復雜環(huán)境下基于累積損傷因子序列的橋梁結構損傷診斷方法
【專利摘要】復雜環(huán)境下基于累積損傷因子序列的橋梁結構損傷診斷方法，屬于實際運營中的橋梁結構損傷診斷領域。本發(fā)明是為了解決復雜環(huán)境下基于海量監(jiān)測數(shù)據(jù)的橋梁結構損傷診斷方法的準確性低的問題。本發(fā)明所述的復雜環(huán)境下基于累積損傷因子序列的橋梁結構損傷診斷方法，采用健康狀態(tài)下的橋梁結構監(jiān)測數(shù)據(jù)構建損傷診斷閾值，通過對不同時刻待診斷狀態(tài)下的累積損傷判別因子與損傷診斷閾值進行比較，從而判別橋梁結構產生損傷與否。同時本發(fā)明所述方法通過相關性置亂策略，能夠剔除各種環(huán)境因素對橋梁結構監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響，本發(fā)明能夠使復雜環(huán)境條件下橋梁結構損傷診斷的準確性得到提高，本發(fā)明適用于解決實際運營的橋梁結構損傷診斷問題。
【專利說明】復雜環(huán)境下基于累積損傷因子序列的橋梁結構損傷診斷方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于實際運營中的橋梁結構損傷診斷領域。
【背景技術】
[0002]橋梁結構是連接公路的重要樞紐，其結構的安全性對保障公路交通的安全與暢通舉足輕重。為保障橋梁結構在運營期間的安全性、完整性和適用性，急需采用有效的技術手段對橋梁結構性能的變化過程給予準確的診斷，從而有效地診斷橋梁結構損傷。近年來，隨著傳感器技術、數(shù)值模擬、損傷識別技術的快速發(fā)展，結構健康監(jiān)測技術開始廣泛應用于大型橋梁結構。結構健康監(jiān)測技術可以持續(xù)可靠地提供橋梁結構狀態(tài)、響應信息；識別設計和建造中的各種缺陷、劣化和損傷；評估損傷對橋梁結構承載能力和可靠性的影響;為橋梁結構運營和維修決策者提供超載和損傷的警告信息。因此，結構健康監(jiān)測技術逐漸成為準確診斷橋梁結構損傷的有效手段。
[0003]然而，由于運營的橋梁結構往往處于時變和復雜環(huán)境下，使得基于結構健康監(jiān)測技術的橋梁結構損傷診斷方法的研究仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。首先，健康監(jiān)測系統(tǒng)的連續(xù)運行導致積累的數(shù)據(jù)已經趨于海量，而且監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)種類繁多、數(shù)據(jù)質量參差不齊；其次，由于這些海量數(shù)據(jù)是橋梁結構運行狀態(tài)下遭受各種耦合作用的綜合反應，所以各種環(huán)境及荷載因素對監(jiān)測數(shù)據(jù)具有較大的影響，而且這些影響往往掩蓋結構損傷導致的監(jiān)測數(shù)據(jù)變化，從而使得橋梁結構損傷診斷仍具有較大難度。如何有效剔除多種環(huán)境及荷載因素對結構監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響，從而利用實時監(jiān)測數(shù)據(jù)準確診斷橋梁結構損傷是一個頗具挑戰(zhàn)性的課題。由此可知，多種環(huán)境及荷載因素對監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響是大跨度橋梁結構損傷診斷的瓶頸。復雜環(huán)境下基于實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的橋梁結構損傷診斷的準確性非常低。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明是為了解決復雜環(huán)境下基于實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的橋梁結構損傷診斷方法的準確性低的問題，現(xiàn)提供復雜環(huán)境下基于累積損傷因子序列的橋梁結構損傷診斷方法。
[0005]復雜環(huán)境下基于累積損傷因子序列的橋梁結構損傷診斷方法，該方法包括以下步驟:
[0006]步驟一:采集待診斷狀態(tài)下橋梁結構的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，并以監(jiān)測時間的中間時間點作為劃分點，將該監(jiān)測數(shù)據(jù)平均劃分為前段時間部分和后段時間部分；
[0007]步驟二:利用步驟一獲得的前段時間部分監(jiān)測數(shù)據(jù)建立待診斷狀態(tài)下橋梁數(shù)據(jù)模型；
[0008]步驟三:根據(jù)步驟一獲得的后段時間部分監(jiān)測數(shù)據(jù)和步驟二獲得的待診斷狀態(tài)下橋梁數(shù)據(jù)模型，構建待診斷狀態(tài)下橋梁累積損傷特征向量；
[0009]步驟四:根據(jù)步驟三獲得的待診斷狀態(tài)下橋梁累積損傷特征向量，利用累積控制圖方法確定待診斷狀態(tài)下橋梁結構累積損傷判別因子序列；[0010]步驟五:采用相關性置亂方法對待診斷狀態(tài)下橋梁結構累積損傷判別因子序列進
行重置；
[0011]步驟六:將重置后的累積損傷判別因子序列與損傷診斷閾值進行比較，當累積損傷判別因子序列中的任意一個元素大于損傷診斷閾值時，則橋梁結構損傷。
[0012]本發(fā)明所述的復雜環(huán)境下基于累積損傷因子序列的橋梁結構損傷診斷方法，采用健康狀態(tài)下的橋梁結構監(jiān)測數(shù)據(jù)構建損傷診斷閾值，通過對不同時刻待診斷狀態(tài)下的累積損傷判別因子與損傷診斷閾值進行比較，從而判別橋梁結構產生損傷與否。同時本發(fā)明所述方法通過相關性置亂策略，能夠剔除各種環(huán)境因素對橋梁結構監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響，本發(fā)明能夠使復雜環(huán)境條件下橋梁結構損傷診斷的準確性得到提高，本發(fā)明適用于解決實際運營的橋梁結構損傷診斷問題。本發(fā)明還能夠直接應用于橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對橋梁結構狀態(tài)的在線實時診斷。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為三跨連續(xù)梁橋結構示意圖。
[0014]圖2為混凝土材料的彈性模量與環(huán)境溫度的相關性曲線圖。
[0015]圖3為鋼材材料的彈性模量與環(huán)境溫度的相關性曲線圖。
[0016]圖4為模擬橋梁結構環(huán)境溫度年變化規(guī)律曲線圖。
[0017]圖5為本發(fā)明所述的復雜環(huán)境下基于累積損傷因子序列的橋梁結構損傷診斷方法的損傷診斷結果數(shù)據(jù)曲線圖。
[0018]圖6為常規(guī)的橋梁結構異常診斷方法的損傷診斷結果數(shù)據(jù)曲線圖。
[0019]圖7為【具體實施方式】一所述的復雜環(huán)境下基于累積損傷因子序列的橋梁結構損傷診斷方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0020]【具體實施方式】一:參照圖7具體說明本實施方式，本實施方式所述的復雜環(huán)境下基于累積損傷因子序列的橋梁結構損傷診斷方法，該方法包括以下步驟:
[0021]步驟一:采集待診斷狀態(tài)下橋梁結構的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，并以監(jiān)測時間的中間時間點作為劃分點，將該監(jiān)測數(shù)據(jù)平均劃分為前段時間部分和后段時間部分；
[0022]步驟二:利用步驟一獲得的前段時間部分監(jiān)測數(shù)據(jù)建立待診斷狀態(tài)下橋梁數(shù)據(jù)模型；
[0023]步驟三:根據(jù)步驟一獲得的后段時間部分監(jiān)測數(shù)據(jù)和步驟二獲得的待診斷狀態(tài)下橋梁數(shù)據(jù)模型，構建待診斷狀態(tài)下橋梁累積損傷特征向量；
[0024]步驟四:根據(jù)步驟三獲得的待診斷狀態(tài)下橋梁累積損傷特征向量，利用累積控制圖方法確定待診斷狀態(tài)下橋梁結構累積損傷判別因子序列；
[0025]步驟五:采用相關性置亂方法對待診斷狀態(tài)下橋梁結構累積損傷判別因子序列進
行重置；
[0026]步驟六:將重置后的累積損傷判別因子序列與損傷診斷閾值進行比較，當累積損傷判別因子序列中的任意一個元素大于損傷診斷閾值時，則橋梁結構損傷。
[0027]累積損傷因子序列的損傷診斷方法，即利用橋梁結構損傷累積過程的特征判別橋梁產生損傷與否。復雜環(huán)境因素影響下，現(xiàn)有基于異常診斷的橋梁結構損傷診斷方法的基本思想為:采用健康狀態(tài)下的橋梁結構監(jiān)測數(shù)據(jù)構建結構損傷判別因子，通過對不同時刻的損傷判別因子進行異常診斷，從而判別橋梁結構產生損傷與否。但是，實際橋梁損傷發(fā)展過程是一個從微小損傷逐漸發(fā)展至嚴重損傷的不可逆過程，因此，利用待診斷狀態(tài)下某個時刻的損傷判別因子與損傷診斷閾值進行比較，與利用不斷累積的監(jiān)測損傷因子序列與損傷診斷閾值進行比較進行異常診斷，后者對損傷的敏感程度遠高于前者。
[0028]本實施方式中，提出利用相關性置亂策略對累積損傷因子進行重置，從而消除累積損傷因子序列中各損傷判別因子之間的相關性。由于橋梁結構損傷因子之間在監(jiān)測時間、環(huán)境因素及荷載作用等方面均具有相關性，所以建立的累積損傷因子序列同樣具有上述相關性，從而導致基于獨立同分布假設的異常診斷算法均無法應用，即橋梁損傷診斷方法失效。綜上，提出消除損傷判別因子相關性的有效方法對準確診斷橋梁損傷具有重要意義。
[0029]【具體實施方式】二:本實施方式是對【具體實施方式】一所述的復雜環(huán)境下基于累積損傷因子序列的橋梁結構損傷診斷方法作進一步說明，本實施方式中，步驟二所述建立待診斷狀態(tài)下橋梁數(shù)據(jù)模型的方法為:
[0030]步驟二一:設監(jiān)測數(shù)據(jù)向量為ymX1，步驟一獲得的前段時間部分監(jiān)測數(shù)據(jù)矩陣為Y1 = [Y1,12,…，yn]，則Y1的協(xié)方差定義為:
【權利要求】
1.復雜環(huán)境下基于累積損傷因子序列的橋梁結構損傷診斷方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 步驟一:采集待診斷狀態(tài)下橋梁結構的海量監(jiān)測數(shù)據(jù)，并以監(jiān)測時間的中間時間點作為劃分點，將該監(jiān)測數(shù)據(jù)平均劃分為前段時間部分和后段時間部分； 步驟二:利用步驟一獲得的前段時間部分監(jiān)測數(shù)據(jù)建立待診斷狀態(tài)下橋梁數(shù)據(jù)模型；步驟三:根據(jù)步驟一獲得的后段時間部分監(jiān)測數(shù)據(jù)和步驟二獲得的待診斷狀態(tài)下橋梁數(shù)據(jù)模型，構建待診斷狀態(tài)下橋梁累積損傷特征向量； 步驟四:根據(jù)步驟三獲得的待診斷狀態(tài)下橋梁累積損傷特征向量，利用累積控制圖方法確定待診斷狀態(tài)下橋梁結構累積損傷判別因子序列； 步驟五:采用相關性置亂方法對待診斷狀態(tài)下橋梁結構累積損傷判別因子序列進行重置； 步驟六:將重置后的累積損傷判別因子序列與損傷診斷閾值進行比較，當累積損傷判別因子序列中的任意一個元素大于損傷診斷閾值時，則橋梁結構損傷。
2.根據(jù)權利要求1所述的復雜環(huán)境下基于累積損傷因子序列的橋梁結構損傷診斷方法，其特征在于，步驟二所述建立待診斷狀態(tài)下橋梁數(shù)據(jù)模型的方法為: 步驟二一:設監(jiān)測數(shù)據(jù)向量為ymX1，步驟一獲得的前段時間部分監(jiān)測數(shù)據(jù)矩陣為Y1 =[yi, y2,…，yn]，則Yi的協(xié)方差定義為:

3.根據(jù)權利要求2所述的復雜環(huán)境下基于累積損傷因子序列的橋梁結構損傷診斷方法，其特征在于，步驟三所述構建待診斷狀態(tài)下橋梁累積損傷特征向量的方法為: 步驟三一:設步驟一獲得的另一部分監(jiān)測數(shù)據(jù)為Y2 = [yn+1, yn+2,…，yn+k]，則監(jiān)測數(shù)據(jù)向量為:)=y^-F⑶ 式中，j = 1,2,…，k，且k為正整數(shù)； 步驟三二:根據(jù)數(shù)據(jù)模型{ μ，U2，SJ和監(jiān)測數(shù)據(jù)向量I能夠獲得向量Pj:Pi=^lh⑷ 步驟三三:根據(jù)向量Pj，能夠構建待診斷狀態(tài)—卜橋梁累積損傷特征向量r = {r1； r2,…，rk}，其中每個元素定義為:
4.根據(jù)權利要求3所述的復雜環(huán)境下基于累積損傷因子序列的橋梁結構損傷診斷方法，其特征在于，步驟四所述確定待診斷狀態(tài)下橋梁結構累積損傷判別因子序列為: 設待診斷狀態(tài)下橋梁累積損傷特征向量r服從正態(tài)分布，則有概率分布模型:
5.根據(jù)權利要求4所述的復雜環(huán)境下基于累積損傷因子序列的橋梁結構損傷診斷方法，其特征在于，在步驟一之前，首先定義損傷診斷閾值，定義損傷診斷閾值的方法為: 子步驟一:采集健康狀態(tài)下橋梁結構的海量監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將該健康狀態(tài)下橋梁結構的海量監(jiān)測數(shù)據(jù)平均劃分為兩部分； 子步驟二:根據(jù)子步驟一獲得的一部分監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用步驟二的方法建立健康狀態(tài)下橋梁數(shù)據(jù)模型； 子步驟三:根據(jù)子步驟一獲得的另一部分監(jiān)測數(shù)據(jù)和子步驟二獲得的健康狀態(tài)下橋梁數(shù)據(jù)模型，利用步驟三的方法構建健康狀態(tài)下橋梁累積損傷特征向量； 子步驟四:根據(jù)子步驟三獲得的橋梁累積損傷特征向量，利用步驟四的方法確定健康狀態(tài)下橋梁結構累積損傷判別因子序列；并按照該累積損傷判別因子序列5%的誤差概率確定損傷 診斷閾值。
【文檔編號】G06F19/00GK103984875SQ201410255647
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年6月10日 優(yōu)先權日:2014年6月10日
【發(fā)明者】劉洋, 王德軍, 馬俊, 張紹逸, 楊昌熙 申請人:哈爾濱工業(yè)大學