（信号与信息处理专业论文）小波分析在桥梁健康监测系统中的应用研究.pdf

l l ll l il ll ll l lll it li il y 17 4 4 9 4 6 a p p l i c a t i o ns t u d yo fw a v e l e ta n a l y s i su s e di nb r i d g e h e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e m ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：s u ny a o y a o s u p e r v i s o r ：p r o f g u oy u a n s h u c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其它个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：引- 勿e 刭e 弘戽月j 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：别，姚彩色 导师签名：即v 加乃年1 月岁日 们矿年南rp 摘要 信号去噪在桥梁健康监测系统中处于重要地位，只有通过好的信号去噪手段才能有 效的去除监测信号中的噪声，从而很好地保留有用信号的特征，为桥梁的健康监测提供 了重要的信息和正确的数据基础。 桥梁的健康监测是一项复杂的系统工程，面临的是复杂多变的环境。监测信号异常 复杂，往往包含有很多尖峰或突变状的非平稳成份，传统的傅里叶变换无法对这种信号 去噪。小波分析是近十几年发展起来的新的信号处理工具，它被认为是傅里叶分析方法 的突破性发展，具有对信号强大的时一频分析能力。利用小波分析理论，能有效地区分 信号中的突变部分和噪声，从而实现信号的去噪。对实测信号进行多尺度分解，不需要 复杂的算法，只是对采集的数据进行深加工，即可表达出多尺度上的特征，从多尺度分 析角度出发来研究测试信号。 本文首先介绍了桥梁健康监测系统的组成与功能以及小波分析理论的基础知识。其 次根据桥梁监测信号的特点结合小波变换的特性，采用小波变换模极大去噪和小波阀值 对信号进行去噪处理，并比较了三种不同阀值去噪方法的结果。然后利用提升方案设计 新的小波和提出了基于平均阀值的小波包去噪。小波包分析是从小波分析延伸出来的一 种对信号进行更加细致的分析和重构的方法，他不但对低频部分进行分解，而且对高频 部分也做了二次分解，使它在信号去噪方面表现出明显的优势，对信号的分析能力更强。 最后本文利用了一系列实测数据进行仿真实验，验证了以上方法的去噪效果和有效性。 关键词：信号去噪、小波分析、实测信号、数据采集、小波阀值、小波包、平均阀值 a b s t r a c t s i g n a ld e - n o i s i n gi nb r i d g eh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e mi si na l li m p o r t a n tp o s i t i o n ，o n l yb y m e a n so fag o o ds i g n a ld e n o i s i n gt oe f f e c t i v e l ym o n i t o rt h er e m o v a lo ft h es i g n a li nt h en o i s e ， a n dc o u l dw e l lr e t a i nt h ed e s i r e ds i g n a lc h a r a c t e r i s t i c s ，i no r d e rt ob r i d g eh e a l t hm o n i t o r i n g p r o v i d e sa ni m p o r t a n ti n f o r m a t i o na n dt h eb a s i so ft h ec o r r e c td a t a b r i d g eh e a l t hm o n i t o r i n gi sac o m p l i c a t e ds y s t e m ，a l ef a c e d 、i t hc o m p l e xa n dc h a n g i n g e n v i r o n m e n t m o n i t o r i n gt h es i g n a li sv e r yc o m p l e x ，o f t e nc o n t a i nm a n ym u t a t i o n ss h a p e d p e a ko rn o n - s t a t i o n a r yc o m p o n e n t s ，t h et r a d i t i o n a lf o u r i e rt r a n s f o r mo f t h i ss i g n a ld e n o i s i n g c a nn o t i nr e c e n ty e a r s ，w a v e l e ta n a l y s i sd e v e l o p e dn e ws i g n a lp r o c e s s i n gt o o l s ，i ti s c o n s i d e r e dab r e a k t h r o u g hm e t h o do ff o u r i e ra n a l y s i s ，t h es i g n a lh a sas t r o n gt i m e f r e q u e n c y d o m a i na n a l y s i s w a v e l e ta n a l y s i st h e o r y , c a l ld i s t i n g u i s hs i g n a la n dn o i s ei nt h em u t a n tp a r t ， i no r d e rt oa c h i e v et h en o i s er e d u c t i o n t h em e a s u r e ds i g n a li sd e c o m p o s e d ，n oc o m p l e x a l g o r i t h m s ，o n l yt h ed e e pp r o c e s s i n go ft h ed a t ac o l l e c t e dc a ne x p r e s st h ec h a r a c t e r i s t i c so f m u l t i s c a l e ，m u l t i s c a l ea n a l y s i sf r o mt h ep o i n to fv i e wt os t u d yt h et e s ts i g n a l t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ec o m p o s i t i o no fb r i d g eh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e ma n df u n c t i o na s w e l la st h eb a s i c so fw a v e l e ta n a l y s i st h e o r y s e c o n d ，u n d e rt h eb r i d g et om o n i t o rs i g n a la n d t h e c h a r a c t e r i s t i c so fw a v e l e tt r a n s f o r mf e a t u r e s ，w a v e l e tt r a n s f o r mm o d u l u sm a x i m a d e n o i s i n ga n dw a v e l e tt h r e s h o l dd e - n o i s i n gt h es i g n a l ，a n dc o m p a r e st h r e ed i f f e r e n tt h r e s h o l d d e - n o i s i n gr e s u l t s t h e nt h ed e s i g no fn e ww a v e l e tl i f t i n gs c h e m ea n db a s e do nt h ea v e r a g e t h r e s h o l do fw a v e l e tp a c k e td e n o i s i n g w a v e l e ta n a l y s i si sa ne x t e n s i o no fw a v e l e ta n a l y s i s t h es i g n a lo u to fam o r ed e t a i l e da n a l y s i sa n dr e c o n s t r u c t i o nm e t h o d s ，h en o to n l y l o w - f r e q u e n c yp a r to ft h ed e c o m p o s i t i o n ，b u ta l s om a d eas e c o n dh i g h - f r e q u e n c yp a r to f t h e d e c o m p o s i t i o n , m a k i n gi tt h es i g n a lt on o i s es h o w nac l e a ra d v a n t a g eo ft h es i g n a ls t r o n g e r f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n t a ld a t au s i n gas e r i e so fs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t st ov e r i f yt h ea b o v e m e t h o do fd e - n o i s i n gr e s u l t sa n de f f e c t i v e n e s s k e yw o r d s ：s i g n a ld e - n o i s i n g ；w a v e l e ta n a l y s i s ；m e a s u r e ds i g n a l ；d a t aa c q u i s i t i o n ； w a v e l e tt h r e s h o l d ；w a v e l e tp a c k e t ；m e a nt h r e s h o l d i i 目录 第一章绪论l 1 1 研究的背景和意义1 1 2 桥梁健康监测的发展过程2 1 3 国内外研究现状3 1 4 小波分析在桥梁健康监测中的应用。5 1 5 论文的结构5 第二章桥梁健康监测系统的组成与功能6 2 1 传感器布置优化方法概述6 2 2 数据采集与传输7 2 2 1 数据传输系统的设备组成9 2 2 2 数据采集的控制、同步和集成化9 2 3 数据处理与控制9 2 4 后台信息处理系统1 0 2 5 本章小结1 1 第三章小波分析基本理论1 2 3 1 连续小波变换1 2 3 1 1 母小波及其性质1 2 3 1 2 分析小波及其特点1 3 3 1 3 连续小波变换一1 3 3 1 4 容许条件和重构公式1 4 3 2 小波变换的时频分辨特性1 4 3 2 1 小波变换的物理意义1 4 3 2 2 小波变换的时频分辨特性。1 5 3 2 3 几种常见母小波1 6 3 3 离散小波变换。18 3 3 1 分析小波的离散化1 8 3 3 2 离散小波变换的定义1 8 3 3 3 重构条件和重构公式1 8 3 3 4 正交小波变换l9 3 4 多分辨分析与m a u a t 算法1 9 3 4 1 多分辨分析。1 9 3 4 2m a l l a t 算法2 2 3 5 小波包理论2 3 3 5 1 小波包的定义与性质2 4 3 5 2 小波空间的精细分割2 6 3 5 3 最佳小波包基的选取。2 7 3 6 本章小结2 8 第四章小波变换在信号处理中的应用2 9 4 1 去噪问题描述、2 9 4 2 小波分解在信号分析中的应用3 0 4 3 小波变换在信号降噪中的应用3 2 4 3 1 小波变换模极大去噪3 2 4 3 2 小波阀值去噪。3 9 4 3 3 去噪的实现。3 9 4 4 仿真实测信号分析4 2 4 5 本章小结4 4 第五章提升小波变换与小波包分析在信号处理中的应用4 5 5 1 提升方案的基本原理4 5 5 2 把小波变换分解成基本的提升步骤4 7 5 3 小波包在桥梁监测信号消噪中的应用5 2 5 3 1 小波包分析5 2 5 3 2 基于平均阀值的小波包去噪一5 3 5 3 3 小波包去噪的实现。5 6 5 4 本章小结5 8 总结与展望5 9 参考文献。6 1 至炙谢6 4 长安大学硕士学位论文 1 1 研究的背景和意义 第一章绪论弟一早三百了匕 桥梁作为公路的重要组成部分，桥梁的健康状况与公路交通的畅通和安全息息相 关，伴随着我国经济的高速发展，交通运输状况也有了更高的要求，反映在公路运输上 的交通车流量激增，运输车辆负荷增加，对公路桥梁的通行能力提出了越来越高的要求， 桥梁的承载能力也随之提出了更高的要求。但是桥梁在长达几十年有些甚至上百年的使 用过程中，桥梁的健康状况不仅受桥梁使用的材料自身不断退化、老化等自然因素的制 约外，而且还会受到许多人为因素的影响，如车辆、风力、地震、超载等，从而导致桥 梁有不同程度的结构损伤，特别是上个世纪9 0 年代前建成的桥梁，它更是难以适应日 益增长的交通需求。桥梁的健康状况如果不能得到实时监测和及时维修，不仅会影响到 行车的安全，减少桥梁的使用寿命，甚至还会发生桥梁的破坏或突然倒塌等悲惨事件。 这些灾难性事件不仅会造成重大的人员伤亡和巨大的经济损失，而且还会引起公众舆论 的严重密切关注，造成极坏的社会影响。因此，采用科学的监测和评估手段来保障桥梁 结构的可靠性、安全性和耐久性显得尤为重要【l 】o 为了保障人民生命和物资财产的安全，减少重大的经济损失，避免灾难性的悲剧发 生；同时也为了对现有桥梁进行及时合理维修、减少维护所需的费用，因此采取有效的 科学技术手段及方法对现有桥梁进行健康监测就显得尤为必要和迫切。桥梁健康监测系 统不但能够及时反映桥梁的使用状况，预先发出危险警告，而且也可以使人们清楚地认 识到桥梁的衰老过程以及现阶段的健康状况，使桥梁得到及时有效的维修加固，从而大 大延长桥梁的使用寿命，同时也节约了桥梁的养护资金。目前，大型桥梁的健康监测系 统已成为桥梁建设以及运营阶段不可缺少的工作，并成为许多学科领域的一个非常活跃 的研究方向。 虽然传统的以人工为主的桥梁检测是较经济可行的方法，但对于大跨度桥梁而言， 这类方法存在明显的不足之处：( 1 ) 人工检测的主观性强，往往需要凭借检测人员的经验 来判断；( 2 ) 整体性差，一般只能作局部检查，设备不宜到达处的桥梁状况不能被外观检 查所发现；( 3 ) 实时性差，不能及时预警；( 4 ) 影响正常交通，并且缺乏科学历史数据积 累。在美国的r h o d ei s l a n d 大桥上，一个工程师推测该桥的主要裂缝在被发现以前已经 发展了3 天；中国铁岭的青洋河大桥主梁翼板的断裂；1 9 9 4 年韩国汉城( 现改为首尔) 第一章绪论 的圣水大桥突然倒塌；2 0 0 8 年8 月台湾省的高屏大桥突然发生断裂等。这些事件都说明 进一步发展桥梁整体健康监测系统对重要的大跨桥梁建立长期的健康监测系统是非常 必要的。 随着科学技术的快速发展，综合现代测试与传感技术、网络通信技术、信号处理与 分析技术、数据理论和结构分析等多个学科领域的桥梁健康监测系统，可极大地延拓桥 梁检测内容，并可连续地、实时地、在线地对结构“健康 状态进行监测和评估，确保 运营的安全和提高桥梁的管理水平。桥梁健康监测系统的最主要功能是，通过各种传感 器实时采集运营状态下的各种数据和信号，根据采集的数据和信号反演出桥梁的工作状 态和健康状况，并在此基础上对桥梁的安全可靠性评估。建立桥梁健康监测系统是为了 确保桥梁设计使用安全性和耐久性达到预期的标准，并为桥梁维护、维修和管理决策提 供依据和指导。虽然建立一个科学的桥梁健康监测系统需花费一定资金，但比起桥梁高 昂的日常维护费、桥梁垮塌毁损以及重建资金来讲，这样的投入是非常值得的。 但是在桥梁的健康监测过程中存在着许多不可避免的各种环境因素的影响，而且采 集的数据量十分大，同时又含有许多杂乱无章的噪声或者突变。因此，进行信号处理是 一个必不可少的环节。在现在的科学技术手段下，对于其性质是平稳不变的信号，傅里 叶分析仍然是对它进行处理的理想工具。但是在桥梁健康监测过程中的绝大多数信号是 非平稳的，而小波分析就是特别适用于处理非平稳信号的工具。小波分析在信号处理过 程中优于傅里叶分析，传统傅里叶分析只能获得信号的整体频谱，但是不能获得信号的 局部特征，小波分析不仅能够获得信号的整体频谱，而且还能获得信号的局部特征，同 时小波分析还享有“数学显微镜 的美誉，它本身具有放大、缩小和平移等功能，可通 过比较不同放大倍数下的变化来研究信号的特征，具有十分优良的时频局部变化特征。 这样，用小波分析作为信号处理工具能对被分析信号进行更细致的分析，获得比傅里叶 分析更多的信号特征。由于小波分析技术的特点，得到了快速发展，现在已经在信号去 噪、压缩、传递、奇异值检测等领域得到了很好的应用。 1 2 桥梁健康监测的发展过程 “桥梁健康监测 这一概念是在2 0 世纪8 0 年代后期提出的，近年来桥梁的健康与 安全监测逐渐为人们所重视并取得了很大的发展【2 1 。与传统的检测技术不同，桥梁健康 监测不仅要求在测试上具有快速大容量的信息采集与通讯能力，而且力求对结构整体行 为的实时监控和对结构状态的智能化评估。 2- 长安大学硕士学位论文 目前，桥梁健康监测还没有明确的定义，但是可以理解为：“运用现代的传感技术， 实时的监测桥梁运营阶段在各种环境条件下的结构响应与行为，获取反映结构状况和环 境因素的各种信息，通过对桥梁结构状态的监控与评估，为大桥在特殊气候、交通条件 下或桥梁运营状况严重异常时触发预警信号。由此分析桥梁健康与安全状况，为桥梁的 管理和维护决策提供科学的依据 。但随着形势的发展，其概念的内涵和外延也逐渐发 生着一些改变。现代大型桥梁健康监测，除了实现结构的监控与评估外，还被赋予设计 验证和研究发展方面的内容，如图1 1 所示 3 1 。 1 3 国内外研究现状 桥梁健康监测 设计验证 图1 1 桥梁健康监测的内容 国外桥梁健康监测系统的应用可以追溯到2 0 世纪8 0 年代，当时英国对北爱尔兰的 新f o y l e 桥安装了长期监测仪器和自动数据采集系统，以校验大桥的设计并测量和研究 车辆、风和温度荷载对大桥动力响应的影响【4 】。此后，随着现代传感技术、计算机与通 信技术、信号分析与处理技术及结构分析理论的迅速发展，许多国家都开始在一些新建 和已有大型桥梁中建立健康监测系统。我国桥梁健康监测系统的研究与应用始于2 0 世 纪9 0 年代，依托我国大规模基础设施建设的背景，桥梁健康监测系统在我国得到了一 定的应用。与世界其他国家相比，我国桥梁健康监测系统具有桥梁数量多、规模大的特 点。下面简要的介绍一下国内外已安装的桥梁健康监测系统的概况。 ( 1 ) 加拿大c o n f e d r a t i o n 桥，1 9 9 7 年建成。全长1 2 9 k m ，因为当时世界上还没有 一种规范或标准能涵盖该桥的设计标准，于是在该桥上实施一套综合监测计划。监测系 统所用的加速度计、应变计、倾斜计、水荷载传感器以及热电偶等各种传感器7 4 0 个。 ( 2 ) 日本明石海峡( a k a s h i k a i k y o ) 大桥，1 9 9 8 年建成，主跨1 9 9 1 m ，为了证 3 第一章绪论 实在强风和地震时的设计假定和有关参数的取值，另外为确定桥梁在温度变化和受其他 条件影响的变形特性，在该桥上安装了包括地震仪、风速计、加速度计、速度计、全球 卫星定位系统( g p s ) 及温度计等传感器的监测系统。 ( 3 ) 韩国的s e o h a e 桥和y e o n g j o n g 桥。这两座桥建成后分别安装了健康监测系统， 检测内容包括桥梁结构的静动态性能和环境荷载，其中s e o h a e 桥安装了各种类型的传 感器1 2 0 个，y e o n g j o n g 桥安装了各种类型传感器3 8 0 个。 ( 4 ) 哥伦比亚p e r e i r a d o sq u e b r a d a s 桥，1 9 9 8 年建成。建成后政府花费约1 5 0 万 美元建立结构静动态健康监测系统。该系统包括加速度计、位移计、温度计、腐蚀传感 器等各类传感器3 0 0 多个。 ( 5 ) 香港青马( t s i n gm a ) 桥、汲水门( k a ps h u im u n ) 桥和汀九( t i n gk a u ) 桥， 1 9 9 7 年建成。该桥梁监测系统包括作用于桥梁上的外部作用( 包括环境因素及车辆荷载 等) 与桥梁的响应，共安装了g p s 、风速风向仪、加速度计、位移计、应变计、地震仪、 温度计等各类传感器7 7 4 个。 ( 6 ) 南京长江大桥，1 9 6 8 年建成，该桥为我国自行设计建造的首座公铁两用特大 桥，为了确保大桥的安全运营和评估大桥的健康状态，该桥于2 0 0 6 年建成了健康监测 系统，该系统包括应变计、温度计、加速度计，风速仪、地震仪等各类传感器1 5 0 多个。 从上述国内外桥梁健康监测系统的监测目标、系统功能及系统运营等方面来看，目 前国内外桥梁健康监测系统的研究与应用已取得了一定的成果与进展，主要反映如下。 监测信息全面。通过测量各种响应的传感装置，能够获取反应桥梁状况的各种记录， 并在桥梁通车运营后连续或间断地监测桥梁状态，力求获取桥梁状况连续、完整的信息。 有的新建桥梁健康监测系统从施工监控开始，力求连续、完整的记录信息。监测内容 全面。除了监测桥梁本身的状态和行为( 应力、位移、加速度特性等) 以外，还强调对 环境条件的监测和记录分析。监测仪器多样、先进，监测功能不断完善。一些监测系 统具有快速大容量的信息采集、通信与处理能力，并实现网络共享等。 需要指出，上述这些研究进展在桥梁健康监测领域尚属于基础性的探索，距离系统 的完美目标尚有较大的差距。主要是由于：桥梁结构的不确定性因素和复杂的工作环 境对结构响应的灵敏性造成了不利的影响，导致了目前桥梁整体状态监测的许多困难。 对桥梁在使用年限内工作特性的变化缺乏全面深入的研究，难以建立客观统一的桥梁 状态评估标准。所以整个健康监测技术的成功开发乃至系统目标的最终实现仍有赖于今 后更好地结合桥梁的自身特性及其工作环境展开更为深入的研究。 4 长安大学硕士学位论文 1 4 小波分析在桥梁健康监测中的应用 为了使桥梁结构的耐久性、安全性和完整性得到保障，对已建成的大型桥梁我们需 要采用科学的手段来监测和评估其健康状况及安全状况。近些年来国内外研究比较活跃 和常用的方法是基于动力信号分析的结构检测方法，它是以信号的时域分析和频域分析 方法为基础，具有较强的理论性和实用性。而小波变换作为一种新的信号处理方法，结 合时域和频域分析方法的优点克服了两者的缺点，使用不同尺度或分辨率来观测信号。 在实际的工程应用中，大多数信号可能包含着许多尖峰或突变，而且噪声信号也并 不是平稳的白噪声。对这种信号进行消噪处理时，传统的傅里叶变换完全是在频域内对 信号进行分析，它不能给出信号在某个时间点上的变化情况，因此分辨不出信号在时间 轴上的任何一个突变。然而小波分析则能同时在时域和频域内对信号进行分析，因此它 能够有效地区分信号中的突变成份和噪声，从而实现对非平稳信号的消噪处理。 1 5 论文的结构 本文的结构主要有以下几部分组成 第一章系统的阐述了桥梁健康监测的背景和研究意义，进而探讨了桥梁健康监测 系统在国内外的研究现状，然后阐述了小波分析在桥梁健康监测系统中的应用。 第二章本章主要介绍了桥梁健康监测系统的组成与功能，介绍了传感器优化布置 方法、数据采集与传输、数据处理与控制以及后台信息处理。 第三章介绍了小波分析的基本理论。详细的介绍了小波变换的性质、小波变换的 时频分辨特性、多分辨分析与m a l l a t 算法以及小波包变换，为后面两章工作的开展奠定 了理论基础。 第四章首先分析了小波变换在桥梁监测信号中的去噪问题，然后通过仿真实验分 析了小波变换在监测信号处理中的应用，同时系统的阐述和分析了如何应用小波的阀值 去噪对监测信号进行消噪处理，最后通过采取阀值去噪方法成功实现了桥梁监测数据的 消噪处理，同时也说明小波分析应用于信噪分离的有效性。 第五章介绍了提升小波变换的优点，通过提升方案设计出新的小波运用于监测信 号的处理。然后阐述了小波包分析在信号去噪问题中的应用，提出了基于平均阀值的小 波包去噪，并通过仿真实验验证了基于平均阀值小波包去噪的有效性，去噪效果更优。 文章最后为论文的总结及后续研究的展望。 5 第二章桥梁健康监测系统的组成与功能 第二章桥梁健康监测系统的组成与功能 一个完整的桥梁健康监测系统包括采集测量系统和数据处理分析两个部分和四个 子系统，如图2 1 所示，即：传感器系统；数据采集与传输系统；数据信号处理与控制 系统；后台信息处理系统。四个子系统组成一个完整的网络结构，硬件设备包括网络服 务器、p c 机、专用工控机、放大器、传感器等。外站作为网络节点，由工控机、数据 采集板、信号调理器、传感器等构成微型网络，方便系统开发和监测规模的扩大。 传感器子r - 叫数据采集与i- i 数据分析处理r _ 啼后台信息 系统k _ 一传输子系统l l 和控制子系统k 一 处理系统 数据测量系统 后台信息处理与分析系统 图2 1 桥梁健康监测系统构成 桥梁健康监测系统的功能应包括： ( 1 ) 能够对大桥在各种环境条件下与运营条件下的工作状况进行自动监测； ( 2 ) 能够根据桥梁状态识别和安全评估的要求对各监测项目进行数据采集、存储和 查询，对大桥安全状况进行实时监测并对监测数据滚动处理； ( 3 ) 具有快速大容量的信息采集、通信与处理能力，并实现数据的网络共享；能够 对监测数据进行分析处理，并根据分析处理结果对大桥整体结构的异常状态进行诊断。 2 1 传感器布置优化方法概述 桥梁健康监测系统的基本监测功能是通过传感器系统来实现的，合理布置传感器是 保证桥梁健康监测质量的前提。传感器系统是桥梁健康监测系统的重要组成部分。“桥 梁健康监测的关键所在，技术上而言，主要是先进传感器的优化布设和信息的高效传 输 。由于国内外对该问题研究的时间都不长，包括传感器的优化置在内的很多关键性 技术问题尚处于初步探索阶段，有待更好地解决。 桥梁健康监测系统中使用了多种传感器，传感器的种类繁多。不仅有为了环境因素 观测使用的风速仪、温度计等；同时还有为了结构动力观测的相应的加速度传感器、位 移传感器以及应变仪等；而且还有用于斜拉桥和悬索桥上的测量索力大小的索力计等。 对于风速仪、温度计等这类传感器，由于使用的较少，所以优化布置的意义不是很大， 6 长安大学硕士学位论文 我们通常所说的传感器的优化配置主要是指利用桥梁结构的动力和静力特性( 如振型、 刚度等) ，对应用十分广泛的加速度计、位移计或应变仪等这种类型的传感器布局方案 的优化。 桥梁结构健康监测系统中的传感器优化配置，就是根据桥梁结构的动力和静力的特 性，在桥梁的结构上找出一组布点，使得在这些布点上配置的传感器所得到的响应在某 种意义下为最优化配置，发挥最大的效用【5 1 。 传感器的优化配置问题总体上可以概括为以下两个方面的内容： ( 1 ) 对于一个给定的桥梁结构的具体监测项目，我们应该如何合理地布置传感器， 才能节约成本，使所需要用到的传感器数量最少，并且还能获得足够多的桥梁结构响应， 从而使传感器发挥最大的效用? ( 2 ) 我们应该如何评价传感器布置方案中的抗噪声能力、系统的稳定性以及精度 要求? 第一方面的内容实际上就是传感器优化配置的方法问题，即我们如何实现传感器优 化配置1 6 1 。这种优化方法不仅要求在理论上合理可靠，而且还需要简单可行的技术；既 要求能够获取全面和精确的桥梁结构参数信息，又要求能够通过合理的添加观测点对我 们感兴趣的局部方位进行实时重点的监测，同时还需要节约成本。第二方面的内容是指 我们应该如何评价传感器配置方案的优劣问题。对于一个传感器系统的评价，既要对观 测点布设的理论依据是否合理可靠进行评判，而且还需要考察传感器系统的稳定性和抗 噪声能力。c a m e 和d o h r m a n n 还强调了传感器布设应该使模态试验的结果具有良好的 可视性( 删i z a t i o n ) 和鲁棒性( r 1 0 bu s _ 恤e s s ) 阴。 2 2 数据采集与传输 数据采集和传输系统的主要功能是对各传感器信号进行采集、传输和保存，供数据 处理及数据评估使用。桥梁健康监测系统需采用各种不同的传感器，不同的传感器又有 不同的通信接口和通信协议，在组网中应用较多的是t c p i p 技术，t c p i p 技术是受用 户认可的、完全公开的网络通信技术，而且它还可以应用在各式各样的信道和底层协议 之上，是非常理想的组网方式。早期的数据采集与传输系统，是利用专用线路或专用网 络把现场的设备与数据控制中心连接起来。传感器把所采集到的信息按照一定的协议传 送给数据控制中心，这种方式的优点是它是一个自成的系统，数据的传输速度快以及安 全，缺点是需要布设单独专用的通信线路，当传输距离很远时将会大大增加桥梁的建设 7 第二章桥梁健康监测系统的组成与功能 成本，随着互联网技术的快速发展和公用通信网络的进一步完善，利用基于t c p i p 技 术的i n t e m e t 网络来实现数据的远程传输成为一种非常重要和方便的手段。 基于t c p i p 技术的i n t e m e t 网络的数据传输系统具有如下优点：( 1 ) 首先它使用开放 性网络通信协议，是建立在一个开放的网络的基础上，因此很容易构建一个异地网络系 统。( 2 ) 它提供了许多网络应用协议，这些协议封装了许多应用细节信息，从而降低了应 用系统的开发周期，简化了系统的复杂性。( 3 ) f 1 于不需要构建新的通信网络，这种系统 是建立在已有的通信网络上，因此大大减少了资金投入，降低了成本。( 4 ) 容易与监控管 理层的信息管理系统结合成为一个整体，从而大大提高工作效率。( 5 ) 理论上的传输距离 可以是无限远。桥梁健康监测系统的数据采集结构图如图2 2 所示。 图2 2 桥梁健康监测系统数据采集网络结构图 基于t c p i p 技术的数据采集和传输系统的网络拓扑方案，在结构上主要有以下特 点： ( 1 ) 各种传感器输出的信号，首先进入含防雷设备的接线箱； ( 2 ) 对于模拟信号，接入信号调理器，经滤波放大后，再接入工控机的采集器， 计算机软件完成数据采集；如果是数字信号，直接接入外站采集器，计算机软件完成数 据采集； ( 3 ) 有些传感器输出的信号，经信号调理后，通过r s 2 3 2 ，直接接入外站的串行 口，计算机软件完成； ( 4 ) 组网的主干线路采用多模光纤，采用星型网络结构，系统由光纤收发设备、 交换机、集线器、网卡等硬件组成。 数据采集系统的设备：1 、机箱：所有数据采集站和数据采集子站均有一个机箱， 它为各个模块( 如控制器模块、信号调理模块和数据采集模块等) 提供电源，并负责各 个模块的信号连接。2 、控制器模块：每个数据采集站均有一个控制器模块，它负责对 数据采集站进行控制，如管理本地数据、相应数据管理与控制服务器的指令等。 8 长安大学硕士学位论文 2 2 1 数据传输系统的设备组成 数据传输系统主要由光交换机、光纤等硬件设备构成。为了保证桥梁健康监测系统 的可靠性和长期稳定性，双环形网络是目前采用较多的较先进的网络结构。其采用光纤 分布式数据接口技术，利用光纤进行传输，当网络发生意外情况，网络不能传输数据时， 系统将立即启用另一个备用环，负担起网络传输的任务。此外，数据向一个方向传输时， 某环断开时，数据可以从另一个方向传输，系统仍然能正常进行工作。这样数据就会大 大减少因为网络或设备的问题而丢失数据的可能。 2 2 2 数据采集的控制、同步和集成化 ( 1 ) 分布式数据采集装置：系统采用分布式数据采集，监控主机通过数据库服务 器，进入外站对各传感器进行控制采集。网络上单个采集装置节点的故障不应影响该网 络其他部分功能的发挥；系统的一个或几个部分发生故障时，每个部件都应能自行重新 接通与同步。 ( 2 ) 采集软件的数据捕获和系统控制功能：系统数据采集软件应具有控制、同步 功能，能控制数据选择和档案处理，并能对现用数据作有限的数学运算，以方便显示。 ( 3 ) 系统集成化：传感器、外站、通信网络、w e b 服务器、数据库服务器、主监 控机、监控机、i n t e m e t 远程监控应集成在一起，构成一个完整的集成化系统。 2 3 数据处理与控制 数据处理及控制系统对于数据收集、传输、处理、存储和显示进行全面的控制。其 应能通过对由数据采集和传输系统获取的实测数据进行校准、处理、数据质量和可靠性 测试等过程，以各种可用方式对数据进行处理、可视化、评估、编译，从而完成数据一 信息一知识的转化，并通过对数据库中的大量监测数据惊醒抽取、转换、分析和其他模 型化处理，从中提取能辅助后续状态评估的关键性数据。 桥梁健康监测系统通常是长期的实时的在线监测系统，而且传感器数量也十分多， 数据量十分巨大1 8 1 。对这些大量数据进行分析处理是该项工作中最为关键的环节，数据 采集的优劣都可以在这一步加以修正。目前应用于桥梁监测中的信号处理方法较多，小 波变换作为一种新的信号处理方法，综合了时域和频域分析方法的优点，使用不同的尺 度或者分辨率来观测信号【9 】。 基于小波分析时频表示的基本思想：认为自然界各种信号中频率高低不同的分量具 9 第二章桥梁健康监测系统的组成与功能 有不同的时变特性，较低频率成分的频谱特性随着时间的变化通常比较缓慢，而较高频 率成分的频谱特性的变化通常则比较迅速【1 0 1 。因此，在遵循这样的规律前提下，非均匀 地划分时间轴和频率轴，就可以通过测不准原理，在不同的时频区域都能获得比较满意 的时间分辨率和视频分辨率【1 1 1 。 在利用小波分析方法进行模态参数识别时，首先利用调频高斯小波变换良好的时频 分辨能力以及带通滤波性质，从而使系统能够自动解耦，然后从脉冲响应函数的小波变 换的角度出发识别模态参数【1 2 】。对信号进行直接小波变换方法的优点在于：一是直接根 据定义而来，概念非常容易理解，因此工程技术人员能够更加容易的理解与应用；二是 可以将实际工程中大量存在的非平稳的随机信号、有局部断点的信号以及一些不能用傅 里叶变换来分析的信号等，可以用直接小波变换分解为不同尺度上( 不同频率范围内) 的 分量，再采用傅里叶变换等人们熟知的有效方法对这些分量进行分析i l 引。 2 4 后台信息处理系统 后台计算机信息处理控制系统包含控制信息处理计算机和数据库服务器，服务器和 控制计算机工作于c l i e n t s e r v e r 模式下，这样当有多个终端想获得数据时，可以很方便 地构成一个多客户系统，体系结构如图2 3 所示。主要研究内容是开发控制软件、检测 数据分析软件和数据库系统。完成智能处理单元与后台控制计算机，服务器与后台控制 计算机之间的数据传输；完成桥梁现场检测数据的分析；完成数据库管理和向桥梁现场 智能控制单元发送数据采集命令和频率等参数，完成建立数据库，存储桥梁的动静态数 据信息。 功能层( 预警系统数据分析软件、操作系统、硬件) 是整个系统的关键核心，用于 处理客户端的请求( 包括数据的采集设置、实时获取、数据处理、实时存储、过程曲线 的显示等) ，并将请求结果返回给客户端；然后进行结构的分析计算、结构损伤判定和 结构状态综合评估等任务，将处理分析后的数据结果传送至数据库服务器。数据层是由 数据库管理系统构成的，负责管理对数据库数据的读写，并且能够迅速执行大量数据的 更新和检索，数据库中存储的数据包括：系统硬件配置参数、实时或定时采集的数据； 各种数据分析和评定结果，客户的登陆信息等。所有授权用户通过i n t e m e t 网络即可实 现对桥梁运营状态的监测和历史数据的查询与下载，这样既节省了人力开支，又克服了 时间和空间的限制，从而进一步的提高了整个系统的工作效率。 1 0 长安大学硕士学位论文 2 5 本章小结 智能控制ll 数据处理 单元广单元 数据库服务器( 桥梁动静 态信息存储) 洲陲 图2 3 软件系统体系结构 本章主要介绍了桥梁健康监测系统的组成与功能，传感器优化布置方法以及如何 实现。其次介绍了数据采集与传输，重点介绍了基于t c p i p 技术的数据采集和传输系统 的网络拓扑方案。然后阐述t , b 波分析在监测信号数据处理与控制中的应用，最后介绍 了桥梁健康监测系统的后台信息处理系统。 第三章小波分析基本理论 第三章小波分析基本理论 小波分析的思想可以追溯至s j l 9 1 0 年h a a r 提出的小波标准正交基，但小波分析这一概 念是1 9 8 4 年由法国地球物理学家m o r l e t 在分析地震信号时提出来的，当时m o r l e t 发现( 现 在已经是非常清楚的事实) ，短时傅里叶变换在时、频分辨力方面的矛盾使得固定时宽 的加窗方法并非对所有非平稳信号都合适。也就是说，窗宽应该依据非平稳信号的变化 自动调节，形成所谓的小波【1 4 1 。 小波变换是近年来发展很快的一种多尺度分析工具，它的主要特点是通过变换能够 充分突出问题某些方面的特征，其所具有的时一频分析能力在很多领域都得到了应用。 与传统的傅里叶变换相比，小波变换对于不同的频率分量具有不同的时间分辨率，能够 提供信号在时一频域上的局部化特征，享有“数学显微镜的美称，适用于非平稳信号 的分析处理。小波