（水工结构工程专业论文）结构健康监测的数据采集与损伤识别研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着人们对结构安全性重视程度的提高以及各种检测、监测相关技术的发展，结构 健康监测技术已经成为土木工程结构安全与防灾减灾研究的重要方向。而虚拟仪器测试 系统由于其界面友好、成本低廉、操作简单、维护方便、开发周期短等特点而成为近年 来结构健康监测中的研究热点。同时，鉴于目前结构损伤检测方法的不足和课题来源中 提高管线结构运行安全的重要性，需要研究更安全、高效和经济的结构损伤检测方法。 本文在虚拟仪器技术及计算机等设备基础上，进行了结构健康监测的数据采集与损 伤识别研究，并开发了一种基于虚拟仪器的通用数据采集系统，主要研究工作如下： 首先，介绍了结构健康监测的作用、意义和内容，分析了包括海底管线在内的重大 工程结构健康监测技术的发展现状，简要介绍了虚拟仪器的相关知识，并且提出了本文 的主要研究内容和目标。 其次，采用虚拟仪器技术，研究结构健康监测系统总体方案设计，并按照监测功能、 要求将其分为三个紧密联系又互相独立的部分：传感器系统、数据采集与预处理、结构 损伤识别与安全评价，共同完成数据采集、测量与损伤识别的任务。随后详细介绍系统 软硬件结构和功能实现，包括选择n i 的p x i 体系数据采集卡及其软件平台l a b v i e w 作 为结构健康监测数据采集系统的开发工具。同时，给出了系统的程序设计和用户界面实 现。 再次，发展了环境振动条件下基于小波包分解与信号平均功率的结构健康监测的损 伤识别算法，并详细给出该算法及其损伤敏感特征的原理和推导过程，同时研究验证该 方法的有效性。为实现数据采集系统的损伤识别功能提供了理论支持。 最后，将系统用于实验室超高层结构模型试验及安全评价的数据采集，基本实现结 构振动响应的自动化采集、处理和显示等功能，并能有效识别结构失效前的严重及轻微 局部损伤。结果表明，本文系统的功能和可靠性基本达到设计要求，满足实际应用需要。 关键词：结构健康监测；数据采集；虚拟仪器；损伤识另4 ；海底管线 结构健康监测的数据采集与损伤识别研究 s t u ( 1 yo nd a t aa c q u i s i t i o na n dd a m a g ei d e n t i f i c a t i o n f o rs t m c t u r eh e a l t hm o n i t o r i n g a b s t r a c t w 弛n l ed e v e l o p m e mo fi i l s p e c t i o n m o m t o 血gt e c l l i l o l o g ya n dm o r e 稚e n t i o np a i d0 n b i l i l d i l l g s ，s t r i l c t u r eh e 出mm o n i t o r i n gh a sb e c o m ea 1 1i 1 1 1 p o r t a n tp a r to fc i v i le n g 洫e e 血g s a f - e 够a n dh a 2 卸r dm i t i g a t i o n t h et e s t i n gs y s t e mb a s e do nv i r m 甜i i 】s t 叫n e n t ( v i ) w h i c hi su s e d i ns m l c t u r a lm o i l i t o r i i l gh a sb e e nm o r ea i l dm o r ep o p m a rf o ri t s 衔e n d l yi n t e r f 犯e ，l o wc o s t ， s 曲p l eo p e r a t i o na n dm a i l yo t h e ra d v 眦a g e s m ea 工l _ w h i l e ，b e c a u s eo fl 妇i t a t i o n so fe x i s t i n g i n s p e c t i o nm e 也o d s ，m o r es a f e ，e 伍c i e n ta 1 1 de c o n o 觚ca p p r o a c h e ss h o u l db ep r o p o s e dt 0 i m p r o v es e c 谢t ) ，o f s t l l j c t u r es u c ha ss u b m 撕n e p i p e l i n e 。t h ed a ：t aa c q u i s i t i o n ( d a q ) a n dd a m a g ei d e n t i f i c a t i o nf o rs 仃| c t i l r aim o l l i t o m l gb a s e do n v i 趾l dc o m p u t e r si ss t u d i e di nt l l ed i s s e r t a t i o n a na 1 1 p u r p o s es y s t e mo fd a t aa c q u i s i t i o ni s d e v e l o p e db yu s i n go fv i n l ec o n t e n t so ft h ed i s s e r t a t i o na r es 1 】m m a r i z e da sf o l l o w s ： f i r s t l yt h em l p o r t a n c e ，m e 越n ga n dc o m e n to fs 由m c t u r ei n s p e c t i o na r ee x p l a 逾e d ，a n d m em o l l i t o 疵培s t a t u so fg r e a tp r o j e c t s ，i 1 1 c l u d i n gs u b m a r i i l ep i p e l i n e ，i sa n 2 l l y z e d r e l e 懈】t i 玎【f o m a t i o no nv ih a sb e e ns n l d i e da l s o b e c a u s eo fi i i 】【p o r t a n c eo fp r o i e c t sa n ds h o r t c o m i n g s o fe x i s t i i l gm s p e c t i o nm e t h o d s ，as t n 咖h e a l mm o i l i t o r i i l ga p p r o a c hb a s e do nv ii s p r e s e n t e d f i l l a l l yt h et a r g e ta i l dj o b so fp a p e ra r eb r o u 曲tf o 棚，a r d s e c o i l d l y ，w i t ht 1 1 eh e l po fv it e c l m o l o g y ，o v e r a l ld e s i g no fs 勺m c t u r eh e a l 廿lm o i l i t o r i n g s y s t 锄i sp r o p o s e dw h i c hi sd i v i d e di 1 1 t ot h r e ep a r t sa c c o r d i i 培t 0 缸1 c t i o na i l dr e q u i r e m e n to f m o m t o r i n g t h em r e ep a r t sc o n t a i l ls e n s o rs u b s y s t e m ，d a qa 芏l dp r e p r o c e s s i n gs u b s y s t e m ， d a l a g ei d e m i f i c a t i o na j l ds a f e 够e v a l 删i o ns l l b s y s t e m ，w k 6 ht o g e t h e rr e a l i z e 也ed a q f h n c t i o n s ，s u c ha sd a ：t aa c q u i s i t i o n ，m e a s u 】r e m e ma n dd 锄a g ei d e m i f i c a t i o n t b e 玎s o r w a r e a 1 1 dh a r d w a r eo f 吐i es y s t e mi s 缸r o “c e db r i e n y ，i n c l u d i n gp d a qc a r da i l dl a b v i e w s o 小v a r ep l a t f o m lo fn i ，u s e da sad e v e l o p m e n tt 0 0 lo fd a qs y s t e m p r o 擎黝血n go fs y s t e m 缸l dr e a l i z a t i o no fu s e ri n t e r f a c ei sa l s op r e s e n t e d t m r d l y ，a i l2 l l g o 订衄o fs 仃咖a l a g ei d e n t i f i c a t i o nb a s e do nw a v e l e tp a c k e t d e c o m p o s i t i o na i l ds i 印a la v e r a g ep o w e r ，w m c hi ss u i t e dt o 廿1 ec a s e so f 也e 锄b i e mv i b r a t i o n r e s p o n s e s ，i sp r o p o s e di i l 也ec k i p t e r4 t h e 也e o r e t i c a lf o r n l u l a t i o ni sd e r i v e d 矗i o mt h e s t o c h a s t i cv i b r a t i o n ，a i l d 也ed a m a g ef e a t u r e sa r ee x 仃a c t e d 、) l ，i t ht 1 1 ef o 珊w o r ko ft l l es t a t i s t i c a l p a t t e rr e c 0 9 1 l i t i o n t h ec o n e c t i l e s s 锄dm ee f f e c t i v e n e s so ft ：h ep r o p o s e da l g o r i t l l l na r es t u d i e d b yu s 证go ft h e 妣ag e n e r a t e d 靠o mb e n c h m a r km o d e l 一i i 大连理工大学硕士学位论文 f i n a l l y ，m es y s t e mi s 印p l i e do nm ed a q o ft h em o d e lt e s to fs u p e r - m 曲s 仃u 咖r e 锄d i t ss a f e t ) re v a l 似i o n a u t o m a t i cd a 协a c q u i s i t i o n ，p r o c e s sa n dd i s p l a yo f 蛐m c t u r mv i b r a t i o n r e s p o n s ea r eb a s i c a l l yr e a l i z e d ，a i l dl ( i n d so fd 锄a g eb e f o r es 仃u c t u r ef 酗l u r ec o u l db e e 伍c i e n t l yi d e n t i f i e di nt m ss y s t e m a l lr e s u h ss h o wm a tt h e 劬c t i o na n dr e l i a b i l 时o f 吐l e s y s t e mp r e s e n t e di n l ! i sp 印e rl l a v em e tt l l ed e s i g nr e q u i r e m e n t 龇1 dl l a v es a t i s f i e de n g m e 嘶n g p r a c t i c e k e yw o r d s ： s t n l 孤l r eh e a n hm o 疵o r i n g ；d a t aa c q u i s i t i o n ；v i r t i l a li i l s 仃l l i i l e n t ；d a m a g e i d e n t i f i c a t i o n ；s u b m a r i n ep i p e l i n e i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：袁立= 拯 ：日期：趟：亟望 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定 ，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：茑盘渔 导师签名： ! 訇墨 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1课题研究背景及意义 本课题是结合国家自然科学基金重点项目“海底管线的损伤机理和健康诊断研究” 的子课题一“海底管线在线监测的理论和技术 部分内容展开研究的。 1 1 1国内外工程结构失效事故统计 随着社会发展，大型设施建设投入越来越高，在社会经济中发挥重要作用。这些重 大工程设施，如超大跨桥梁、大跨空间结构、超高层建筑、大型海洋平台及其管网系统， 体积大、分布面积广、使用期限长，服役中由于环境侵蚀、材料老化和荷载的长期效应、 疲劳效应与突变效应等灾变因素的耦合作用影响，结构不可避免地会产生损伤积累、抗 力衰减，从而造成抵抗自然灾变能力的下降，甚至引发突发事故。如1 9 9 4 年韩国圣水 大桥断塌，造成3 2 人死亡，1 7 人重伤；1 9 9 6 年广东韶关公路大桥坍塌，造成3 2 人死 亡，5 9 人受伤；1 9 9 9 年重庆彩虹大桥因拱架钢管焊接缺陷而坍塌，造成4 0 人死亡，l o 多人受伤；2 0 0 0 年我国台湾高屏大桥事故；2 0 0 1 年叙利亚一栋新建高层建筑突然倒塌， 造成2 1 人死亡，3 7 人受伤；1 9 9 4 年美国的n o m l r i d g e 地震和1 9 9 5 年日本的k 曲e 地震， 以及1 9 9 9 年台湾台中大地震，一些建筑物在遭受主震后并未立即倒塌，但结构已经存 在严重损伤却未能及时发现，在后来的余震中倒塌了l m 】。此外在海洋设施方面：1 9 6 5 年英国北海的“海上钻石”号钻井平台支柱上的拉杆发生脆性断裂，导致平台沉没；1 9 8 6 年渤海石油钻井2 号平台冬天被海冰推到；1 9 9 7 年墨西哥湾e u g e n e 岛附近的海底管道 因腐蚀发生穿孔破坏，泄漏的原油引发火灾，造成严重的经济损失和生态污染：2 0 0 0 年1 0 月、1 1 月我国东海平湖油气田海管岱山段先后两次发生疲劳断裂，造成上海市部 分居民天然气供应几乎中断，油气田中断营业1 7 8 天，仅营业利润损失约5 8 0 0 多万元， 而管道修复费用花费高达2 0 0 0 多万元【4 巧】。2 0 0 5 年，墨西哥湾的英国石油公司半潜式石 油平台发生倾斜现象。 据美国有关部门统计，墨西哥湾1 9 6 7 1 9 8 7 年间共发生海底管线事故6 9 0 例，平均 每年发生海底管线事故多达3 5 例1 6 】。国内外共计已发生数百起海底管线事故：管道一旦 失效，不但造成油气泄漏和油气田停产，而且严重污染环境，其直接、间接经济损失都 非常大1 7 】。表1 1 给出了国内外部分重大海底管线事故统计【4 8 】。 这些突发事故不仅引起重大的人员伤亡和财产损失，更造成极坏的社会影响，己引 起各国政府及科研机构的高度重视。其中，作为新型经济支柱的管道业，更是人们关注 的焦点。当代人类对能源的需求与日俱增，油气作为最主要的能源，其陆地可供开采量 结构健康监测的数据采集与损伤识别研究 日渐减少，因此蕴含丰富的海洋油气的开发正日益受到重视。而作为海上油气集输主要 形式的海底管线，联结着海洋油气开发的上、下游，是整个海洋油气田的生命线工程。 管线系统的完善，对海洋资源的充分利用、世界经济可持续性发展有着重大战略意义。 表1 1国内外部分海底管线事故及损失统计( 1 9 7 7 2 0 0 2 ) t a b 1 1a c c i d e n ta 1 1 dl o s ss t a t i s t i c so fs u b m a r i n ep i p e l i n e si nt h ew o r l d 疔o ml9 7 7t o2 0 0 2 在上述工程结构事故中，除了一部分受不可抗拒的天气等因素影响外，其余事故在 发生前夕，结构都出现了如开裂、杆件疲劳等现象，如采取适当的检测和监测措施，很 可能避免事故发生或者将事故的破坏程度降低到最小程度。 由研究可知【3 j ，结构失效原因极其复杂，且与其服役环境密切相关，主要可概括为 结构部件腐蚀、外力作用及自然灾害( 如台风、地震和雪灾等) 三大类。例如，在我国 海上油气4 0 多年的发展过程中，海底管线有可能因上述因素而损坏，但由于现有检测 技术不够完善，没有及早发现问题，导致管线失效，这说明我们对提高包括海底管线在 内的重大工程结构安全性措施的研究势在必行。 对在建和已建重大工程结构进行健康监测与评估，既可保证其建造和使用质量，又 可确定合理的经济维修期，保障人民生命财产安全。因此，研究适合我国国情的结构安 全检测与监测技术、以较小代价保证结构安全运行和正常生产，已成为当前土木工程界 的首要任务，也是本课题未来要深入研究的方向。此外，针对课题背景，利用结构健康 监测手段对海底管线进行检测和实时监测，也是十分重要与紧迫的科研任务。 大连理工大学硕士学位论文 1 1 2 结构健康检测与监测的作用 针对工程结构的破坏事故，以往人们大多采用声发射法、射线法、以及磁粒子法等 手段对结构的主要部位进行周期性检测来了解建筑物的性态【2 】，如图1 1 所示。这些技 术虽然先进，但其缺陷也是显而易见的。如整体性差，一般只能用于局部表面检测；实 时性差，不能应对突发事件后迅速查明结构状态的要求；安全性差，在对人和设备有伤 害的地方难以检测；以及经济性差等。所以，尽管一些事故在发生前出现了结构开裂、 变形以及漏洞等征兆，但是由于缺乏有效的结构安全检测手段和必要的灾害预警体系， 所以无法避免事故的发生。鉴于此种情况，已建成使用的许多结构和设施急需采用有效 的手段来监测和评估其安全、修复和控制损伤，此外，新建的结构和设施也应该开始增 设长期的“健康监测 系统，来确保结构和设施的使用安全。 结 h 谋”臣 声发散 构 冲击回声 安 。i 结构局部 。i 光探测b红外线榆测 全 7 i 损伤检测7 i 技术卜 光纤传感器 检 探地雷扶 测 结构h 模i型修正法 叫蠹鬟粟巨 涡流检测 方 整体h 动力指纹法 自然电位法 法 检测h 系统模态参数法 图l 。l土木工程结构安全检测方法 f i g 1 1s e c u r i t ) ，i n s p e c t 她m e t h o d so fc i v i 王e n g i n e e r i n gs t m c | t l l r e s 如何获得结构整个生命周期的健康状况，评价其是否安全可靠，以便为结构的施工、 维护及改建做出正确决策和避免事故，是当今土木工程研究中的一个重要课题。解决这 一课题的前提就是对结构的实际性态做出正确判断，而仅依靠本领域的知识和技术已显 得不足。针对这种状况，专家学者们开始把信息学的概念引入到土木工程学科中来，并 形成了检测和监测方法，为环境荷载作用以及结构实际性态两方面信息的提取提供了强 有力的支持，有望成为解决上述问题新的途径。目前，服役的许多结构都采取了一定的 监测手段，对各种参量进行测试、处理以及评定，并针对结构性态采取相应的措施，确 保结构使用的安全性、耐久性及可靠性，对结构的这种监测过程和手段就是结构健康监 测( s 妞l 曲瑚】h e a l 也m o n i t o r i n g ，简称s 硼) 。 s 删主要用于一些造价昂贵、对可靠性要求很高的结构，如核电站、大坝、海洋 平台等，在提高可靠性、降低维护费用、灾害预报等方面有着重要意义。现代海洋油气 业不断发展，作为其生命线工程的海底管线在世界经济发展中发挥着越来越重要的作 用。随着管线数量、铺设距离及服役期的增长，以及不可避免的自然或人为损坏等原因， 结构健康监测的数据采集与损伤识别研究 管线失效频繁发生。作为一种高技术、高投入和高风险的海上油气田生产设施，保障海 底管线的正常运行，提高海洋油气开发安全，是十分必要的。 目前用于海底管线检测的方法很多，主要是由人工或利用各种检测器对管内外腐 蚀、变形及开裂等损伤情况进行检查诊断，一定程度上提高了管线的安全性，但检测效 率低、受工程环境条件影响较大。而且检测都只能定期进行，不能反映结构实际运行状 态，难以保证其安全。此外，我国海洋油气开发及其管线的建设都正处于发展高峰期， 为保证油气输送安全，需要研究更安全、高效和经济的海底管线损伤检测方法。若能对 管线进行实时监测，必将大大减少各种失效事故的发生。而结构健康监测手段的应用， 可以从另一个角度提高海底管线的运行安全【9 j ，即与检测完全不同的高效率、低成本的 在线监测方法。将s h m 系统引入到服役管线的检查和维修中，可掌握管线的实际工作 状况，对己发生的管线损伤发出警告，以便技术人员及时采取有效处理措施，将事故遏 制在初期，是一种经济可行的方法。 将现代传感技术、信号分析与处理技术、人工智能及结构分析理论等专门学科融为 一体的结构健康监测，能实现结构的监测与评估，预防不可见的事故。同时，它还可以 提供结构实际运行参数，为结构的设计、建造、管理以及相应的规范标准提供科学依据。 因而，结构健康监测是在设计之外，保证结构安全运行的重要、新型和经济手段 1 2 结构健康监测的研究概况 1 2 1结构健康监测的基本概念和发展 结构健康监测【9 j ，是利用现场的无损传感技术，通过包括结构响应在内的结构系统 特性分析，达到探测结构损伤与性能变化过程的目的。s h m 的过程是利用各类传感器 对结构特征信息进行采集，然后通过软件程序对采样的处理，来预测结构的各种响应以 及限定一些不利于结构安全运行的响应，从而形成一种适合结构安全评定的监测系统， 即s 删系统。因此，要实现结构健康监测，则必须要利用传感器和计算机等组成监测 系统对结构进行长期在线监测，利用有效监测信息识别结构状态及损伤。 鉴于工程事故的各种灾难性后果，结构健康监测已经成为研究的热点，很多国家都 开始在一些结构上布设基于不同传感元件的结构健康监测系统。如美国在m i c m g a i l 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，用来监测该桥达到设计寿命时 的桥梁裂缝扩展情况等参数。早期的s 肼系统是建立在各种规模的桥梁结构中，用以 监测环境荷载和局部应力状况，随后也渐渐应用于其它土木工程结构。美国的f u h r 等 人在w i i l o o s k j 水电站布设光纤振动、压力、温度等传感器，组成健康监测系统，并在 1 9 9 3 年成功监测到2 撑发电机组的异常振动信号，及时排除了险情，避免了一场重大事 大连理工大学硕士学位论文 故的发生1 1 0 j 。我国土木工程界专家也充分认识到了s h m 的必要性，开始尝试在重要土 木工程结构上安装监测系统。如早期在香港青马大桥上安装了一套g p s 系统及5 0 0 个 加速度传感器，粘贴了大量应变片，用以长期监测桥梁的使用情况，并从结构动态特性 出发，获得了系列研究成果【i 卜1 2 】。随后，内地的大型桥梁，如虎门大桥、钱塘江四桥、 芜湖长江大桥及润扬长江大桥等也相继安装了s h m 系统，监测桥梁的健康状态【1 3 - 1 6 】。 此外，深圳市民中心屋顶网架结构健康智能监测系统【l 。7 | ，能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，系统还具有可视化界面及可进行数据远程 传输，是功能比较完善的智能监测系统。 再比如，海底管线的健康监测，就是利用先进的传感元件和数据采集设备，全天候 不间断地监测管线工作性态【l 剐，通过对采集数据的分析和处理，评估管线结构的整体和 局部安全状态，并自动存储监测结果作为管线运行的历史档案。 虽然s h m 在许多方面作了尝试，并取得了一些成绩，但严格地说，结构健康监测 的研究仍处于起步阶段，现有的健康监测传感元件及组成系统的仪器设备的稳定性、耐 久性和分布范围不能满足实际工程的需要，而且系统的成本过高，不能普遍推广应用。 1 2 2 结构健康监测的系统组成 作为一门综合性技术，s h m 涉及到结构动力学、信息传感技术、优化设计等多个 学科。s h m 系统更是综合了现代传感技术、网络通信技术、信号分析与处理技术，数 据管理方法、知识挖掘、预测技术及结构分析理论等多个领域知识，在一定程度上提高 了结构监测评估的可靠性。理想的s h m 系统能早期对结构损伤进行识别和定位，同时 预测当前结构状况及实时报警，使整个结构的功效始终处于被监测状态。其关键所在是 先进传感器的开发及优化布设、信息的高效采集和处理，以及结构识别理论的发展【9 】。 可以说，s h m 系统将目前广泛采用的离线、静态、被动的损伤检测，转变为了在线、 动态、实时的监测，其工作流程如图1 2 所示。 ( 一) 传感系统。它由用于结构长期监测的各类传感器组成，主要完成各种监测信 号的拾取和转换。作为监测系统的基本组成部分，传感器在整个系统中起着举足轻重的 作用。土木工程结构与设施往往处于较恶劣的环境中，要求传感器必须满足耐久性、稳 定性以及结构相容性等，传统的传感器很难满足工程实际的需要。智能传感材料的出现、 微电子技术以及微机电加工技术的兴起，为结构健康监测打下了坚实的基础。 传感器种类繁多，按其是否产生信号可分为“主动 传感器( 压电智能传感器等) 和“被动”传感器( 如光纤、应变片、碳纤维和形状记忆合金等) 。在土木工程结构监 测中，应本着测点优化理论来确定传感器的最小数量和最优位置，并应保证一定冗余度。 结构健康监测的数据采集与损伤识别研究 环 结构ij 数据采集 弱一网 数据处理分析 i 损伤识别l i 安全评定i 决策方案 输出 图1 2 结构健康监测系统工作流程 f 追1 2 f l o w c l a i to fm 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 m ( 二) 数据采集及管理。数据采集系统的设计一般根据健康监测的具体要求，结合 传感器的性能指标、信号特征和结构响应特点来决定。系统的硬件设备包括安装在建筑 物上的各类放大调理器、传输光缆及计算机等，主要是对传感器信号进行采集、数据传 输和存储。系统软件则主要是完成数据的分析与处理。 数据采集中的一个重要问题是数据采样频率。采样频率过高，将对数据采集系统的 硬件性能的要求非常高，导致系统造价大幅度提高；若采样频率过低，将使采集的数据 不能真实反映结构的振动特性。因此，要根据结构动态响应的频响范围确定采样频率， 且所有传感器的信号应同步采集或间隔同步采集。此外，由于结构健康监测的数据量大， 需要考虑监测数据的存储策略。对原始数据及处理后的各种结果数据需建立专门的数据 存储管理系统，并实现结构相关信息的可视化、智能化以及结构状态的实时跟踪，对异 常情况具有实时报警功能，为决策管理提供数据支持，从而提高结构的管理水平。 同时，还要考虑数据的传输技术，主要分为现场传输和远程传输。现场传输是指从 传感器至数据采集计算机，远程传输是指从数据采集计算机至服务器接入m e t 网络， 实现网络存储和数据发布，使多用户能同时访问结构健康监测的数据。 ( 三) 数据处理与分析，包括如数字压缩与滤波、统计分析和参数识别等，主要由 应用软件程序来提取结构状态评估所必需的信息，在数据采集的同时同步完成。对于结 构的安全评定，其理论核心为基于振动的损伤识别技术。识别的基本思想是结构损伤时， 结构刚度、质量等的变化会引起结构动力特征响应的改变，通过从监测数据中提取结构 不同部位动力参数衍生信息，结合理论分析模型、结构本身特点及相关的规范文件，并 对比结构无损伤状态下的相应信息，来实现结构强度和可靠性的评价，并提出维护决策。 其中，损伤识别的软件开发语言要与s h m 系统集成技术所采用的软件平台相匹配。 作为目前先进仪器发展方向的虚拟仪器技术，以其强大的用户自定义功能及低成本 等优势迅速占据数据采集领域和市场。它可利用先进仪器设备和专用软件开发平台组成 测试系统，很好地满足结构健康监测的数据采集任务，是数据采集系统开发的首选工具。 1 2 3 结构健康监测的损伤识别算法现状及发展 目前国内外健康监测算法基本都建立在结构振动检测基础上，主要有以下几类【1 9 】： 大连理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 动力指纹识别法，也称模态识别法。其基本思想是寻找与结构动力特性相关 的动力指纹在结构损伤前后变化，来判断结构状态。根据结构模态参数，常用的动力指 纹法又可分为基于固有频率变化、振型变化、刚度或柔度变化以及能量变化的识别方法。 这些方法无需反演，简单易行，损伤诊断能力强，在一定程度上能识别损伤，反应结构 局部特征，但定位能力、以及对多处损伤同时识别的能力差，不具备可靠性。 ( 2 ) 神经网络识别法。神经网络是一种模拟人体神经机理来研究客观事物的新方 法，由于其具有高效准确的信息处理方式、实时计算能力和良好的鲁棒性及不受噪声影 响等，特别适合非线性模式识别和分类，故广泛应用于结构损伤诊断领域。n i yq 等【2 0 】 用统计神经网络对香港青马大桥损伤进行识别，讨论神经网络输入向量对识别的影响， 并对损伤钢框架进行了试验研究，证明该方法具有良好的适用性和较高的精度。 ( 3 ) 时间序列方法。该方法主要是采用参数模型对数据进行分析和处理。由于动 态数据的时序性和随机性，它在不同时间的状态相互关联，但又不可预见其未来状态。 因此，采用时间序列方法对监测信号进行新奇检测是日渐兴起的方法，s o l l l l 和f a r r a r 等【2 1 2 2 j 采用a r 模型作为新奇检测手段对8 自由度的质量弹簧模型进行了故障检测，试 验结果证明该方法有较好的效果，具有良好的发展前景。 ( 4 ) 遗传算法。f r i s w e u 等【2 3 j 采用遗传算法确定结构中的一处或者多处损伤，根据 其对悬臂梁模拟试验结果表明遗传算法可以正确的识别损伤位置。m a r e s 等【2 4 】在检测领 域应用了遗传算法，但是发现遗传算法本身的鲁棒性使系统在存在相近模态时识别“虚 假 损伤。总之，作为一个优秀的优化算法，遗传算法可以替代以往传统的优化算法提 高算法效率，但其鲁棒性使得识别过程在遭遇相近模态损伤时给出错误信息。 ( 5 ) 小波分析方法。结构损伤是一种典型的局部现象，小波变换对信号放大和聚 焦的特性，非常适于分析和识别结构响应中其它方法难以发现的局部损伤信息，结构的 损伤可以从对采样数据小波分解的细节信号的突变上检验出来，并且此突变的位置可以 精确地指出损伤发生的时刻。李洪泉【2 5 】采用小波尺度系数提取了混凝土构件开裂的特 性，徐洪钟f 2 6 j 等利用小波多层分解的方法，对大坝观测数据的异常值进行检测，并通过 工程实例验证了该方法的有效性。此外，李宏男等【2 7 】采用小波包变换和神经元网络相结 合的方法形成小波神经网络，在不同的结构损伤检测中取得了较好的效果。s u l l 和 c h a n g 【2 8 例则利用小波包变换发展了基于小波包分量能量的结构损伤识别方法。总之， 基于小波变换的损伤识别是近年来结构健康监测中的发展新方向。 ( 6 ) 统计分析识别方法。研究表明基于振动的损伤诊断本质上是一个统计模式的 识别问题。统计分析法是从统计的角度，考虑特征参数的不确定性及其统计分布特征， 结构健康监测的数据采集与损伤识别研究 利用相关的随机有限元模型分析研究特征值问题来评估损伤，或者利用谱密度估计的统 一特性来获得模态参数修正概率密度函数表达式，进而分析结构损伤。 结构健康监测的实质是一个不断实施损伤识别的过程。损伤识别的目标是揭示结构 是否或何时以及如何偏离正常的结构状态，因此结构损伤识别或健康监测的核心问题就 是不同结构状态的模式分类。近年来，结构健康监测的统计模式识别研究逐渐受到重视。 h o u s n e r 等【9 j 曾经指出，基于统计推断原理的结构健康监测，有望成为解决土木工程结 构健康监测问题的统一方法。w o r d e n 及其合作者【3 1 】对结构健康监测的新颖探测理论 进行了系统研究，发展了新颖探测的离群值分析、自组织神经网络和核密度估计方法， 并且研究了新颖探测的环境效应消除问题。 对于海底管线的全管段健康监测，特别是基于光纤应变传感器的健康监测，目前尚 无报道，因此，可将上述应用于土木工程等结构健康监测的算法根据海底管线特有的力 学性能进行分析改进。 1 3 虚拟仪器技术及其在结构健康监测中的应用 1 3 1 虚拟仪器技术概念和构成特点 所谓虚拟仪器( v i r t 嘣i i l ! 船u m e i l t s ，简称v i ) ，就是利用现有的个人计算机( p e r s o n a l c o m p u t e r ，简称p c ) ，加上特殊设计的仪器硬件和专用软件，形成既有普通仪器的基 本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能、低价高档的新型仪器【3 2 1 。用户操作这台计算 机如同操作一台由自己定义和设计的传统仪器一样，并能替代传统仪器实现对测量信号 的自动采集、分析和存储等功能。 虚拟仪器概念最先由美国国家仪器公司( n a t i o m l1 1 1 s t n 吼e n t ，简称m ) 提出，它 的出现打破了传统仪器由厂家定义、用户无法改变的工作模式。用户可以根据需求设计 自己的仪器系统，在仪器和测试系统设计中尽可能的用软件代替硬件，充分利用p c 技 术来实现和扩展传统仪器的功能。这体现了中软件是关键的实质，因此，“软件就 是仪器”这一口号是对v i 最形象和最本质的描述。 与所有测试仪器一样，虚拟仪器也具备传统电子仪器的数据采集、数据分析处理、 结果表达与输出三大功能模块。虚拟仪器系统由通用仪器硬件平台和应用软件两大部分 构成，它是基于p c 的测量设备，其硬件平台包括计算机和i o 接口设备。p c 提供接口， 并具有强大的运算能力和图形显示能力；i o 接口设备主要完成输入信号的采集、放大、 模数转换( a n a l o g d i g i t a lc h a n g e ，简称d c ) 及数模转换( d a c ) 和信号输出控制， 它包括各种传感器、信号调理器、转换器、数据采集( da = t aa c q u i s i t i o n ，简称d a q ) 卡 和总线等。不同总线对应不同接口设备，按i o 接口设备类型分，虚拟仪器系统可分为 大连理工大学硕士学位论文 p 、v 魁、s 砸a l 、g p i b 和p c d a q 五种系统，基本构成见图1 3 。无论哪种虚拟仪器 系统，都是将仪器硬件搭载到计算机平台上，再加上应用软件构成，实现基于p c 的全 数字测试。如典型的p c d a q 系统，它使用p c 本身的总线，将d a q 卡插入计算机的 可用插槽中，再加上组成信号调理器的插卡式虚拟仪器系统【3 3 1 。 传感器主要实现各种物理信号到电信号的转换；信号调理器对来自传感器的电信号 进行增益控制和抗混叠滤波等预处理，使信号满足模数转换的输入参数要求；a ，d c 是 仪器硬件的关键部分，它将输入的模拟信号转换为数字信号以便计算机识别和处理，其 性能直接影响虚拟仪器的测量参数；d a c 实现信号发生器的功能，根据计算机指令和 数据产生不同的模拟信号，如正弦波、三角波等，甚至是p c 产生的任意波形；总线接 口主要完成与主控计算机的数据和命令的有效传输。 激 振 系 统 信 号 传 感 器 霎嚏 c p l d 控制器 图1 3 虚拟仪器系统构成方式 f i g 1 3p 血c i p i 眦o fv i r t 砌h l s 咖m e n ts y s t 锄 应用软件开发环境 = = 二 二二j 叫仪器驱动接口 仪器驱动程序l 1 4 虚拟仪器系统的软件框架 f i g 1 4 s o 觚a r e 危衄e w o r ko f v is y s 钯】= i l 软件部分主要指仪器、通信、驱动等接口软件和应用软件开发环境，实现物理信号 的采集、分析及控制等功能，并将其集成为仪器操作与运行的命令环境【3 3 。3 4 1 ，软件框架 见图1 4 。其中仪器接口为仪器与p c 之间的通信协议和方法；通信接口按标准方式连接 仪器，完成仪器与相应驱动程序之间的通信，实际上是系统i o 接口软件；仪器驱动接 口将通信接口与开发环境连接起来。仪器驱动器是完成对某一特定仪器控制与通信的程 序，并作为用户应用程序的一部分运行。软件开发环境将p c 的数据分析显示能力与仪 器驱动器融于一体，为用户开发v i 提供了必要的软件工具和环境。总之，v i 是以透明 方式，通过软件图形化用户接口，将计算机资源和仪器硬件的测控能力相结合，实现真 实仪器的测控功能。其中，应用程序将d a q 硬件和可重复使用源码库函数等软件结合， 实现模块间的触发与通信，源码库函数则为用户构造自己的提供基本软件模块。 近年来，国外虚拟仪器公司开发了很多虚拟仪器软件平台，以便用户在此平台上编 制测试软件、组建自己的虚拟仪器或测试系统，这些平台归结起来有两种：传统高级编 程语言和图形化编程语言。前者如v + + 、l a bw i n d o w s c 等，它们较适合熟悉c 语言 的开发人员，图形化语言的典型代表有母v e e 、l a b v 正w 。此外，美国t e k t r o n i x 公司 燮鬻 结构健康监测的数据采集与损伤识别研究 的t e k t n s 软件等，也是国际公认的优秀平台。其中最早和最具影响力的则是n i 的l a b v i e w 平台，其图形化语言、模块化设计思想及丰富的功能模块使编程相对简捷， 非常适合于非编程专业的科学家及技术人员。综上所述，虚拟仪器具有以下特点【3 5 啪j ： 1 ) 它是一种功能意义上而非物理意义上的仪器。v i 通过硬件接口和仪器驱动实 现了与测试设备的硬件通信，将信号采集和分析等功能结合成一体，充分体现了“软件 就是仪器的现代化仪表发展理念。 2 ) 具有图形化用户界面，体现“所见即所得”的思想。传统仪器的控制面板在各 种虚拟仪器中都有可被相应设置选项和结果输出控制的软面板所取代。 3 ) v i 系统采用模块化结构，具有良好的开放性和可扩展性。其软件开发基于模 块化设计思想，大量运用动态链接库和函数库，代码具有良好的可重复性。一个v i 既 可由多个v i 组成，作为系统的主控模块，又可以被其它v i 所调用，成为s u b v i 。 4 ) 更新速度快，可维护性好，用户可定制其结构和功能，并能对现有v i 程序作 二次开发或修改，增加原有仪器的功能。与开发电子仪器相比，可大大缩短开发周期。 1 3 2 虚拟仪器技术的发展及应用 电子测量仪器在经历了模拟仪器、电子仪器、数字仪器等阶段后，发展到现在的可 编程虚拟仪器，其中每一次飞跃无不以高新计算机技术的发展为动力。虚拟技术、计算 机通讯技术与网络技术是信息技术最重要的组成部分，它们被并称为2 1 世纪科学技术 中的三大核心技术。而虚拟仪器技术就是随着上述三大技术和现代测量技术发展起来的 新型高科技，代表着当今仪器技术发展的最新方向。 v i 诞生于上世纪9 0 年代初的美国，此后它就以其强大的用户自定义功能、开发周 期短、成本低以及使用维护方便等众多优点被迅速推广应用到科教、航空和能源等多个 领域，成为发达国家研究开发的热点技术之一。v i 的发展主要取决于三个重要因素： 计算机是动力，软件是主宰，高质量的d a q 设备是关键。近年来，经济的飞速发展加 快企业的技术改革，使其对先进设备的需求更加强劲。尤其是v i 赖以生存的p c 的性能 呈指数速度提高，具备了新型仪器所需要的最先进、性价比最好的数据存储与处理能力， 且随着p c 价格不断下降，各种应用软件层出不穷，这些都为v i 的发展奠定了基础。 目前，虚拟仪器技术在国外发展很快，以m 为代表的一批厂商已经在市场上推出 了基于虚拟仪器技术设计的商品化仪器产品。在美国，v i 系统及其图形化编程语言已 作为各高校理工科学生的必修课程。据报导，本世纪初v i 的生产厂家将超过千家、品 种达数千种，将占电测仪器的一半。迄今国际上大约有6 0 的仪器生产厂家，如美国 h p 公司等都已采用虚拟仪器技术作为产品开发的重要手段【3 。7 。3 9 j 大连理工大学硕士学位