（测试计量技术及仪器专业论文）多主体协作技术在结构健康监测中的初步研究.pdf

南京航空航天大学硕十论文 摘要 在结构健康监测中，利用埋入结构的传感器监测自身损伤或缺陷信息，对 结构的安全状况做出判断，从而提高结构的安全性，延长使用寿命。这一研究不 仅在航空航天领域，而且在国防和民用的其他领域也有着极其重要的意义和广阔 的应用前景。 针对大型工程结构的健康监测问题，本文提出并研究了一种基于多主体协 作的分布式结构健康监测技术，其基本思想是将原来由中央处理器实现的串行处 理、集中决策的结构健康监测系统，变为一种并行的分布式系统，采用多智能体 技术对整个健康监测系统进行协作管理，这样将大大提高系统功能、可靠性和灵 活性，同时提高运行速度、减少引线、降低功耗及信息传输量，促进结构健康监 测技术在大型工程结构中的真正实用化。 本文采用压电片和应变电阻丝作为传感元件对玻璃纤维复合材料板进行集 中载荷监测和冲击载荷监测；使用域值法对冲击载荷监测做出了比较精确的定 位；用少量的短电阻丝的布置方案，实施了五点法传感元件的布置，运用经典模 式识别方法实现了载荷定位：对数据采集的方式及应用做了研究；设计了外部控 制触发电路；将多主体协作技术运用其中，合理的选用传感元件采集的信号进行 处理，实现了对集中载荷监测和冲击载荷监测的协调监测。 在分布式结构健康监测系统中，网络包含大量不同种类的传感器，它们具 有特定但有限的功能，单一的传感器获得的信息是不完备的，它们在工作和数据 传输方面都需要进行协调。将多主体协作技术运用到结构健康监测中，正是能提 高整个监测系统的容错能力，做出正确的监测结论。本文只选用了压电和应变两 种传感元件作为协调的对象，虽然较为简单，但成功的应用定将为多主体协作技 术进一步运用做了一些基础。 本课题得到了国家自然科学基金项目( 9 0 3 0 5 0 0 5 ) ；国家自然科学基金重点 项目( 5 0 1 3 5 0 3 0 ) ；国防预研项目( 4 0 2 0 3 0 2 0 2 ) ：国防8 6 3 项目( 轻质机体结构 设计技术) 的资助。 关键字：智能结构。健康监测，冲击定位，载荷定位，多主体协作技术 多主体协作技术在结构健康监测中的初步研究 a b s t r a c t i ns t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e m ，w ew i l la c q u i r et h ed a m a g ei n f o r m a t i o n b yt h es e n s o r se m b e d d e d i nt h es t r u c t u r ea n dm a k ea j u d g r n e n tt os a f e t ys t a t u so f t h e s t r u c t u r e i ti sp r o p i t i o u st or e s t r a i nd a m a g e ，d e c r e a s ed a m a g ea n di n c r e a s et h es a f e t y o ft h es t r u c t u r e t h i si ss i g n i f i c a n ts t u d ya n dp r o p e ra p p l i c a t i o nf o r e g r o u n dn o to n l y i na e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c sb u ta l s oi nn a t i o n a ld e f e n s ea n ds oo n i nt h et e x t ，an e w t e c h n o l o g yi sb r o u g h tf r o w a o r d w h i c hi sa b o u ts t r u c t u r a lh e a l t h m o n i t o r i n gb a s e do nm u l t i - a g e n ts y s t e ma i m i n gt og i a n te n g i n e e r i n gs t r u c t u r a l i t s b a s i ci d e ai s c h a n g i n g c e n t e r p r o c e s s o ri n s t e a d o fd i s t r i b u t e d p r o c e s s o r i n t h i s p r o c e s s o lt h es t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e mw i l lb em a n a g e db ym u l t i - a g e n t t e c h n o l o g y t h u s ，t h es y s t e mf u n c t i o n ，d e p e n d a b i l i t ya n ds e n s i t i v i t yw i l lb ei n c r e a s e d ， w h i l et h ep r a c t i c a l i t yo fs t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n gi ng i a n te n g i n e e r i n gw i l lb e p r o m o t e d i nt h i s s t u d y , t h em o n i t o r i n go b j e c t s a r et h el o a da n di m p a c ti ns t r u c t u r a lo f f i b e r g l a s sc o m p l e xb ya d o p t i n gp z ta n dr e s i s t a n c e w i r e sa s s e n s o r s u s i n g t h e m e t h o do f r e g i o nv a l u ew i l lo r i e n ti m p u l s i o n c l a s s i c a lm o d e i d e n t i f yi sm a n a g e df o r l o a do r i e n t a t i o n ，a n dal i t t l er e s i s t a n c ew i r e sa r eu s e d t h em o d ea n da p p l i c a t i o no f d a t a a c q u i r e m e n ti s r e s e a r c h e dp r o f o u n d l y t h ee x t e r n a l c o n t r o lt r i g g e rc i r c u i ti s d e s i g n e d a n dw i t ht h eh e l po fm u l t i a g e n ts y s t e m ，t h es e n s o r sw i l lb es e l e c t e di n r e a s o nf o rm a n a g i n gs i g n a l sa n d r e a l i z i n gi n s p e c t i o nf o rt w oo b j e c t sc o r r e s p o n d s t h en e t w o r kc o n t a i n sag r e a td e a lo fd i f f e r e n ts e n s o r st h a ta r ep r o v i d e dw i t h s p e c i a la n d l i m i t e df u n c t i o n si nd i s t r i b u t e ds t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e m s i n g l e s e n s o rc a n n o ta c q u i r ec o m p r e h e n s i v ei n f o r m a t i o nu n l e s sc o o r d i n a t ei nt h ep r o c e s so f w o r ka n dd a t ac o m m u n i c a t i o n m u l t i - a g e n ts y s t e mw i l li m p r o v et h ef u n c t i o no ft h e s y s t e ma n dh e l pt om a k ear i g h tm o n i t o r i n gc o n c l u s i o n i nt h i ss t u d y , i ti se a s yt o c o r r e s p o n dp i e z o e l e c t r i c i t ya n dr e s i s t a n c ew i r e s b u tt h i ss t u d ys h a l lm a k eag o o d b a s ef o rt h em o r e a p p l i c a t i o no f m u l t i a g e n ts y s t e m k e yw o r d s ：s m a r ts t r u c t u r e ；h e a l t hm o n i t o r i n g ；i m p a c to r i e n t a t i o n ；l o a do r i e n t a t i o n ； m u l t i a g e n ts y s t e m 1 、 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 南京航空航天大学硕十论文 1 1 智能材料结构 第一章绪论 智能材料结构( s m a r t i n t e l l i g e n tm a t e r i a l sa n ds t r u c t u r e s ) 是一门新 兴的多学科交叉而成的综合科学。它最初的设想是在8 0 年代提出，如今，发 展的非常迅速，并越来越受到重视。 智能材料结构的研究内容涉及到自然科学中多个方面，例如材料学、物理学、 化学、力学、电子学、人工智能、信息技术、计算机技术、生物技术、加工技术 及控制论、仿生学和生命科学等许多学科及高科技 1 1 。同时它拥有巨大的应用前 景和社会效益。尽管智能材料结构的应用目前还处于研究阶段，但有着光明的前 景，会引起材料与结构设计思想的重大变革。 智能材料结构是由基体材料( m a t r i x ) 、传感元件( s e n s o r ) 、驱动元件 ( a c t u a t o r ) 和处理和控制系统( p r o c e s s i n ga n dc o n t r o ls y s t e m ) 组成。驱 动件和传感元件将被融合在结构中，同时也将处理器与材料或结构部件集成为一 体，通过机械、热、电等激励和控制，使智能材料结构不仅具有承受载荷的能力， 还具有识别、分析、处理及控制等多种功能【2j ，并能进行数据的传输和多种参数 的检测包括应变、损失、压力等，而且还能够动作，具有改变结构的应力分布、 强度、形状等多种功能，从而使结构材料本身具有自诊断、自适应、自学习、自 增益等能力( 3 i 。 如果将基体材料看成是人的骨骼，那么智能材料结构就相当于由神经、肌肉、 大脑和骨骼组成的系统：其中基体材料类似于人体的骨骼：融合于基体材料中的 传感元件类似于神经系统。具有感官功能；驱动元件类似于人体的肌肉；处理和 控制系统类似人的大脑，将根据传感来的信息分析、判断，来指挥驱动元件动作， 实现监测、诊断、修复等功能【”。由此得出如下的定义：将具有仿生命功能的材 料融合与基体材料中，使制成的实体具有人们期望的智能功能，这种结构称为智 能材料结构。 多主体协作技术在结构健康监测中的初步研究 i 2 结构健康监测 1 2 1 结构健康监测的定义及基本要素 结构健康监测( s t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n g ，s h m ) 技术起源于上个世 纪末，最初目的是进行结构的载荷监测。随着结构设计向大型化、复杂化和智能 化发展，结构健康监测技术的内容逐渐丰富起来，不再是单纯的载荷监测而是 向结构损伤的自动修复等方面发展，结构健康监测技术主要应用于一些造价较 贵、对可靠性要求很高的结构1 2 】，如空间飞行器、桥梁、大坝、隧道、核电站、 海上平台等工程结构上，在提高可靠性、降低维护费用、提高生产效率等方面有 着重要的意义。结构健康监测技术还具有可远程实时获取结构信息、进行异地监 测的特点。 传统的结构维护工作主要是由制造者根据设计和制造阶段的数据及分析结 果制定的维护技术手册进行的，是一种基于计划的维护程序，这种维护程序缺少 对服役结构的状态( 如载荷、温度、应力等) 和结构老化情况的监测【3 】o 因此。 随着结构的老化，就必须缩短检修和维护的周期，从而引起维护费用的增加，否 则不能保证结构的可靠性；传统的无损检测是较为耗时的工作。对于许多大型结 构，如大型发电机以及各种运载工具，停机进行无损检测会带来很大的经济损失； 而对于航天器、海洋平台等大型结构，由于其工作的特殊环境，进行结构损伤的 无损检测则更不现实，结构健康监测技术研究的目的就是通过结构中的传感器网 络实时获取结构对环境激励的响应并从中提取结构的损伤和老化信息。为结构的 使用和维护工作提供参考，因而可降低维护费用、预报灾难性事件的发生，将损 失降低到最小。 结构健康监测是一门综合性技术，涉及到结构动力学、信息技术( 如信息的 传输、处理，存储与管理) 、传感器技术、优化设计等多个学科【2 1 。损伤检测长 期来都是一个非常活跃的研究领域，因此其方法在数量上飞速增长，但从技术上 可分为基于模态分析和基于实验信号处理的方法，从策略上可分为对比方法和非 对比的方法例。 原则上，结构健康监测的实现是通过将先进的传感元器件网络嵌入或以其他 方式集成于结构中，在线实时地获取与结构健康状况相关的信息( 如应力、应变、 2 南京航空航大大学硕士论文 温度等) ，再交于处理器进行信息处理和力学建模，提取特征参数，识别结构的 状态，包括损伤，从而实现结构健康自诊断，以保证结构的安全和降低维修费用。 下面通过传感器和处理器这两个方面介绍结构健康监测的发展现状。 、健康监测中的传感器 对传感器元件的基本要求是与结构良好结合、在结构使用环境下正常工作、 灵敏反应结构的状态，目前主要的传感器有光纤传感器、压电传感器、电阻应变 丝等。 l 、光纤传感器 由于体积小、重量轻、耐腐蚀、抗电磁、与复台材料相容性好，光纤既可作 为传感器也可作为传输通道【”。根据工作原理分，光纤传感器可分为强度调制型、 偏振调制型、相位调制型和波长调制型等。目前采用的光纤传感方案有点式与分 布式两大类，相应传感系统的结构及信号处理方法已经建立，但实用化光钎传感 技术还有待进一步研究。一方面大多数光纤传感器在诸如大动态范围、稳定性及 高分辨率等方面的性能仍没有完善；另一方面由于某些器件成本较高、外围处理 设备比较复杂，使其在实际应用中受到一定限制。 2 、压电传感器 压电材料在外力作用下会产生与所受应力成正比的电荷，对其施加电压时又 会引起几何变形，基于这两种效应，压电元件可作传感元件也可作驱动元件。作 为传感元件，压电材料具有很高的灵敏度、良好的线形响应特性和相当宽的频响 范围；可以制作成任意形状，成本也较低；外围电路简单。结构健康监测中主要 使用的压电材料有锆钛酸铅压电陶瓷( p z t ) 和聚偏二氟乙烯压电薄膜( p v d f ) 。 由于压电陶瓷的脆性，限制了它的大面积使用，p z t 传感器多以小片的形式嵌入 复合材料结构或粘贴在结构表面1 3 】。p v d f 压电薄膜是一类柔性的压电材料，它的 厚度可以做到微米量级，并且可以大面积使用，它可以任意的贴在结构的表面或 是埋入复合材料层板中。压电传感器在结构健康监测中主要用来实现分布式或集 中式的动态应变测量，通过压电传感器检测结构对激励的响应，对其进行分析、 识别从而判断结构中的损伤，这也是一种主动的损伤监测方法。由于具有较高的 灵敏度和很宽的响应频带，还可以作为声或超声传感器，用于结构的噪声控制。 利用热电效应，压电薄膜还可以用来监测温度。在应用方面压电薄膜材料还存在 一个突出问题，即它的居晕点较低，限制了它只能在常温下使用【2 】a 3 、电阻式应变传感器 1 多主体协作技术在结构健康监测中的初步研究 电阻式应变传感器是一种传统的应变检测材料，由于其技术成熟、性能稳定、 价格低廉，也成为智能结构传感器的一种可选方案。电阻应变丝的直径可以做到 微米量级，因此可以埋入复合材料中而不会对材料的原有性能产生大的影响。还 有种基于形状皓| 乙合会丝的电阻式应变传感器，这种材料有较高的电阻率，其 阻值变化是应变的函数，因此也可用来检测应变。电阻应变式传感器用于结构健 康监测也存在一定的问题，比如它使用过程中需要有电压激励，易引起电磁干扰， 灵敏度较低，工作带宽较窄，一般用于低频的静态测量。 3 、几种传感器的性能比较 表1 1 传感器的比较 二二、健康监测中的处理器 处理器是结构健康监测的核心部分。广义上讲，健康监测中的处理器的功能 包括信息和能量的传递、变换以及识别、学习、预测、决策等，与传感器的发展 状况相比，健康监测中的处理器还远未达到与结构材料褶结合的程度，在目自u 所 有的研究中，处理功能是依靠结构之外的计算机系统完成的，因此在信号调理， a d 、d a 、运算等测控功能的实现，高效率数据的传输方案，处理器件与材料的 集成化等方面还面临许多开创性的工作需要完成【”。 结构中有大量的传感器分布于各个部位，它们与处理单元间的信息和能量的 传递是需要解决的首要问题，可能用于信号和能量传输的媒介包括：金属纤维导 线，导电石墨纤维，导电薄膜层以及光纤。其中光纤具有优异的电磁兼容性能和 大容量的数据传输能力，特别受到人们的关注。 超大规模集成电路制造技术使微处理芯片不断向微型化方向发展，从d s p 芯 片、t r a n s p u z e r 芯片到神经网络芯片信息处理单元的功能日益强大。健康监 测中的信息处理单元所面临的主要问题是器件与材料的集成化。与材料集成后的 4 南京航空航天大学硕十论文 电子器件的热耗散对监测对象的影响要小。初步的研究表明：在通常的层板结构 中嵌入复合材料层板的试验中，证实器件的功能在层板破坏之前能正常发挥。另 一个可能的集成化方案是选择一种基片材料使之直接在复合材料上生长而成，然 后再完成器件的制作。除了采用半导体集成器件外，健康监测中的处理单元也可 选择光学及生物分子器件。 结构健康监测中的信息处理技术涉及面很广，就损伤白诊断、自适应智能结 构来说，信息处理系统需要完成的工作就包括了模式识别、系统辨识、自适应控 制等多方面【2 】。结构健康监测系统的复杂性和对智能程度的需求使传统的基于线 性系统、精确模型以及现代计算机体系的信息处理方式面临挑战。现阶段常用的 信号处理方法有小波变换法、神经网络法、黄氏变化法等。其中基于小波变换的 损伤识别技术较为成熟，神经网络的基本信息处理单元十分简单，但通过这些简 单处理器的组合，神经网络却能完成复杂的信息处理功能，这一技术也自然成为 结构健康监测信息处理方法研究所关注的焦点。黄氏变化法还处于研究的初级阶 段，但在损伤定位等方面也取得了一定的进展。虽然还存在着缺陷，但也有较好 的前途。 1 2 2 结构健康监测有待解决的问题 结构健康监测技术的研究已经历了2 0 多年的发展，虽然在多个领域取得了 不少进展，但要真正将该技术实用化，还必须解决大范围集成问题【2 】。在诸如桥 梁等大型土木工程的结构健康监测中，需要布设多组多类传感器，监测环境荷载、 结构振动和局部应力状态，用以验证设计假定、监视施工质量和实时评定服役安 全状态，例如，佛罗里达州的s u n s h i n es k y w a yb r i d g e 桥上安装了5 0 0 多个传 感器。而目前针对结构健康监测的研究，基本都在尺寸较小的试件上，在实验室 进行。研究中所采用的器件数量大都较少，需要决策的目标相对简单，所需信号 信息处理的运算量不大，需要传输的信息也较少，一些管理和协调的功能基本还 不需要。但如果针对桥梁这样的实际工程应用对象，结构健康监测技术在应用时 的情况就要复杂、困难得多。因此监测所需的传感器件的数目和种类、决策对象 的复杂性都将大大增加，带来的是结构健康监测网络的复杂程度、用于信号信息 处理的运算量、需要通信、传输的信息量、系统各部分之间的管理、协调及监测 网络所需消耗的能量等的急剧增加。这些问题如不能加以解决，结构健康监测技 术就不可能真正得到较好的应用。 多土体协作技术在结构健康监测中的初步研究 1 3 运用于结构健康监测的多主体协作技术 对于解决结构健康监测的大范围集成问题，在计算机领域的一系列关于分布 式人工智能的研究有着重要的借鉴作用【10 1 。在对信息系统处理复杂问题的能力进 行分析时发现，通过协作将一些简单的信息系统组成一个集成系统可以显著提高 系统处理复杂问题的能力，并且通过定义合理的协作机制可以提高整体系统的智 能水平。在大型结构监测中，会有多组多类的传感器、处理器，它们自身相对简 单，但集成的能完成大面积监测任务的系统相对复杂，其中也同样需要多主体协 作技术在其中发挥协作作用。 什么是主体? 它对应的英文单词是“a g e n t ”，其原意主要指一个可以代表其 他执行任务的人或有权利和权威执行某事的人，或者是指完成某事的一种方法和 手段。很早前，主体就用于表示在商业运作中承担中间人的角色，它的功能和作 用基本上被理解为有一定的独立决策和行动能力，能够主动的采取一定的方法和 手段完成委托人交给的任务】。目前主体被更为广泛的用于计算机领域，经过多 年的研究，主体己被赋予了不同的含义，但是关于主体的基本功能和作用本质与 商业运作中中间人的角色的功能和作用没有太大的变化。 多主体系统( m u t i - a g e n ts y s t e m ，m a s ) 是指多个主体组成的系统，它是 为了解决单个主体不能够解决的复杂问题，由多个主体协调合作形成的问题求解 网络。为了使主体之间能够合理高效的进行协作，他们之间的协调机制成为多主 体系统研究的重点问题。一般的，每个主体被认为是一个物理的或抽象的实体， 能够作用于自身和周围环境，并可以与其他主体通信【3 3 1 。实际上，m a s 的研究方 法是用模拟人类社会系统的运作机制来提高计算机系统解决复杂问题的能力的。 如同一个人无法完成许多复杂和巨大型的任务样，单个主体也无足够的能力来 解决面临的许多问题，因此，采用多个主体进行协作，通过任务分解和任务协调 提高整个系统的能力是一个可行的途径。另外通过多主体之间的合作还可以克服 单个主体知识不完全、处理的信息不确定等缺点。 针对大型工程结构的健康监测问题，监测的任务是复杂的，某一类传感元件 取不出能正确反映结构状况的全部参数，数量较少的传感元件也不能给出全面的 结构监测结果，所以任务必定要被分配到不同性质的多个传感节点，再结合配套 的处理元件来完成。如果将不同的传感元件和处理元件都分别视为一个完成特定 6 南京航空航天大学硕十论文 任务的主体，那么大面积结构健康监测系统就可以认为是一个多主体系统，系统 必然需要协作才能正常运行，而且可以大大提高系统功能、可靠性和灵活性，同 时提高运行速度、减少引线、降低功耗及信息传输量，促进结构健康监测技术在 大型工程结构中的真正实用化。虽然每个主体的功能较单一，处理能力也有限， 但当他们以特定的交流方式融入一个协作系统后，信息将是共享的，信息处理中 工作将不会重复，效率也随之提高，系统各部分之间的管理、协调需求及监测网 络也将有着统一的规划，信息的传输也将有条不紊，整个系统的功能将较为强大， 能对大型监测对象做出完整准确的监测结果。 对于多主体系统协作技术的需求更多的源于分布式计算的复杂性。为了对大 型结构进行监测，需将原来由中央处理器实现的串行处理、集中决策的监测系统， 变为一一种并行的分布式系统，而分布式计算与人工智能技术相结合促进了分布人 工智能的研究，m a s 正是分布人工智能研究中的一个重要部分p ”，如下图： 图i 1 分布式人j ：智能研究中的m a s 分布人工智能系统的另一部分重要的工作是分布问题求解( d i s t r i b u t e d p r o b l e ms o l v i n g ，d p s ) 1 2 0 【3 5 】。d p s 一般对信息管理的问题，而m a s 针对行为 管理。 d p s 的信息管理包括分解和结果综合，就是说，复杂的任务要被分解为简单 的、易于管理的子任务，并发派到不同的处理器上，然后不同的子任务的结果被 合并综合。一般的d p s 系统由相同专业的实体完成，不同的解决问题的模块之问 7 多主体协作技术在结构健康监测中的初步研究 的关系存在很多事先的假设和定义。而m a s 却没有这样的保证，不同的主体可以 由不同专业的实体来设计开发，尽管它们之间需要相互联系。m a s 中个别主体的 行为要比主体之帕j 相互协调的行为简单得多，所以m a s 的研究更强调主体行为之 间的相互协调和作用【i 。 m a s 需要借助一些相关的理论和技术来实现。系统中的单个主体通过一定的 数据结构以及相应的操作对要解决的问题进行建模，就要用到知识表达和推理方 法的相关理论。主体之间的通信与信息交流需要以一定层次的协议作基础，主体 通信语吉( a g e n tc o m m u n i c a t i o nl a n g u a g e ，a c l ) 可以用于完成这样的功能”】。 多个主体以一定的方式组织在一起以实现相互协作，主体之间的高层次交互包括 协商和竞争等，可以用逻辑模型进行表达和实现。 主体的知识表达是要在实际问题域与主体内部符号推理系统( s y m b o l i c r e a s o n i n gs y s t e m ，s r s ) 之间建立联系1 3 】 1 4 1 。符号推理系统利用领域模型进行 推理工作，包括用于信息存储的数据结构和对这些数据的操作。对利用m a s 所要 解决的问题域中的每一个相关元素，例如一个对象或对象之间的关系，都应该在 1 j 三体的域模型中有相应的表示。这种从实际模型到主体域模型的映射关系使得主 体可以在域模型中执行推理过程，把结果返回到问题域。问题领域的知识表达方 法需要具有一些基本的特性：首先是表达的充分性，就是能够表达所需要求解的 问题域中所有类型的知识；其次是推理的充分性，它要求推理方法能够完成问题 域中所有需要的推理过程，这些推理过程可以对抽象得到的数据结构进行操作从 而产生新的数据结构，这对应于从旧的知识中获得新的知识。另外知识表达方法 还需要提高解决问题的能力、学习与知识更新的效率【1 5 1 。 软件主体之间要有效的相互协调运作，需要具有以下三方面的基本部件和支 撑环境：通用语言；对所交换知识的共同理解；交换以上知识和语言内容的能力。 根据对计算机通信语言和协议的功能和需求分析，可以把对主体的通讯语言 ( a c l ) 特性的要求分成7 个方面：格式( f o r m ) 、内容( c o n t e n t ) 、语义 ( s e m a n t i c s ) 、实现( i m p l e m e n t a t i o n ) 、网络( n e t w o r k ) 、环境( g n v i r o n m e n t ) 和 可靠性( r e l i a b i l i t y ) 。k q m l ( k n o w l e d g eq u e r ya n dm a n i p u l a t i o nl a n g u a g e ) 是发展较完善的a c l 之- - i m l ，是现有m a s 中使用最多的。 在m a s 的范畴内，需要协调的就是主体之间的相互作用。协调模型就是要 提供一个表达主体之间相互作用的形式框架。般来说，协调模型要处理主体的 创建与删除、主体之间的通讯活动、主体在m a s 空问中的分布与移动、主体行为 随时间的同步与分布情况等等。更加精确的说，一个协调模型应包括3 个 r 南京航空航天大学：硕十论文 元素：协调体、协调媒介和协调规则 旧l 。协调体是系统中的实体，它们之间的关 系由协调模型定义和控制。协调媒介是使主体问相互作用成为可能的各类载体的 统一抽象描述，也是协调体得以组织在一起的核心，如用于协调的信号灯、黑板、 元组空间等都是支持主体协调的协调媒介。协调规则用于定义与协调体相互作用 的协调媒介的行为，这些规则可以用通信和协调语苦进行定义，通信语言包含表 达和交换数据结构的语法，协调语言是交互语言与语义的集合。 m a s 已经越来越引起各个领域研究的重视。其主要原因是采用m a s 的理论与 技术实现的系统在很多方面具有明显的优势。 工业应用是主体技术最早的应用领域之- - e 拍i 。目前主体技术在工业领域内的 应用已经相当广泛。其中比较典型的包括过程控制、制造业生产控制、应用系统 集成和空管系统。但在结构健康监测中运用多主体协作技术还属首次。 1 4 本文研究的主要内容 、研究了基于电阻应变元件的应变分布监测原理 二、研究了基于压电元件的结构冲击载荷监测原理 三、阐述了多主体协作的基本理论并进行了用于结构健康监测的主体实现 四、实现了基于多主体协作的载荷及冲击定位健康监测系统 本文主要针对大型工程结构的健康监测问题，着眼于一个小型的结构健康监 测系统，将把平板结构的载荷监测和冲击监测在多主体协作的基础上有机的结 合起来。在监测系统中，由于不同种类的传感器( 压电片和应变电阻丝) 有着不 同的特定功能，单一的传感元件不能全面的反映对象的结构参数，如应力、应交、 压力等。而且它们采得的信息也有着不同的处理方法。多主体协作机制将对两类、 多组传感元件进行协调、管理。当有作用( 冲击或载荷) 发生于平板结构时，系 统将协调各主体之间的工作，对采集来的数据进行分析，判断出哪一类传感元件 的信号能证确的反映结构的现状，并调用其信息处理程序，做出对平板结构监测 的f 确结果。 9 多主体协作技术在结构健康监测中的初步研究 第二章基于电阻应变元件的应变分布监测原理 在诸如桥梁、飞行器等大型结构的健康监测中，对结构参数的静力识别是监 测的主要内容之一【4j 。选用电阻应变丝作为传感元件，是因为基于应变电阻丝的 应变测量技术具有以下优点：形状小而质量轻，不改变被测量对象的原应力情况， 工作环境要求低，易进行补偿，使用方便。1 9 世纪中叶，汤姆逊在指导大西洋 海底电缆是最先发现了电阻应变的测量原理：会属材料在受到压力或其它外力作 用时，电阻会发生变化。随着1 9 4 0 年后，应变测量技术的深刻变革，近年来， 由于原子工业和航天技术的迫切需要，以及新技术的采用，应变测量技术又有了 新的飞跃1 2 1 电阻应变元件的工作原理 2 1 1 应变电阻效应 电阻应变丝被埋入复合材料结构，将随着结构变形而发生“应变电阻效应” 如下图： o 图2 1 麻变电阻效麻 南京航空航天人学硕十论文 设电阻丝长度为l ，电阻率为p ，截面积为s ，则电阻丝的电阻为：r = 丝s a 当 受到拉力p 后，电阻丝长度、截面积和电阻率变化为d l 、d s 和d p ，所以 积“= c 争= 孚+ 华一学 ， 应变 ：磐( 2 2 ) 设截面圆的半径为r ，泊桑比 ：一娑 ( 2 3 ) 。 比化 、。 于是 警邓+ z ，警+ 警娟+ z ，s + 警 c z 。， 令世，：业：( 1 + 2 ) + 业， 被称为电阻丝的灵敏度系数，表示电阻丝产生单位应变时，电阻对应的变化，灵 敏度越大电阻丝反映的信号越大。对于不同材料的电阻丝来说。业不总为常 数，所以当应变s 较大的时候灵敏度k 。就不成线性关系。 2 1 2 埋入结构中的电阻应变丝的要求 在结构健康监测中，对于埋设的电阻丝有如下的要求： ( 1 ) 灵敏系数要大，并能在较大的应变范围内保持常值 ( 2 ) 具有高而稳定的电阻率 ( 3 ) 在工作温度的范围内，电阻温度系数要小，分散性也要小 ( 4 ) 机械强度高，焊接性能好，与引线材料的热电势小 ( 5 ) 有高度的抗氧性，耐腐蚀，蠕变和机械滞后小 ( 6 ) 寿命长，价格低 常用的一些可用做电阻丝的材料如下表： 多土体协作技术在结构健康监测中的初步研究 材电阻温度 线膨胀系数 对铜热 电阻率 系数灵敏度电势最高使用料 型号 p ( q m ) 1 0 一。c 类 a ( 1 0 “。c ) ku v r c 温度。c 型 铜 镍康铜0 4 5 0 5+ 2 5 0 ( 静) a n i 4 5 c u 5 5 2 0201 54 3 u+ 4 0 0 ( 动) 金 镍 1 0 1 1 2 1 、2 + 4 0 0 ( 静) 铬 c r 2 0 n i 8 0 6 j 2 2 1 2 4 1 4 1 1 0 1 3 031 43 8+ 8 0 0 ( 动) a c r 2 0 n i 8 0 6 j 2 3 2 02 4 2 1 3 33+ 4 0 0 ( 静)u 金6+ 8 0 0 ( 动) 镍 铬 铁恒弹性合金 1 o1 7 53 27 2 + 2 3 0 ( 动) a u 金 铁 馅 c r 2 6 a 1 5 4 v 2 + 8 0 0 ( 静) 铝1 572 61 1+ 1 0 0 0 a ( 动)l j 金 + 1 0 0 0 ( 静 + 7 0 0 ( 动) 铂铂0 13 9 0 04 89 + 8 0 0 ( 静) 及铂铱 0 3 55 9 04 01 3 + 1 0 0 0 铀铂钨( w 8 5 ) o 7 41 9 23 29 ( 动) 铀钨( w 9 5 )0 7 61 3 93 09 + 7 0 0 ( 静) u + 1 0 0 0 金铀钨铼镍铬o 7 51 7 43 29 ( 动) + 7 0 0 ( 静) + 1 0 0 0 ( 动) 表2 1 常用的电阻丝材料的比较 在本文的研究中，电阻应变丝采用了北京航空航天大学生产的铁铬铝钡合金，使 用温度可达7 0 0 7 5 0 度，直径为o 0 3 m m ，合金丝的电阻率约为 1 5 1 6 x 1 0 “q 肌，线膨胀系数1 1 x 1 0 。6 。c ，电阻温度系数大约在3 0 x 1 0 “。c 的范围内。 2 1 3 桥式电路 电阻应变丝难是依据上述原理工作的，其阻值的变化反映了被测对象的应变 变化，为了测量的方便，需要把它转化为电压信号，通常采用电桥形式5 】： 1 2 南京航空航天大学硕十论文 a c 图2 2 桥式电路 r lr ：r ，r 。可以由精密电阻或是应变电阻丝组成，如果其中只有一个是电阻 丝，称为单臂桥路，有两个电阻是半桥式电路，都是电阻丝就是全桥电路。 采用直流电源为桥路供电，输出为u = u i ，坚嵩掣， 一般情况电阻丝的变化相对自身阻值是非常小的， 所以 小l 雨rr 器而r 一拦r 端rr 卜 汜s ， 。 l ( 3 + 4 ) ( r l + 2 )( 3 + 4 ) ( r l + 2 ) 2j 1 可以看出输出电压和应变的变化成正比关系。 由于通过电阻丝的电流对灵敏度和自身的性能有影响，所以输入电压u 的选 择要考虑这两点，一般使用如下经验公式：u ，= 2 4 2 0 d l r p ，其中，l 是电阻丝 的长度，r 是阻值，p 。是电阻丝的功率密度，d 是截面的直径。 2 1 4 电阻丝的补偿技术 为了精确的确定应变值的大小，需要进行多种补偿和修j 下，如横向效应的 修正、长导线修正、温度补偿等。直接用应变电阻丝进行测量时，由于是对几组 电阻丝输出的变化进行模式识别，因此温度补偿是必要的，而其他因素对结果相 对固定，可以不考虑。 设口为电阻丝的电阻温度系数，以为被测材料的线膨胀系数，麒为电阻丝 的线膨胀系数，则电阻丝的热输出可估计为： 13 多主体协作技术在结构健康监测中的初步研究 s ，= a t k a + k ( 卢。一层) ( 2 6 ) 温度补偿的方法通常有如下三种： ( 1 )陆线修正法：在自然情况下，测出电阻丝在不同温度下的输出益线，在实 际测量时，根据当时温度，对输出曲线进行修f 。 ( 2 ) 线路补偿法：准备两组试件，埋置相同性能的电阻丝，在两者温度相同的 情况下，将f 常工作的电阻丝和补偿电阻丝接到电桥的相邻两臂，这样温 度产生的热输出可以在桥路中相互抵消。 ( 3 ) 温度自补偿应变丝：利用两种不同电阻温度系数，- - 0 e 为f ，一种为负的 材料串联组成电阻丝，达到在一定的范围内实现温度补偿的目的。 在实验中使用的是第二种方法。 2 2 载荷定位原理 监测结构应变分布的变化是实验中监测的内容之一，利用加载砝码荷可以使 结构应变分布发生较为明显的变化。 在实验中，将一个质量是5 公斤的砝码作用于平板结构，砝码作用区域的应 变变化将比较集中。以此来模拟结构中应变分布发生的变化。实验区域面积为 3 6 3 6 的f 方形，四边螺钉固定，电阻应变丝在复合材料结构平板中的布置情 况如下图所示： 123 ii il il 456 i i i 789 l l l i l i 图2 3 五点法( 图中虚线为电阻丝) 这种布置方法称为“血点法”，有两点好处： 1 、降低了电阻丝的长度，减少平均效应，避免了完全采用点测量，有效的防止 了复合材料本身存在的不稳定性对测量的干扰。 2 、出现在不同区域时，会有较大区别的模式输出，便于后续处理。 电阻丝阻值的变化将反映板面应变的变化，为了测量的方便，把它转化为电 1 4 塑塞堑笺塾盔查堂堡主堡苎 压信号，通常采用电桥形式，如图2 2 ，其中u ，取6 v ，月为精密电阻，阻值2 0 0 k ， r ：r 。为应变电阻丝，阻值与其长度有关，调节高精度可调电阻r ，使电桥平衡： r ，r ：= r 4 r ，这样电桥输出u 。m0 。当加砝码应变变化时，u 。的数值范围将 在一1 0 0 m y + 1 0 0 m y 内。用三组这样的桥路配合3 、7 、9 三组电阻丝，砝码作用将 使三组桥路电压值( u 。，、u 。、u 。) 发生变化，下表是加载砝码得到的一 组数据将作为模式： u o3 ( m v )u 。7 ( m v )u 。9 ( m v ) 区域17 7 55 95 75 ，1 2 暖域22 02 5 5 1 1 区域32 8 1 31 2 0 2 - 47 0 区域4- 4 1 51 5 16 3 6 区域55 5 71 0 4 71 2 0 4 区域63 31 08 o l 区域709 4 8- 4 9 1 5 区域8 1 4 52 7 52 4 2 4 区域91 5 92 5 41 0 0 5 表22 载荷定位模式 由j _ _ 电阻丝存在蠕动等现象，u 。会随着时间慢慢的变化，所以计算值取的是加 载荷前后u 。的变化值。 载荷定位用的是模式识别中经典的欧几旱德最小空间距离法【6 】【22 1 。加载荷后 每个区域的应变变化反应出的e g e , 变化被视为一组三维向量z ( o 。，吼，岛) ，它将与 已训l 练好的模式扛。口。口。) 比较，计算欧几里德距离： a ：=、隆k _ ) 2 v = 1 f ，9 】 取a ，中最小的一个所对应的i ，就是区域判断的结果。 2 3 小结 ( 2 7 ) 在结构健康监测系统中，用来获取静力识别参数的传感元件是一个重要的组 成部分，本章主要对所采用的传感元件一电阻应变丝进行了一些研究。 1 、研究了应变电阻丝在结构健康监测中的工作原理以及工作形式。 1 5 多主体协作技术在结构健康监测中的初步研究 1 6 研究了基于应变电阻丝的载荷监测方法以及补偿手段。 介绍了模式识别的定位方法。 分析了平板结构在集中载荷作用下的应变分布情况，对理论计算结果进行了 验证。 南京航空航天大学硕十论文 第三章基于压电元件的结构冲击载荷监测原理 压电元件及其测量系统具有成本低、灵敏度高、频响宽、动态范围大等优 点，在结构健康监测中适用于分布式或集中式的应变测量。目前，采用的压电元 件主要包括p z t 压电陶瓷和p v d f 压电薄膜，其中p z t 具有较高的机电耦合系数， 传感灵敏度较高，也用作驱动器；而p v d f 作为一类柔性的薄膜材料，厚度可以 做到微米量级，可以大面积使用，粘贴到几乎任意结构的表面或是埋入复合材料 中。本章主要分析压电元件的基本工作原理及其主要特性，并确定了他们在结构 健康监测中作为传感器的测量电路以及冲击载荷定位的方法。 3 1 压电元件的工作原理 3 1 1 压电效应 当沿着一定方向对某些电介质施力而使它变形，其内部产生极化现象，同时 它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后又恢复不带电状态，这种将 机械能转换成电能的效应称为“正压电效应”。相反，当在电介质极化方向施加 电场时，电介质在一定方向上产生机械变形，内部出现机械