專利名稱：基于角度監測的索結構中索系統的遞進式健康監測方法
技術領域：
本發明基于對角度坐標的監測，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(指所有承載索)中的受損索的遞進式健康監測方法，屬工程結構健 康監測領域。
背景技術：
索系統通常是索結構的關鍵組成部分，它的失效常常帶來整個結構的失效，基于結構健康 監測技術來識別索結構(特別是大型索結構，例如大型斜拉橋、懸索橋)的索系統中的受損索 是一種極具潛力的方法。目前結構健康監測技術主要通過對索力的監測，根據索力的變化來識
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、 單調變化的關系，但是，當這根索是索結構(特別是大型索結構，例如大型斜拉橋、懸索橋) 的索系統中的一根時，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，即使在該索相同健康狀況(相 同損傷程度或無損傷)條件下，也會監測到其索力變化忽正忽負、忽大忽小的現象，這對受損 索的識別是非常不利的。實際上，每一根索的健康狀況除了會影響所有索的索力外，還會引起 過索結構的每一點的任意假想直線的角度坐標的變化，例如結構表面任意一點的切平面中的任 意一根過該點的直線的角度坐標的變化，或者結構表面任意一點的法線的角度坐標的變化，因 此角度的變化包含了索系統的健康狀態信息，也就是說可以利用角度坐標數據判斷結構的健康 狀態。
為了能對索結構的索系統的健康狀態有可靠的監測和判斷，應當有一個能夠合理有效的建 立索結構的角度坐標的變化同索系統中所有索的健康狀況間的關系的方法，基于該方法建立的 健康監測系統可以給出可信的索系統的健康評估。
發明內容
技術問題本發明的目的是提供一種基于角度坐標監測的索結構中索系統的遞進式健康監 測方法，針對索結構(特別是大型索結構，例如大型斜拉橋、懸索橋)中索系統的健康監測問 題，通過對索結構的角度坐標進行監測，公開了一種遞進式地建立和分析監測記錄得到的角度 坐標數據同索系統的健康狀態間關系的方法，進而能夠合理有效地監測索結構的索系統的健康 狀態的方法。
技術方案本發明由兩大部分組成。分別是 一、建立索結構的索系統的健康監測系統所 需的知識庫和參量的方法，以及基于知識庫(含參量)和實測信息的索系統的健康狀態評估方 法；二、健康監測系統的軟件和硬件部分。索系統健康監測所需的知識庫和參量的方法，以及基于知識庫(含 參量)和實測信息的索結構的索系統的健康狀態評估方法。可按如下步驟依次循環往復地、遞 進式進行，以獲得更準確的索系統的健康狀態評估。
第一步每一次循環開始時，首先需要建立或己建立本次循環開始時的索系統初始損傷向 量4/ 0=1, 2， 3，…)和結構的力學計算基準模型A'(例如有限元基準模型，/=1,2,3廣.)，上標 i表示第i次循環。
第i次循環開始時需要的索系統初始損傷向量記為"。'(如式(1)所示)，用"。'表示該次循 環開始時索結構(用力學計算基準模型A'表示)的索系統的健康狀態。
4了 (1)
式(1)中^^(/=1，2,3廣',乂=1，2,3, .......,W)表示第i次循環開始時、力學計算基準模型A'中
的索系統的第J根索的初始損傷值，^4為0時表示第/f艮索無損傷，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/根索喪失相應比例的承載能力。
設索系統中共有7V根索，第一次循環開始時建立索系統初始損傷向量(依據式(1)記為 ^。)時，利用索的無損檢測數據等能夠表達索的健康狀態的數據建立索系統初始損傷向量W。。 如果沒有索的無損檢測數據及其他能夠表達索的健康狀態的數據時，或者可以認為結構初始狀 態為無損傷狀態時，向量^。的各元素數值取0。
第i次(片2， 3, 4, 5, 6…)循環開始時需要的索系統初始損傷向量"。，是在前一次(即第i-l 次，片2，3,4,5，6…)循環結束前計算獲得的，具體方法在后文敘述。
第i次循環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A1。
第一次循環開始時建立的索結構的力學計算基準模型記為A1， A'是根據索結構的設計圖、 竣工圖和索結構的實測數據(一般包括索力數據、結構角度數據、形狀數據、空間坐標數據、 應變數據、結構模態數據等實測數據，對斜拉橋、懸索橋而言是橋的索力數據、橋型數據、應 變數據、角度數據、橋的模態數據等實測數據)等反映索結構建成時初始狀態的數據，或反映 安裝健康監測系統時索結構當前狀態的數據，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據(對斜 拉橋、懸索橋而言是橋的索力數據、橋型數據、應變數據、角度數據等實測數據)必須非常接 近其實測數據，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 的數據(例如索力數據、應變數據、角度數據、結構形狀計算數據和空間坐標計算數據等)可 靠地接近模擬情況真實發生時的實測數據。
第i次(/=2， 3， 4, 5， 6…)循環開始時需要的力學計算基準模型Ai時，是在前一次(即第i-l 次，片2,3,4,5，6…)循環結束前計算獲得的，具體方法在后文敘述。
已有力學計算基準模型A1和索系統初始損傷向量W。后，模型A1中的各索的損傷由向量 ^。表達。在A'的基礎上，將所有索的損傷變更為O，力學模型八1更新為一個所有索的損傷都 為O的力學模型(記為A"，力學模型A^實際上是完好無損的索結構對應的力學模型。不妨稱 模型A。為索結構的無損傷模型A°。
結構角度數據由結構上K個指定點的、過每個指定點的L個指定直線的、每個指定直線的 H個角度坐標分量來描述，結構角度的變化就是所有指定點的、所有指定直線的所有指定的角度坐標分量的變化。每次共有M (M = KXLXH)個角度坐標分量測量值或計算值來表征結構 的角度信息。結構的被監測的角度坐標數據可由結構上《個指定點的、及過每個指定點的Z個 指定直線的、每個指定直線的i/個角度坐標來描述，結構角度坐標數據的變化就是所有指定點 的、所有指定直線的所有指定的角度坐標分量的變化。每次共有M (M = KXLXH)個角度坐 標分量測量值或計算值來表征結構的角度信息。《和M—般不得小于索的數量iV。用向量C'。 (/=1, 2， 3,…)表示第i次(片l， 2, 3, 4, 5, 6…)循環開始時索結構中所有指定的被監測量(角度坐 標)的初始值(參見式(2))， C'。稱為"第i次循環被監測量的初始數值向量"。
G=[C" cj (2)
式(2)中C'。力M,2,3,…；A=l,2,3, .......,M;M》W)是第i次循環開始時、索結構中第/t個
被監測量(角度坐標)，r表示向量的轉置(后同)。向量d。是由前面定義的M個被監測量依 據一定順序排列而成，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 數據即可。
第一次循環開始時，被監測量的初始數值向量C'。(見式(2))由實測數據組成，由于根據
模型An十算所得被監測量的初始數值可靠地接近于相對應的實測數值，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(/=2, 3, 4, 5, 6…)循環開始時需要的被監測量的初始數值向量C'。，是在前一次(即第 i-l次，/=2，3，4，5，6 )循環結束前計算獲得的，具體方法在后文敘述。
第二步每一次循環需建立"單位損傷被監測量數值變化矩陣"，第i次循環建立的"單位 損傷被監測量數值變化矩陣"記為zIC'(片1，2,3,…)。
第一次循環建立的索結構"單位損傷被監測量數值變化矩陣"記為z/C7。建立z(d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，計算次數數值上等于所有索的 數量。每一次計算假設索系統中只有一根索在原有損傷(原有損傷可以為0，也可以不為0)的 基礎上再增加單位損傷(單位損傷應較小、且其引起的被監測量數值變化能夠被傳感器準確識 別出來，例如取10%損傷為單位損傷)。為方便計算，每一次循環中設定單位損傷時可以都是把 該次循環開始時的結構健康狀態當成是完全健康的，并在此基礎上設定單位損傷(在后續步驟 中、計算出的、索的損傷數值…稱為名義損傷A (i=l， 2, 3，…)，都是相對于將該次循環開始時 的、將索的健康狀態當成是完全健康而言的，因此必須依據后文給出的公式將計算出的名義損 傷換算成真實損傷。)。同一次循環的每一次計算中出現損傷的索不同于其它次計算中出現損傷 的索，并且每一次假定有損傷的索的單位損傷值可以不同于其他索的單位損傷值，用"名義單 位損傷向量D'/ (如式(3)所示)記錄各次循環中所有索的假定的單位損傷，第一次循環時記 為￡ ~，每一次計算都利用力學方法(例如有限元法)計算索結構的、在前面己指定的M個被 監測量的當前計算值，每一次計算所得M個被監測量的當前計算值組成一個"被監測量的計算 當前數值向量"(當假設第y根索有單位損傷時，可用式(4)表示所有指定的M個被監測量的 計算當前數值向量C'p;每一次計算得到的被監測量的計算當前數值向量減去被監測量的初始 數值向量C'。，所得向量就是此條件下(以有單位損傷的索的位置或編號等為標記)的"被監測 量的數值變化向量"(當第乂根索有單位損傷時，用5C。表示被監測量的數值變化向量，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"' 的第_/個元 素Dw所得)，被監測量的數值變化向量5C。的每一元素表示由于計算時假定有單位損傷的那根 索(例如第y根索)的單位損傷(例如Ay)，而引起的該元素所對應的被監測量的數值改變量 相對于假定的單位損傷A^的變化率；有7V根索就有W個"被監測量的數值變化向量"，每個 被監測量的數值變化向量有M (—般的，ADAO個元素，由這7V個"被監測量的數值變化向 量"依次組成有MxW個元素的"單位損傷被監測量數值變化矩陣z/C'" OZ行7V列義每一個 向量(5C (戶1,2,3,.......,AO是矩陣JC'的一列，Jd的定義如式(8)所示。
化2 化J (3)
式(3)中名義單位損傷向量D'"的元素"'w (戶1，2,3，…；戶1,2,3,.......，AO表示第z'次循環中
假定的第J根索的單位損傷數值，向量中的各元素的數值可以相同也可以不同。
Cy = [Cfw C論2 Cyi * C, ] (4)
式(4)中元素C'妙(' =1, 2， 3,…,產l, 2, 3,......., AO yt=l， 2, 3,.......， M; M》A0表示第Z次循
環由于第j根索有單位損傷時，依據編號規則所對應的第)t個指定的被監測量的計算當前數值。
, 《-G
= '; , 。 (5)
式(5)中各量的上標i 0=1,2,3,…)表示第欣循環，下標j 0'=1,2,3,.......,A0表示第j根索
有單位損傷，式中"V是向量Z^中的第/個元素。向量3《的定義如式(6)所示，3。的第yKhl， 2, 3, .......,M; M》A0個元素(5CV表示第欲循環中，建立矩陣JC'時，假定第y'根索有單位損傷
時計算所得第t個被監測量的改變量相對于假定的單位損傷Z)^的變化率，其定義如式(7)所示。
5C)+C)i ^ "Q ;丫 (6)
廠；一r^
、* 、4 ,一、
式(7)中各量的定義已在前面敘述過。
ac'+c( < "c) 5c;] (8)
式(8)中向量<5(^(/=1,2,3, .......，， /=1,2,3, .......,A0表示第z'次循環中，由于第y根索有單位
損傷"' ,而引起的、所有被監測量的相對數值變化。矩陣Z(C'的列(下標y')的編號規則與前面向 量^。的元素的下標/的編號規則相同。
第三步識別索系統的當前健康狀態。具體過程如下。
第/ G=l，2，3,...)次循環中，索系統"被監測量的當前(計算或實測)數值向量C'"同 "被監測量的初始數值向量C'。"、"單位損傷被監測量數值變化矩陣zlC'"和"當前名義損傷向 量A"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)中被監測量的當前(計算或實測)數值向量C'的定義類似于被監測量的初始 數值向量C'。的定義，見式(11);索系統當前名義損傷向量A的定義見式(12)。
c'=[c( q c; qj (11)
式(11)中元素C、(/4，2,3，.......；A:=1，2, 3，……，M, M》AQ是第/次循環時索結構的、依據
編號規則所對應的編號為A:的被監測量的當前數值。
"；丫 (12) 式(12)中(,(z'=l,2,3，.......;戶1,2, 3,......., iV)是第,'次循環中索系統第7'根索的當前名義損
傷值，向量A的元素的下標y的編號規則與矩陣JC'的列的編號規則相同。
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e'(式 (13))定義，表示式(9)或式(10)所示線性關系的誤差。
e' = flfe(AC' 《-C' + C:) (13)
式(13)中flfe()是取絕對值函數，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，因此不能簡單根據式(9)或式
(10) 和"被監測量的當前(實測)數值向量C'"來直接求解得到索當前名義損傷向量^。如 果這樣做了，得到的損傷向量^中的元素甚至會出現較大的負值，也就是負損傷，這明顯是不 合理的。因此獲得索損傷向量^的可接受的解(即帶有合理誤差，但可以比較準確的從索系統 中確定受損索的位置及其損傷程度)成為一個合理的解決方法，可用式(14)來表達這一方法。
flfo(AC' 《-C'+C》g' (14)
式(14)中a&0是取絕對值函數，向量g'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( g; g《了 (15)
式(15)中g'i(Z=l，2,3，……；^1,2,3，……,局描述了第/次循環中偏離式(9)或式(10) 所示的理想線性關系的最大允許偏差。向量g'可根據式(13)定義的誤差向量e'試算選定。
在被監測量的初始數值向量C'。(實測或計算得到)、索結構單位損傷被監測量數值變化矩 陣z(C'(計算得到)和被監測量的當前數值向量C'(實測得到)已知時，可以利用合適的算法(例 如多目標優化算法)求解式(14)，獲得索系統當前名義損傷向量A的可接受的解，索系統當前 實際損傷向量d'(定義見式(16))的元素可以根據式(17)計算得到，也就是得到了索當前實 際損傷向量^，從而可由d'確定受損索的位置和損傷程度，也就是實現了索系統的健康監測。
c/'=[《《 《 《丫 (16)
式(16)中《(/=1，2，3廣',7'=1，2，3, .......,iV)表示第!'次循環中第j根索的實際損傷值，其定義
見式(17)，《為0時表示第;'根索無損傷，為100%時表示該索徹底喪失承載能力，介于0與100% 之間時表示第乂根索喪失相應比例的承載能力，向量"的元素的編號規則與式(1)中向量c/。的元 素的編號規則相同。《=1-(1-《)(1-《)
式(17)中c/。,(!'=l,2，3，4,…;j、1，2，3， ......., AO是向量A的第7'個元素，《7是向量4的第/個元素。
第四步判斷是否結束本次(第/次)循環，如果是，則完成本次循環結束前的收尾工作，
為下一次(即第/+1次，/-1,2,3,4，"0循環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/次)循環中求得當前名義損傷向量A后，首先，按照式(18)建立標識向量P， 式(19)給出了標識向量,的第y'個元素的定義；如果標識向量^的元素全為0，則在本次循環中 繼續對索系統的健康監測和計算；如果標識向量P的元素不全為O，則完成后續步驟后，進入下 一次循環。所謂的后續步驟為首先，根據式(20)計算得到下一次(即第/+1次，^1,2，3，4，…) 循環所需的初始損傷向量W+'。的每一個元素cZ+;;第二，在力學計算基準模型A'(一1，2，3,4，…) 或索結構的無損傷模型AG的基礎上，令索的健康狀況狀況為^+/。后更新得到下一次(第i+l次， f=l,2，3,4,…)循環所需的力學計算基準模型A'";最后，通過對力學計算基準模型A'w的計算 得到被監測量的初始數值，由其組成下一次(即第i+l次，！'=1, 2, 3, 4，)循環所需的"被監 測量的初始數值向量C'"。" (/=1, 2, 3, 4，…)。
F2' F;f (18)
式(18)中標識向量P的上標/表示第/次循環，其元素《(_/=1，2，3,…，N)的下標乂表示第乂 根索的損傷特征，只能取0和1兩個量，具體取值規則見式(19)。
式(19)中元素《是標識向量^的第_/個元素，D;是名義單位損傷向量￡>' 的第7'個元素(見式(3 ))， 《是索系統當前名義損傷向量A的第y'個元素(見式(12))，它們都表示勤'根索的相關信息。
式(20)中￡>^是名義單位損傷向量/)' 的第;'個元素(見式(3)), c^是索系統當前名義損傷向量 ^的第乂個元素(見式(12))。
本發明的第二部分健康監測系統的軟件和硬件部分。硬件部分包括角度坐標監測系統(包 括信號調理器等)、信號采集器和計算機。要求實時監測每一個指定點的所有指定方向的角度坐 標，這已有許多成熟的測量方法。軟件應當具用下列功能軟件部分應當能夠完成本發明的第 一部分所設定的過程，即首先根據監測系統傳來的數據實時或準實時分析得到被監測量的當前 數值向量C',然后讀取預先存儲的索結構的單位損傷被監測量數值變化矩陣JC'、被監測量的 初始數值向量C'。和名義單位損傷向量rC依據合適的算法(例如多目標優化算法)求解式(14)， 得到索系統的當前名義損傷向量rf'c的非劣解，按照式(17)得到索系統當前實際損傷向量^， 也就是帶有合理誤差、但可以比較準確地從索系統中確定受損索的位置及其損傷程度的解。軟 件部分還要根據每一次循環求得的標識向量^的具體情況判斷是否需要進入下一次循環。
本發明方法具體包括
〖'.+i
1-(1一《)(卜《^)a. 設共有N根索，首先確定索的編號規則，按此規則將索結構中所有的索編號，該編號在 后續步驟中將用于生成向量和矩陣；
b. 確定所有的被監測量，首先確定將被監測角度坐標的結構上的點，給這些點編號；然后 確定過該測量點的被測量直線，給所有指定的被測量直線編號；確定每一被測量直線的被測量 的角度坐標分量，給所有被測量角度坐標分量編號。上述所有的被監測點的個數之和與被監測 量的個數之和一般不得小于索的數量。上述編號在后續步驟中將用于生成向量和矩陣；
c. 利用索的無損檢測數據等能夠表達索的健康狀態的數據建立索系統初始損傷向量d'。。如 果沒有索的無損檢測數據及其他能夠表達索的健康狀態的數據時，或者可以認為結構初始狀態 為無損傷狀態時，向量c/。的各元素數值取0。
d. 在建立索系統初始損傷向量W。的同時，直接測量計算得到索結構的所有指定的被監測 量，組成"被監測量的初始數值向量C;。"；
e. 在建立索系統初始損傷向量7。和被監測量的初始數值向量C;。的同時，實測得到索結構 的所有索的初始索力數據，實測得到索結構的初始幾何數據；
f. 根據索結構的設計圖、竣工圖和索結構的上述實測數據，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據同上述實測數據越接近越好，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。
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"單位損傷被監測 量數值變化矩陣Z1C'"和"名義單位損傷向量DV'。其中i表示循環次數，后面i及上標i都表 示循環次數，i=l,2，3，......；
h. 實測得到索結構的所有指定被監測量的當前實測數值，組成"被監測量的當前數值向量 C'"。給本步及本步之前出現的所有向量的元素編號時，應使用同一編號規則，這樣可以保證本 步及本步之前出現的各向量的、編號相同的元素，表示同一被監測量的、對應于該元素所屬向 量所定義的相關信息；
i. 定義索系統當前名義損傷向量^和當前實際損傷向量^'，損傷向量的元素個數等于索的 數量，損傷向量的元素和索之間是一一對應關系，損傷向量的元素數值代表對應索的損傷程度 或健康狀態；
j.依據"被監測量的當前數值向量C'"同"被監測量的初始數值向量C'。"、"單位損傷被監 測量數值變化矩陣Z(C'"和"當前名義損傷向量A"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A外的其它量均為已知，求解式l就可以算出當前名義損傷向量dV,
C'=C: + AC、《 式l
k.利用式2表達的當前實際損傷向量夕同初始損傷向量^。和當前名義損傷向量&的元素 間的關系，計算得到當前實際損傷向量d;的所有元素。
《=1-《) 式2
式2中產1，2，3,......，N。
由于當前實際損傷向量^的元素數值代表對應索的損傷程度，所以根據當前實際損傷向量 ^就能確定有哪些索受損及其損傷程度，即實現了索結構中索系統的健康監測；若當前實際損 傷向量的某一元素的數值為O，表示該元素所對應的索是完好的，沒有損傷的;若其數值為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。
1.在求得當前名義損傷向量A后，按照式3建立標識向量y，式4給出了標識向量y的第乂個 元素的定義；
式3、式4中元素《是標識向量^的菊'個元素，￡^是名義單位損傷向量￡ ' 的第_/個元素，力,是索 系統當前名義損傷向量A的第y個元素，它們都表示第/根索的相關信息。兩式中乂=1， 2, 3,……,N。
m.如果標識向量^的元素全為0，則回到第h步繼續本次循環；如果標識向量^的元素不全 為0，則進入下一步、即第n步。
n.根據式5計算得到下一次、即第&l次循環所需的初始損傷向量a+'。的每一個元素^+、；
式5中"；是名義單位損傷向量￡)' 的第7'個元素，《。是索系統當前名義損傷向量"'c的第7'個 元素，《是標識向量,的第y'個元素。式5中yM,2,3,……，N。
o.在力學計算基準模型Ai的基礎上，令索的健康狀況為^w。后更新得到下一次、即第i+l次 循環所需的力學計算基準模型八'+1;
p.通過對力學計算基準模型A'+'的計算得到對應于模型AW的結構的所有被監測的角度坐 標數值，這些數值組成下一次、即第i+l次循環所需的被監測量的初始數值向量C'"。；
q.回到第g步，開始下一次循環。
在步驟g中，獲得"單位損傷被監測量數值變化矩陣ZIC'"的具體方法為
gl.在結構的力學計算基準模型Ai的基礎上進行若干次力學計算，計算次數數值上等于所
有索的數量，有w根索就有w次計算，每一次計算假設索系統中只有一根索在原有損傷的基礎 上再增加單位損傷，每一次計算中出現損傷的索不同于其它次計算中出現損傷的索，并且每一
次假定有損傷的索的單位損傷值可以不同于其他索的單位損傷值，用"名義單位損傷向量Z)V'
記錄所有索的假定的單位損傷，每一次計算得到索結構中所有指定被監測量的當前數值，每一 次計算得到的所有被監測量的當前數值組成一個"被監測量的計算當前數值向量"。當假設第y
根索有單位損傷時，可用C、表示對應的"被監測量的計算當前數值向量"。在本步驟中給各向 量的元素編號時，應同本發明中其它向量使用同一編號規則，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，表達了同一被監測量或同一對象的相關 信息。本發明中的被監測量指結構上所有指定點的、所有指定被測量直線的、所有被監測角度 坐標方向的角度坐標分量；
g2.每一次計算得到的那個"被監測量的計算當前數值向量C'/'減去"被監測量的初始數 值向量C'。"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單位損傷值后得 到一個"被監測量的數值變化向量5Cy';有7V根索就有7V個"被監測量的數值變化向量"；
《=1-(l-《)(l-奶g3.由這W個"被監測量的數值變化向量"依次組成有W列的"單位損傷被監測量數值變 化矩陣/JC'";或者說"單位損傷被監測量數值變化矩陣"的每一列對應于一個"被監測量的數 值變化向量"。"單位損傷被監測量數值變化矩陣"的列的編號規則與當前名義損傷向量^V和當 前實際損傷向量W的元素編號規則相同。
有益效果本發明公開的系統和方法在有較多的索(例如多于30根索或多于30%的索)同 時受損的條件下可以非常準確地監測評估出索系統的健康狀態(包括所有受損索的位置和損傷 程度)。這是由于"被監測量的當前數值向量C'"同"被監測量的初始數值向量C'。"、"單位損 傷被監測量數值變化矩陣Z(C'"和"當前名義損傷向量《"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，本發明公開了一種在小區間內用線性關系逼近該非線性關系的健康監測 方法。本發明實際上使用了用線性關系分段逼近非線性關系的方法，將大區間分割成一個個小 區間，在每一個小區間內線性關系都是足夠準確的，依據其判斷得到的索系統的健康狀態也是 可靠的，因此本發明公開的系統和方法對索系統的有效健康監測是非常有益的。
具體實施例方式
針對索結構(特別是大型索結構，例如大型斜拉橋、懸索橋)的索系統的健康監測，本發 明公開了一種能夠合理有效地監測索結構的索系統的每一根索的健康狀況的系統和方法。本發 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明的應用或使用。
本發明采用的算法用于監測索結構(例如大型斜拉橋、懸索橋)中的索系統(所有索)的 健康狀態。具體實施時，下列步驟是可采取的各種步驟中的一種。
第一步確定被監測量的類型、位置和數量，并編號。具體過程為
首先確定索的編號規則，按此規則將所有的索編號。該編號在后續步驟中將用于生成向量 和矩陣。
設索系統中共有7V根索，結構的被監測量可由結構上K個指定點的、及過每個指定點的Z 個指定直線的、//個指定方向的角度坐標來描述，結構角度坐標數據的變化就是《個指定點的 所有角度坐標分量的變化。每次共有M 0/=《^丄乂/^個角度坐標測量值或計算值來表征結構 角度坐標。K和M是兩個不小于O， 一般不小于W的整數。整個結構共有M個被監測量，X和 M—般不得小于索的數量W。每一個指定點可以就是每一根索的固定端點(例如是斜拉橋的拉 索在橋面上的固定端)或其附近的一個點；測量點的數量一般不得小于索的數量。在每一指定 點可以僅僅測量一個指定直線的一個角度坐標，例如測量過指定點的結構表面法線相對于重力 加速度方向的角度坐標，這里實際上就是傾角測量。
第二步利用索的無損檢測數據等能夠表達索的健康狀態的數據建立索系統初始損傷向量 ":。如果沒有索的無損檢測數據及其他能夠表達索的健康狀態的數據時，或者可以認為結構初 始狀態為無損傷狀態時，向量W。的各元素數值取0。
第三步建立索系統初始損傷向量c/。的同時，直接測量計算得到索結構的所有指定的被監 測量，組成"被監測量的初始數值向量d。"。
第四步在建立索系統初始損傷向量^。和被監測量的初始數值向量C'。的同時，可以釆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。同時，直接測量或測量 后計算得到索結構的所有索的初始索力和索結構初始幾何形狀數據(對于斜拉橋就是其初始橋 型數據)，索結構的初始幾何形狀數據可以是所有索的端點的空間坐標數據加上結構上一系列的 點的空間坐標數據，目的在于根據這些坐標數據就可以確定索結構的幾何特征。對斜拉橋而言， 初始幾何形狀數據可以是所有索的端點的空間坐標數據加上橋梁兩端上若干點的空間坐標數 據，這就是所謂的橋型數據。
根據索結構的設計圖、竣工圖和索結構的實測數據(可以包括結構初始幾何形狀數據、初 始角度坐標數據、所有索的初始索力等數據，對斜拉橋、懸索橋而言是橋的橋型數據、角度坐 標數據、索力數據等數據)，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據同上述實測數據越接近越好，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測系統的硬件部分。硬件部分至少包括角度坐標監測系統(例 如含角度測量傳感器、信號調理器等)、信號(數據)采集器、計算機和通信報警設備。每一個 指定的被監測量都必須被監測系統監測到；監測系統監測每一個指定的被監測量，并將信號傳 輸到信號(數據)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 統的健康監測軟件，包括記錄信號采集器傳遞來的信號；當監測到索有損傷時，計算機控制通 信報警設備向監控人員、業主和(或)指定的人員報警。
第六步編制并在監控計算機上安裝索結構的索系統健康監測系統軟件。在每一次循環時 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、控制和監控工作，并能依據設定的條件(例如損傷 達到某一值)，自動通知或提示監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據文件中讀取"被監測量的初始數值向量C'。"和索結構"單 位損傷被監測量數值變化矩陣JC'"等所有必要參數。本發明中用i表達循環次數，第一次執行 本步時i-l，后面i及上標/都表示循環次數，i=l,2,3,......;用j表達第j根索的相關信息，
j=l，2,3,'.，N。
3. 定時(或隨機觸發式)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測量的當前數值，所有的被監 測量的當前數值組成"被監測量的當前數值向量C'"。
5. 依據"被監測量的當前(計算或實測)數值向量C'"同"被監測量的初始數值向量C'。"、 "單位損傷被監測量數值變化矩陣ZJC'"和"當前名義損傷向量^c"(由所有索的當前名義損傷
量組成)間存在的近似線性關系(見式(9))，按照多目標優化算法計算索系統當前名義損傷向 量"〗的非劣解。
可以采用的多目標優化算法有很多種，例如基于遺傳算法的多目標優化、基于人工神經 網絡的多目標優化、基于粒子群的多目標優化算法、基于蟻群算法的多目標優化、約束法 (Constrain Method )、加權法(Weighted Sum Method )、目標規劃法(Goal Attainment Method)
等等。由于各種多目標優化算法都是常規算法，可以方便地實現，本實施步驟僅以目標規劃法 為例給出求解當前名義損傷向量Wc的過程，其它算法的具體實現過程可根據其具體算法的要求 以類似的方式實現。按照目標規劃法，式(9)可以轉化成式(21)和式(22)所示的多目標優化問題，式(21)中/是一個實數，i 是實數域，空間區域Q限制了向量A的每一個元素的取值范圍(本實施例要求向量,c的每一個元素不小于O，不大于l)。式(21)的意思是尋找一個絕對值最小的實數/，使得式(22)得到滿足。式(22)中GW由式(23)定義，式(22)中加權向量W與/的積表示式(22)中Gf^與向量g'之間允許的偏差，g'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^可以與向量g'相同。目標規劃法的具體編程實現已經有通用程序可以直接采用。按照目標規劃法就可以求得當前名義損傷向量minimize
G(《)-fT,'、g' (22)
G(《)=一AC' 《-C' + C:) (23)
求得當前名義損傷向量c/'c后，W依據式(17)得到的當前實際損傷向量^每一個元素，當前實際損傷向量J'就是帶有合理誤差、但可以比較準確地從所有索中確定受損索的位置及其損傷程度的解。若解得的當前實際損傷向量《的某一元素的數值為0，表示該元素所對應的索是完好的，沒有損傷的；若其數值為100%,則表示該元素所對應的索己經完全喪失承載能力；若其數值介于0和100%之間，則表示該索喪失了相應比例的承載能力。
6. 數據生成功能。即可定期或由人員操作健康監測系統生成索系統健康情況報表。
7. 報警功能。在指定條件下，自動操作通信報警設備向監控人員、業主和(或)指定的人員報警。
第七步在力學計算基準模型Ai基礎上進行若千次力學計算，計算次數數值上等于所有索
的數量，有w根索就有w次計算，每一次計算假設索系統中只有一根索在原有損傷的基礎上再增加單位損傷，本次循環中每一次計算中出現損傷的索不同于其它次計算中出現損傷的索，并且每一次假定有損傷的索的單位損傷值可以不同于其他索的單位損傷值，用"名義單位損傷向
量"v'記錄所有索的假定的單位損傷，每一次計算(例如采用有限元法)得到索結構中所有指
定被監測量的當前數值，每一次計算得到的所有被監測量的當前數值組成一個"被監測量的計
算當前數值向量"。當假設第_/根索有單位損傷時，可用c'a表示對應的"被監測量的計算當前
數值向量"。每一次計算得到的那個"被監測量的計算當前數值向量減去"被監測量的初
始數值向量C'。"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單位損傷值后得到一個"被監測量的數值變化向量3C)";有W根索就有W個"被監測量的數值變化向量3cy'0'^,2,J,…,A0。由這W個"被監測量的數值變化向量"依次組成有7V列的"單位損傷被監測量數值變化矩陣/1C'";或者說"單位損傷被監測量數值變化矩陣z!C'"的每一列(例如第j列)對應于一個"被監測量的數值變化向量"(例如5C》。"單位損傷被監測量數值變化矩陣"的列的編號規則與當前名義損傷向量rf'c和當前實際損傷向量^的元素編號規則相同。
在本步驟中及其后給各向量的元素編號時，應同本發明中其它向量使用同一編號規則，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e'和向量g'。利用前面的數據("被監測量的初始數值向量C'。"、"單位損傷被監測量數值變化矩陣zlC'")，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中只有一根索在原有損傷的基礎上再增加單位損傷的同時，每一次計算組成一個損傷向量A，損傷向量A的元素個數等于索的數量，向量A的所有元素中只有一個元素的數值取每一次計算中假設增加單位損傷的索的單位損傷值，A的其它元素的數值取0，那個不為0的元素的編號與假定增加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C'。、 C'。、 JC'、《帶入式(13)，得到一個線性關系誤差向量e'，每一次計算得到一個線性關系誤差向量e';有W根索就有W次計算，就有W個線性關系誤差向量e',將這W個線性關系誤差向量e'相加后得到一個向量，將此向量的每一個元素除以W后得到的新向量就是最終的線性關系誤差向量e'。向量g'等于最終的誤差向量e'。將向量g'保存在運行健康監測系統軟件的計算機硬盤上，供健康監測系統軟件使用。
第九步將"被監測量的初始數值向量CV'和"單位損傷被監測量數值變化矩陣zJC'"等參數以數據文件的方式保存在運行健康監測系統軟件的計算機硬盤上。
第十步運行索結構的索系統健康監測系統系統(含硬件和軟件)，完成下列幾種功能
1. 從存儲在計算機硬盤上的數據文件中讀取"被監測量的初始數值向量d。"和索結構"單
位損傷被監測量數值變化矩陣^c"'等所有必要參數。
2. 定時(或隨機觸發式)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測量的當前數值，所有的被監測量的當前數值組成"被監測量的當前數值向量C'"。給本步及本步之前出現的所有向量的元素編號時，應使用同一編號規則，這樣可以保證本步及本步之前出現的各向量的、編號相同的元素，表示同一被監測量的、對應于該元素所屬向量所定義的相關信息。
4. 依據"被監測量的當前(計算或實測)數值向量C^"同"被監測量的初始數值向量C'。"、"單位損傷被監測量數值變化矩陣/(C'"和"當前名義損傷向量(由所有索的當前名義損傷量組成)間存在的近似線性關系(見式(9))，按照多目標優化算法計算索系統當前名義損傷向量A的非劣解。
5. 數據生成功能。即可定期或由人員操作健康監測系統生成索系統健康情況報表。
6. 報警功能。在指定條件下，自動操作通信報警設備向監控等人員報警。
第十一步在本次循環，即第/次循環中求得當前名義損傷向量A后，按照式(18)、式(19)建立標識向量乂。
第十二步如果標識向量^的元素全為0，則回到第十步繼續本次循環；如果標識向量"
的元素不全為o，則進入下一步、即第十三步。
第十三步根據式(20)計算得到下一次、即第!'+1次循環所需的初始損傷向量^+;。的每一
個元素"+、。
第十四步在力學計算基準模型A'的基礎上，令索的健康狀況為上一步計算得到的向量^+/。后，得到新的力學計算基準模型，即下一次(第i+l次)循環所需的力學計算基準模型^+1。
第十五步通過對力學計算基準模型AiW的計算得到對應于模型AiW的結構的所有被監測角度坐標的數值，這些數值組成下一次、即第i+l次循環所需的向量C'+:，即被監測量的初始數值向量。
第十六步回到第七步，開始下一次循環。
權利要求
1. 一種基于角度坐標監測的索結構中索系統的遞進式健康監測方法，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則，按此規則將索結構中所有的索編號，該編號在后續步驟中將用于生成向量和矩陣；b. 確定所有的被監測量，首先確定將被監測角度坐標的結構上的點，給這些點編號，然后確定過該測量點的被測量直線，給所有指定的被測量直線編號；確定每一被測量直線的被測量的角度坐標分量，給所有被測量角度坐標分量編號，上述所有的被監測點的個數之和與被監測量的個數之和一般不得小于索的數量，上述編號在后續步驟中將用于生成向量和矩陣；c. 利用索的無損檢測數據等能夠表達索的健康狀態的數據建立索系統初始損傷向量dlo；如果沒有索的無損檢測數據及其他能夠表達索的健康狀態的數據時，或者可以認為結構初始狀態為無損傷狀態時，向量dlo的各元素數值取0；d. 在建立索系統初始損傷向量dlo的同時，直接測量計算得到索結構的所有指定的被監測量，組成“被監測量的初始數值向量Clo”；e. 在建立索系統初始損傷向量dlo和被監測量的初始數值向量Clo的同時，實測得到索結構的所有索的初始索力數據，實測得到索結構的初始幾何數據；f. 根據索結構的設計圖、竣工圖和索結構的上述實測數據，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據同上述實測數據越接近越好，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；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“單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔCi”和“名義單位損傷向量Diu”，其中i表示循環次數，后面i及上標i都表示循環次數，i＝1，2，3，......；h. 實測得到索結構的所有指定被監測量的當前實測數值，組成“被監測量的當前數值向量Ci”。給本步及本步之前出現的所有向量的元素編號時，應使用同一編號規則，這樣可以保證本步及本步之前出現的各向量的、編號相同的元素，表示同一被監測量的、對應于該元素所屬向量所定義的相關信息；i. 定義索系統當前名義損傷向量dic和當前實際損傷向量di，損傷向量的元素個數等于索的數量，損傷向量的元素和索之間是一一對應關系，損傷向量的元素數值代表對應索的損傷程度或健康狀態；j. 依據“被監測量的當前數值向量Ci”同“被監測量的初始數值向量Cio”、“單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔCi”和“當前名義損傷向量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損傷向量dic； 式1k. 利用式2表達的當前實際損傷向量di同初始損傷向量dio和當前名義損傷向量dic的元素間的關系，計算得到當前實際損傷向量di的所有元素； 式2式2中j＝1，2，3，……，N；由于當前實際損傷向量di的元素數值代表對應索的損傷程度，所以根據當前實際損傷向量di就能確定有哪些索受損及其損傷程度，即實現了索結構中索系統的健康監測；若當前實際損傷向量的某一元素的數值為0，表示該元素所對應的索是完好的，沒有損傷的；若其數值為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；1. 在求得當前名義損傷向量dic后，按照式3建立標識向量Fi，式4給出了標識向量Fi的第j個元素的定義； 式3 式4式3、式4中元素Fij是標識向量Fi的第j個元素，Diuj是名義單位損傷向量Diu的第j個元素，dicj是索系統當前名義損傷向量dic的第j個元素，它們都表示第j根索的相關信息；兩式中j＝1，2，3，……，N；m. 如果標識向量Fi的元素全為0，則回到第h步繼續本次循環；如果標識向量Fi的元素不全為0，則進入下一步、即第n步；n. 根據式5計算得到下一次、即第i+1次循環所需的初始損傷向量di+1o的每一個元素di+1oj； 式5式5中Diuj是名義單位損傷向量Diu的第j個元素，dicj是索系統當前名義損傷向量dic的第j個元素，Fij是標識向量Fi的第j個元素；式5中j＝1，2，3，……，N；o. 在力學計算基準模型Ai的基礎上，令索的健康狀況為di+1o后更新得到下一次、即第i+1次循環所需的力學計算基準模型Ai+1；p. 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的結構的所有被監測的角度坐標數值，這些數值組成下一次、即第i+1次循環所需的被監測量的初始數值向量Ci+1o；q. 回到第g步，開始下一次循環。
2.根據權利要求1所述的基于應變監測的索結構中索系統的遞進式健康監測方法，其特征 在于在步驟g中，獲得"單位損傷被監測量數值變化矩陣Z(C'"的方法為gl.在結構的力學計算基準模型A'的基礎上進行若干次力學計算，計算次數數值上等于所 有索的數量，有W根索就有W次計算，每一次計算假設索系統中只有一根索在原有損傷的基礎 上再增加單位損傷，每一次計算中出現損傷的索不同于其它次計算中出現損傷的索，并且每一 次假定有損傷的索的單位損傷值可以不同于其他索的單位損傷值，用"名義單位損傷向量i^" 記錄所有索的假定的單位損傷，每一次計算得到索結構中所有指定被監測量的當前數值，每一 次計算得到的所有被監測量的當前數值組成一個"被監測量的計算當前數值向量"；當假設第y根索有單位損傷時，可用c'。表示對應的"被監測量的計算當前數值向量"，在本步驟中給各向量的元素編號時，同其它向量使用同一編號規則，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，表達了同一被監測量或同一對象的相關信息；被監 測量指結構上所有指定點的、所有指定被測量直線的、所有被監測角度坐標方向的角度坐標分g2.每一次計算得到的那個"被監測量的計算當前數值向量C'y"減去"被監測量的初始數 值向量C'。"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單位損傷值后得到一個"被監測量的數值變化向量^:'/';有W根索就有W個"被監測量的數值變化向量"；g3.由這7V個"被監測量的數值變化向量"依次組成有W列的"單位損傷被監測量數值變化矩陣JC'";或者說"單位損傷被監測量數值變化矩陣"的每一列對應于一個"被監測量的數值變化向量"；"單位損傷被監測量數值變化矩陣"的列的編號規則與當前名義損傷向量《和當前實際損傷向量"'的元素編號規則相同。
全文摘要
基于角度坐標監測的索結構中索系統的遞進式健康監測方法在以角度坐標為被監測量的前提下，考慮到了被監測量的當前數值向量同被監測量的初始數值向量、單位損傷被監測量數值變化矩陣和當前名義損傷向量間的線性關系是近似的，特別是在受損索較多或且受損程度較大時，上述量之間的非線性關系特征更加明顯。為克服此缺陷，本發明基于角度坐標監測，給出了使用線性關系分段逼近非線性關系的方法，將大區間分割成連續的一個個小區間，在每一個小區間內上述線性關系都是足夠準確的，在每一個小區間內可以利用多目標優化算法等合適的算法算出當前索損傷向量的非劣解，據此可以比較準確地確定受損索的位置及其損傷程度。
文檔編號G01M99/00GK101476990SQ20091002849
公開日2009年7月8日 申請日期2009年1月20日 優先權日2009年1月20日
發明者韓玉林 申請人:東南大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
