（控制理论与控制工程专业论文）跨海大桥结构健康监测系统软件的设计与开发.pdf

北京工商大学硕士学位论文 摘要 隧着我国交逶事韭鐾蓬勃发晨，大型桥梁结构安全健康监测已成为雹内舞工 程界和学术界关注的热点。桥梁结构健康监测的定义为：“运用现代的传感技术， 长麓酶监测桥粱运营阶段在备种环境条件下酶结构响应与行蠹，获取反映结梅状 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、交邋条律下域桥梁运蓠状况严重吴零髓触发预警信号，内此分析结构毽 康与安全状况，为桥梁的管理和维护决策提供科学的依据。一桥梁结构健康监测 系统熬主要结籀逶常苞括数据采集、数据透信与传输、数据存储管理与喜动查谗、 可视化监控、安全报警和状态评估等予系统。本文主要研究的是桥梁结构健康监 测系统懿软件帮分。 桥梁结构健康监测系统软件是整个监测系统的控制指挥中心，直接关系到监 测系统费稳定性、可靠性及自动纯程度。本文以杭翔湾踌海大桥为背景，设计开 发基于b s 和c s 混合模型的桥梁结构健康监测系统软件，利用u m l 面向对象 建模技术完成系统软锌的分耨与设计，主要完成了数据韪理、入王填掇、设备壹 诊断、结构参数识别与状态评估、图形处理等模块，并详细论述了索力测定和数 撼匿翅分析两个重煮润题。 斜拉索是斜拉桥的主要承载构件，索力测定是斜拉桥健康监测的重点内容， 索力溅定有缀多方法，本文选用了最常用韵振动法，详细分析了基2 法鞭耳的 原理和当前基频识别的各种方法，完成了索力测定的程序实现，并在杭州湾跨海 大桥健藤监测系统串进行了初步验证j 回归分析在桥梁结构健康监测系统中是参数预测和预警的前提。本文以最小 = 乘原理豹多种丞数缀合回翔和愆瀵俄模型韵时闻序列分析对杭翔湾跨海大桥 健康监测系统的静态数据进褥了回归分析，并比较了各种算法预测效果魄优劣。 本软件设计完成后，在杭髑湾大桥的结构健康监测系统中得到初步测试。测 试结果表明，该软件运行稳定、输出数据准确雕靠，实现了对桥粱结构健康的监 测。 关键词：桥梁结构健康懿测软件索力测定，回归分析，a r m a 跨海大桥结构健康监测系统软件的设计与开发 a b s t r a c t a l o n gw i t hr a p i dd e v e l o p m e n to ft r a f f i ci n s t i t u t i o ni nc h i n a , m o r ea n dm o r c b r i d g e sh a v eb e e nb u i l t t h ed e f i n i t i o no f b r i d g es t r u c t u r eh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e mi s ： u s i n gm o d e mt r a n s d u c e rt om o n i t o rr e s p o n s ea n da c t i v i t yo fb r i d g ei nv a r i o u sk i n d s o fc o n d i t i o n , t og e ti n f o r m a t i o na n dt oa n a l y z et h es t a t eo fb r i d g es ot h a tt h es y s t e m 伽lp r o v i d ee a r l yw a r n i n ga n ds u p p l yf o u n d a t i o no fb r i d g em a n a g e m e n t b r i d g e s t r u c t u r eh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t a nm a i n l yi n c l u d e sd a t ag a t h e r i n g , c o m m u n i c a t i o n , q u e r ya n dp i v o t v i s u a lm o n i t o r i n gd a n g e rw a m i n g 。s t a t ea s s e s s m e n t t h i st h e s i s m a i n l yd i s c o u r s e ss o f t w a r es e c t i o no f b r i d g es t r u c t u r eh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e m b a s e do nb n d g eo v e rh a n g z h o ug u l fp r o j e c t , t h i st h e s i sh a v ed e s i g n e da n d d e v e l o p e das o f t w a r eb a s e do nb sa n dc sm i x e df r a m e w o r ko fb r i d g es t r u c t u r e h e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e m u s e du m l o b j e c t - o r i e n t e dm o d e l i n gt e c h n o l o g yt oa n a l y z e a n dd e s i g n , t h i st h e s i sa c c o m p l i s h e sd a t aa n a l y s i sm o d u l v , a r t i f i c i a lc h e c km o d u l e , , e q u i p m e n td i a g n o s i sm o d u l e , s t a t ea s s e s s m e n tm o d u l ea n dg r a p hm a n i p u l a t i o n m o d u l e b e s i d e s ，t h i st h e s i sd i s c o u r s e sc a b l et e n s i o nm o n i t o r i n ga n dd a t ar e g r e s s i o n a n a l y s i si nd e t a i l c a b l ei st h em a i nl o a d - c a r r y i n gs t r u c t u r eo fc a b l e - s t a y e db r i d g e c a b l et e n s i o n m o n i t o r i n gs y s t e mi st h ek e yd e m e n to fc a b l e - s t a y e d b r i d g e s t r u e t u r eh e a l t h m o n i t o r i n gs y s t e m f u n d a m e n t a lf r e q u e n c yi st h em o s tw i d e l yu s e dm e t h o d t h i s t h e s i sa n a l y s i sb a s e - 2f f ta n dm e t h o d so ff u n d a m e n t a lf r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o ni n d e t a i l ，a c c o m p l i s h e sp r o g r a m m i n go fc a b l et e n s i o n rh a sb e e nu s e df o rs t r u c t u r e h e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e mo f b r i d g eo v e r h a n g z h o ug u l i nb r i d g eh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e m , r e g r e s s i o na n a l y s i sw o r k so nn l ep r e m i s e e a r l yw a r n i n g t h i st h e s i su s e ss e v e r a lf u n c t i o nf i t t i n ga n da r m am o d e lt oa n a l y z e s t a t i cd a t ao f b r i d g eo v e rh a n g z h o u g u l f a f t e rt h ed e v e l o p m e n t , t h es o f t w a r eh a sb e e nt e s t e di nm o n i t o r i n gs y s t e mo f b r i d g eo v e rh a n g z h o ug u l f t h ep r a c t i c ep r o v e st h a tt h i ss o f t w a r er i ms t a b l y , i t s o u t p u td a t ai sa c c u r a t ea n dr e l i a b l e ，a n dc 曲r e a l i z et h em o n i t o r i n go fb r i d g es t r u c t u r e h e a l t h i i 北京工商大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：b r i d g es t r u c t u r eh e a l t hm o n i t o r i n gs o f t w a r e ，c a b l e t e n s i o nm o n i t o r i n g ，r e g r e s s i o na n a l y s i s ，a r m a i i i 北京工商大学学位论文原稍性声瞬 本人郑重声明；所里交鳇学位论文是本人在导师播导下进行的研究工稚所 取得熬研究成果。除了文中基经注甥弓l 用的内容外，论文中不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成聚。对本文的研究做出重要贾献的个人和集体， 均嚣在文孛戳鼹麴方式耩鳃尊本声赛盼法律后果完全盘本人承担。 学位论文作者签名：邈 。日期：删乎 年弘一月，哆醋 北京王裔大学学位论文授投使用声臻 本人完全了解北京工商大学霄关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位辩i 隧论文正律酶翘识产权单位属北京工商大学。学校有权保窝并 商国家有关部门或巍构送交论文的复印件和电子版，允诲学位论文被查阕和借 阙；学校可以公布学位论文的全部或部分瞧容，可以采用影印、缩印或其它复 僚手段保存、汇编学位论文。( 傺密的学位论文在解密后遵守此规定) 学位论文电子舨民意提交痿，可子髓当年痃一年o - 年蜃在学校蘸 书馆瘸站主发凑，供校感搏生测筑。 学位论文誓# 者签名：! 趣 导师签名； 避鲤爨麓：易痧爹年妇习基 压小孕 北京工商大学硕士学位论文 1 绪论 1 。 项爨背景与意义 近年来，随着桥梁设计的轻柔化以及结构形式和功能的f 1 趋复杂化，大型桥 粱结构安全健康监测已成为函内外工程界和学术界关注的热点。随着科学技术的 发展，综合现代传感技术、网络通讯技术、信号分析与处理技术、数据管理方法、 计算机、预测技术及结构分析理论等多个领域知识的桥梁结构健康监测系统，可 极大地延拓桥梁检测内容，并可连续的、实时的、在线的对结构“健康一状态进 行监浏和评估，确保运营的安全和提高橇梁的管理水平瞧。 杭州湾大桥北起嘉兴市海盐郑家埭，跨越宽阔的杭州湾海域后止于宁波市慈 溪水路湾，全长3 6 k i n ，超过了美匡切萨皮克海湾桥和巴耱道堤桥等世界名桥， 丽成为目前世界上已建成或在建中的最长的跨海大桥。大桥建成后将缩短宁波至 上海问的陆路距离1 2 0 余公里。杭州湾跨海大桥按双向六车道离速公路设计，设 计时速1 0 0 k m h ，设计使用年限1 0 0 年，总投资约1 1 8 亿元大桥设南、北两个 航道。j 艺航遂橇为圭跨4 4 8 米的钻石型双塔双索面钢籍粱斜拉桥，通航标准3 5 0 0 0 吨；南航道桥为主跨3 1 8 米的a 型单塔双索面钢箱梁斜拉桥，通航标准3 0 0 0 吨。 杭娴湾跨海大桥投资巨大，处于沿海大遥遒的咽喉，是保障沪杭焉地区交通 运输畅通的命脉，因此确保该桥建成后健康、安全运营，保证其耐久性，是桥梁 管理的首要任务。对特大跨径桥梁，由予其力学和结构特点以及赝处的特定环境， 通过设计和部分模型试验，很难完全掌握和预测结构的力学特性行为，因此在桥 梁建成后的营运瓣，为验证设计、确傺结构的安全，为使用阶段养护管理系统提 供必要的信息，也为特大跨径桥梁的研究与发展积累实际资料，都有必要建立桥 梁结构健康与安全监测、评估系统。杭州湾跨海大桥健康与安全监测系统的重点 是如何保证系统的长期稳定性以及长期的延续性，另外如何对3 6 k i n 长的桥梁进 褥综合管理与评估也是重点和难点。 “桥梁结构健康监测一这一概念在2 0 世纪8 0 年代后期提出，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缀大的发展。与传统的检测技术不 同，桥梁结构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，丽且力求对结构整体行为的实对监控和对结构状态的智能亿评估。目前， 桥梁结构健康监测还无明确定义，但可理解为：“运用现代的传感技术，长期 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 l 跨海犬桥结构健康脏溯系统软件的设计与开发 环境因素的各耱信息，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，由此分析结构健康与安 全状况，为桥梁的管理和维护决策提供科学的依据捧翮。 桥梁结构健康监测的主要作用有： ( 1 ) 通过对使耀中桥梁结构的动态跟踪检查及其所处环境条佟的监测，及时 查明结构现存缺陷与质量衰变，并评估分析其在所处环境条件下的可能发展势态 及其对结构安全运营造成的可能潜在威胁，为养护需求、养护措施采用决策提供 科学依据，以达到运用有限的养护资金获得最佳养护效果，确保结构安全运营的 霸的。也即设定结构的健康预警线，巍桥梁结构处于搿噩健康一状态时，及时提 醒管理者进行针对性的检查，并加强相应的养护维修【3 1 3 。 q ) 设定结构安全预警值。对大桥结构的健康状况、结构安全可靠性进行评 估，进而给大桥运营者提供等级预警信息。当桥梁性能退化，超过预警值时，能 给出警报，提示需立即对结构进行检查及维修。 ( 3 ) 给出特殊事件交通管制控制值。对于台风、地震等特殊环境条件给予报 警，以提示管理者进行车辆通行的限制。 ( 4 ) 论证设计、施工两阶段的各种设计假设和设计参数的有效性，对设计、 施工进行后验证。研究桥梁长期运营状态下的力学性畿及物理性能的改变，为我 国大型桥梁的健康与安全监测积累宝贵的数据及经验。 桥梁结构健康监测系统的主要结构，通常包含以下系统： ( 1 ) 数据自动采集系统：利用先进的传感技术，实现不同形式的物理量( 如位 移、应变、振动加速度、温度、风力等) 的数字化自动采集。 ( 2 ) 数据通信与传输系统：负责将监测数据进行预处理( 如数据换算、主应变 计算等) 后借助远程传输设备传送多；监控中心的系统工作站嘲。 ( 3 ) 数据存储管理与自动查询系统：根据各个监测项目的特点，对不同类型 的数据科学分类和统计分析，实现图表化的自动查询。 4 ) 结构可视化监控系统：在监控屏幕上显示实时麴结构形变图形，实现桥 粱结构工作状态的可视化远程监控。 ( 5 服务水准安全报警系统：根据桥梁结构控制截面的设计值、验收试验记 录和监测数据的历史极值，确定桥梁结构特征参数在不同服务水准下的正常使用 控制值或极限值，并将实时监测数据与之对比，实现桥梁结构的使用预警和安全 2 北京工商大学硕士学位论文 报警。 ( 6 ) 结构健康与安全评估系统：根据桥梁结构的综合监测结果来分析结构特 性参数，建立桥梁结构损伤识别与状态评估的数据库和判断程序，实现对桥梁结 构的健康与安全评估。桥梁结构健康监测系统的构建应该贯穿桥梁建设的全过 程，通过总体设计阶段、施工检验阶段、质量监督与验收阶段和养护管理阶段的 逐步优化与完善，最终实现桥梁结构健康监测系统的数字化与自动化【5 1 。 数据自动采集系统和数据通信与传输系统为桥梁结构健康监测系统的硬件 部分，数据存储管理与自动查询系统、结构可视化监控系统、服务水准安全报警 系统和结构健康与安全评估系统为其软件部分。 本文论述的主要为桥梁结构健康监测系统的软件部分。软件系统主要指安装 在监测计算机中，用来实现监控任务的一些驱动、处理及算法软件。监测软件系 统是整个监测系统的控制指挥中心，提供了数据存储、数据显示、参数识别、参 数报警、状态评估等功能。因此，监测软件的稳定性、可靠性直接关系到桥梁监 测系统的运行效果，监测软件质量的提高将极大的提高监测系统的稳定性、可靠 性及自动化程度。 1 2 桥梁结构健康监测系统软件的国内外发展状况 桥梁结构健康监测与状态评估己成为近年来国内外桥梁学术界和工程界的 研究热点。国外从2 0 世纪8 0 年代中后期，而我国也自2 0 世纪9 0 年代起开始桥 梁结构健康监测系统的研究，取得了大量研究成果并且应用于实际工程中。近年 来，随着传感器、计算机、通信等相关技术的飞速发展，越来越多的新型传感器、 通信、计算机控制技术等应用到桥梁结构健康监测中，进一步推动了桥梁结构健 康监测系统的发展。同时，在桥梁结构健康监测软件方面也做了大量研究工作。 下面是国内外一些典型的桥梁结构健康监测系统软件的应用实例： 美国威斯康辛州一座已有6 5 年历史的提升式桥m i c h i g a n s t r e e tb r i d g e 上，安 装了世界上第一套全桥远程监测系统，以监测已将达到设计寿命的该桥梁裂缝扩 展情况和其他桥梁状态的变化。该系统总共装有6 个压力应变片和测角仪，桥上 有2 个独立抗震微型数据记录器，完成所有信号调理和数据记录功能，该现场数 据记录器通过无线方式与中心主机联网。中心主机通过调制解调器连接专用电话 线，从而实现远程数据访问和实时监测。 曼谷的r a m ai x 桥于1 9 9 5 年安装了结构整体性与安全性在线警报系统 3 跨海犬桥结构健康监测系统软件的设计与开发 ( o n - l i n e a l e r t i n go fs t r u c t u r a li n t e g r i t ya n ds a f e t ys y s t e m , o a s i s ) 。其中的数据采集 系统安装在北桥塔，传送1 6 个通道的实时数据( 包括加速度计、温度和压力) 到几千米外的高速运输管理涡大楼，并提供桥梁结构健康状况的图形显示。数据 采集系统由k 2 数据记录器和计算机组成。o a s i s 软件系统实现动态测量、实时 数据通信、数据处理、远程采集控制和图形报警等功能。 加拿大在全长1 2 9 k m 的c o n f e d e r a t i o nb r i d g e 上安装的监测系统。由中央计 算机系统及总共1 0 0 0 个通道的低速和高速数据记录器组成。数据记录器中的软 件以时问平均和触发两种模式工作，数据记录器将传感器的电信号转换成数字信 号，进行基本的数据处理，并自动将数据传输到中央计算机系统。中央计算机系 统由4 台个人计算机组成，个人计算机每3 5 分钟通过多模光纤从记录器中收集 数存储在个人计算机硬盘上，每小时将数据打包并以m 协议传送到爱德华王 子岛的大学，个人计算机允许被远程访问和远程操作一个小时内被记录的文件和 数据。 位于中国台北，横跨基隆河的d a - z h i 桥，总长8 2 3 米，宽2 8 。4 0 米。安装 的无线传感器节点( w s n ) 桥梁监测系统，主要由四部分组成：w s n 、网关、 i n t e m e t 和后端平台。系统中的w s n 主要是对测量参数进行编码、压缩，然后传 送到两关。网关主要负责有规则的轮流检测传感器节点来获取、记录相关数据， 以供远方工作人员使用和进行分析研究。后端平台提供图形化用户接口( g u i ) 进行数据访问。使桥梁管理者通过岳端平台掌握桥梁状况，作出正确的判断、采 取合适的行动。 重庆大学光电技术研究室是国内较早进行桥梁结构健康监测系统研究的机 构之一，并且从1 9 9 3 年起开始将研究成果应用于国内多座桥梁结构健康监测中。 其中红槽坊立交桥远程监测系统，采用了8 个应变传感器、4 个自行研制的激光 挠度位移计、4 个自行研制的压电传感器分别对该桥两跨中的8 个应变测点、4 个挠度测点和4 个振动测点进行实时监测。该监测系统包括安装在桥梁端的智能 模块、远程传输模块以及安装在实验窒( 或监控室) 的主计算机系统三部分。智能 模块可以根据预设的周期自动采集桥梁的状态参数，主计算机系统通过公用电信 网利用远程传输模块接受远端撬梁的状态信息。 位于中国江苏省苏州和南通之间的苏通长江大桥，主跨1 0 8 8 米，是世界上 最长的斜拉桥，预计2 0 0 7 年完工。位于桥梁现场的数据采集与传输系统包含7 4 北京工商入学硕士学位论文 个数据采集单元，通过一个光纤分布式数据接口连接到中心机房。数据采集与传 输系统将采集到的信号转化为数字信号并传输到位于监测中心的数据采集与控 制系统。数据采集与控制系统完成数据的后处理、归档、显示及存储【6 1 。 此外，很多已建或正在建设的大型桥梁也将安装结构健康监测软件系统，如： 正在建设中的我国南京长江三桥、东海大桥、苏通长江公路大桥等的结构健康监 测系统也正在规划建设中。经过十几年来的积极努力，人们己经在该领域取得了 许多成果。但是由于桥梁结构受到许多不确定性因素和复杂工作环境的影响，以 及对桥梁在使用年限内的工作特性的变化缺乏全面深入的了解，桥梁结构健康监 测与状态评估系统的研究尚处于基础性的探索阶段。 1 3 桥梁结构健康监测软件系统的主要功能和难点 桥梁结构健康监测系统软件需要完成数据采集、数据分析、参数识别、安全 预警与决策、报表生成等功能。在此系统中，人的作用主要是确保系统正常运行、 对异常情况及报警进行处理。其难点主要有： ( 1 ) 多种异构数据的处理。由于桥梁结构健康监测系统包括多种不同类型的 传感器，这些传感器记录的数据格式通常有很大不同，部分传感器的采集频率又 非常高，由此产生了多种异构数据。桥梁结构健康监测系统软件需要对数据进行 格式统一和预处理后才有可能进行数据存储和后续的数据挖掘工作。数据的预处 理通常采用极值、最值、聚类等方法，不但可以大大减少数据量，又能保留原始 数据的特征，供后续分析使用 7 1 。 ( 2 ) 结构参数识别。参数识别，即根据已知的系统模型和系统响应来反演系统 参数。对于类似杭州湾跨海大桥的斜拉桥来说，斜拉索是斜拉桥的主要承载构 件索力的准确测定是保证斜拉桥施工控制顺利实施的关键，索力识别成为斜拉 桥最重要的结构参数识别。 ( 3 ) 数据回归分析。回归分析是利用历史数据，按照误差最小的原则，寻找一个 数学模型来描述一个或若干个普通变量和一个随机变量之间的关系，建立模型，并 让所有的数据都尽可能地聚集到该模型的附近。回归分析在桥梁结构健康监测系 统中是参数预测和预警的前提。 ( 4 ) 状态评估。桥梁状况的评价是桥梁管理系统最重要的部分之一。它提供 了桥梁结构各部分、整体状况和需要改进部分的数据，并提供了有关结构退化过 程的数据。不仅可用这些数据来进行结构物的承载力和耐久性的评定，也可用这 5 跨海大桥结构健康监测系统软件的设计与开发 些数据来做出决定，制定方案。影响大型桥梁安全状态的因素众多，各因素之闻 的相互作用关系复杂，部分因素的影响力及作用程度无法定量描述。因此，如何 对桥梁进行状态评估就成为了桥梁结构健康餐测系统软件的难点之一。 1 。4 本文的主要内容和章节安排 本文拟设计和实现杭州湾跨海大桥桥梁结构健康与安全监测系统软件( 英文 缩写为：h z w e b 姗m ) ，对桥梁状态进行监测和预警。备参量传感器采集的数据 以文件的形式上传到下位机，经过格式转换，统一为标准格式。幽于的传感器数 量多，动态参量的采集频率很快，数据需要进行极值、最值、均值等处理后再存 入数据库。对监测数据可以分别采用多种回归分析算法，对数据进行拟合并得出 回归模型，从面对系统进行状态评估和预测报警。此外对数据还可进行多种结构 参数识别，完成索力测定等重要参量的计算。软件具有完善的显示功能，可以以 图形方式直观的显示各参量的最新数据和用户选定时阚段的历史数据，并黥够实 现缩放，移动，同屏多窗口显示等操作。本软件具有用户可以自由设置警戒值的 报警和设备自诊颤赦障报警功能，可对监控参璧的数据异常和设备故障情况进行 报警。此外，软件还实现了用户权限管理，桥梁基本信息管理，人工数据填报， 报表和打印，系统配置与管理等功能。 本文拟分为六章，第一章为绪论，主要介绍项目背景和意义。第二章为软件 的总体架构设计和关键阀题的算法选择。三、甄章分别重点论述了桥梁结构健康 检测系统软件的两个难点问题：索力识别和数据回归分析。第五章为软件功能各 个功熊模块的设计与实现。第六章为全文的总结和对惹续需要解决闻题的展望。 6 北京工商大学硕士学位论文 2 软件的总体设计与关键算法选择 2 1 总体设计 2 1 1 基于b s 和c s 的混合结构软件架构设计 b s 结构是一种三层结构的系统，第一层客户端运行浏览器软件。浏览器以 超文本形式向第二层的w e b 服务器提出访问数据库的要求，w e b 服务器接受客 户端请求后，将这个请求转化为s q l 语法，并交给第三层的数据库服务器，数 据库服务器得到请求后，验证其合法性，并进行数据处理，然后将处理后的结果 返回给w e b 服务器，w e b 服务器再一次将得到的所有结果进行转化，变成h t m l 文档形式，转发给客户端浏览器以友好的w e b 页面形式显示出来【引。 b s 模式的优点有： 便于实现多任务监控，借助i n t o n e t 强大的信息发布与信息传送能力可以 提供广域网环境下的大量不规则的信息交流。 开发环境与用户环境分离，便于管理与升级。 应用环境为标准浏览器，降低了开发成本。 c s 模式是一种两层结构的系统：第一层是在客户机系统上安装了应用程序， 结合了表示与业务逻辑；第二层是通过网络结合了数据库服务器。c s 模式主要 由客户应用程序、服务器管理程序和中间件三个部分组成。 c s 模式的优点有： 交互性强，由于客户端具有完整的应用程序，在错误提示、在线帮助方 面功能比较强大，并且可以在子程序问自由切换。 由于c s 模式是一种点对点的结构模式，安全性比较高f 9 l 。 c s 模式与b s 结构相比逻辑结构上少一层，速度比较快，更利于处理 大量数据。 杭州湾大桥结构健康监测系统软件采用w e b 技术，利用b s 模式提供基于 i e 和w e bs e r v i c e 的应用，使得用户在局域网或i n t e r n e t 环境下可以随时上网查询 桥梁运行状况；同时，针对本系统中外接的系统较多，需要统一整合的特点，可 把自定义的浏览器作为c s 模型的客户端，方便非n e t 平台开发的控件或动态连 接库的嵌入整合。此外，系统采用的多窗口应用界面，便于用户从很多不同的侧 面观察和分析监测信息，从不同的角度控制监测系统。三层技术及特有的中间层 7 跨海- 人桥结构健康监测系统软件的设计妈开发 设计使得各种不同的应用形式闻具有高度的一致性，只与应用层打交道的用户丝 毫感觉不到底层和中间层的变化。杭州湾大桥结构健康监测系统软件的逻辑软件 层次如图2 1 所示。 ；登翼一罡 ! 硐l 司厕i 厕司 卞jijk 蠢jl 。1 *。 一一2 i 蒸蒸气丙 1 ； 一 一。 一卜。 j 缀缴曩曩嬲黝 蹴装鍪自定义蔓瀛森 雾则瑾套爹 l i一 。l爪ji ，衫 i _ r ，、 “。- r 睡j j 髓啊臻黝黝翳熬黝 、_ 敝档罗 数据库文档文件 二进制文件 k 一一一 图2 1 软件逻辑分层架构 系统部署情况如图2 2 所示。北航道桥、南航道桥、引桥的海中平台的下位 机从传感器采集到测量到的动态和静态数据骺，下位机存储当天的数据文件，每 天定时把数据文件上传到上位机数据服务器，供监测和分析处理使用。前台的 帆b 服务器访问上位机数据服务器获得数据，客户端惠建的浏览器通过访问 嘞服务器浏览数据。 8 北京工商大学硕士学位论文 图z 2 系统部署图 2 1 2 软件功能的划分 u m l 语言( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ，) 是一种支持对象技术的可视化建模 语言，它为面向对象系统开发提供了标准的表示方法。u m l 语言是在计算机系 统中表示真实世界的语言，描述真实世界中的对象和它们之间的关系。u m l 用 例图是u m l 模型中最常用的模型之一，用例图表示活动者和用例之间的交互， 能帮助理解和使用系统【1 1 1 。 本文所要设计实现的杭州湾跨海大桥健康与安全监测系统软件的u m l 用例 图如图2 3 所示。 9 跨海人桥结构健康监测系统软件的设计与开发 图2 3i 舢用例图 本软件实现对杭州湾垮海大桥的健康状况的监测和预警功能，其功能需求主 要包括： 最新数据和历史数据的数值表格和坐标图形显示。 人工检测数据的定时填报和查阅。 多种状态评估( 包括原始指纹法，动静结合法等) 和状态预警。 数据报表生成与打印。 对设备进行故障诊断并提供报警功能。 文件路径选择，数据库连接，用户权限设置等系统配置功能。 根据用例分析可以得出，软件的主要功能模块包括：自动监测和人工检测参 量数据的存储；自动监测数据的分析，人工检测数据的分析，桥梁各部分的状态 评估与预警，设备监测与诊断，文件和报表管理，系统配置和用户权限管理等。 系统功能模块如图2 4 所示： 1 0 北京工商大学硕士学位论文 缫 形 显 - g 跨海大桥桥梁结构健康与安全j i 麓测系统软件 ( 舷w e b 咖 图 形 处 理 鹭 形 操 作 数 据 存 储 最 新 数 据 显 系 监 测 数 据 分 析 历 史 数 据 分 析 人 工 检 测 记 录 结 构 参 数 识 裂 状 态 评 估 萼 预 警 状 态 评 估 预 测 报 警 设 备 囱 诊 断 报 表 管 理 图2 囊系统功能模块整 2 1 3 软件开发环境 系统采用v i s u a ls t u d i o n e t2 0 0 3 实现，编程语言采用c 赛。c 雾是v i s u a ls t u d i o 系列中的成员，是一种简单、现代、面向对象、类型非常安全、派生于c 和c + + 的编程语言。c 襻具有对n e t 的完整支持，丽且具有吃其德语言更适合的语法瑟2 1 。 数据库采用s q ls e r v e r2 0 0 5 ，s q l s e r v e r2 0 0 5 是一个全面的数据库平台， 使用集成的商业智能0 3 i ) i 具提供了企监级的数据管理。s q ls e r v e r2 0 0 5 数据 库引擎为关系型数据和结构化数据提供了更安全可靠的存储功能，可以构建和管 理用于业务的高可用和高性麓的数据应用程序。 a s e n e t 是一种建立在通用语言上的程序构架，能被用于一台w e b 服务器 来建立强大的w e b 应用程序。a s e n e t 是一个已编译的、基予n e t 的环境， 把基于通用语言的程序在服务器上运行。将程序在服务器端首次运行时进行编 译，眈a s p 期时解释程序速度上要快很多面虽是可以用任何与n e t 兼容的语 言( 包括v i s u a lb a s i c n e t 、c 撑和j s c r i p t n e t ) 创作应用程序【1 引。另外，任 何a s p n 盯应用程序都可以使用整个n e tf r a m e w o r k 。开发人员可以方便地 l l 跨海大桥结构健康监测系统软件的设计与开发 获得这些技术的优点，其中包括托管的公共语言运行库环境、类型安全、继承等 矗盘 守o i n t e r n e ti n f o r m a t i o ns e r v i c e s ( 1 l s ) 6 0 是一种强大的w e b 服务器，可为各个 版本的w i n d o w ss e r v e r2 0 0 3 提供高度可靠、易管理和可伸缩的w e b 应用架 构。i i s 帮助企业增加w e b 站点和应用可用性，同时降低系统管理成本。 图形绘制使用到了g d i 技术，g d i 是g r a p h i c sd e v i c ei n t e r f a c e 的缩写，含 义是图形设备接口，它的主要任务是负责系统与绘图程序之间的信息交换，处理 所有w i n d o w s 程序的图形输出。 表2 1 软件开发环境 硬件环境 p c 操作系统 w “m d o w sx pp r o f e s s i o n a ls f 2 开发工具m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o n o t2 0 0 3 开发语言 c 带 w e b 服务器 s 6 o 数据库m i c r o s o f ts q ls e r v e r2 0 0 5 w e b 编程框架a s p n e t 2 2 本文重点研究的算法 2 2 1 索力识别 杭州湾跨海大桥的南北引桥均为双索斜拉结构，斜拉索是斜拉桥的主要承载 构件索力的准确测定是保证斜拉桥施工控制顺利实施的关键，它直接关系到斜 拉桥修建的成功与否。目前索力的测试方法有：磁通量法、振动测定法、张拉千 斤顶测定法、压力传感器测定法等【1 4 1 。 张拉千斤顶测定法和压力传感器测定法适用于施工过程中张拉阶段的索力 测定但不能测定成桥后的索力【1 5 1 。 磁通量法是利用放置在索中的小型电磁传感器，测定磁通量变化，根据索力、 温度与磁通量变化的关系，推算索力。该法所用的关键仪器是电磁传感器( 卜 m 传感器) ，这种传感器由两层线圈组成，除磁化拉索外，它不会影响拉索的力 学及物理特性。对任一种铁磁材料，在实验室进行几组应力、温度下的试验，建 立磁通量变化与结构应力、温度的关系后，即可用来测定由该种材料制造的拉索 1 2 北京工商大学硕士学位论文 索力。 铁磁材料磁通量密度b 与有效磁场h 的关系为： 曰= 啊( 2 1 ) 其中：h 为有效磁场，日= 胃外+ h 内( 加，h 内为磁化程度m 的函数，b 为 磁通量密度；为磁通量渗透系数，是应力o 、温度t 、有效磁场h 的函数。材 料中的应力变化时，磁滞曲线也发生变化。测定磁通量渗透系数就可推算出拉 索的应力。用磁通量法测定斜拉桥的索力，国外应用较多，多座实际桥梁结构的 安全检测表明效果很好。但我国斜拉桥上采用此法的实例还很少，技术也不够成 熟【1 们。 由于以上方法的应用场合的局限性和不成熟性，杭州湾跨海大桥健康监测系 统测定索力采用的是振动测定法。 根据不抗弯度的振动方程： 鲁一r 塑= 0 # x z ( 2 2 ) 口a c 2 、7 近似认为索的两端刚性固定，解得索力公式为： 丁= 竽2 ( 2 3 ) 其中y 为横坐标( 垂直于索的长度方向) ；x 为纵坐标( 索的长度方向) ；形为单 位索长的重量；g 为重力加速度；t 为索的张力；f 为时间，五为刀阶自振频率， 为阶次。而根据弦的自振理论，f , , n 为定值，且等于索的固有频率。由索力公 式( 2 3 ) 可见，计算索力仅需要固有频率一个变量【1 7 1 。 综上所述，计算索力首先需要得到索的振动幅频特性，然后用适当的方法进 行频率选取，得出合理的固有频率按照索力公式进行计算。 2 2 。2 数据回归分析 杭州湾跨海大桥结构健康与安全监测软件对于所有的静态监测数据都应可 以建立数学模型进行分析和预测，这些数据包括静应变、变形、沉降等。分析方 法包括多种基于最小二乘原理的函数拟合回归和时间序列分析等。 回归分析，既通过采集大量的实验数据，运用数理统计方法，按照误差最小的 原则，寻找一个数学模型来描述一个或若干个普通变量和一个随机变量之间的体 积关系，建立起他们之间的数学关系的过程。 基于最小二乘原理的函数拟合是在实验所得数据绘制在对应的坐标系中，得 1 3 跨海火桥结构健康簸测系统软件的设计与开发 出趣线上对应值的残差之平方和最小的一条蓝线，拟合所得曲线方程则称为回归 方程。常用的回归方程有线性函数和非线性函数，如一无线性函数：y = a + b x 、对数 邈数：y = a + b l n x 、指数丞数：y 嘲、和幂蘧数：y 气舻等疆8 1 。 时间序列分析是目前数据处理的一种有效方法。设有连续观测样本平稳序列 x t , x 2 , 一 确，对应盘噪声序梦l j a l , a z , o 镪；，自噪声序列均值为0 ，且相互独立，服 从正态分布。不同的时间序列可用不同的模型来描述。一般统计性质可用一些数 字特征来描述，如协方差函数) ，、标准自相关函数p 、偏相关函数妒。以上三个数 字特征值的变化趋势不同代表了序列的特点不同，序列闻的关系一般可用自回归 a r t p ) 模型、移动平均m a ( q ) 模型和自回归移动平均a r m a ( n , m ) 模型描述， a r m a 模型可视为是对前两种模型的综合，前两种模型分别是该种模型的特例 0 9 1 。 1 4 北京工商大学硕士学位论文 3 振动测定法测定索力 3 1 算法分析 斜拉索是斜拉桥的主要承载构件索力的准确测定是保证斜拉桥施工控制顺 利实施的关键，它直接关系到斜拉桥修建的成功与否。在工程中常用的索力测定 方法有压力表、压力传感器、拉索中预埋传感器的测定方法及振动法。其中振动 测定法是目前索力测算最常用的方法【1 4 1 。 斜拉索索力测定的理论基础是弦振动理论，不计抗弯刚度的拉索振动微分方 程为： 根据不抗弯度的振动方程： 等一下堕- - - 一0 0 a x z可8 2 1 一”一 式咖为横坐标( 垂直于索的长度方向) ；石为纵坐标( 索的长度方向) ；嗍单位 索长的重量；g 为重力加速度；劝索的张力；f 为时间假定索两端固定，由方 程( 3 1 ) 可求出拉索的自振频率为： 厶= 副, , t w o ( 3 2 ) 由( 3 2 ) 式可以推导出索力公式为： 丁= 竽z ( 3 3 ) 在实际的桥梁中，索自重、抗弯刚度和垂度对索力都有影响。应用上式计算 会带来误差。但当索的弯曲刚度与索长的平方相比可以忽略及细长比较小时，用 上面的简化计算式是可以满足精度要求的。式慨为索的第1 1 阶自振频率；，为索 的计算长度；以为振动阶数。由( 3 3 ) 式可见，振动法测定索力首先需要分析出基 频，即自振频嘞。在进行桥梁等大型结构动力测试时，由于环境激励具有不需 要激励设备，不影响使用等优点，成为普遍采用的动力测试方式。一个线性系统 的输姒f ) 等于其输m o 和系统脉冲响应 ( f ) 的卷积，即： 贝t ) = 缸f ) | i l ( 力( 3 4 ) 根据卷积定理，上式可在频域中可以化为： ) = 坝c o ) 枣斌c o )( 3 5 ) 其中俄国) 是系统的频率响应函数，反映了系统的传递特性。对上式两端同乘 以) 的共扼并取期望，得： 6 ( 国) = 1 月( ) r ( 砥) ( 3 6 ) 1 s 跨海大桥结构健康般测系统软件的设计与开发 其中，g x o j ) 、鳅国) 分黪j 是输入和输出的瞄功率谱密度。输入的随机激励为 环境激励时，可以在一定的频带内视为白噪声，即鳅) 为常数，那么有： 域) r = c og y ( c o ) ( 3 7 ) 采用环境随机激励的方法。频率响应函数反映了系统对激励的响应特性，对 斜拉桥丽言，频率响应函数的极值出现予系统的固有频率处。在仅有输出丽输入 未知的环境激励下，可由自功率谱替代频响函数，自功率谱上的峰对应子系统的 固有频率。斜拉索振动系统阻尼很小，频响函数接近予尖锐的梳状谱峰。理想情 况下，斜拉索振动信号的自功率谱上的峰间距相等且其间距与斜拉索的基频相等 阑 3 。2f f t 计算 数字信号分析与处理的核心是离散傅里叶变换( d f t ) 。d f t 的计算量与交换 区i 闻长度n 的平方成正比。警n 较大时，因计算量太大，直接用d 硪算法进行谱分析 和信号的实时处理是不切实际的。快速傅立叶变换( h 邯使d f t 运算效率提高l 2 个数量级，其原因戮孓算法利用d f t 系数的对称性、周期性和可约性等性质将长 序列的d f t 分解为若干个短序列的d f t 计算，然后再按一定规则将其合并，从而得 到整个的d f t 2 n 。按时闽抽取的基2f 开算法是f 订最常用的一种表现形式。 3 2 1 基2 法f f t 的基本原理 对予变换长度为n = 2 m ( m 为整数，若不满足这个条件，可以人为地加上补零，使 其达到n 观姗) 点的序列x ( n ) 的离散傅立叶变换为x ( 1 ( ) ，则有： x ( k 产d f t x 0 崎】= 嚣z ( ；赡雄一统毛，n - 1 ；k = o , l , ，n - i ) p 8 ) 其中，彤严芦，援妨为复数，f f t 利用对称性和周期性将序列按时间顺序 的奇偶分解，把长序列的d f t 逐级分解成几个序列的d f t ，并最终以短点数变换来 实现长点数变换。其性质表现为：