專利名稱：基于多主體協作的分布式結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明基于多主體協作的分布式結構健康監(jiān)測系統(tǒng)，屬工程結構健康監(jiān)測技術。
背景技術：
工程結構的健康監(jiān)測技術近年來一直是一個研究的熱點方向。在航空航天領域，復合材料由于輕質、高強度、高模量，可提高飛機結構的效率，降低飛機結構重量系數，在飛機上的應用越來越多。目前國際上最先進的第四代戰(zhàn)機F22，樹脂基復合材料的用量已達到飛機結構重量的24％?？傮w而言，層合復合材料在減輕結構重量，提高承載能力和隱身等方面性能卓著，然而它在損傷、失效等方面的表現卻是機理復雜，現象多樣，判別困難。目前，在復合材料損傷的無損檢測手段中，還不具備實時在線大面積監(jiān)測的功能，且大多數設備復雜，成本高，費工費時，從而限制了復合材料的應用范圍。在土木工程領域，重大工程結構，諸如跨江跨海的超大跨橋梁，用于大型體育賽事的超大跨空間結構，代表現代城市象征的超高層建筑，開發(fā)江河能源的大型水利工程，用于海洋油氣資源開發(fā)的大型海洋平臺結構以及核電站建筑等，它們的使用期長達幾十年、甚至上百年，環(huán)境侵蝕、材料老化和荷載的長期效應、疲勞效應與突變效應等災害因素的耦合作用將不可避免地導致結構和系統(tǒng)的損傷積累和抗力衰減，從而抵抗自然災害、甚至正常環(huán)境作用的能力下降，極端情況下引發(fā)災難性的突發(fā)事故。上述這些問題都迫切需要結構健康監(jiān)測技術來加以解決。結構健康監(jiān)測是采用智能材料結構的新概念，利用集成在結構中的先進傳感/驅動元件網絡，在線實時地獲取與結構健康狀況相關的信息(如應力、應變、溫度等)，結合先進的信息處理方法和復合材料力學建模方法，提取特征參數，識別結構的狀態(tài)，包括損傷，從而實現結構健康自診斷，以保證結構的安全和降低維修費用。
目前在美國軍方和政府部門的多項研究計劃中都采用了復合材料結構健康監(jiān)測技術。例如，在USAF的資助下，針對F-18、F-22、JSF和X-33等飛行器，已進行了結構健康監(jiān)測技術的應用基礎研究。美國諾斯羅普-格魯門公司利用壓電傳感器及光纖傳感器，監(jiān)測具有隔段的F-18機翼結構的損傷及應變；將光纖傳感系統(tǒng)安裝在F-18機翼蒙皮上，實時在線監(jiān)測機翼上的壓力分布和結構的損傷，并驗證智能蒙皮的概念。洛克希德-馬丁公司將Bragg光柵光纖傳感網絡用于X-33箱體結構件的應力和溫度的準分布監(jiān)測。此外，DALTA II火箭的復合材料火箭發(fā)動機箱采用了基于光纖傳感器網絡的結構健康監(jiān)測系統(tǒng)，歐洲聯合研制的Eurofight 2000新型戰(zhàn)機亦采用了先進的結構健康監(jiān)測技術。美國八十年代中后期就開始在多座橋梁上布設監(jiān)測傳感器，監(jiān)測環(huán)境荷載、結構振動和局部應力狀態(tài)，用以驗證設計假定、監(jiān)視施工質量和實時評定服役安全狀態(tài)，例如，佛羅里達州的SunshineSkyway Bridge橋上安裝了500多個傳感器。美國僅1995年，就投資1.44億美元，在90座大壩配備了安全監(jiān)測設備。香港青馬大橋安裝了500個加速度傳感器、粘貼了大量的應變片和一套GPS系統(tǒng)，用以長期監(jiān)測橋梁的服役安全性。以上研究都表明結構健康監(jiān)測技術是目前國際研究的重點之一，具有明顯的工程應用的潛力。
結構健康監(jiān)測技術的研究已經歷了20多年的發(fā)展，雖然在多個領域取得了不少進展，但要真正將該技術實用化，還必須解決智能結構的大范圍集成問題。目前針對智能材料結構的研究，基本都在尺寸較小的試件上，在實驗室進行。研究中所采用的器件數量大都較少，需要決策的目標相對簡單，所需信號信息處理的運算量不大，需要傳輸的信息也較少，一些管理和協調的功能基本還不需要。作為一種原理性研究，這些方法是可行的。但如果針對實際工程應用對象，智能結構技術在應用時的情況就要復雜、困難得多。由于所要監(jiān)測的結構不再是很小的試驗件，因此所需的結構傳感器件的數目、所需決策對象的復雜性都將大大增加，隨之所帶來的是結構健康監(jiān)測網絡的復雜程度、用于信號信息處理的運算量、需要通信、傳輸的信息量、系統(tǒng)各部分之間的管理、協調需求及監(jiān)測網絡所需消耗的能量等的急劇增加。這些問題如不能加以解決，結構健康監(jiān)測技術就不可能真正得到較好的應用。

發(fā)明內容
針對大型工程結構的健康監(jiān)測問題，本發(fā)明提出并研制一種基于多主體協作的并行分布式健康監(jiān)測系統(tǒng)以替代目前廣泛研究的串行系統(tǒng)結構，以降低信息傳輸要求，提供系統(tǒng)運行速度，融合多種傳感器信息及結構狀態(tài)評估結果，實現對結構的大面積在線監(jiān)測功能。
分布式結構健康監(jiān)測系統(tǒng)中，傳感器網絡中包含有不同種類、數目較多的傳感器。對于每個傳感器而言，它具有自身特定的功能，如監(jiān)測應力、應變、溫度、壓力、損傷等多種結構參數，每個傳感器所獲得的信息是不完整的，每個傳感器的局部信號信息處理功能是有限的，不同傳感器之間的工作及數據傳輸需要進行協調、管理，而實際工程結構往往都是大型結構，其健康監(jiān)測實際上也是一個復雜的應用對象，目前的各種結構健康監(jiān)測方法都具有各自的局限性。智能協作技術(Multi-agent System)近年來被認為是實現分布式系統(tǒng)的一項關鍵技術。智能主體協作技術的重要性不僅在于該技術可使分布式系統(tǒng)的所有資源得以高效、充分地加以應用，而且在于該技術提供了一個管理和組織平臺以構建大型、復雜、魯棒的分布式信息處理系統(tǒng)。在智能協作系統(tǒng)中，不同的信息子系統(tǒng)或信息源被轉換成不同的智能主體，雖然每個智能主體所獲得的信息是不完整的、不精確的或信息處理能力有限，但每個主體由于具有關于系統(tǒng)整體組織結構的知識或關于其他主體的資源、技能、組織職能、目標等知識，因而，智能主體具有自主性和社會性，能夠互相作用，高效、透明地使用系統(tǒng)所有資源，相互協同并解決由單一主體無法解決的困難問題。
在本發(fā)明中，采用多主體協作技術同結構健康監(jiān)測技術結合以實現分布式結構健康監(jiān)測系統(tǒng)。同以往的健康監(jiān)測系統(tǒng)不同，該系統(tǒng)中所有的各功能組成都被轉換成智能主體形式，所謂智能主體(Agent)是指能作用于自身和環(huán)境，并可與其他智能體通信的，具體計算能力的一個軟件或硬件的實體。本發(fā)明通過將傳統(tǒng)結構健康監(jiān)測系統(tǒng)中的各個功能模塊通過軟硬件轉換，實現以下6種主體，分別為
a.傳感主體負責對特定結構參數進行監(jiān)測，這些參數包括結構的應力、應變、位移、壓力、溫度、濕度、聲發(fā)射等。
b.信號處理主體負責對傳感主體所獲得的監(jiān)測信號進行信號處理、提取表征結構狀態(tài)的特征參數。
c.評估主體負責依據設定的健康監(jiān)測決策方法對信號處理主體所提取的結構狀態(tài)特征參數進行健康評估。
d.融合主體負責對采用不同決策方法所獲得的各種評估結果進行數據融合，以給出綜合的結構狀態(tài)評估結果。
e.管理主體負責管理傳感器網絡協同工作、如監(jiān)測過程同步、數據傳輸時序安排、沖突消解等。
f.用戶接口主體負責接受用戶指令，并顯示系統(tǒng)監(jiān)測和評估結果及工作狀態(tài)。
基于多主體協作的健康監(jiān)測系統(tǒng)正是基于上述多個主體的協作進行工作的，其體系結構采用兩層結構，第一層為中央管理融合層，第二層為局部監(jiān)測網絡層。
中央管理融合層負責對整個結構給出健康監(jiān)測評估結果，其主體包括接口主體、中央融合主體，中央管理主體和通訊主體，其中中央管理主體同下一層的各局部監(jiān)測網絡雙向連接，負責協調各局部監(jiān)測網絡的工作及數據通訊。局部監(jiān)測網絡層的各局部監(jiān)測結果輸出是中央融合主體的輸入，中央融合主體的輸出輸入至用戶接口主體顯示。用戶接口主體也同中央管理主體雙向連接，用來顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)并將用戶指令傳遞給中央管理主體實施。中央管理主體所管理的局部監(jiān)測網絡一般為1-20個。
局部監(jiān)測網絡用來監(jiān)測結構不同部位的參數，或相同部位的不同參數并給出結構局部健康狀態(tài)的評估結構。每個局部監(jiān)測網絡中傳感主體的個數根據傳感器的種類而有所不同，一般在4-10個之間。每組傳感主體的輸出同時輸入到2-3種不同的信號處理主體中，經信號處理主體處理后，又分別輸入到2-3種結構狀態(tài)評估主體中，結構狀態(tài)評估主體同系統(tǒng)數據庫雙向相連，系統(tǒng)數據庫中保存有結構健康狀態(tài)下的各種參數及預期或經驗失效參數，可供結構評估主體使用，同時結構評估主體將典型評估結構及其數據放入數據庫保存，以作為今后評估的參考。所有評估結果輸入該網絡局部融合主體進行融合，最終輸出至上一層中央管理融合層。局部管理主體同局部監(jiān)測網絡中的所有主體雙向連接，以協調所有主體的工作。


圖1是基于多主體協作的分布式結構健康監(jiān)測系統(tǒng)組成框圖。
圖2是中央管理主體計算機程序流程圖。
圖3是局部監(jiān)測網絡計算機程序流程圖。
具體實施例方式圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結構組成框圖，包括第一層的中央管理融合層和第二層的局部監(jiān)測網絡層，所述的第一層的中央管理融合層包括用戶接口主體與中央管理主體雙向連接。第二層的局部監(jiān)測網絡層的1到20個局部監(jiān)測網絡分別與中央管理主體和中央融合主體的輸入雙向連接，中央融合主體的輸出連于用戶接口主體；所述第二層的局部監(jiān)測網絡層的每個局部監(jiān)測網絡包括與監(jiān)測對象相連的4到10個傳感主體的輸出各自分別連于2到3種不同的信號處理主體的輸入端，各信號處理主體的輸出端分別連于2到3種結構狀態(tài)評估主體的輸入端，各結構狀態(tài)評估主體的輸出分別雙向連于與局部融合主體相連的系統(tǒng)數據庫及雙向連于該網絡的局部融合主體，局部融合主體還與局部監(jiān)測網絡的輸出相連，局部管理主體分別與每個傳感主體，局部融合主體及局部監(jiān)測網絡雙向相連。
在本發(fā)明中，傳感主體一共有3種，采用傳感器敏感元件結合帶有微處理器的無線智能傳感平臺加以實現，敏感元件的傳感功能可以使傳感主體實現特定的監(jiān)測功能，無線通訊能力可使傳感主體同其他主體實現通訊，進而實現工作的協調。所帶微處理器可使部分信號處理工作在傳感主體內部實現，從而減少了信息的傳輸量并實現了信號信息的并行處理。本發(fā)明中，敏感元件采用光纖傳感元件、壓電傳感元件及電阻應變元件3種。其中光纖及電阻應變元件用來監(jiān)測結構的應變、載荷，壓電用來監(jiān)測結構的聲發(fā)射信號、聲-超聲信號或Lamb波信號。無線傳感平臺采用美國加州大學Berkeley分校所研制的Mica無線傳感平臺，其射頻頻段為916.5MHZ。
系統(tǒng)中的其他主體都采用軟件實現。信號處理主體有波形特征處理主體、傅立葉處理主體、小波處理主體、濾波及滑動平均處理主體、統(tǒng)計特征處理主體、結構模態(tài)參數處理主體6種，分別分析傳感信號的波形特征、頻譜特征、時頻特征、統(tǒng)計特征，模態(tài)特征或進行信號的濾波或平滑處理。評估主體有人工神經網絡評估主體、結構力學模型參數評估主體、結構模態(tài)參數評估主體及模式識別評估主體4種。中央融合主體及局部融合主體都采用黑板結合加權平均的融合方法。所謂黑板融合方法的基本思想是多個評估方法協同評估一個對象，黑板是一個共享的問題求解工作空間。每個評估方法之間相互獨立，但它們都能共享黑板中的數據。當評估對象和監(jiān)測分析數據記錄到黑板上時，評估開始，每個方法都可以通過黑板尋找利用其他評估方法的進展求解自身評估結果的機會，當所獲得的信息使得本方法評估得以進展或使本評估結果的可靠性和準確性得以提高時，就將這一評估進展記錄在黑板上。新增加的信息有助于其他評估方法改進評估結果，最終獲得一個最準確可靠的評估結果。在采用黑板進行融合以后，如果不同的評估方法的評估結果仍有不同，則可以進一步采用加權平均的方法最終獲得一個評估結果。
圖2是中央管理主體計算機程序流程圖，負責整個系統(tǒng)的管理工作，圖3是局部監(jiān)測網絡計算機程序流程圖，負責基本監(jiān)測網絡內各主體的管理工作。
權利要求
1.一種基于多主體協作的分布式并行結構健康監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于包括第一層的中央管理融合層和第二層的局部監(jiān)測網絡層，所述的第一層的中央管理融合層包括用戶接口主體與中央管理主體雙向連接。第二層的局部監(jiān)測網絡層的1到20個局部監(jiān)測網絡分別與中央管理主體和中央融合主體的輸入雙向連接，中央融合主體的輸出連于用戶接口主體；所述第二層的局部監(jiān)測網絡層的每個局部監(jiān)測網絡包括與監(jiān)測對象相連的4到10個傳感主體的輸出各自分別連于2到3種不同的信號處理主體的輸入端，各信號處理主體的輸出端分別連于2到3種結構狀態(tài)評估主體的輸入端，各結構狀態(tài)評估主體的輸出分別雙向連于與局部融合主體相連的系統(tǒng)數據庫及雙向連于該網絡的局部融合主體，局部融合主體還與局部監(jiān)測網絡的輸出相連，局部管理主體分別與每個傳感主體，局部融合主體及局部監(jiān)測網絡雙向相連。
全文摘要
一種基于多主體協作的分布式結構健康監(jiān)測系統(tǒng)屬工程結構健康監(jiān)測技術，該系統(tǒng)將傳統(tǒng)結構健康監(jiān)測系統(tǒng)中所有的功能組成模塊都轉換成能作用于自身和環(huán)境，并可與其他智能主體通信的智能主體，這些主體包括傳感主體、信號處理主體、評估主體、融合主體、管理主體及用戶接口主體6大類；這些主體通過一個兩層的結構體系實現分布式結構健康監(jiān)測系統(tǒng)，包括中央管理融合層和局部監(jiān)測網絡層，分布式結構健康監(jiān)測系統(tǒng)通過這些主體之間的協作實現結構應力、應變、損傷、載荷的監(jiān)測和結構狀態(tài)的評估。該系統(tǒng)將原來由中央處理器實現的串行處理、集中決策的結構健康監(jiān)測系統(tǒng)，變?yōu)橐环N并行的分布式系統(tǒng)，將大大提高系統(tǒng)功能、可靠性和靈活性，同時提高運行速度、減少引線、降低功耗及信息傳輸量，有效實現對大型工程結構中的健康監(jiān)測和狀態(tài)評估。
文檔編號H04L12/28GK1614948SQ20041006566
公開日2005年5月11日 申請日期2004年11月11日 優(yōu)先權日2004年11月11日
發(fā)明者袁慎芳, 趙霞, 張亮, 賴小松, 吳鍵 申請人:南京航空航天大學