力學等效來計算松弛索的、與當前實際虛擬損傷程度等效的松弛程度，等效的力學條件是一、兩等效的索的無松弛和無損傷時的初始自由長度、幾何特性參數(shù)、密度及材料的力學特性參數(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，滿足上述兩個等效條件時，這樣的兩根支承索在結構中的力學功能就是完全相同的，即如果用等效的松弛索代替受損索后，索結構不會發(fā)生任何變化，反之亦然；依據(jù)前述力學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整索力的支承索的索長調整量；這樣就實現(xiàn)了支承索的松弛識別和損傷識別，計算時所需索力由當前索力向量Fi對應元素給出；n.在求得當前名義虛擬損傷向量dic后，按照式3建立標識向量Bi，式4給出了標識向量Bi的第j個元素的定義；<mrow><msup><mi>B</mi><mi>i</mi></msup><mo>=</mo><msup><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msubsup><mi>B</mi><mn>1</mn><mi>i</mi></msubsup></mtd><mtd><msubsup><mi>B</mi><mn>2</mn><mi>i</mi></msubsup></mtd><mtd><mo>·</mo><mo>·</mo><mo>·</mo></mtd><mtd><msubsup><mi>B</mi><mi>j</mi><mi>i</mi></msubsup></mtd><mtd><mo>·</mo><mo>·</mo><mo>·</mo></mtd><mtd><msubsup><mi>B</mi><mi>N</mi><mi>i</mi></msubsup></mtd></mtr></mtable></mfenced><mi>T</mi></msup></mrow>式3<mrow><msubsup><mi>B</mi><mi>j</mi><mi>i</mi></msubsup><mo>=</mo><mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><mn>0</mn><mo>,</mo></mtd><mtd><mi>if</mi></mtd><mtd><msubsup><mi>d</mi><mi>cj</mi><mi>i</mi></msubsup><mo><</mo><msubsup><mi>D</mi><mi>uj</mi><mi>i</mi></msubsup></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>1</mn><mo>,</mo></mtd><mtd><mi>if</mi></mtd><mtd><msubsup><mi>d</mi><mi>cj</mi><mi>i</mi></msubsup><mo>≥</mo><msubsup><mi>D</mi><mi>uj</mi><mi>i</mi></msubsup></mtd></mtr></mtable></mfenced></mrow>式4式3、式4中元素Bij是標識向量Bi的第j個元素，Diuj是名義虛擬單位損傷向量Diu的第j個元素，dicj是當前名義虛擬損傷向量dic的第j個元素，它們都表示第j根索的相關信息，式4中j＝1，2，3，……，N；o.如果標識向量Bi的元素全為0，則回到第h步繼續(xù)本次循環(huán)；如果標識向量Bi的元素不全為0，則進入下一步、即第p步；p.根據(jù)式5計算得到下一次、即第i+1次循環(huán)所需的初始虛擬損傷向量di+lo的每一個元素di+loj；<mrow><msubsup><mi>d</mi><mi>oj</mi><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msubsup><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><msubsup><mi>d</mi><mi>oj</mi><mi>i</mi></msubsup><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><msubsup><mi>D</mi><mi>uj</mi><mi>i</mi></msubsup><msubsup><mi>B</mi><mi>j</mi><mi>i</mi></msubsup><mo>)</mo></mrow></mrow>式5式5中Diuj是第i次循環(huán)名義虛擬單位損傷向量Diu的第j個元素，dicj是第i次循環(huán)當前名義虛擬損傷向量dic的第j個元素，Bij是第i次循環(huán)標識向量Bi的第j個元素。式5中j＝1，2，3，……，N；q.在力學計算基準模型Ai的基礎上，令索的健康狀況為di+lo后更新得到下一次、即第i+1次循環(huán)所需的力學計算基準模型Ai+1；r.通過對力學計算基準模型Ai+1的計算得到對應于模型Ai+1的結構的所有被監(jiān)測量的數(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+lo；s.回到第g步，開始下一次循環(huán)。2.根據(jù)權利要求1所述的基于空間坐標監(jiān)測的識別松弛的支承索的遞進式健康監(jiān)測方法，其特征在于在步驟g中，獲得"名義虛擬單位損傷向量Diu"和"虛擬單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣ACi"的方法為gl.在結構的力學計算基準模型#的基礎上進行若干次力學計算，計算次數(shù)數(shù)值上等于所有索的數(shù)量，有N根索就有N次計算，每一次計算假設索系統(tǒng)中只有一根索在原有虛擬損傷的基礎上再增加虛擬單位損傷，每一次計算中出現(xiàn)虛擬單位損傷的索不同于其它次計算中出現(xiàn)虛擬單位損傷的索，并且每一次假定有虛擬單位損傷的索的虛擬單位損傷值可以不同于其他索的虛擬單位損傷值，用"名義虛擬單位損傷向量D、"記錄所有索的假定的單位損傷，每一次計算得到所有被監(jiān)測量的當前數(shù)值，每一次計算得到的所有被監(jiān)測量的當前數(shù)值組成一個"被監(jiān)測量的計算當前數(shù)值向量";當假設第j根索有單位損傷時，可用C^.表示對應的"被監(jiān)測量的當前計算數(shù)值向量(:^"，在本步驟中給各向量的元素編號時，應同本發(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元素，同其它向量中的、編號相同的元素，表達了同一被監(jiān)測量或同一對象的相關信息；g2.每一次計算得到的那個"被監(jiān)測量的當前計算數(shù)值向量(:^"減去"被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量ci。"得到一個向量，再將該向量的每一個元素都除以本次計算中假定的虛擬單位損傷值后得到一個"被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量"；有N根索就有N個"被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量"；g3.由這N個"被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量"依次組成有N列的"虛擬單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣AC"'。"虛擬單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣"的列的編號規(guī)則與當前名義虛擬損傷向量d、和當前實際虛擬損傷向量el1的元素編號規(guī)則相同。全文摘要基于空間坐標監(jiān)測的識別松弛的支承索的遞進式方法，考慮到了被監(jiān)測量的當前數(shù)值向量同被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量、虛擬單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣和當前名義虛擬損傷向量間的線性關系是近似的，本發(fā)明基于空間坐標監(jiān)測，給出了使用線性關系分段逼近非線性關系的方法，將大區(qū)間分割成連續(xù)的一個個小區(qū)間，在每一個小區(qū)間內上述線性關系都是足夠準確的，在每一個小區(qū)間內可以利用多目標優(yōu)化算法等合適的算法算出當前索虛擬損傷向量的非劣解，據(jù)此可識別出虛擬受損索，在使用無損檢測等方法從中鑒別出真實受損索后，剩下的虛擬受損索就是松弛的支承索，依據(jù)松弛程度同虛擬損傷程度間的關系就可確定需調整的索長。文檔編號G01M99/00GK101696910SQ20091018535公開日2010年4月21日申請日期2009年11月5日優(yōu)先權日2009年11月5日發(fā)明者韓玉林申請人:東南大學;