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摘要 复杂土木结构健康监测系统传感器优化布置研究 硕士研究生：毕丹 摘 导师：李兆霞教授 要 复杂土木工程结构如高层建筑、海洋平台、大跨桥梁，在长期作用的环境和服役载荷作 用下将产生不同程度的损伤，结构损伤在经过长期累积之后，必然导致结构发生破坏或使用 性能降低。为了避免复杂结构破坏带来生命和财产的巨大损失，迫切需要进行结构的损伤监 测和识别，而结构损伤监测和识别的一个重要的问题就是如何确定各种传感器的数量和布设 位置。当前复杂土木工程结构健康监测系统布置的传感器中，加速度传感器和应变传感器的 使用数量最大，所采集的振动信息与应变信息也最为关键。本文从结构参数识别和经济性等 方面探讨了面向健康监铡的复杂土木结构加速度传感器和应变传感器的优化布置原则、研究 方法和实现步骤- 并针对具有代表性的复杂土木工程结构掴扬大桥北汉斜拉桥深入分析了 以上需要重点关注的问题。本文的主要研究内容及其相关成果主要有： 首先，对复杂土木工程结构加速度传感器优化布置的方法进行了探讨。针对复杂土木工 程结构的特点提出了满足加速度传感器优化布置原则的方法，在此基础上研究了基于遗传算 法的传感器优化布置原理和实现方法，发现遗传算法在处理复杂土木工程结构传感器优化布 置问题上具有较好的通用性和优越性；利用整数编码操作可以将复杂土木结构的传感器优化 布置问题转化成遗传算法的优化问题，并采用强制变异方法处理了优化过程中的约束条件， 避免了使用罚函数法，从而有利于解决将遗传算法运用到复杂土木工程结构传感器优化布置 的若干关键问题。 其次，以润扬大桥斜拉桥为研究对象，详细分析了基于遗传算法的加速度传感器优化布 置的实施过程，研究解决其中的若干关键问题主要从加速度传感器布设原则和现场测试条 件的角度考虑，详细探讨了遗传算法目标函数类型，需要监控的振型数量等因素对优化布置 方案的影响，提出了几种可行的优化布置方案评价指标，探讨了多目标函数优化布置方法的 优越性和可行性。研究结果表明，c - r a m i a n 矩阵行列式是较优越的目标函数，并建议采用 g r a m i a n 矩阵行列式值、m a c 矩阵非对角元均方根和m a c 矩阵非对角元最大值作为布点方 案的评价指标。利用基于环境激励的斜拉桥现场测试数据对以上计算得到的优化布置方案和 结论进行了验证。这些的研究成果对于大跨斜拉桥等复杂土木工程结构的加速度传感器优化 布置具有一定的指导意义和参考价值。 最后从数据采集技术、应变传感器构造特点和经济的角度。较详细地探讨了应变传感 器的优化布置原则、分析方法及其实现策略。研究结果表明：必须建立兼顾计算效率同时能 准确反映多层次分析目标中的结构应力响应的有限元模型，在此基础上进行应变传感器优化 布置，以满足应变传感器布置的三个原则：( 1 ) 尽可能将应变传感器布置在危险区域和关键 i 摘要 区域。获取全面精确的数据；( 2 ) 在测试位置尽可能减少应变计的采集方向以减少数据采集 系统和处理设备的代价；( 3 ) 测试得到的结构参数信息与有限元模型分析的结果必须建立对 应关系。然后以润扬大桥斜拉桥为研究对象根据其构造特点和不同层次应力分析的目标， 从低层结构层次到高层构件细节层次分别建立整体结构尺度模型和局部构件尺度模型并采用 子模型法进行跨尺度信息传递和衔接，通过对有限元模型进行试验验证使其能够全面、正确 地反映桥粱结构性态，在结构应力分析的基础上考察结构的关键截面和危险部位，分别得到 了润扬大桥斜拉桥塔粱结合段和跨中粱段的应变传感器优化布置方案。这些研究成果对于研 究确定同时具有多种不同的结构体系和材料特性并且规模巨大的复杂土木结构的应变传感器 优化布置方案具有一定的指导意义 关键词：遗传算法：加速度传感器；应变传感器；有限元模型；优化布置 r e s e a r c ho ns e n s o ro p t i m a lp l a c e m e n ti nc o m p l e x c i v i ls t r u c t u r e sf o rh e a l t hm o n i t o r i n g g r a d u a t es t u d e n t ：b id a ns u p e r v i s o r ：l iz h a o x i a a b s t r a c t c o m p l e xc i v i le n g i n e e r i n gs i n k = n i r e ss u c h t a l lb u i l d i n g s o f f s h o r ep l a t f o r m sa n dl o n g p a n b r i d g e s 瓒p r o n et ob ed a m a g e dd u r i n gt h e i rs e t 城c el i v e s t h e r e f o r e ，s t r u c t u r a l 出瞄a g cd e t e c t i o n i ss i g n i f i c a n ta n de s s e n t i a l f o r t h e s es t r u c t u r e s o n e o f t h e k e y i s s u e s o f s t r u c t u r a ld a n a g e d e t e c t i o n o nt h eb a s i so 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 gs y s t e mi st od e s i g na l lo p t i r e a ls c h e m e t h e i o c m i o na n dq u a n t i t i e so fd i f f e r e n tt y p es e n s o r s ，w h i c hi su s u a l l yc a l l e da s t h es e n s o ro p t i m a l p l a c e m e n t a c c e l e r o m e t e r sa n ds t r a i ng a u g e sa r et w ot y p e so fs e u s o r sm o s t l ya v a i l a b l e i n 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 ) s y s t e m s ，f r o mw h i c ht h ec o l l e c t e dd a t ao ns t r u c t u r a lr e s p o n s e p r o v i d em o s ti m p o r t a n ti n f o r m a t i o nf o rt h es t r u c t u r a lc o n d i t i o na s s r o e n li nt h i st h e s i s ，m e t h o d s o f s e n s o ro p t i m a lp l a c e m e n ti nc o m p l e xc i v i ls t r u c t u r e sf o rh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e mw e s t u d i e d , i nw h i c hr u l e sf o rt h eo p t i m a ld e s i g no f a c e e l e r o m e t e r sa n ds t r a i ng a u g e s ，s t r a t e g i e sa n dp r o c e d u r e s f o rt h ei m p l e m e n t a t i o nw e r ei n v e s f i g a l e di nd e t a i l s t h eo b t a i n e dr e s e a r c hr e s u l t sw l ：r ct h e na p p l i e d t ot h es e l l s o ro p t i m a lp l a e e m e mi nr u n y a n gc a b l e - s t a y e db r i d g e ( r y c b ) f o ri t ss u u c t o r a lh e a l t h m o n i t o r i n gs y s t e m 1 1 ”d e t a i l e dr e s e a r c ha c t i f i f i e sa n dt h em a i nf i n d i n g so b t a i n e dd u r i n gt h i sw o r k 蛳鹊f o l l o w s f i r s t l y , t h em e t h o d so f s e n s o ro p t i m a lp l a c e m e n ti nc o m p l e x c i v i le n g i n e e r i n gs t r u c t u r e sw e r e p r o p o s e df o rt h ep u r p o s eo f s t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n g c o n s i d e r i n gt h ef e a t u r e si nc o n f i g u r a t i o n o fc o m p l e xc i v i le n g i n e e r i n gs f f u c t u r e $ ，t h ee s s e n t i a lr u l e so fs e n s o ro p t i m a lp l a c e m e n tw e r e d i s c u s s e d , a n db a s e do nw h i c ht h eo p t i m i z e da l g o r i t h mf o rs e l k q o rp l a c e m e n tc o u l db ei m p l e m e n t e d w i t hr e s p e c tt og e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) t h ea n a l y s i sr e s u l t ss h o w e dt h a tt h eo a - b a s e dm e t h o d m i g h tb cp e r f e c to rs u p e r i o r i t yi nv e r s a t i l i t i a st os o l v et h ei s s u e so fs e u s o ro p t i m a lp l a c e m e n tf o r c o m p l e xc i v i ls t r u c t u r e s s o m ek e yi s s u e ss u c ha si n t e g e rc o d i n go p e r a t i o na n dc o n s t r a i n t si no a o p t i r e a lp r o c e s sw e r es t o d i e df o rt h ee f f e c t i v ei m p l e m e n t a t i o no f g a b a s e dm e t h o d s e c o n d l y , o p t i m a lp l a c e m e n ts c h e m e so f a e c e l e r u m e t e r sb a s e do no aw e r ea p p l i e dt or y c b c o m i d e r i n gt h eo p t i m a lp l a c e m e n tm l e so fa c c e l e r o m e t e r sa n d 日n ef i e l dt e s t i n gc o n d i t i o no nt h e b d d g e , k e yi s s u e so nt h ef u n c t i o n sf o ro p t i m i z e do b j e c t i v e s ，v i b r a t i o nm o d a l st ob eo b t a i n e da n d f e a s i b l ee v a l u a t i o ni n d i c a t o r sa b o u to p t i m i z e dp a r a m e t e r sw e r es t u d i e dw i t hc a - b a s e dc a l c u l a t i o n s t h ea n a l y s i sr e s u l t ss h o w e dt h a tm u l t i - o b j e c t i v et a r g e tf u n c t i o n sf o ro p t i m i z a t i o na r ep r e f e r a b l e ， a n di ti ss u g g e s t e dt h a tt h ee v a l u a t i o ni n d i c a t o r ss u c ha st h eg r a m i e nm a i xd e t e r m i n a n t , m o f f - d i a g o n a le l e m e n t sm e a i ls q u a r er o o to fm a cm a t r i xa n dm a x i m u mo 疗q i a g o n a le l e m e n t so f m a c 洲xa r ea v a i l a b l ef o re v a l u a t et h ef e a s i b i l i t yo fo p t t m j z e dp a r a m e t e r s f i n a l l y , t h er e s u l t s o fa c c e l e r o m e t e r sp l a c e m e n to nr y c bo b t a i n e df r o mt h eg a - b a s e d9 e n s o rp l a c e m e n ts c h e m a s w e r ev a l i d a t e dt h r o u g ht h em e a s u r e dd a t ao f m o d a l sf r o mt h ef i e l dt e s to i lt h eb r i d g e f i n a l l y , t h em e t h o d sa n ds t r a t e g i e sf o rs t r a i ng a u g ec o n f i g u r a t i o nw e ms t u d i e df r o mt h e v i e w p o i n to f d a t ea c q u i s i t i o nt e c h n i q u e sa n de c o n o m i cf a c t e m t h er e s u l t ss h o wt h a ti ti so d 7 , e s s a f y t od e v e l o pf i l l be l e m e n tm o d e l sf o rt h ed i f f e r e n to b j e c t i v e so f a n a l y s i s 叫g l o b a lo rl o c a ls t r u c t u r a l r e s p o n s e , b yw h i c ha c c u r a t es i m u l a t i o no fs t r u c t u r a ls t r e s sd i s t r i b u t i o n sc a nb eo b t a i n e da sw e l la s c o m p u t a t i o n a le f f i c i e n c y t h u s 。t h em l ef o rs t r a i ng a u g eo p t i m a lp l a c e m e n tw a sp r o p o s e da s ，( i ) t h e s t r a i ng a u g e ss h o u l db el o c a t e d0 1 1t h ek e ya r e a si no r d e r 协g a i no v e r a l la n da c c u r a l ci n f o r m a t i o n o i ll o c a ls w a i nd i s t r i b u t i o n ；( i i ) t od e c r e a s et h eq u a n t i t yo fg a u g a sa f t e rt h ef i r s tr u l eh a sb e e n s a t i s f i e da n d a c c o r d i n g l y r e d u c et h ec o s to fd a t e a c q u i s i t i o ns y s t e m ；o i i ) c o r r e s p o n d i n g r e l a t i o n s h i p sb e t w e e ns t r u c t u r a lp a r a m e t e r sc a l c u l a t e db yf i n i t ee l e m e n tm o d e la n dt h o s ef r o m m e a s u r e m e n to i lt h e b r i d g e 1 1 碡f i i l l - s c a l es t r u c t u r a lf em o d e la n dm o d e l so fl o c a l - s c a l e c o m p o n e n t sw e r ec o n s t r u c t e dr e s p e c t i v e l yb a s e do nt h ed e s i g nd r a w i n go fr y c ba n ds u b - m o d e l m e t h o dw a se m p l o y e df o rc o n n e c t i n gg l o b a la n dl o c a ls c a l em o d e l s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e c a l c u l a t e dr e s u l t so fs t r u c t u r a lr e s p o n s eb yt h ec a l i b r a t e 畦f em o d e l 觚w e l lw i t ht h o s m e a s u r e d b yt h ef i e l dt e s t 伽t h eb r i d g e t h ec r i t i c a ll o c a t i o n sw i t hr e l a t i v e l yl a r g ev a l u eo fc a l c u l a t e d s t r e s s e sw e r ed e t c r m i n e db a s e do nt h ea m o u n tc a l c u l a t i o no nt h es f f e s sd i s t r i b u t i o ni ng l o b a la n d l o c a ls c a l eo f t h eb r i d g ed e c k s ，f r o mw h i c ho p t i m a lp l a c e m e n ts c h e m e so f s t r a i ng a u g e sf o rr y c b d e c l c sa r ep r e s e n t e d k e yw o r d s ：g e n e t i ca l g o r i t h m ；a c c e l e r o m e t e r s ；s t r a i ng a u g e s ；l i l l i t ee l e m e n tm o d e l s ；o p d m a i p l a c e m e n t i v 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 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 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 由于社会进步和土木工程技术的发展，现代土木工程结构正向着大型化、复杂化发展 随着社会经济与科学技术的日益发展，建筑结构不断向高层、超高层和大跨度方向发展，这 些结构破坏后，对人类社会造成的危害性越来越大。虽然合理，保守的设计是结构安全的根本 保证，但是限于当前对大型复杂结构的认识程度，许多不定时的或不可确定预知的因素( 超 期服役，飓风，腐蚀，疲劳，甚至突发性的地震，车、船的冲，碰撞。爆炸等危害性事件) ，人 们并不都能进行有效控制或预测，为了确保设计的使用安全性和耐久性达到预期的标准，避 免和减少国家、人民财产的重大损失，特别是对大跨度桥梁等大型复杂土木工程结构，进行 结构工作状态和结构特性参数的监测和评估工作已迫在眉睫【l 】 鉴于上述情况，对在使用周期内的大型结构进行结构的动力特性、结构损伤识别、振动 控制、健康监测和评估等方面的研究，正日益成为土木工程的一个崭新的领域，得到了越来 越多的关注。 限于研究手段和测试技术，以往土木工程结构的损伤检测和状态评估主要以无损探伤和人 工视察为主，只能在人力所及范围内的结构和构件上出现肉眼可见的缺陷时方可见效，而不能 提供完整结构健康检测和评估信息。显然，对于近年来大量建成的复杂土木工程结构，这样的检 测和评估手段已经远远落后于形势的要求 2 4 1 大跨度桥梁健康监测系统的研究涉及测试、分析及决策等多个学科。其理论核心为基于 振动的损伤识别技术( 其基本思想认为损伤将显著改变结构的刚度、质量或耗能能力，进而 引起所测结构动力特征或响应的改变，通过从监测数据中提取全桥不同部位动力参数信息或 其衍生信息，并比对结构无损状态下的相应信息，来实现结构的健康检测与评估) 在振动模态试验中，加速度传感器位置和数量的选择对于监测结果的质量具有很大影响， 加速度传感器的测点优化布置也得到了众多研究者的关注，但是大多数学者在进行加速度传 感器优化布点方案研究时一般都以比较简单的结构作为研究对象，如板、简支粱、桁架等， 而对斜拉桥、悬索桥等复杂结构的传感器优化布点研究较少，因此本文对基于遗传算法的加 速度传感器优化布置进行了研究吼 对于在结构健康监测中同样起到关键作用的应变传感器优化布置研究还较少有学者涉 及，由于复杂土木工程结构往往含有较多不同类型的受力体系，从而造成结构受力状态较为 复杂，因此对复杂结构的受力状态进行准确有效的分析研究，科学的指导应变传感器优化测 点布置也是非常必要的。 东南大学硕士学位论文 1 2 相关领域研究现状 1 2 1 复杂土木工程结构健康监测现状 近年来，复杂土木工程结构健康监测( 特别是大跨度桥梁和高层建筑物) 的研究与监测 系统的开发逐渐成为工程界的一大热点。 由于结构健康监测( 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 i - i m ) 系统成本高，在土木工程结构中主 要戍用于大型桥梁，但在一些经济发达国家，健康监测系统的应用已经扩展到高层建筑、重 要历史建筑的监测1 3 。我国的沈祖炎、李国强和李杰等学者也申报了“高层建筑安全检测与监 测”课题，并被列为国家攀登项目子项，并取得了较为系统的研究成果主要是通过布置在 结构上的传感器，对结构工作状况进行长期的在线监测，获得结构在运营状态下的结构真实 响应，并有效利用监测信息反演结构的状态，制定合理的维修养护计划，避免灾难性事故的 发生。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 及处理：理论上而言，主要是结构损伤识别理论和状态评估理论的发展 2 1 英国在8 0 年代后期，对北爱尔兰的f o y l e 桥( 主桥为总长5 2 2 m 的三跨变高度连续钢箱梁) 安装了监测仪器和设备。试图探索一套有效的、可广泛应用于类似结构的监铡系统”该系统的主 要监测项目有：桥粱主跨挠度、气象数据、温度、应变等美国佛罗里达的s u n s h i n es k y w a y 桥上安装的检测设备，用来测量在桥梁建设过程中和建成后桥梁的温度、应变及位移。美国威 期康辛州一座已有6 5 年历史的提升式桥0 i ab r i d g e ) m i c h i g a ns t r e e tb r i d g e 桥上。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。希腊的h a l k i s 桥1 9 9 4 年安装了有4 通道振动加速度传感器的测振系统。美国f h w a 资 助研究的无线桥评估与监测系统( w i r e l e s sg l o b a le v a l u a t i o na n dm o n i t o r i n gs y s t e m ) 包括应变、 转角、加速度等项目的测量。丹麦的g r e a tb e l ts u s p e n s i o nb r i d g e 桥的结构监测系统中。包括5 0 通道温度、5 通道沉降、2 0 通道位移、2 通道风速和4 2 通道锈蚀的测量。 在亚洲，日本的明石海峡大桥，濑户内海大桥、柜石岛桥主要安装了风速仪、加速度位 移计对桥梁结构的气候环境、振动载荷、结构沉降进行了监测。曼谷的r a m ai x 桥1 9 9 5 年安 装了结构整体性与安全性在线报警系统，系统包括1 2 通道加速度计和三个通道风的测量、一 个通道温度的测量。 香港青马大桥、汲水门大桥和汀九大桥上安装了目前世界上规模最大的实时安全监测系 统，三座桥梁共安装了八百多个各类传感器，对桥梁在各种荷载作用下的结构状况、环境状 况进行了全面的监测，并对于监测数据进行了分析处理。内地的虎门大桥、徐浦大桥、江阴 大桥、南京长江二桥等在施工阶段也已开始传感器的安装，以备将来运营期间的实时监测。 深圳地王大厦高8 1 层，桅杆总高3 8 4 米。2 0 0 4 年，哈工大欧进萍院士的课题组应用无线 2 第一章绪论 传感器网络针对超高层建筑的动态测试开发了一种新型健康监测系统，并应用到深圳地王 人厦的环境噪声和加速度响应测试在现场测试中将无线传感器沿大厦竖向布置在结构的外 表面，系统成功测得了环境噪声沿建筑高度的分布以及结构的风致震动加速度响应深圳市民 中心屋顶网架结构采用的健康智能监测系统。对结构健康监测系统集成、智能传感器系统、 智能健康监测实现、损伤评估等进行了系统的理论和应用研究，目前项目进展良好，可以达 到预期目标。 此外，在大坝安全综合评判与决策的研究和应用方面，吴中如、顾冲时、杨杰等提出并开 发了建立在“一机四库”( 推理机、数据库、知识库、方法库和图库) 基础上的大坝安全综合评 价专家系统，应用模式识别和模糊评判，通过综合推理机，对四库进行综合调用，将定量分析和定 性分析结合起来，实现对大坝安全状态的在线实时分析和综合评价。此系统已应用于丹江口、 古田溪三级大坝和龙羊峡大坝的安全分析。 然而，目前国内外的结构安全监测理论和应用技术还有几个方面需要进一步研究： ( 1 ) 新型传感器和激振器的发展：光纤传感器压电传感器，形状记忆合金传感器，微电子 力学系统( m e m s ) 传感器和微型激振器，毫微传感器等 ( 2 ) 损伤识别和整体特征描述与评价：创新的识别方法，实时的状态过程监测技术，现 场特征描述，反问题的解法，模型和非模型分析法，神经网络技术。遗传算法，小波技术等 ( 3 ) 系统整体性的研究：传感器网络的布置和组成，远程无线通信系统，信息技术，信 号处理等。 ( 4 ) s h m 技术在民用结构、桥梁、高速公路、大型高层建筑、电厂结构中的应用。 1 2 2 研究传感器优化布置的意义 在结构的健康监测技术中，振型分析是基础性和关键性的环节，它结合了参数识别、结 构动力学、振动测试技术、信号采集与分析等跨学科技术，是一种能适用于复杂结构的整体 评估方法，也是目前学术界普遍认同的最有前途的方法。振型分析是研究系统物理参数模型、 振型参数模型和非参数模型的关系，并通过一定的手段确定这些参数模型的理论及其应用的 - - f 学科。根据研究振型分析的手段和方法不同，振型分析分为理论振型分析和试验振型分 析。 进行振型实验的第一步就是获得被测结构激励和响应的时域信号，即测量结构的动力特 性，它是振型试验中非常重要的一部分，如果处理不当，将直接影响到后期的数据处理和损 伤检测的可靠程度。结构动力特性的测量主要包括外部激励的选取和布置，传感器的选取及 布置，结构在线试验及数据采集等几个主要的环节。 当前复杂土木工程结构健康监测系统布置的传感器中，加速度传感器和应变传感器的使 3 东南大学硕士学位论文 用数量最大，所采集的信息也最为关键，因此以上两种传感器优化布点方案的研究对工程实 际应用具有很高的指导价值复杂结构安全健康监测系统的有效运行离不开各种传惑器，传 感器的优化布设( 传感器类型、位置和数量) 对监测结果起决定性的作用，但如果传感器的 位置布设不合理，则采集到的数据可能会毫无用处理论上来说。监测系统使用的传感器越 多。量测的信号越丰富。但由于传感器、二次仪表等的费用，传感器的数量总是有限的，如 何布设有限个传感器从噪声信号中实现对结构状态改变信息的最优采集，获取尽可能多的信 息，是复杂土木工程结构健康监测系统的关键技术之一 1 2 3 传感器优化布置研究的现状 加速度传感器的测试信息主要用于反演结构的整体动态特性。是结构的模态试验的主要 传感器；而应变片的测试信息主要用于研究结构的受力分布，反演结构的局部受力状态，是 了解结构动态响应、进行结构强度和疲劳分析的主要依据。 目前，结构健康监测研究领域中关于传感器优化布设的研究主要是针对加速度传感器的 要进行加速度传感器的优化配制，首先要确定优化配置准则，即优化的目标函数。其次。必 须选用适当的优化计算方法。 传感器的测点优化方法是传感器充分发挥作用的有效手段，传感器的优化布设方法，既 要考虑测量参数的要求，也要以获得最强的信息为原则，一般来说，传感器应布置在应力集 中点、结构支承点、对结构荷载重新分配影响比较大的构件、对动力响应的敏感点以及一些 经验点。当然传感器的最优布点方法目前还正处于研究阶段。 在多数情况下首先采用参数识别方法处理模态试验的结果，因此很多文献以参数识别的 误差最小来优化配置传感器。基于模态分析的传感器优化布点问题最早是在轨道航天器的动 态控制和系统识别中得到广泛的研究，最具有代表性的就是k a m m e # 1 对大型空间结构传感器 测点优化研究中提出的有效独立法e i m ( e f f e c t i v ei n d e p e n d e n c e a l g o r i t h mm e t h o d ) ，该方法的 基本思想是根据各候选传感器布点对目标模态分量线性独立性的贡献进行传感器位置的排 序，采用f i s h e r 信息阵使感兴趣的模态向量尽可能的线性无关，逐步消除那些对目标振型的 独立性贡献最小的自由度，以使目标振型的空间分辨率能够得到最大程度的控制，从而在试 验数据中采集到最大的模态反应信息，而且还考虑了测量噪声的情况”j 。并推广到三向加速度 测量例。l i u 和t a s k c r 考虑采用多点i b r a h i r n 时域法时，采用扰动分析方法退到了传感器位置 和识别误差的关系，配置传感器以使识别误差最小唧b a y a r d 等采用与e i m 密切相关的d 域 准则，将最优输入及传感器配置解耦，从而可以分别考虑两者的优化配置i l o i 。t o n g c o 等以一 个6 3 自由度的平面桁架为试验对象，研究了d 域准则在优化配置传感器中的有效性l l lj 。p a r k 和k i m i t 2 ) 提出的奇异值分解法是通过对待测模态矩阵进行奇异值分解，评价f i s h e r 信息阵， 舍弃那些对信息阵的值无作用的测点。该方法不仅尽量使目标模态矩阵线性独立，而且提出 了每一次迭代时合弃测点的允许数目。e f i r d a u s 和u d w a d i a l l 3 - 1 4 1 从参数识别所需的数据角度 4 第一章绪论 考虑根据f i s h e r 信息阵确定动态系统的传感器最优布置 y ts h u ii i 提出了一种基于可控、可观度的传感器和激振器的最优布置方法该方法通 过可视化手段，观察结构某一动态指标的变化与分布趋势，选择具有最大或最小指标的位置 布置传感器。这种方法选用的指标可以是结构的模态振型、模态动能、原点留数和振型乘积 法等以模态振型为指标的可视化方法是根据观察或经验挑选那些振幅较大的点布置加速度 传感器1 1 6 l ；l i m l ”1 根据可控性矩阵的条件数研究了参数识别时作动器的优化配置问题。r e y n i e r 和h i s h a m l l s ! 采用格兰姆矩阵( g r a n u n i a n s ) 的最小特征值最大来配置传感器张志谊，傅志 芳i i 巩等利_ i j 可观、可控格兰姆矩阵求模态的可观、可控度。并以此可观、可控度来确定作动 器、传感器的布置。此方法仅需求解两个l y a p u n o v 方程，计算简单，能给出合理的可观、可 控度评价。 模态应交能法( m o d a lk i n e t i ce n e r g y ) 的基本思想是具有模态动能较大的自由度上的响应 也较大，将传感器布置在这些位置上有利于参数识别1 2 0 i 。其缺点是依赖于有限元网格划分且 多数位置聚集于局部，同时也不能保证待识别各阶模态的正交独立性。根据模态应变能能较 大的原则，衍生了侧重点不同的许多方法，如：平均模态动能法，计算有限元分析的模态振 型在可能测点的乘积，选择其中的较大者。顾荣荣，童忠钫口l l 从有效衰减振动能量的角度出 发，通过最小化l y a p u n o v 第二方法中的优化性能指标，研究了挠性结构主动控制的优化问题， 对矩形薄板在两邻边固定、另两邻边自由的边界条件下进行优化计算，得到传感器和激振器 的优化位置应靠近自由边处。挠性主动控制中传感器和激振器的位置应仔细布置，它们对系 统的稳定性和控制效果有较大影响。原点留数法与模态应变能在概念上相近，它能钨量某一 自由度上单位作用力所激起的响应大小，选择能够激励较大响应的测点布置传感器，采用原 点留数法，仍然可能识别不出某些模态。振型乘积法是计算各目标振型相应分量的乘积，通 过剔除零点而避免模态节点位置。 g u y a n 模型缩减法也是一种常用的测点选择方法，它将包含有主次坐标关系的约束方程代 入系统的动能或应变能表达式，通过剐度( 静力缩减) 或质量( 动力缩减) 子矩阵构成的转 换矩阵，可以把那些对模态反应起主要作用的自由度保留下来作为测点的位置嘲如果选择 恰当，静力缩减将能较好的保留低阶模态，而动力缩减可以较好的保留高阶模态嘲。 c a m e 和c l a 剐魄为选择的测点位置应使得所有模态向量的内积具有较小的余弦值。根 据这个思想，同济大学崔飞提出了一个传感器优化布置的迭代算法b ”首先根据经验和计算 得到的振型初步拟订一小组测点，然后每次往原定的测点组中添加一个新的传感器，其目标 是最大程度的减小原m a c 矩阵中非对角元的最大值或平均值，这样经过不多次数的计算后即 可得到期望的测点数。 b a n j h 和c h o e e 2 e i 在利用有限测点的响应提出模拟滤波器时，采用样条函数插值的方法得 到其余各点的响应，这时以插值拟合的误差最小来配置传感器。得到了对简支梁传感器应均 匀布置的结论。但该方法依然不能解决传感器、激振器数目的优化问题。对于桥梁在动荷载 s 东南大学硕士学位论文 作用f 的振动控制、模态分析中的传感器、作动器优化配置问题，该方法显然不很适宜。 刘福强、张令弥| 2 7 - 2 5 1 采用逐步消去法研究了一个七层空间桁架结构的激振器和传感器的 优化配置 s c h e c l l i n s k i 和l i n k 采用振型矩阵和质量矩阵乘积的q r 分解来配置传感器1 2 9 j 秦仙蓉、 张令弥l ”l l 采崩基于列主元正交分解( q r 分解) 的传感器配置方法，方法首先由q r 分解得到 传感器的初始配置，然后逐步增加可以降低此初始配置m a c 的结构自由度，直至达到指定的 阀值。 w g a w r o n s k i p 2 1 起先提出了在给定传感器的位置的条件下确定激振器的位置或给定激援 器的位置确定传感器的位置，后来利用h 2 。h 或h m d c e l 模态范数扩展了挠性结构的传感器布 置算法，提出同时选择传感器和激振器的位置。 c h e n ，s a l a m a l 3 3 1 等采用模拟退火算法( s i m u l a t e da n n e a l i n g ) 研究了主动构件和被动阻尼 元件的优化配置问题。理论上来说，模拟退火算法能够以概率1 收敛于全局最优解，其最大 的问题是需要选择初始温度、退火速度等参数，由于这些参数随具体问题而变化，由此较难 合理的选取这些参数，从而不能控制搜索的效率，可能导致搜索时间过长。 采用遗传算法( g a ，g e n e t i c a l g o r i t h m ) 来进行传感器的优化布设也是目前研究的热点之 一，遗传算法用于传感器布遗传算法起源于达尔文的生物进化论，它模拟自然界“适者生存” 的机制，由j h o l l a n d 教授于7 0 年代提出聊l 。其基本思想是在遗传计算过程中，适应度较大 的个体基因得到遗传，适应度较差的个体基因会逐渐被淘汰。由于遗传算法能够收敛于全局 最优解3 ”q 在传感器布设的组合优化问题中较有发展前景，清华大学土木系叫在利用遗传算 法寻找加速度传感器最优布点中，把测取的变形能最大作为遗传进化的适应值( f i t n e s s ) 用来 选择香港青马悬索桥上的最优传感器布点。m a k o l am a b d u l l a h l 3 8 1 采用遗传算法和基于梯度的 方法优化方法来确定民用建筑的传感器和激振器的位置。a n d yr i c h a r d s o n d 等p 9 l 采用现实编码 遗传算法( r e a lc o d e dg a ) 来定位和设计民用建筑的控制系统，由于定位和设计在同一算法中 完成，其收敛率有所改进。由于遗传算法自身尚在发展，搜索的效率以及适应度函数的选择 仍有闯题，遗传算法用于传感器布设还处于探索阶段。 现有的优化布设方法，大多是给定了传感器激振器的数目，如何确定传感器傲振器的数 目仍然是一个需要进一步研究的问题，还有，现有的方法大多是基于有限元分析模型，由于 不可避免的会存在有限元建模误差，对传感器的优化布设结果会产生不利的影响，因此需要 考察模型误差对优化布设结果的影响程度。另外，目前的优化布设方法计算复杂。计算效率 也较低，而且往往只能得到次优解，所有这些问题还有待进一步的研究 目前在健康监测和状态评估研究中，传感器优化布置研究大多是针对动力监测项目的加 速度传感器的优化布置，对于静动力监测项目的应变传感器研究较少，常常是按常规布置， 而实际复杂结构中需要关心的区域是不同的。大多数学者提出的布置方法都建立在经验的基 6 第一章绪论 础上，并且缺乏对大型复杂土木工程结构的研究和应用。 谭冬莲，肖汝诚p 川提出了一套基于截面插值拟合误差最小准则的静力应变传感器优化布 置方法。这种方法得到的布点方案利用关心截面的信息拟台出比较接近计算结果的其他未安 装传感器位置的信息。但是如何确定关心的位置和局部区域应变传感器的布置方式无法得到。 丁设，陈常松f 4 ”对混凝土应变传感仪器的选择、测点布置、影响因素分析、实测值的计 算与修正进行了研究，并在p c 斜拉桥施工和营运中进行应用，取得良好效果。 赵园涛，乌建中嗍，针对宝钢四号高炉炉体快速安装工程的实际。对提升框架进行了应力 应变跟踪检测，解决了大型构件应力应变检测的一些关键技术 淡丹辉，何广汉