（环境工程专业论文）基于emd结构损伤识别方法研究.pdf

摘要 土木工程设施在服役期内，由于受到荷载和其它各种突发因素的影响，使结构发生 损伤，造成重大的经济损失和人员伤亡。因此，对结构健康状态做出及时有效的诊断、 准确评估和预示，具有重要的科学理论意义和工程应用价值。 结构损伤检测是结构健康监测技术的一个核心技术问题。基于结构动力学的损伤检 测方法，不仅涉及到结构动力学理论和试验技术的深入研究，而且还涉及到对信号测试、 信息数据处理新方法的相关研究。希尔伯特一黄变换( h h t ) 适用于处理非线性及非平稳 等具有明显瞬时变化特征的信号。本文以结构健康监测与损伤诊断为目标，主要研究了 以下几个方面的内容： 论述了实施工程结构健康监测与损伤诊断的必要性与迫切性，介绍了结构健康监测 与损伤诊断的基本概念、系统组成、损伤诊断的方法及研究现状。 论文首先阐述了瞬时频率、本征模式函数的基本概念，研究了e m d 的分解算法， 分析了h i l b e r t h u a n g 时频谱( h h t 谱) 的物理意义，在此基础上讨论影响e m d 分解精度 的两个因素噪声引起的模态裂解现象以及端点效应。 针对经验模式分解中端点效应问题，阐述了端点效应产生的机理，系统地介绍了以 往处理端点效应的方法，考虑到端点效应问题在学习领域属于小样本( 或有限样本) 问 题，将统计学习的理论应用到了端点延拓的问题上来，利用回归支持向量机技术有效地 解决了数据的端点延拓问题。 针对经验模式分解中噪声问题，提出了一种小波滤波预处理e m d 方法，对信号进 行非抽样小波变换，把其分解在不同的尺度，对处理过的信号再进行e m d 分解，在时 频谱上获得结构损伤的特征。 关键词：损伤诊断经验模式分解瞬时频率非抽样小波变换 a b s t r a c t d a m a g ew i l lc o m ei n t oe x i s t e n c ei nt h ec i v i le n g i n e e r i n gs t r u c t u r e sd u r i n gt h e i rl i f e t i m e w i t ht h ee f f e c to fl o a d sa n do t h e ru n k n o w nf a c t o r s a sar e s u l t ，i ts o m e t i m e sw i l lb r i n ga b o u t s i g n i f i c a n te c o n o m i cl o s s e sa n dp e r s o n n e lc a s u a l t i e s s oi ti sn e c e s s a r yt om a k ee f f i c i e n t d i a g n o s i s ，e v a l u a t i o na n dp r o g n o s i sf o r t h eh e a l t hc o n d i t i o no fs e r v i n gs t r u c t u r e s t h es t r u c t u r a ld a m a g ed e t e c t i o ni st h ek e yo ft h es t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n gt e c h n i q u e s d a m a g ed e t e c t i o nm e t h o d sb a s e do nt h es t r u c t u r a ld y n a m i c sa r ei n v o l v i n gn e wm e t h o d s r e s e a r c ho ns i g n a lt e s t i n ga n dd a t ap r o c e s s i n gt e c h n i q u e s ，a sw e l la si n c l u d i n gt h ed e e p r e s e a r c ho nt h et h e o r yo fs t r u c t u r a ld y n a m i c sa n de x p e r i m e n ts k i l l s t h eh i l b e r t - h u a n g t r a n s f o r m ( h h t ) i ss u i t e dt ob eu s e dt op r o c e s st h en o n l i n e a ra n dn o n s t a t i o n a r ys i g n a l s w h i c hh a v ei n s t a n t a n e o u sc h a r a c t e r i s t i c s t a k i n gt h es t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n g ( s u m ) & d a m a g ed e t e c t i o na sr e s e a c ho b j e c t ，t h em a i nc o n t e n t so f t h ep a p e ra r ea sf o l l o w s ： t h en e c e s s i t yo fc i v i l e n g i n e e r i n gs 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 ) & d a m a g e d e t e c t i o ni sd i s c u s s e da tt h eb e g i n n i n go ft h ep a p e r t h e nt h ec o n c e p t so fs u md a m a g e d e t e c t i o na n dt h ea r c h i t e c t u r eo fs h m s y s t e ma r ei n t r o d u c e d m o r e o v e r , d a m a g ed e t e c t i o n t e c h n i q u e sa n dt h e i rd e v e l o p m e n t sa r er e v i e w e d i no r d e rt og e tt h ed a m a g ef e a t u r ef r o mv i b r a t i o ns i g n a l ，t h ed e f i n i t i o n so fi n s t a n t a n e o u s f r e q u e n c ya n di m fa r ed i s c u s s e d t h e nt h ee m da l g o r i t h mw a si n t r o d u c e d a f t e rt h a t ， m e a n i n g so fh i l b e r t h u a n gt r a n s f o r mt i m e f r e q u e n c ys p e c t r u mi np h y s i c sa r ea n a l y z e d t w o f a c t o r s ，t h em o d ef i s s i o nc a u s e db yn o i s ea n de n d e f f e c t ，a r es t u d i e dw h i c he f f e c tt h e a c c u r a c ya n ds p e e do ft h ee m d i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo fe n d - e f f e c ti nt h ee m d ，t h ep r i n c i p l eo fe n de f f e c ti s e l a b o r a t e dd e t a i l e d l y , a n dt h ec l a s s i c a ls o l u t i o n st oe n de f f e c tp r o b l e ma r ea l s od e s c r i b e d b e c a u s et h ee n d e f f e c tp r o b l e mb e l o n g st ot h es m a l ls a m p l ep r o b l e m ，an o v e lm e t h o db a s e d o ns u p p o r tv e c t o rm a c h i n e si sp r o p o s e dt oe x t e n dt h ee n dd a t a t oc o p ew i t ht h en o i s ee f f e c ti nt h ee m d ，an e ws o l u t i o ni sd e v e l o p e dw h i c hp r e p r o c e s s a n a l y z e ds i g n a lw i t hw a v e l e tt r a n s f o r mb e f o r ee m d t h em e t h o df i r s t l yp r o c e s s e st h e a n a l y z e ds i g n a lw i t ht h eu n d e c i m a t e dw a v e l e tt r a n s f o r ma n dd e c o m p o s e st h es i g n a li n t o d i f f e r e n ts c a l e s s e c o n d l yt h ep r o c e s s e ds i g n a li sd e c o m p o s e dw i t ht h ee m d ，t h es t r u c t u r a l d a m a g ef e a t u r ea leo b t a i n e do nt h et i m e f r e q u e n c ys p e c t r u mf i n a l l y k e y w o r d s ：d a m a g ed i a g n o s i s ，e x p e r i e n t i a lm o d ed e c o m p o s e ，i n s t a n t a n e o u sf r e q u e n c y , u n d e c i m a t e dw a v e l e tt r a n s f o r m 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他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： 柄叶 1 口对年明，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： 导师签名： 编钟 降老孓 i 知p 罗年厂月，日 加，年j 7 月，参日 长安大学硕七学位论文 1 1 课题的背景和意义 第一章绪论 进入二十世纪九十年代，我国成为世界经济发展速度最快的国家之一，基础建设投 入占国民生产总值的很大部分。“十五”时期，全社会固定资产投资累计完成2 9 5 万亿 元，比“九五 期间增加1 5 6 万亿元，年均增长2 0 2 ，超过了1 9 8 1 2 0 0 0 年2 0 年间 全社会固定资产投资的总和。随着社会经济的飞速发展，越来越多的大型土木工程得到 筹建和使用，现代空间结构正在向着大型化、复杂化方向发展。而这些大型复杂结构， 诸如跨江跨海的超大跨桥梁，用于大型体育赛事的超大跨空间结构，代表现代城市象征 的超高层建筑，开发江河能源的大型水利工程以及核电站建筑等，它们的使用期长达几 十年、甚至上百年。由于设计、施工等先天缺陷，或者使用荷载超出设计要求或者遭受 强大的突加外荷载( 如汽车撞击、地震、台风等的作用) ，或者环境侵蚀、材料老化和 荷载的长期效应、疲劳效应与突变效应等灾害因素的耦合作用，将不可避免地导致结构 和系统的损伤积累和抗力衰减，从而抵抗自然灾害、甚至正常环境作用的能力下降。 结构发生损伤以后将严重影响结构的承载能力及其耐久性，甚至会发生严重的工程 事故，不仅造成重大的人员伤亡和经济损失，而且会产生极坏的社会影响。例如：2 0 0 5 年7 月，广州珠海区塌陷工地附近地海员宾馆北侧，由于支撑地基不堪重负，发生坍塌， 同年9 月，汕尾电厂工地发生坍塌事故，至少造成1 1 名工人受伤【1 】；2 0 0 5 年1 1 月，西 班牙南部一座正在建设中的高速公路桥垮塌。2 0 0 6 年，肯尼亚首都内罗毕市中心的一 栋5 层大楼突然倒塌，2 0 0 多人被埋其下；俄罗斯莫斯科鲍曼市场屋顶几乎全部坍塌， 死亡人数达5 7 人，另有3 3 人受伤；德国东南部阿尔卑斯山小镇巴特赖兴哈尔一座溜冰 馆屋顶坍塌，造成1 5 人死亡，多人受伤；波兰南部卡托维茨市一个展览大厅的金属屋 顶发生坍塌，死亡人数达6 6 人，受伤1 2 3 人。2 0 0 6 年8 月5 日，巴基斯坦西北部一座 桥梁在大雨中坍塌，使得交通受到很大的影响，2 0 0 7 年7 月3 1 日，美国加利福尼亚州 奥罗维尔高速路桥垮塌，2 0 0 7 年8 月1 日，美国明尼苏达州明尼阿波利斯的一座桥梁在 傍晚交通高峰时突然坍塌，造成很大的交通事故，多人受伤。2 0 0 7 年1 1 月8 日，阿联 酋迪拜马里纳区一座建设中的大桥发生垮塌；这些事故不仅造成重大的人员伤亡和财产 损失，而且造成恶劣的社会影响。 虽然土木工程结构在事故发生前，结构中均出现裂缝、桥墩下陷、局部开裂、挠度 第一章绪论 过大、钢筋锈蚀等症状，但由于缺乏有效可靠的预警和监测系统，无法在事故发生前发 出警报，来避免事故的发生。有鉴于此，对于已建成使用的超高层建筑、大跨度空间结 构、大跨度桥梁等重要建筑需要布置有效的监测系统，对其关键部位应力、位移以及整 个结构的动态特性进行实时监测，随时评定其安全状况，在出现危险信号时能及时发出 预警，避免灾难发生；对于拟建和在建的大型土木工程结构，在吸取以往的经验和教训 基础上，在施工过程中就埋入各类传感器，从施工期开始监测结构各项参数，实时地把 握结构的全寿命质量和安全状况，分析传感器获得的各项参数的变化，判断结构中可能 出现的损伤，及时采取适当的修补措施，以确保工程结构在生命期内的安全性、完整性、 可靠性、适用性和耐久性。 结构健康监测的定义为：利用现场的、无损伤的监测方式获得结构内部信息，分析 包括结构反应在内的各种特征，以便了解结构因损伤或者退化而造成的性能改变。理想 的智能健康监测系统应该能够在结构损伤出现的较早时候发现损伤，采用损伤识别技术 确定损伤的位置，估计损伤的程度并预测结构的剩余有效寿命以及结构的可靠度 2 。 为了有效实现健康监测的目标，一般必须利用由传感器和计算机系统组成的结构健康监 测系统对结构进行长期的在线监测，并有效利用监测信息反演结构状态，识别结构中的 损伤。结构健康监测的关键所在，技术上而言，主要是先进智能传感器的开发及优化布 设和信息的高效传输；理论上而言，主要是结构识别理论和状态评估理论的发展 3 。 随着高层建筑、大跨度空间结构、特大桥梁等重要建筑的不断出现以及人们对土木 工程结构使用安全性、舒适性要求的不断提高，大型土木工程结构健康监测系统研究已 经成为土木工程领域的一个研究热点。进行土木工程结构健康监测系统的研究具有重要 的理论意义和工程价值。 首先，结构健康监测系统根据传感器所获得的结构各项参数，通过结构健康监测系 统内置的损伤识别算法，对结构进行实时的损伤诊断，在判断结构出现损伤后及时发出 预警，以避免结构损伤发展到很大程度，以至于引起结构倒塌所带来的重大人员财产损 失。同时，根据结构损伤识别方法识别出的结构损伤的位置及程度，及早地采用适当的 维修方法加以修补，能大大节约结构由于大修所带来的维修费用。对于桥梁结构更重要 的是可以避免频繁大修关闭交通所引起的重大损失。土木工程结构健康监测系统对于避 免人员财产损失、减少结构维修费用以及延长结构寿命、保证结构耐久性和实用性有着 重要意义。 其次，结构健康监测系统利用安装在结构上的各类传感器对结构的应变、加速度、 2 长安大学硕士学位论文 速度、位移、转角等参数进行测量，持续提供可靠的、定量的、与结构状态和响应相关 的信息，从而对不完备的结构设计加以验证。由于大型土木工程结构的力学特性复杂以 及所处的特定环境，在设计阶段完全掌握和预测结构的力学特性和结构响应是非常困难 的。结构理论分析常常基于理想化的有限元离散模型，并且分析时常以很多假定条件为 前提。因此，通过结构健康监测所获得的实际结构的动静力响应来验证结构的理论模型、 计算假定具有重要的意义。事实上，国外的一些重要桥梁在建立健康监测系统时都强调 利用监测信息验证结构的设计1 4 j 。 第三，对于一些重要的土木工程结构，如医院、电厂、军事指挥中心、救援指挥中 心、水处理厂等，在经历了大的灾害性事件( 如：地震、台风、爆炸等) 后，立即对它 们的健康状况做出评估是非常迫切的，这可以为迅速营救人民生命财产起很大的作用 【5 1 。例如，1 9 9 4 年1 月1 7 日，美国加州n o r t h r i d g e 大地震时，一些建筑物在遭受主震 后并未倒塌，但结构已经存在损伤而未及时发现，在后来的一次较大的余震作用下倒塌 了。1 9 9 9 年我国台湾省集集大地震中也有类似事件发生。结构健康监测系统在迅速评 估重要结构灾后健康状况、保护人民生命财产方面有着重要的意义。 1 2 土木工程结构健康监测的研究现状 1 2 1 结构健康监测和损伤诊断的研究内容及发展概述 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1 6 ，是指利用现场的无损 传感技术，通过对结构响应在内的系统特性分析，探测结构的变化，揭示结构损伤与结 构性能的劣化。损伤诊断是指结构在受到自然的( 如地震，强风等) 、人为的破坏，或 者经过长时期使用后，通过测定其关键性能指标，检查其是否损伤。结构损伤检测不仅 要通过结构响应信号判定损伤是否存在，而且还要进一步确定损伤位置和损伤程度，并 根据损伤后的结构参数计算和预测结构的承载能力【7 1 。1 9 9 3 年r y t t e r 根据损伤评价系 统的功能，将结构损伤诊断分为4 个层测引，依次为： ( 1 ) 判断结构是否存在损伤。是其它三个层次的基础。 ( 2 ) 损伤定位。是损伤检测的核心，也是损伤检测的难点。 ( 3 ) 损伤程度评估。是损伤检测的目的所在，也是进行结构修复与加固的依据。 ( 4 ) 结构剩余寿命的评估。 其难易程度和复杂性逐次提高，目前结构损伤检测与诊断大都停留在第三个层次 上。只有完善解决上述4 个水平的问题，至少是前3 个水平的问题，才是比较好的损伤 3 第一章绪论 检测方法。前3 个水平直接与结构静、动力测试和建模问题相关，而第4 水平的工作通 常要用到断裂力学、疲劳寿命分析和结构设计评定等方面的知识，是其中最难的一项工 作。 s o h n 认为一个完整的工程结构健康监测与损伤诊断系统应包括以下4 个部分【9 】： ( 1 ) 传感器与信号采集系统：信号采集是正确进行结构损伤识别的前提，只有采 集到能反映结构实际状态的信号，后续的识别工作才有意义。传感器用于将待测物理量 转变为电信号。常用的传感器有振动传感器、声级计、声发射传感器，温度传感器等。 随着检测系统的庞大化和复杂化，传感器的类型和数目都急剧增多； ( 2 ) 数据传输与信号处理系统：对传感器采集的信号进行处理，包括信号的过滤、 放大等，从而得到损伤识别用的特征参数。传感器采集的信号，有的是可以直接利用的， 例如温度、位移等，但大部分信号都需要经过放大、去噪声、融合、滤波和压缩，才能 得到对损伤敏感的特征参数； ( 3 ) 结构损伤识别系统：这是结构损伤诊断的关键，也是理论研究的热点，亦是 本文研究的主要内容。结构损伤识别的理论和方法是结构健康监测研究的核心。损伤识 别方法的正确选择是成功识别损伤的前提，要有效进行损伤有无的判断和程度的判定， 必然需要先选择好恰当的损伤识别方法； ( 4 ) 结构安全性评价系统：运用识别出的损伤结果判别结构的整体性能，运用可 靠度等理论分析评估结构的安全性和剩余寿命。通常与疲劳寿命的分析与结构设计评估 相联系提出合理的加固与维修方案。 环境作用 f 缨罂 传感器 蠢寨建茏烈畲窭宴i | 皇生生竺堡l 再磊 评价结构加固方案r 三竺= 状态信息 特征提取 损伤 特征 塑到翁譬赣 l 伤诊断 图1 1结构健康监测与损伤诊断系统工作流程图 结构损伤健康监测与损伤诊断系统工作流程图如图1 1 所示。其关键所在，从技术 上而言，主要是先进传感器的优化布置和信息的高效传输；从理论上而言，主要是结构 损伤识别和状态评估理论的发展【m 】。所以，结构健康监测要解决的问题是监测系统的实 现和结构损伤位置、程度的确定及结构性能评估理论的发展。 4 长安人学硕上学位论文 对结构进行健康监测及损伤诊断的研究工作，国外开始于2 0 世纪4 0 年代，可以分 为三个阶段【】： ( 1 ) 探索阶段：2 0 世纪4 0 年代到5 0 年代，注重对建筑结构缺陷原因的分析和修 补方法的研究，检测工作大多采用以目测为主的传统方法，但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； ( 2 ) 发展阶段：2 0 世纪6 0 年代到7 0 年代，注重对建筑物检测技术和评估方法的 研究，提出了破损检测、无损检测、物理检测等几十种现代检测技术，以及分项评价、 综合评价、模糊评价等多种评价方法； ( 3 ) 完善阶段：2 0 世纪8 0 年代以来，制定了一系列的规范和标准，强调了综合 评价，并引入知识工程，将有限元分析等数值计算方法和结构损伤检测方面的专家经验 结合起来，使结构损伤检测和可靠性评估工作向着智能化方向迈进。 自从上世纪5 0 年代以来，人们就意识到结构安全监测的重要性，但由于早期的监 测手段比较落后，所以在应用上一直受到相当的限制。近年来随着现代测试、分析技术， 计算机技术，数学理论及无线通讯技术的进步及相互融合，极大地促进了结构健康监测 系统的初步完善并在实际土木工程结构中得到应用。 早期的结构健康监测系统是建立在各种规模的桥梁结构中的。例如，英国在总长 5 2 2m 的三跨变高度连续钢箱梁桥f o y l e 桥上布设传感器，监测大桥运营阶段在车辆与 风载作用下主梁的振动、挠度和应变等响应，同时监测环境风和结构温度场。该系统是 最早安装的较为完整的监测系统之一，它实现了实时监测、实时分析和数据网络共享。 建立健康监测系统的典型桥梁还有挪威的s k a r n s u n d e t 斜拉桥( 主跨5 3 0 m ) 、美国主跨 4 4 0 m 的s u n s h i n es k y w a yb r i d g e 斜拉桥、丹麦主跨1 6 2 4 m 的g r e a tb e l te a s t 悬索桥、英 国主跨1 9 4 m 的f l i n ts h i r e 独塔斜拉桥以及加拿大的c o n f e d e r a t i o nb r i d g e 桥等【1 2 ，”1 。 随后结构健康监测系统也渐渐应用到其他土木工程结构中。美国的f o u r 等人在佛 蒙特州的一座水电站的施工阶段布设了振动、压力等传感器，组成健康监测系统，并在 1 9 9 3 年水电站发电以后成功获得可靠的结构振动信号【1 4 】。瑞士在s e g m e n t a l 混凝土桥上 安装健康监测系统，该系统由5 8 应变传感器、2 个倾角仪和8 个温度传感器组成，其 目的是监测施工过程中和以后长期的变形、弯曲和位移【1 5 】。s a a f i 等将压电传感器阵列 粘结到复合材料加强的混凝土结构上，用于监测复合材料粘结中开裂和性能下降情况， 该方法具有探测、定位及估计开裂程度的能力【怕】。 我国土木工程界的专家学者也充分认识到了结构健康监测的必要性，开始尝试在重 5 第一章绪论 要土木工程结构中安装健康监测系统，对其运行使用情况进行监测研究。在香港的青马 大桥上安装了6 个风速仪、1 1 5 个温度计、6 台动态地秤、1 7 个加速度计、2 个位移计、 1 1 8 个电阻应变丝、9 个水平仪和一套g p s 系统；香港的另外几座大桥上，如汀九桥、 汲水门桥和s t o n e c u t t e r s 桥上也安装了大量传感器，用以长期监测桥梁的使用安全性， 并从结构的动态特性出发，获得了系列的研究成果幡2 0 1 。内地最近建成的润扬长江大 桥为国内跨度最大的悬索桥，在其上安装了一套较为完善的健康监测系统【2 1 2 2 1 。内地的 其他大型桥梁，如虎门大桥、芜湖长江大桥、南京长江大桥、钱塘江四桥等桥梁上也安 装了健康监测系统，对桥梁的健康状态进行监测【2 3 粕】。深圳市市民中心的大屋顶空间 网架结构，是迄今世界上最大的网架结构。由武汉理工大学等单位参与研制开发的结构 健康智能监测系统已经用于其上，监测结构在长期风力等恶劣环境作用下的工作状态并 对其进行损伤评估【2 7 1 。 1 2 2 结构损伤诊断的基本方法及存在的问题 为了能够及时获得结构的健康状态信息，靠对结构偶尔进行的测量是无法满足要求 的。健康监测旨在对结构进行长期的在线监测，以实时地动态地了解结构性能，对结构 安全性做出即时的评估。长期健康监测系统由永久性安装在结构上的传感器和数据采集 输出等软硬件设备组成的系统，它以结构的荷载、环境、响应等为监测对象，为及时地 评价结构的健康状态提供了丰富的资料，可实时地通过现场安装的损伤检测仪器和计算 机辅助完成的损伤识别技术对结构的健康状态做出评价【2 8 】。 结构健康监测的核心问题之一，就是结构损伤识别。长期在线结构健康监测系统对 硬件和软件都提出了更高的要求，大大推动了损伤检测和损伤识别技术的发展。 基于振动的损伤识别方法的核心问题之一是寻找与结构动力特性密切相关且对结 构损伤敏感的损伤参数，如频率、振型、阻尼等，通过这些动力参数的变化判断结构损 伤情况。根据动力测试数据种类和由测试数据进行识别的方法不同，基于振动测试的结 构损伤识别方法大致可以分为两类：即基于结构振动参数变化的识别方法和无模型识别 方法。 ( 一) 基于结构振动参数变化的识别方法 基于结构振动参数变化的识别方法从损伤结构的数学模型出发，研究损伤对响应的 变化规律。任何结构都可以看作是由刚度、质量、阻尼矩阵等结构参数组成的动力学系 统。基于结构振动参数变化的识别方法有加载设备简便、测试速度快、振动信号易于提 6 长安大学硕士学位论文 取、传感器可安装在人们不宜接近的地方、损伤探测的过程不影响结构的正常使用等优 点【2 9 j 。常用的动力参数主要有例：频率、模态振型、应变模态曲率模态、功率谱、模 态应变能、能量传递比( e t r ) 、模态保证准则( m o d a la s s u r a n c ec r i t e r i o n ，m a c ) 、坐 标模态保证准则( c o o r d i n a t em o d a la s s u r a n c ec r i t e r i o n ，c o m a c ) 和传递函数等。 有的学者是利用结构损伤前后振动模态的改变和各阶模态对结构的灵敏度分析来 实现损伤诊断的，或是依据结构模态参数推导各种结构损伤诊断指标。结构一旦出现损 伤，势必引起结构参数的变化，从而导致系统模态参数和频响函数的变化，因此，模态 参数( 频率、振型和阻尼) 的改变可视为结构损伤发生的标志，可以利用损伤前后结构 动力特性“指标 的变化来检测结构损伤。a l b e r t o 把损伤定义为刚度的变化，通过比较 结构损伤前后的动态参数、模态和振动频率可以确定损伤【3 0 1 。s w i e r c z 等采用表面失真 技术，提出了基于频率分析的结构动态响应的损伤诊断方法【3 l 】。宗周红等利用能量传递 比( e t r ) 指标来诊断组合桥的常见损伤：支座损伤和钢梁开裂，得出了一些有价值的 结论【3 2 1 。曹晖等采用一个简支梁和一个四跨连续梁为算例，将模态柔度曲率指标与模态 柔度差、模态柔度改变率和均匀荷载面曲率差、以及振型曲率改变率进行了比较，证明 了模态柔度曲率差检测损伤的有效性和优越性【3 3 】。刘龙等以曲率模态参数作为损伤识别 指标，提出了基于支持向量机的结构损伤位置两步识别方法畔】。 ( 二) 无模型识别方法 无模型识别是直接基于振动测试信号的结构损伤识别方法，避免了建模这一中间过 程，具有显著的优点。这类方法采用数字信号处理方法直接对结构响应信号进行分析和 处理，根据信号参数的变化或统计，达到损伤识别的目的。目前，在结构损伤诊断中， 常用的现代信号处理和提取特征方法有：高阶谱分析、时间序列模型分析方法、短时 f o u r i e r 变换、w i g n e r v i l l e 分布、盲源分离分析方法、兰姆波( l a m bw a v e s ) 技术、小 波分析和h i l b e r t h u a n g 变换( h i l b e r t h u a n gt r a n s f o r m ，h h t ) 等【3 5 1 ，从而在损伤诊断领 域形成了一个“百花齐放、百家争鸣”的欣欣向荣的局面。 传统的基于傅里叶变换的分析方法虽然在频率域中具有较好的局部化能力，适合分 析平稳信号，但无法从信号的傅里叶变换中看出信号在任一时间点附近的性态。s t f t 能够同时进行时频局域性分析，但其时频窗口的大小是固定不变的，没有自适应性，不 能有效地分析非平稳信掣3 6 】。 小波变换是继傅里叶变换后出现的一个新的数学工具，是建立在泛函分析、傅氏 分析和调和分析基础上的新的信号分析处理方法，其基本思想是用一簇小波函数表示或 7 第一章绪论 逼近一个函数( 信号) ，具有伸缩、平移和放大功能，在时域和频域上同时具有强大的 局部化性能，能对不同的频率成分采用逐渐精细的采样步长，聚焦到信号的任意细节， 被誉为分析信号的“显微镜”。另外，小波变换对信号的奇异点十分敏感，可以识别结 构响应信号中存在的奇异性或突变信息，而这些信息往往反映了结构的损伤情况。因此 可利用小波变换进行奇异信号检测、信噪分离和信号频带分析来提取损伤特征，确定结 构的损伤情况，分析结果与选用的小波有较大的关系i 3 7 】。 h h t 是近年来对基于f o u r i e r 变换的信号处理方法的一个重大发现【3 8 l 。该方法将时 间序列数据用经验模式分解( e m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o n ，e m d ) 分解成固有模式函 数( i n t r i n s i cm o d ef u n c t i o n ，i m f ) 组，然后对每个i m f 进行h i l b e r t 变换( h i l b c r tt r a n s f o i m ， h t ) 得到信号的时频谱图；因为每个i m f 可以认为是信号中一个本征模式，这些谱图能 够准确地反映系统的局部特性【3 8 】。与f o u r i e r 变换和小波变换采用基函数分解信号不同， h h t 的e m d 分解没有明确的基函数表达式，但具有良好的局部性能和自适应性，具有分 析平稳和非平稳信号的能力。 另外，其它先进的信号处理方法也被用于损伤监测和特征提取。s o n g 等人采用独立 分量分析特征提取和支持向量机分类相结合的方法，准确地检测结构的损伤【3 9 】；h i l b e r t 等通过超声波成像技术观察兰姆波传播和损伤之间的关系，根据主动兰姆波信号分析渐 进损伤类型【4 0 】；b o e 用统计过程控制技术和主分量分析方法来诊断结构损伤的位型4 。 ( 三) 基于振动的损伤检测技术存在的问题 近年来，基于振动的损伤检测技术无论在学术上或在实际应用研究中都取得了长足 的进步，但是对于高层建筑、桥梁等复杂土木工程结构的损伤检测，还有许多问题有待 进一步的研究和解决。现有的土木工程健康监测和损伤检测的技术和方法还有待改进， 主要存在以下几个问题： ( 1 ) 监测系统的传感器数量偏多、针对性不强，庞大硬件系统难以长期稳定可靠 地工作，系统出现故障的几率较高，无法达到设计使用寿命。要使其正常运行的维护保 障费用很高，因此很难正常使用； ( 2 ) 传感系统信号传输的信噪比低，传感器信号通过信号传输网络长距离传输到 数据采集、处理服务器，再进行数据处理、分析和存档。因此数据传输环节的噪声降低 了传感器的信噪比，从而降低了监测数据的可信度； ( 3 ) 健康监测系统缺乏统一规划设计，没有把施工过程控制和长期健康监测所需 的传感器布点结合起来，往往只考虑健康监测系统的设计。 长安大学硕士学位论文 ( 4 ) 系统实施中硬件系统集成和分析评估数据处理软件系统的研发分割严重，系 统采集到的数据与研究分析单位的需要不一致，分析研究所关心的结构信息无法从监测 系统获得，因此无法实现监测为评估提供结构实用信息的目的。同时，虽然数据采集系 统可以对各传感器的响应信号进行连续的实时采集，但由于所采集的数据量过于庞大， 如何有效地处理、管理和分析这些数据是结构健康监测系统研究亟待解决的问题； 健康检测系统的是损伤识别，目前最热门的是基于振动的检测( v i b r a t i o n b a s e d d e t e c t i o n ) 技术。虽然已经取得了不少成果，但基本还处在数值模拟或实验室模拟阶段， 真正成功应用于工程实际的很少。其原因与测量误差、环境的影响、模型误差以及结构 动力特性本身存在变异等不确定因素有关。 1 2 3h i - i t 的研究现状 前面已经讨论了小波分析和h h t 在结构健康监测与损伤诊断中的适应性，下面主 要介绍近年来，国内外的一些学者在这方面所做的研究及评价。 1 9 9 8 年，h u a n g 等人创立了h h t 的新方法【3 8 】。由e m d 和h t 两部分组成，其核心是 e m d 。e m d 是一种新的时频分析方法，克服了传统f o u r i e r 变换处理非平稳信号时会出 现虚假频率的缺点，对分析非平稳及非线性信号具有很大的优越性。近年来，h h t 已应 用到结构损伤诊断领域中。 余泊提出了自适应时变滤波分解( a t v f d ) 经验筛法，研究了h h t 在机械故障诊断 中的应用【4 2 1 。盖强受积分中值定理启发探索了极值域均值模式分解e m d 经验筛法，提 出了波形匹配预测法的边界处理算法【4 3 1 。l i n 等证明了h h t 可以识别基准建筑结构的 参数，可以很准确地检测到建筑结构的损伤位置和程度m 】；q u e k 等分析了h h t 在结构 损伤诊断中的适应性【4 5 】；t u a 等利用裂缝反射波h i l b e r t 谱的能量峰值判断结构裂缝的 方向和位置1 4 6 l ；s a l v i n o 等证明了用e m d 从瞬态信号中提取相位信息来推断结构的损 伤4 7 】；j h a 等研究了h h t 在多层结构中的应用，i m f 的不连续性表明了连续结构损伤 的发生和位置【4 8 1 ；q u e k 等比较了小波分析和e m d ，结果表明e m d 为损伤诊断提供了 一个更为直接的提取信号的方法【4 9 】；y a n g 等采用刚度的突然损伤来模拟结构损伤，利 用e m d 识别结构损伤的时间和位置，并利用h h t 识别结构损伤前后的频率和阻尼比 1 5 0 l ；h u a n g 等把h h t 用于铁路桥梁1 5 1 】；l i u 等用h h t 方法作为结构损伤诊断的信号处 理方法，分别对仿真数据和实际数据进行了分析，结果表明h h t 方法具有以下能力： ( 1 ) 重构信号的时频特征；( 2 ) 检测和定位结构的损伤；( 3 ) 检测到冲击荷载或损伤 9 第一章绪论 的发生 5 2 】；x u 和c h e n 采用e m d 方法提取了建筑模型中由结构刚度突变导致的损伤特 征【5 3 】；p i n e s 等利用h h t 变换获取结构损伤的幅值、相位和阻尼信息，通过仿真和实验 数据证明，这些信息可以很好地识别出损伤的位置和程度5 4 1 。闫志等学者也把h h t 用 于结构损伤诊断中【5 5 。5 9 】。 这些应用研究结构表明e m d 进行信号处理的效果优于传统的信号处理方法。e m d 在处理非平稳和非线性信号时，具有如下优点： ( 1 ) e m d 在整个“筛分 过程中是直接的和自适应的，其基函数直接从信号本身 产生，不同的信号会产生不同的基函数，因此该方法是依据信号本身的信息进行的分解； ( 2 ) e m d 可以看成是一个自适应的多通带滤波器，它的截止频率和带宽都随信号 的变化而变化； ( 3 ) e m d 将信号进行分解，得到有限个本征模式函数，每个分量包含了不同的特 征时间尺度，这样就可以使信号特征在不同的分辨率下显示出来，从而实现自适应的多 分辨率分析； ( 4 ) e m d 可以得到一些满足特定条件的i m f ，这些分量可以是幅值或频率调制的， 可变的幅度与瞬时频率不但很大程度地改进了信号分解的效率，而且使该方法适合处理 非线性和非平稳信号。 h h t 是一种很直观、合理能满足人们许多愿望的信号分析方法。但任何新理论的形 成都会经历一个从提出到完善的渐进甚至漫长艰苦的过程，h h t 也不会例外。h h t 的提 出者在展示其方法优越性的同时也指出了其中存在的包络线拟合等问题。后来虽有一些 学者对这些问题进行了探索。就目前来说h h t 尚需和急需解决的主要问题有： ( 1 ) 基本理论的进一步建立。纵观h h t 的提出和现有文献，其理论基础都还有待 进一步完善，i m f 还只有描述性定义，从有限例子和经验中得到的关于i m f 对称性的要 求，还难以让人完全满意。虽然众多例子表明e m d 的结果是直观合理的，但理论框架尚 需成熟。 ( 2 ) 包络线和均值曲线的拟合这是h h t 的关键问题。它在很大程度上将影响到新 理论的成熟和推广应用。但现有文献几乎都采用三次样条插值而未提出新的和更合理的 方法。这不仅缺乏理论依据，而且三次样条插值容易造成过冲和欠冲。只有二阶光滑性。 如果采用直接拟合均值曲线的方法可以降低过冲和欠冲现象，但有时后果仍然很严重。 ( 3 ) 筛法是h h t 的核心，它包括两方面的问题：一是筛法依据问题，即筛法有没有 可靠的理论依据。如果筛法没有可靠的理论依据将会导致分析结果不唯一或者错误的结 l o 长安大学硕十学位论文 果；二是筛法的效率问题，就是要提高筛法的速度。由于h u a n g 等人在提出e m d 时采 用的是包络线拟合经验筛法，每次筛选需要拟合两条曲线因而速度慢。 ( 4 ) 边界处理问题。对有限长信号的分析一般都会遭遇边界处理问题，如小波分 解等。但小波分解中的边界处理误差如果采用直接时间算法不会在各小波分量间传递。 而h h t 的分解过程注定了其边界处理结果将在分解过程中一直传播下去，引起结果的 较大摆动，这就决定了研究i - i h t 边界处理算法的重要性。 1 3 课题的主要内容及章节安排 1 3 1 课题的来源、意义和研究内容 本课题来源于陕西省自然科学基金项目“基于第二代小波变换的结构健康监测与诊 断技术研究”( 编号：2 0 0 5 e 2 0 5 ) 的资助。课题主要研究内容： ( 1 ) 研究现有结构健康监测诊断方法的实用性； ( 2 ) 信号采集及信号预处理方法研究：测量方法及传感器布置方案的研究，结构 响应信号的降噪和压缩。 ( 3 ) 对信号处理方法，应用非平稳信号的处理方法_ 唧t 处理结构响应信号， 并对结构的模态参数； ( 4 ) 研究h h t 存在问题，针对h h t 存在的端点效应和噪声影响问题，研究回 归支持向量机延拓技术和滤波去噪技术。 1 3 2 本文研究的主要内容及章节安排 本论文以土木结构健康监测与损伤诊断为目的，研究了基于信号处理和e m d 智能损 伤诊断技术，具体研究内容和章节安排如下： ( 1 ) 绪论介绍结构健康监测与损伤诊断的研究意义、内容及其发展，损伤检测方 法和存在问题，基于现代信号处理和h h t 结构损伤诊断方法的研究现状、评价、存在问 题以及论文的主要内容。 ( 2 ) 基于e m d 时频分析的理论和算法研究，介绍经验模式分解、h h t 变换基本概 念，研究e m d 算法特性。 ( 3 ) 基于回归支持向量机延拓方法研究，着重讨论支持向量机的学习算法。研究 基于回归支持向量机延拓对e m d 分解消除端点效应的有效方法。 ( 4 ) 基于小波去噪e m d 的结构损伤特征提取，介绍非抽样小波的基本理论。模 第一章绪论 拟产生单自由度结构的加速度振动信号，对加速度振动信号进行h h t ，提取瞬时频率 进行损伤特征提取，对a s c e 模型数据进行分析，得到很好的分析结果。 ( 5 ) 结论与展望对全文进行总结，得出结论，展望未来。 1 2 长安丈学硕上学位论文 2 1 引言 第二章基于e m d 时频分析的理论和算法研究 信号处理与分析的目的就是找到能把信号的某些特性表达得更清楚的方法。例如： 通过某些变换来更清楚地显现信号的某种特征。从原理上说，有无数种描述信号的方法。 在