（环境工程专业论文）基于数据融合的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。本文研究了基于神经网络和数据 融合的结构损伤特征提取及诊断方法。 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。 为了实现结构状态的自动诊断，研究了一种基于小波包特征提取的b p 神经网络结构 损伤诊断方法。研究表明：与b p 神经网络的其它学习算法相比，弹性学习算法收敛较快、 耗时较少，识别正确率较高，适合于结构状态的模式分类；但是，对于同一损伤源，采用不同 节点的信号分析时，网络的识别正确率和各项性能指标不同。 针对单一节点信号进行损伤诊断的不确定性和片面性，研究了基于多传感器数据融 合的结构损伤诊断方法，把神经网络方法得到的不同节点的损伤识别结果，通过d s 证 据理论进行决策融合，得到综合评价结果。多传感器数据融合，能够使不同传感器的信息 相互补充，减小了损伤检测信息的不确定性，使诊断信息具有更高的精度和可靠性，提高 了损伤诊断准确率。 为了解决证据冲突导致融合结果错误的问题，研究了基于相似性测度的d s 证据理 论改进算法，并对本文的数据融合方法进行了改进。在工程振动信号的实验中，克服了传 统方法中“一票否决 的问题和不同传感器的诊断结果相差较大时，综合诊断结果偏差较 大的问题，从而证明了改进后的诊断方法的可行性。 关键词：神经网络损伤诊断数据融合证据理论 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 sa r 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 rt 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 i nt h i s p a p e rt h ed a m a g ef e a t u r ee x t r a c t i o na n dd i a g n o s i st e c h n i q u e sf o re n g i n e e r i n gs t r u c t u r eb a s e d o nn e u r a ln e t w o r ka n dd a t af u s i o na r es t u d i e d ，t h em a i nw o r ka n dc o n c l u s i o n sa r e d e m o n s t r a t e da sf o l l o w i n g ： 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 df i r s t l y t h e nt h ec o n c e p to fs h m ，d a m a g ed e t e c t i o na n dt h e a r c h i t e c t u r eo fs h ms y s t e ma r ei n t r o d u c e d m o r e o v e r ，t h es t r u c t u r a ld 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 t oi m p l e m e n ts t r u c t u r ee o n d i t o nd i a g n o s i sa u t o m a t i c a l l y , as t r u c t u r ed a m a g ed i a g n o s i s m e t h o di sa d d r e s s e db a s e do nt h ew a v e l e tp a c k e ta n a l y s i sa n db pn e u r a ln e t w o r k c o m p a r e d w i t ho t h e rl e a r n i n ga l g o r i t h m s ，t h ee l a s t i c i t ya l g o r i t h mc o n v e r g e sm o r eq u i c k l y , a n dn e e d s l e s sl e a r n i n gt i m e i ti ss u i t a b l ef o rd a m a g ep a t t e r nc l a s s i f i c a t i o no fs t r u c t u r ec o n d i t i o n h o w e v e r , t h er e c o g n i t i o nc o r r e c tr a t ea n dp e r f o r m a n c e si n d e xo fb pn e t w o r ka r ed i f f e r e n t u s i n gs i g n a l sf r o md if f e r e n td e t e c t i o nn o d e sf o rt h es a m ed a m a g e ， i no r d e rt oo v e r c o m et h eu n c e r t a i n t ya n do n e - s i d e d n e s so ft h ed i a g n o s i sr e s u l tw i t h s i n g l ed e c t e c t i o ni n f o r m a t i o n ，ad i a g n o s i sm e t h o db a s e do nt h em u l t i s e n s o rd a t af u s i o n t h e o r yi ss t u d i e d r e c o g n i t i o nr e s u l t so fd i f f e r e n td e t e c t i o nn o d e sa r ef i r s t l yg a i n e db yu s i n g t h en e u r a ln e t w o r ka p p r o a c h t h e na p o l i c y - m a k i n gf u s i o ni sc a r r i e do nt h e s er e s u l t st og e t t h ef i n a le v a l u a t i o nb ya p p l i n gt h ed - se v i d e n c et h e o r y i ti ss h o w nt h a tt h em u l t i - s e n s o rd a t a f u s i o nc a nm a k ed if f e r e n ti n f o r m a t i o nc o m p l e m e n t a r y , a n dr e d u c et h eu n c e r t a i n t yo fd e t e c t i o n i n f o r m a t i o n ，t h e s em a k et h ed i a g n o s i si n f o r m a t i o nh a v ei d e a lp r e c i s i o na n dr e l i a b i l i t y , a n da s t h es a m et i m et h ed i a g n o s i sa c c u r a c yi sa l s oi m p r o v e d b e c a u s et h ee v i d e n c ec o n f i l tc a u s e saw r o n gd e c i s i o nd u r i n gf u s i o n ，a ni m p r o v e dd s e v i d e n c et h e o r ya l g o r i t h mb a s e do nt h es i m i l a r i t ym e a s u r e m e n ti ss t u d e d o nt h eb a s i so ft h e i m p r o v e dd se v i d e n c et h e o r y , an e wd a t af u s i o nm e t h o df o rd a m a g ed e t e c t i o na n d i d e n t i f i c a t i o ni sp u tf o r w a r d t h em e t h o do v e r c a m et h ep r o b l e mo fat i c k e tt oo v e r r u l ei n c l a s s i c a lf u s i o na p p r o a c h e s ，a n da l s oa v o i dt h ep r o b l e mo fd i f f i r e n td e c i s i o nw i t hd i f f e r e n t s e n s o r s e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ei m p r o v e df u s i o nm e t h o di sf e a s i b l ef o rd a m a g ed e t e c t i o n a n d m o n t o r i n g k e y w o r d s ：n e u r a ln e t w o r k ，d a m a g ed i a g n o s i s ，d a t af u s i o n ，e v i d e n c et h e o r y 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：董办乏 切口孑年f 月1 2 _ 1 9 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： 量谴 p 老喜 瑚8 年f 只f1 日 m g 年r 月，t 日 长安人学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 结构健康监测和损伤诊断的意义 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、轻型化、美观化、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，这些建筑往往突破了以往 的结构设计观念，新型建筑材料及新技术在其中得以应用，同时它们的使用期又长达几 十年、甚至上百年。因此这些结构的安全性和可靠性就应引起结构设计和工程技术人员 的高度重视。 结构由于设计、施工和运营期问环境作用等原因或多或少都存在有缺陷，这些缺陷 称为损伤。这些损伤不是一成不变的，而是随着时间的推移不断发展，具有时变性【l 】。 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：1 9 8 3 年6 月2 8 日凌晨一点钟，美国康涅狄格洲( c o n n e c t i c u t ) 的m i a n u s 高速公路大桥突然 倒塌，桥上的数部车辆随即坠入江中，造成三人死亡和三人受伤，造成大桥倒塌的主要 原因是桥的腐蚀和交通循环载荷引起的疲劳【2 】；1 9 9 4 年1 月1 7 日，美国加州n o r t h b r i d g e 大地震时一些建筑在遭受主震时并未倒塌，但结构已经存在损伤而未及时发现，在后来 一次较大的余震中倒塌了；2 0 0 1 年1 1 月7 日，四j i i 宜宾南门大桥桥面断裂坍塌【3 4 】； 2 0 0 4 年5 月2 3 日清晨巴黎戴高乐机场2 e 候机厅发生屋顶坍塌事故，多名旅客和机场人 员受伤。调查报告说，候机厅水泥顶棚与圆柱形金属支柱连接处出现了穿孔，最终导致 拱形顶棚发生坍塌【5 1 ；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【6 1 ；2 0 0 6 年1 月德国b a dr e i c h e n h a l l 的一个培训礼堂突然倒塌，1 5 人死亡， 几周以后波兰k a t o w i c e 的一座新的商业建筑倒塌，6 0 多人死亡【_ 7 1 。 可见，对已建成的结构和设施采取有效的手段监测和评定其安全状况、修复和控制 损伤；对新建的结构和设施总结以往的经验和教训，增设长期的健康监测、振动和损伤 控制系统，是十分必要的。实时地监测和预报结构的性能，及时发现和估计结构内部损 第一章绪论 伤的位置和程度，预测结构的性能变化和剩余寿命并做出维护决定，对提高工程结构的 运营效率，保障人民生命财产安全具有极其重大的意义。故而，结构的健康监测技术成 为当前国内外研究的热点问题。 在我国，结构地震损伤分析、重大工程结构智能健康监测和海洋平台结构安全保障 技术方面的研究成果已经应用于实际的工程中，如：云南洱源县振戎中学食堂钢筋混凝 土地震损伤分析、北京饭店和沈阳市政府大楼等建筑结构的抗震加固f 8 】。1 9 9 7 年年底， 香港青马大桥的桥梁结构健康监测系统开始应用，其获取的数据可以作为以后大桥结构 评估、运营和维护的参考【9 1 。渤海j z 2 0 2 m u q 平台的结构实时安全监测系统于1 9 9 8 1 9 9 9 年冬季和1 9 9 9 2 0 0 0 冬季两次试运行【l o 】都取得了很好的社会和经济效益。采用欧 进萍院士的安全评定方法的研究成果，渤海8 号平台延长服役三年，新增石油产量9 万 余吨，新增产值和利税1 6 8 亿元。蔡顺德等【1 1 1 于2 0 0 2 年4 月开始，用分布式光纤监测 三峡工程大块体混凝土的水化热过程，有效地获取了三峡大坝的温度场监测。吴中如、 顾冲时等提出并开发的建立在“一机四库 基础上的大坝安全综合评价专家系统已经应 用于丹江口、古田溪三级大坝和龙羊峡大坝的安全分析 1 2 , 1 3 1 。上述成果极大地促进了重 大工程结构智能健康监测系统与技术在国内外的发展，提升了我国重大工程结构防灾安 全水平。 综上所述，为保障生命和物资财产的安全，减少重大经济损失，避免灾难性的悲剧 发生；同时也为了对旧有建筑物进行合理维修、减少维护费用；而采取有效的技术手段 及方法对现役土木工程结构及基础设施进行健康监测和损伤诊断是十分必要和迫切的。 1 2 结构健康监测和损伤诊断的发展及研究现状 1 2 1 结构健康监测和损伤诊断的概念及发展概述 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【l4 1 ，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f 1 5 】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。 在世界范围内，自上个世纪初开始修建的大量土木工程结构己纷纷超过其相应的设 计年限。对这些年久失修的工程结构进行定期的安全检查并做出使用寿命评估，己逐渐 2 长安人学硕士学位论文 提上了各国政府的工作日程。如果结构本身损伤严重，从结构的安全角度和维修费用等 经济角度考虑已无维修的必要，则可将结构废弃；如果结构整体上仍具有较高的结构强 度和安全性，仅仅在局部出现了结构损伤，则可以对损伤部位进行维修与补强。所有这 些结构都面临着一个相同的问题：如何判断损伤发生的部位和相应的严重程度，如何对 结构的剩余强度和使用寿命做出客观的评价，诊断结构的破损状态，进行可靠性鉴定的 重要性和迫切性日益为人们所认识。 1 9 9 3 年r y t t e r t l 6 】根据损伤评价系统的功能，将结构损伤诊断分为4 个层次，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。目前结构损伤检测与诊断大都停留在第三个层次上， 对于这一层次的研究较少。 其难易程度和复杂性逐次提高。只有完善解决上述4 个层次的问题，至少是前3 个 层次的问题，才是比较好的损伤检测方法。前3 个层次直接与结构静、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，也是其中最难的一项工作。 结构损伤健康监测的流程图如图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【1 7 】。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。 加固 维修 动态信息 传感器 妻寨拦妻烈畲耋宴l i t m 鱼型垡塑l 厩i 评价结构加固方案r l 型 继续使用 输出结果 无损伤 状态信息 特征提取 损伤 特征 图1 1结构健康监测与损伤诊断系统工作流程 s o h n 等总结出一个完整的工程结构健康监测与损伤诊断系统应包括4 个部分【1 8 】： ( 1 ) 传感器与信号采集系统：信号采集是j 下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 第一章绪论 转变为电信号。结构损伤识别过程中的传感器种类很多，按功能分可分为振动传感器、 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。例如，对大型桥梁结构进行监测，测点有几百个，相应的传感器 也有几百个，因此这就带来了传感器如何优化布罨方面的研究； ( 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。 结构损伤识别最早被应用于机械、航空领域。对于由连杆、轴承、齿轮等一系列零 件组成的大型机械，人们很早就开始对它们进行结构故障诊断。后来在2 0 世纪6 0 年 代初期，由于航空、军工的需要，结构的损伤检测发展起来，并发展了一系列的无损检 测技术。8 0 年代以后，计算机技术、信息技术和人工智能等学科的知识不断被应用到 结构损伤检测中，人们不仅应用各种检测手段和检测工具在现场对结构进行测试，还应 用各种理论方法在计算机上结合有限元计算对结构的损伤状态进行分析，来识别在现场 无法察觉的结构损伤【1 9 】。 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f 2 0 】： ( 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； 4 长安人学硕上学位论文 ( 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。 我国已于2 0 世纪7 0 年代中期开始结构损伤监测与损伤诊断技术方法的研究，虽然 起步较晚，但已引起了国家许多部门和单位的重视，开发和研究了许多符合我国国情的 诊断方法与技术。 近几年，国内外许多大型桥梁都安装了不同规模的用于健康诊断的实时监测系统。 美国八十年代中后期开始在多座桥梁上布设监测传感器，用以验证设计假定、监视施工 质量和服役状态；丹麦对总长1 7 2 6 米的f a r o e 跨海斜拉大桥进行施工阶段及通车首年的 监测；墨西哥对t a m p i c o 斜拉桥进行了动力特性测试；瑞士在混凝土桥( s i g g e n t h a lb r i d g e ) 建设过程中安装了健康监测系统，采用5 8 个光纤变形传感器，2 个倾角仪，8 个温度 传感器；泰国与韩国目前已开始在重要桥梁上安装永久性的结构整体与安全性实时报警 设备；挪威在主跨5 3 0 米的s k a m s u n d e t 斜拉桥上安装了能监测风、加速度、倾斜度、 应变、温度、位移等物理量的健康监测系统；欧进萍等在渤海石油平台安装了健康监测 系统，并实现了远程网络监测：2 0 0 0 年起，欧进萍等陆续在黄河和松花江大桥上安装了 光纤和加速度传感器，承担了“山东滨州黄河公路大桥运营智能健康监测系统”的研究 与实施工作，设计了2 0 0 8 年奥运会国家游泳中心的结构健康监测系统；南京电视塔上 安装的主动阻尼器减少风振的影响，洞庭湖大桥和山东滨卅i 黄河公路大桥上安装了磁电 m r 阻尼器，宁波大桥上安装了半主动控制系统。2 1 世纪以后，结构健康监测技术越来 越成为国内外学术界、工程界关注的重点，各种各样的桥梁结构健康监测系统不断涌现。 我国已建成桥梁结构监测系统的桥梁有重庆大佛寺长江大桥、南京长江大桥、南京长江 二桥、南京长江三桥等。 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 安全性作出即时的评估。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作出评价。结构健康监测的核心问题之 5 第一章绪论 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t 贝1 币d 损伤识别技术的发展。 土木工程结构损伤检测技术一般可分为局部检测和整体检测两大类。局部检测与评 定针对的是具体可疑的结构构件，即无损检测与评价【2 ，如声发射法、超声法、射线法、 涡流法、光学诊断法、磁粉法、泄漏法、红外诊断法、探地雷达法等，局部检测目的性 极强，检测结果具体、准确，一般也要求能触及被测构件，多用在结构目标部位的常规 检测，检测结果可直接作为结构维修加固的依据。其缺陷是工作繁琐，费用高，无法对 大型复杂结构或事先无法预测损伤位置的结构是进行全面检查，只有在整体检测方法确 定目标部位以后使用较为合适，而且无法给出整体结构的受损程度信息【2 2 1 。因此，人们 试图通过对结构整体特性和响应( 如变形、频率、相位、振型、阻尼与状态反应等) 的 测量和分析对结构损伤进行检测与评价，这就是整体检测、法【2 3 】。 两种损伤检测方法各有侧重点，在大型土木结构的损伤检测中将整体检测法和局部 检测法结合起来使用效果较好。首先由整体检测法确定损伤的大致位置， 然后由局部 检测法对该处的各部件进行具体详细的检测。实际上，重大工程结构上布置的监测元件， 既有局部检测元件，亦有整体监测元件，如进行位移、速度和加速度等监测的结构整体 性态传感器和进行应力、应变、累积耗能、裂纹等监测的结构局部性态传感器，为两种 方法的结合奠定了基础【2 4 1 。 结构整体检测法按测试方式又分静力检测方法和动力检测方法。传统的静力检测技 术是对结构进行静载试验，量测与结构性能相关的静力参数，如变形、挠度、应变、裂 缝等，通过对这些参数分析，可直接判定结构静承载能力，并得出结构的强度、刚度及 抗裂性能。一般情况下，要达到结构损伤检测的最终目标，静力试验方法是最直观、直 接和精确的方法，同时也能够通过静力荷载试验所获得的结构变形数据进行损伤定位和 损伤程度估计。但静力试验耗资、费时，而且还要对结构的正常使用实行管制，影响当 地的正常社会生活和经济建设。基于静力试验的上述不足，许多技术人员转而借助动力 试验方法间接确定结构的健康状况、损伤情况及承载能力。振动测量是最常用的一种整 体检测方法，也是一种无损检测方法。因为损伤引起的结构参数变化会改变结构的动力 特性，而动力特性的变化可以通过现场的动力试验测量得到，因此，自然就可以利用测 量结构动力特性的变化来识别结构的损伤。使用振动测试方法，可以在整体意义上检测 结构的损伤，包括处于难以触及位置的损伤。另外，结构动态检测方法同传统的无损检 测技术相比，具有信号易于提取，操作起来简单、快捷、经济等优点。 6 长安人学硕上学位论文 目前国内外学者普遍认为今后无损检测最有发展前途的一种方法就是结合系统识 别、振动理论、振动测试技术、信号采集与分析等跨学科技术的试验模态分析法。对于 结构整体检测而言就是通过体系的频率、振型等参数的变化进行结构整体的评价这种基 于振动模态分析的技术，在许多局部范围内都取得了积极的效果。 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 伤情测2 4 1 。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 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 3 】。常用的动力参数主要有【2 5 】：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 l 舔s l l 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【2 6 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【2 丌。j o s h i 用模态振型 和人工神经网络相结合的方法来检测结构损伤【2 8 1 。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谢2 9 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f 3 0 】。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【3 1 】。 7 第一章绪论 有的学者是从结构的有限元模型出发，他们充分利用理论建模与实验建模的优点， 其基本思想是首先用分析的方法建立具有先验性的结构有限元模型，然后依据动力测试 资料，如模态参数、加速度时程数据、频率响应函数等，通过条件优化约束，不断地修 正模型中的刚度分布，使计算的结构响应尽可能地接近实验得到的结构动态响应。当两 者基本吻合时，即认为此组参数为结构当前参数，进而由测得的模型刚度的退化，对结 构损伤进行判别和定位。在结构工程领域，一般采用试验模态分析结果( 如频率、振型 等) ，修正有限元理论模型的质量、刚度等参数，使得修正后有限元模型的振动特性参 数趋于试验值。有限元模型修正过程不仅需要满足分析结果和试验结果的对应关系，而 且修正后的参数还要有实际的物理意义。确定目标函数，选取修正参数和应用有效的优 化算法是结构有限元模型修正中的三个关键步骤。 对土木工程结构进行有限元模型修正，必须考虑土木工程结构的特点。大型土木工 程结构的动力特性一般由现场的振动试验确定，对于桥梁一类的土木工程结构，在正常 工作条件( o p e r a t i o n a lc o n d i t i o n ) 下，风、车辆、行人等是一种自然的环境激励( a m b i e n t e x c i t a t i o n ) 方式。直接利用环境激励时桥梁的振动响应数据进行有限元模型修正，具有 明显的优点：不需额外的人工激励，不必中断交通，更符合结构实际的边界条件与工作 状态，可以实现实时的监测等。因此基于环境振动的土木工程结构有限元模型修正方法 更具有实际意义【3 甜。有限元模型修正方法在划分和处理子结构上具有很多优点，但是 在实际应用中，由于测试模态集不完备、测试自由度不足以及测量信噪比低等原因，很 少能够给出修正所需的足够信息，易产生病态方程，常导致解的不唯一性。 ( 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。包括人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) 的识别方法( 主要包括神 经网络法、专家系统法和遗传算法等) 和各种现代信号处理方法等。无模型的损伤识别 技术直观、省时，因而在土木工程结构在线健康监测中是可行的。 1 基于信号处理的方法 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 8 1 ，从而在损伤诊断领域形成 长安大学硕士学位论文 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 3 1 。 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【3 4 1 。 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 5 1 。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 ，m 伍) 组，然后对每个i m f 进行h i l b e r t 变换( h i l b e r t t r a n s f o r 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固有的模 式，这些谱图能够准确地反映系统的局部特性。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 6 1 ； 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3 7 】；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 置【3 8 1 。 2 神经网络法 神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，a 卜n ) 法是一种重要的结构损伤识别智能方 法，是对人脑和自然神经系统若干基本特征的抽象与模拟，是结构损伤智能识别的重要 组成部分。近几年，用神经网络方法解决结构损伤识别诊断、参数识别和动力学反问题 己成为该领域新的研究热点。解决上述反问题从本质上可归为模式识别与模式匹配问 9 第一章绪论 题，而这正是神经网络方法所具有的强大功能之一。用神经网络方法解决上述反问题的 最大特点就是无需结构的分析模型，通过网络学习，直接建立系统的输入输出非线性映 射关系，具有实时解决反问题的能力【3 9 1 。 ( - - ) 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。 ( 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 3 神经网络和数据融合技术在结构健康监测中的研究现状 人工神经网络方法在土木工程中的应用可追溯到2 0 世纪8 0 年代，但是到了9 0 年 代就已经覆盖了土木工程的许多领域，这种方法对于解决复杂结构及非线性损伤模式有 很大优势f 3 9 1 ，主要有以下几个原因： l o 长安大学硕士学位论文 ( 1 ) 神经网络具有自学习、联想、记忆及模式匹配的能力。训练过的神经网络能 够存储有关过程的知识，能直接从定量的历史学习中学习，可以根据对象的正常历史数 据训练网络，然后将此信息与当前测量数据进行模式匹配和比较，从而确定损伤； ( 2 ) 神经网络具有滤除噪声及在有噪声情况下得出正确结论的能力。可以训练神 经网络来识别损伤信息，使其能在噪声环境中有效地工作，这种滤除噪声的能力使得神 经网络适合在线健康监测与诊断； ( 3 ) 神经网络具有系统识别和分类能力，在损伤识别中可作为分类器对损伤原因 和损伤类型进行识别。 神经网络用于损伤识别的基本方法是：根据结构在不同状态( 不同损伤位置和不同 损伤程度) 的反应，通过特征提取，选择对结构损伤较敏感的特征参数作为网络的输入 向量，以结构的损伤状态作为输出，建立损伤分类训练样本集。通过对己知损伤和正常 状态下征兆样本参数的学习，调整网络的权值；建立输入参数与损伤状态之间的非线性 映射关系，训练后的网络具有模式分类功能。待训练收敛稳定后，输入待诊断样本的征 兆参数，利用存储于各网络节点上的权值，计算网络的实际输出，并根据该输出值，确 定损伤发生、位置及程度。 s u 和y e 用l a m b 波提取信号的时频信息，构建损伤参数数据库( d p d ) ，再运用 b p 网络可以实现在线和离线结构损伤监测和识 j l j 4 0 ；m a r t i n 等人用人工神经元接收器 系统不仅减少了结构数据采集的通道，还提取了足够的结构响应信息，使得数据采集通 道的数目从原有的n 2 个减少到2 n 个，从前几微秒矩阵输出信号的行和列可以确定激励 的位型4 1 l ；y u a n 等用宽带l a m b 波提取新的损伤信号，结合k o h o n e n 神经网络方法，实 现结构在线损伤监测，并应用到薄层复杂结构中【4 2 】；l e e 等用模态特性提出了基于神经 元的损伤诊断方法，可以有效地减少基线有限元模型的模型误差【4 习；l e w 等把最优控制 器的设计应用到结构损伤诊断中，包括被动控制器和低阶、固定结构的控制器，如p i d 控制器，结构损伤诊断的性能基于神经网络技术的应用，用损伤系统和试验系统的固有 频率的改变作为特征参数 4 4 1 ；f a n g 等用频率响应函数作为b p 神经网络的输入特征参数 进行结构损伤诊断，比较了动量梯度下降算法、模糊梯度下降算法和可调梯度下降算法 三种不同的算法对诊断结果的影响1 4 5 】；z a n g 等人采用独立主分量分析和人工神经网络 相结合的方法，准确地检测桁架损伤【4 q ；x u 等提出了基于模态能量的损伤因子定位损 伤和人工神经网络技术确定损