专利名称：基于应变监测的索结构中索系统的健康监测方法
技术领域：
本发明基于应变监测来识别索结构(特别是大型索结构，例如大型斜拉桥、悬索桥)的索系统(指所有承载索)中的受损索，属工程结构健康监测领域。
背景技术：
索系统通常是索结构的关键组成部分，它的失效常常带来整个结构的失效，基于结构健康监测技术来识别索结构(特别是大型索结构，例如大型斜拉桥、悬索桥)的索系统中的受损索是一种极具潜力的方法。目前结构健康监测技术主要通过对索力的监测，根据索力的变化来识别受损索及其损伤程度。然而就单一索而言，其索力变化同其健康状况(损伤程度)有明确的、单调变化的关系，但是，当这根索是索结构(特别是大型索结构，例如大型斜拉桥、悬索桥)的索系统中的一根时，由于每一根特定索的索力变化不仅仅受它自身健康状况的影响，还受其它索健康状况的影响，因此观察每一根特定索的索力的变化时，即使在该索相同健康状况(相同损伤程度或无损伤)条件下，也会监测到其索力变化忽正忽负、忽大忽小的现象，这对受损索的识别是非常不利的。目前还没有一种公开的、有效的健康监测系统和方法解决了此问题。每一根索的健康状况除了会影响所有索的索力外，还会影响索结构的变形或应变，目前还没有出现公开报道的通过对索结构的变形或应变的监测来实现索系统的健康监测的系统和方法。
为了能对索结构(特别是大型索结构，例如大型斜拉桥、悬索桥)的索系统的健康状态有可靠的监测和判断，必须有一个能够合理有效的建立索结构的变形或应变的变化同索系统中所有索的健康状况间的关系的方法，基于该方法建立的健康监测系统可以给出更可信的索系统的健康评估。
发明内容
技术问题本发明的目的是针对索结构(特别是大型索结构，例如大型斜拉桥、悬索桥)中索系统的健康监测问题，公开了一种能够合理有效地监测索结构(特别是大型索结构，例如大型斜拉桥、悬索桥)的基于应变监测的索结构中索系统的健康监测方法。
技术方案本发明由三大部分组成。分别是建立索系统健康监测所需的知识库和参量的方法、基于知识库(含参量)和实测索结构的应变(或变形)的索系统健康状态评估方法、健康监测系统的软件和硬件部分。
本发明的第一部分建立用于索系统健康监测的知识库和参量的方法。可分为如下三个步骤 1.建立索结构的计算基准模型(例如有限元基准模型)。根据索结构的设计图、竣工图和索结构的实测数据(包括结构形状数据、索力数据、结构模态数据等实测数据，对斜拉桥、悬索桥而言是桥的桥型数据、索力数据、桥的模态数据)、利用力学方法(例如有限元法)建立该结构的计算(例如有限元)基准模型，基于该计算基准模型(例如有限元基准模型)计算得到的结构计算数据(对斜拉桥、悬索桥而言是桥的桥型数据、索力数据、桥的模态数据)必须非常接近其实测数据，误差一般不得大于5％。这样可保证在此计算基准模型上计算所得的模拟情况下的应变计算数据、索力计算数据、结构形状计算数据和位移计算数据等，可靠地接近模拟情况真实发生时的实测数据。
结构应变数据可由结构上K个指定点的、及每个指定点的L个指定方向的应变来描述，结构应变数据的变化就是K个指定点的所有应变分量的变化。每次共有M(M＝K×L)个应变测量值或计算值来表征结构应变。K和M一般不得小于索的数量。
设索系统中共有N根索，那么可用向量εo表示索结构中所有指定点的初始应变向量(参见式(1))。因在上述条件下，基于索结构的计算基准模型计算所得的指定点的初始应变可靠地接近于指定点的初始应变的实测数据，在后面的叙述中，将用同一符号来表示计算值和实测值。
εo＝[εo1 εo2…εoi…εoM]T (1) 式(1)中εoi(i＝1，2，3，.......，M；M≥N)是索结构中第i个初始应变分量(假设此时该索无损伤)，该分量依据编号规则对应于特定点的一个应变分量。T表示向量的转置(后同)。
2.建立索结构单位损伤应变变化矩阵Δε。在索结构的力学计算基准模型的基础上进行若干次计算，计算次数数值上等于所有索的数量。每一次计算假设索系统中只有一根索有单位损伤Du(单位损伤应较小、且其引起的应变变化能够被传感器准确识别出来，例如取10％损伤为单位损伤)，每一计算中出现损伤的索不同于其它次计算中出现损伤的索，每一次计算都利用力学方法(例如有限元法)计算索结构的所有指定点的所有当前应变分量，每一次计算组成一个所有指定点的计算当前应变向量(当假设第j根索有单位损伤时，可用式(2)表示所有指定点的计算当前应变向量εtj)；每一次计算得到的计算当前应变向量减去初始应变向量，所得向量就是此条件下(以有单位损伤的索的位置或编号等为标记)的应变变化向量(当第j根索有单位损伤时，用δεj表示应变变化向量，定义见式(3)，式(3)为式(2)减去式(1)所得)，应变变化向量的每一元素表示由于计算时假定有单位损伤的那根索的单位损伤而引起的该元素所对应的指定点的某个方向的应变的改变量；有N根索就有N个应变变化向量，每个应变变化向量有M(M≥N)个元素，由这N个应变变化向量依次组成有M×N个元素的单位损伤应变变化矩阵Δε，Δε的定义如式(4)所示。
式(2)中元素εtij(i＝1，2，3，.......，M；j＝1，2，3，.......，N；M≥N)表示由于第j根索有单位损伤时，依据编号规则所对应的某个指定点的、某个方向的、编号为i的计算当前应变。
式(4)中Δεi，j(i＝1，2，3，.......，M；j＝1，2，3，.......，N；M≥N)表示仅仅由于第j根索有单位损伤而引起的、依据编号规则所对应的某个指定点的、某个方向的、编号为i的应变的变化(代数值)。应变变化向量δεj实际上是矩阵Δε中的一列，也就是说式(4)也可以写成式(5)。
Δε＝[δε1 δε2…δεj…δεN] (5) 3.索系统当前(计算或实测)应变向量ε同初始应变向量εo、单位损伤应变变化矩阵Δε、单位损伤标量Du和当前损伤向量d间的近似线性关系，如式(6)所示。
式(6)中当前应变向量ε的定义类似于初始应变向量εo的定义，参见式(7)；索系统当前损伤向量d的定义参见式(8)；Du是单位损伤，已在前面说明过。
ε＝[ε1 ε2…εi…εM]T (7) 式(7)中εi(i＝1，2，3，.......，M；M≥N)是索结构的、依据编号规则所对应的某个指定点的、某个方向的、编号为i的当前应变。
d＝[d1 d2…di…dN]T (8) 式(8)中di(i＝1，2，3，.......，N)是索系统第i根索的当前损伤；di为0时表示无损伤，为100％时表示该索彻底丧失承载能力，介于0与100％之间时表示丧失相应比例的承载能力。
若设索损伤为100％时表示索彻底丧失承载能力，那么当实际损伤不太大时(例如不大于30％的损伤)，由于索结构材料仍然处在线弹性阶段，索结构的变形也较�。�(6)所表示的这样一种线性关系同实际情况的误差较小。用式(9)定义的误差向量e表示式(6)所示线性关系的误差。
式(9)中abs()是取绝对值函数，对括号内求得的向量的每一个元素取绝对值。
本发明的第二部分基于知识库(含参量)和当前实测结构应变(指定点的应变)的索系统健康状态评估方法。由于式(6)所表示的线性关系存在一定误差，因此不能简单根据式(6)和实测当前应变向量ε来直接求解得到索损伤向量d。如果这样做了，得到的索损伤向量d中的元素甚至会出现大的负值，也就是负损伤，这明显是不合理的。因此获得索损伤向量d的可接受的解(即带有合理误差，但可以比较准确的从索系统中确定受损索的位置及其损伤程度)成为一个合理的解决方法，可用式(10)来表达这一方法。
式(10)中abs()是取绝对值函数，向量g描述偏离理想线性关系(式(6))的合理偏差，由式(11)定义。
g＝[g1 g2…gi…gM]T (11) 式(11)中gi(i＝1，2，3，.......，M)描述了偏离式(6)所示的理想线性关系的最大允许偏差。向量g可根据式(9)定义的误差向量e试算选定。
在初始应变向量εo(实测得到)、索结构单位损伤应变变化矩阵Δε(计算得到)、实测当前应变向量ε和单位损伤Du(计算Δε前设定)已知时，可以利用合适的算法(例如多目标优化算法)求解式(10)，获得索损伤向量d的可接受的解，从而确定受损索的位置和损伤程度。
本发明的第三部分健康监测系统的软件和硬件部分。硬件部分包括应变监测系统(例如包括应变传感器、对应的信号调理器等)、信号采集器和计算机。要求实时监测每一个指定点的所有指定方向的应变，例如可以用多个应变传感器监测每一个指定点的所有指定方向的应变。软件应当具用下列功能软件部分首先根据应变监测系统传来的数据实时或准实时分析得到当前应变向量ε，然后读取预先存储的索系统单位损伤应变变化矩阵Δε、初始应变向量εo和单位损伤值Du，依据合适的算法(例如多目标优化算法)求解式(10)，得到索系统的索损伤向量d的非劣解，也就是带有合理误差、但可以比较准确地从索系统中确定受损索的位置及其损伤程度的解。
本发明方法具体包括 a.确定索的编号规则，按此规则将索结构中所有的索编号，该编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵； b.确定指定的被测量点，被测量点即表征结构应变的所有指定点，并给所有指定点编号；确定被测量点的被测量的应变方向，并编号；上述编号在后续步骤中同样将用于生成向量和矩阵；测量点的数量一般不得小于索的数量；所有被测量的指定点的所有指定应变方向的数量之和不得小于索的数量； c.在索结构无损伤条件或可认为无损伤条件下，直接测量计算得到索结构的所有指定点的初始应变，组成初始应变向量εo； d.在索结构无损伤条件或可认为无损伤条件下，在实测得到初始应变向量的同时，实测得到索结构的所有索的初始索力数据和结构的初始几何数据； e.根据索结构的设计图、竣工图和索结构的实测数据，建立索结构的力学计算基准模型，索结构的实测数据至少包括结构的所有索的初始索力数据和初始几何数据； f.在力学计算基准模型的基础上进行若干次力学计算，通过计算获得单位损伤应变变化矩阵Δε； g.实测得到索结构的所有指定点的当前实测应变，组成当前应变向量ε； h.定义索系统当前损伤向量d，当前损伤向量的元素个数等于索的数量，当前损伤向量的元素和索之间是一一对应关系，当前损伤向量的元素数值代表对应索的损伤程度或健康状态； i.依据当前应变向量ε同初始应变向量εo、单位损伤应变变化矩阵Δε、单位损伤标量Du和待求的索系统当前损伤向量d间存在的近似线性关系，该近似线性关系可表达为式1，式1中除d外的其它量均为已知，求解式1就可以算出当前损伤向量d；式1 j.由于当前损伤向量d的元素数值代表对应索的损伤程度，所以根据当前损伤向量确定有哪些索受损及其损伤程度，即实现了索结构中索系统的健康监测；若当前索损伤向量的某一元素的数值为0，表示该元素所对应的索是完好的，没有损伤的；若其数值为100％，则表示该元素所对应的索已经完全丧失承载能力；若其数值介于0和100％之间，则表示该索丧失了相应比例的承载能力。
在步骤f中，获得单位损伤应变变化矩阵的具体方法为 f1.在力学计算基准模型的基础上进行若干次力学计算，计算次数数值上等于所有索的数量，有N根索就有N次计算，每一次计算假设索系统中只有一根索有单位损伤，每一次计算中出现损伤的索不同于其它次计算中出现损伤的索，每一次计算得到索结构中所有指定点的所有当前应变分量，每一次计算得到的所有当前应变组成一个计算当前应变向量； f2.每一次计算得到的那个计算当前应变向量减去初始应变向量得到一个应变变化向量；有N根索就有N个应变变化向量； f3.由这N个应变变化向量依次组成有N列的单位损伤应变变化矩阵；或者说单位损伤应变变化矩阵的每一列对应于一个应变变化向量。
有益效果本发明公开的系统和方法在只有不太多的索(例如30根索或30％的索)同步受损的条件下可以非常准确地监测评估出索系统的健康状态(包括所有受损索的位置和损伤程度，因为此时索结构的变形较�。咝怨叵到虾�)。在受损索很多(例如多于30根索或50％以上索同步受损)时，可以相当准确地监测评估出绝大部分受损索的位置及其损伤程度。考虑到索系统的索损伤通常是非均衡、非大量索同步受损的，本发明公开的系统和方法对索系统的有效健康监测是非常有益的。
具体实施例方式 针对索结构(特别是大型索结构，例如大型斜拉桥、悬索桥)的索系统的健康监测，本发明公开了一种能够合理有效地监测索结构中索系统中每一根索的健康状况的系统和方法。本发明的实施例的下面说明实质上仅仅是示例性的，并且目的绝不在于限制本发明的应用或使用。
本发明采用一种算法，该算法用于监测索结构(特别是大型索结构，例如大型斜拉桥、悬索桥)中的索系统(所有索)的健康状态。具体实施时，下列步骤是可采取的各种步骤中的一种。
第一步确定索的编号规则，按此规则将所有的索编号。该编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵。确定被测量点(即所有表征结构应变场的指定点)及被测量的应变分量，并给其编号。每一个指定点可以就是每一根索的固定端点(例如是斜拉桥的拉索在桥面上的固定端)附近的一个点，该点一般不应当是应力集中点，以避免出现过大的应变测量值；该编号在后续步骤中同样将用于生成向量和矩阵；测量点的数量不得小于索的数量。在每一指定点可以仅仅测量一个方向的应变，也可以测量多个方向的应变。
第二步直接测量或测量后计算得到索结构的所有指定点的所有指定方向的初始应变，所有的初始应变数值组成初始应变向量εo。同时，直接测量或测量后计算得到索结构的所有索的初始索力和初始几何形状数据(对于斜拉桥就是其初始桥型数据)。
第三步建立索结构的力学计算基准模型。根据索结构的设计图、竣工图和索结构的实测数据(包括结构初始几何形状数据、应变数据、所有索的初始索力、结构模态数据等数据，对斜拉桥、悬索桥而言是桥的桥型数据、应变数据、索力数据、桥的模态数据)，利用力学方法(例如采用有限元法)建立该结构的力学计算基准模型(例如有限元基准模型)，基于该基准模型计算得到结构的计算数据(对斜拉桥、悬索桥而言至少是桥的桥型数据和索力数据)必须非常接近其实测数据，误差一般不得大于5％。
第四步建立索结构单位损伤应变变化矩阵Δε。在索结构的力学计算基准模型的基础上进行若干次计算，计算次数数值上等于所有索的数量。每一次计算假设索系统中只有一根索有单位损伤Du(单位损伤应较小、且其引起的应变变化能够被传感器准确识别出来，例如取10％损伤为单位损伤)，每一次计算中出现损伤的索不同于其它次计算中出现损伤的索，每一次计算都利用力学方法(例如采用有限元法)计算索结构中索系统中所有指定点的所有指定方向的当前应变，每一次计算组成一个计算当前应变向量ε；每一次计算得到的计算当前应变向量减去初始应变向量，所得向量就是此条件下(以有单位损伤的索的位置或编号等为标记)的应变变化向量，应变变化向量的每一元素表示由于计算时假定有单位损伤的那根索的单位损伤而引起的该元素所对应的指定点的指定方向的应变改变量；有N根索就有N个应变变化向量，每个应变变化向量有M个元素(有K个指定点、每个指定点被指定测量L个方向的应变，M＝K×L；或者不同的指定点有不一定相同数量的测量方向，M是被测量应变分量的数量之和)，由这N个应变变化向量依次组成有M×N个元素的单位损伤应变变化矩阵Δε，或者说单位损伤应变变化矩阵Δε的每一列对应于一个应变变化向量。
第五步建立线性关系误差向量e和向量g。利用前四步的数据(初始坐标向量εo、单位损伤应变变化矩阵Δε)，在第四步进行每一次计算的同时，即在“每一次计算假设索系统中只有一根索有单位损伤Du，每一次计算中出现损伤的索不同于其它次计算中出现损伤的索，每一次计算都利用力学方法(例如采用有限元法)计算索结构中索系统中所有指定点的所有指定方向的当前应变，每一次计算组成一个计算当前应变向量ε”的同时，每一次计算组成一个损伤向量d，该损伤向量d的所有元素中只有一个元素的数值取Du，其它元素的数值取0，损伤向量d中数值是Du的元素对应于该次计算时唯一受损索的单位损伤程度Du；将ε、εo、Δε、Du、d带入式(10)，得到一个线性关系误差向量e，每一次计算得到一个线性关系误差向量e；有N根索就有N次计算，就有N个线性关系误差向量e，将这N个线性关系误差向量e相加后得到一个向量，将此向量的每一个元素除以N后得到的新向量就是最终的线性关系误差向量e。向量g等于最终的误差向量e。
第六步安装索结构健康监测系统的硬件部分。硬件部分至少包括应变监测系统(例如含应变传感器、信号调理器等)、信号(数据)采集器、计算机和通信报警设备。每一个指定点的每一个指定方向的应变都必须被应变监测系统监测到；应变监测系统监测每一个指定点的每一个指定方向的应变，并将信号并传输到信号采集器；信号经信号采集器传递到计算机；计算机则负责运行索结构的索系统的健康监测软件，包括记录信号采集器传递来的信号；当监测到索有损伤时，计算机控制通信报警设备向监控人员、业主和(或)指定的人员报警。
第七步将初始应变向量εo、索结构单位损伤应变变化矩阵Δε和单位损伤Du等参数以数据文件的方式保存在运行健康监测系统软件的计算机硬盘上。
第八步编制并在计算机上安装运行索结构的索系统健康监测系统软件。该软件包括如下几种功能�？�1.从存储在计算机硬盘上的数据文件中读取初始应变向量εo、索结构单位损伤应变变化矩阵Δε、单位损伤Du和所有必要参数。2.定时(或随机触发式)记录通过信号采集器传来的信号。3.对记录的信号进行信号处理，计算得到每一个指定点的所有指定方向的当前应变，所有的当前应变组成当前应变向量ε。4.依据当前应变向量ε同初始应变向量εo、单位损伤应变变化矩阵Δε、单位损伤标量Du和索系统当前损伤向量d(由所有索当前损伤量组成)间存在的近似线性关系(式(6))，按照多目标优化算法计算索系统当前损伤向量d的非劣解，也就是带有合理误差、但可以比较准确地从所有索中确定受损索的位置及其损伤程度的解。
可以采用的多目标优化算法有很多种，例如基于遗传算法的多目标优化、基于人工神经网络的多目标优化、基于粒子群的多目标优化算法、基于蚁群算法的多目标优化、约束法(Constrain Method)、加权法(Weighted Sum Method)、目标规划法(Goal Attainment Method)等等。由于各种多目标优化算法都是常规算法，可以方便地实现，本实施步骤仅以目标规划法为例给出求解当前损伤向量d的过程，其它算法的具体实现过程可根据其具体算法的要求以类似的方式实现。
按照目标规划法，式(6)可以转化成式(12)和式(13)所示的多目标优化问题，式(12)中γ是一个实数，R是实数域，空间区域Ω限制了向量d的每一个元素的取值范围(本实施例要求向量d的每一个元素不小于0，不大于1)。式(12)的意思是寻找一个最小的实数γ，使得式(13)得到满足。式(13)中G(d)由式(14)定义，式(13)中加权向量W与γ的积表示式(13)中G(d)与向量g之间允许的偏差，g的定义参见式(11)，其值已在第五步计算得到。实际计算时向量W可以与向量g相同。目标规划法的具体编程实现已经有通用程序可以直接采用。使用目标规划法就可以求得当前索损伤向量d。
minimize γ γ∈R，d∈Ω(12) G(d)-Wγ≤g (13) 若解得的当前索损伤向量d的某一元素的数值为0，表示该元素所对应的索是完好的，没有损伤的；若其数值为100％，则表示该元素所对应的索已经完全丧失承载能力；若其数值介于0和100％之间，则表示该索丧失了相应比例的承载能力。5.数据生成功能。即可定期或由人员操作健康监测系统生成索系统健康情况报表。6.报警功能。在指定条件下，自动操作通信报警设备向监控人员、业主和(或)指定的人员报警。
权利要求
1.一种基于应变监测的索结构中索系统的健康监测方法，其特征在于所述方法包括
a.确定索的编号规则，按此规则将索结构中所有的索编号，该编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵；
b.确定指定的被测量点，被测量点即表征结构应变的所有指定点，并给所有指定点编号；确定被测量点的被测量的应变方向，并编号；上述编号在后续步骤中同样将用于生成向量和矩阵；测量点的数量一般不得小于索的数量；所有被测量的指定点的所有指定应变方向的数量之和不得小于索的数量；
c.在索结构无损伤条件或可认为无损伤条件下，直接测量计算得到索结构的所有指定点的初始应变，组成初始应变向量εo；
d.在索结构无损伤条件或可认为无损伤条件下，在实测得到初始应变向量的同时，实测得到索结构的所有索的初始索力数据和结构的初始几何数据；
e.根据索结构的设计图、竣工图和索结构的实测数据，建立索结构的力学计算基准模型，索结构的实测数据至少包括结构的所有索的初始索力数据和初始几何数据；
f.在力学计算基准模型的基础上进行若干次力学计算，通过计算获得单位损伤应变变化矩阵Δε；
g.实测得到索结构的所有指定点的当前实测应变，组成当前应变向量ε；
h.定义索系统当前损伤向量d，当前损伤向量的元素个数等于索的数量，当前损伤向量的元素和索之间是一一对应关系，当前损伤向量的元素数值代表对应索的损伤程度或健康状态；
i.依据当前应变向量ε同初始应变向量εo、单位损伤应变变化矩阵Δε、单位损伤标量Du和待求的索系统当前损伤向量d间存在的近似线性关系，该近似线性关系可表达为式1，式1中除d外的其它量均为已知，求解式1就可以算出当前损伤向量d；
式1
j.由于当前损伤向量的元素数值代表对应索的损伤程度，所以根据当前损伤向量就能确定有哪些索受损及其损伤程度，即实现了索结构中索系统的健康监测；若当前索损伤向量的某一元素的数值为0，表示该元素所对应的索是完好的，没有损伤的；若其数值为100％，则表示该元素所对应的索已经完全丧失承载能力；若其数值介于0和100％之间，则表示该索丧失了相应比例的承载能力。
2.根据权利要求1所述的基于应变监测的索结构中索系统的健康监测方法，其特征在于在步骤f中，获得单位损伤应变变化矩阵的具体方法为
f1.在力学计算基准模型的基础上进行若干次力学计算，计算次数数值上等于所有索的数量，有N根索就有N次计算，每一次计算假设索系统中只有一根索有单位损伤，每一次计算中出现损伤的索不同于其它次计算中出现损伤的索，每一次计算得到索结构中所有指定点的所有当前应变分量，每一次计算得到的所有当前应变组成一个计算当前应变向量；
f2.每一次计算得到的那个计算当前应变向量减去初始应变向量得到一个应变变化向量；有N根索就有N个应变变化向量；
f3.由这N个应变变化向量依次组成有N列的单位损伤应变变化矩阵；或者说单位损伤应变变化矩阵的每一列对应于一个应变变化向量。
全文摘要
基于应变监测的索结构中索系统的健康监测方法在结构的力学计算基准模型的基础上进行若干次力学计算，计算次数等于索的数量。每次计算假设只有一根索有单位损伤，每次计算结果组成一个计算当前应变向量；每个计算当前应变向量减去初始应变向量，获得一个应变变化向量；所有的应变变化向量组成单位损伤应变变化矩阵。依据当前应变向量(由所有指定点的当前实测应变组成)同初始应变向量、单位损伤应变变化矩阵、单位损伤标量和当前索损伤向量(由所有索当前损伤量组成)间存在的近似线性关系，可以利用多目标优化算法等合适的算法快速算出当前索损伤向量的非劣解，据此可以比较准确地确定受损索的位置及其损伤程度。
文档编号G01M99/00GK101334275SQ20081002085
公开日2008年12月31日 申请日期2008年7月29日 优先权日2008年7月29日
发明者韩玉林 申请人:东南大学
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
