（固体力学专业论文）面向结构状态评估的监测信息多尺度分析方法研究.pdf

摘要 在重大工程结构健康监测和状态评估过程中，现场产生的不可知因素要比在实验室或数 值模拟复杂得多，因而获得稳定可靠、规范化的数据用作结构状态评估至关重要。要达到这 个目标，需要对监测数据有较为深入的认识和理解。本文以香港青马大桥和江苏润扬大桥结 构健康监测系统为研究背景，较为深入地分析、揭示了从桥梁结构健康监测系统获取的应变 监测数据的多尺度特征及其物理意义，并在此基础上探讨了桥梁结构疲劳状态评估中的若干 关键问题。 通过对来自青马大桥和润扬大桥结构健康监测系统的应变监测信息的大量考察，发现动 态应变时程数据在三个典型的时间尺度上表现为不同的特征，频域上的理论和数据分析进一 步表明，这三个时间尺度的应变信息所对应的截止频率分别属于三个不同量级，因而可以通 过专门的信号处理方法分离开来。对应于数量级分别为1 0 5 s e c 、1 0 3 s e e 和1 0 0 s e c 这三个典型 时间尺度的三类应变信息分别为截止频率兀1 = o ( 1 0 之) h z 的温度变形的趋势性变化、 正，2 - - 0 0 0 叫) h z 的火车载荷导致的应变响应和五3 = o ( 1 0 0 ) h 量的重车过桥时引起的应变响应。 基于多分辨分析理论与上述动态监测应变信息的多尺度特征之间的相似性，利用小波方 法对具有不同时间尺度特征的三类应变信息进行了分离和逐个提取。给出了小波分解的层次 确定方式和小波方法分离信息的流程；提出了针对不同尺度的小波系数阈值确定的“控制发 生概率方法”( 简称p 方法) 和“控制噪声方法”( 简称n 方法) ，分别适用于提取1 0 3 s e c 和 1 0 0 s e c 量级的典型时间尺度下的火车载荷相关部分应变( 应变类型2 ) 和卡车相关的应变抖 动( 应变类型3 ) ；进而给出了小波提取算法的流程。研究结果表明，作者给出的基于小波 理论的动态应变监测信息处理方法能够有效地将具有不同时间尺度特征的应变信息进行分 离，分离后的数据能够更清楚地比较不同类型大跨桥梁、不同类型传感器之间的异同；本文 给出的小波域阈值处理方法能够将具有不同时间尺度特征的应变信息准确并精确地逐个提 取，在足够精确地复原所需信息的同时极大地压缩数据。 为了方便于对小波分析甚至信号处理不了解的监测系统数据管理和分析者们使用于分 析数据，文中进一步研究并给出了一个能够在一定程度上替代小波变换的简便实用的多尺度 信息分离方法，其主要步骤为“平均插值一扣除( a v e r a g e ，i n t e r p o l a t e & t a k e o u t ) ”，简记 为a i t 法。通过将该方法与小波方法进行对比和考察截断效果，验证了其有效性。该方法 的使用比小波方法简便、灵活，若辅以直接时域阈值处理也能实现不同尺度特征应变信息的 提取。 在对应变监测信息的多尺度特征及其分析处理方法研究的基础上，论文进一步研究了大 跨桥梁结构的应力谱分布、三种时间尺度特征应变信息的相互影响及高频噪声对应力谱和疲 劳状态评估的影响。证明了用于疲劳应力谱统计的雨流计数法的一个重要性质；研究结果表 明，已有的一些雨流计数应力幅密度函数的形式和计算公式不适合用于分析大跨桥梁结构健 康监测系统输出的应变监测数据；属于不同时问尺度的三类应变在计算疲劳损伤状态时不会 发生耦合作用；但噪声会与较大尺度的应变发生耦合作用，使得应变幅产生漂移，因而较小 的噪声水平也可能导致疲劳状态评估结果的较大误差。 关键词：结构健康监测系统；动态应变：时间多尺度；小波分析；应变信息分离；应变信 息提取；数据压缩；疲劳状态评估。 a a b s t r a c t i ns 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 ) a n dc o n d i t i o na s s e s s m e n tf o rm a j o re n g i n e e r i n g s t r u c t u r e s ，i t i sc r u c i a lb u td i f f i c u l tt oo b t a i nr e l i a b l e ，c l e a na n dn o r m a l i z e dd a t ao w i n gt o e n v i r o n m e n t a la n do p e r a t i o n a lc o m p l e x i t y u n d e r s t a n d i n gt h e s ed a t ai ss ot h a tn e c e s s a r yi fw e w a n tt oh a v ec o n f i d e n c ew h i l eu s i n gt h e m w i t ht h i si nm i n d , t h em u l t i s c a l ef e a t u r e so fs t r a i n h i s t o r yd a t af r o ms h m w e r ea n a l y z e di nt h i st h e s i sa n dt h ef a t i g u ec y c l ed i s t r i b u t i o na n df a t i g u e e v a l u a t i o nw e r es u b s e q u e n t l yd i s c u s s e d m o n i t o r i n gd a t aw e r ea c q u i r e df r o mt h es h ms y s t e m s i n s t a l l e di nt h et s i n gm ab r i d g e s ( t m b ) a n dr u n y a n gy a n g t z eb r i d g e s ( r v a ) t h e i n v e s t i g a t i o n o nt h es t r a i n m o n i t o r i n gd a t ar e v e a l st h a ts t r a i nh a sd i f f e r e n t c h a r a c t e r i s t i c so v e rt h r e et y p i c a lt i m es c a l e s ，e a c hh a v i n gt h e i ro w nc u t - o f ff r e q u e n c yo fd i f f e r e n t o r d e r so fm a g n i t u d e b yu s i n gt h e o r e t i c a la n dc a s es t u d i e si nt h ef r e q u e n c yd o m a i n ，t h ed a t ac a n t h e r e f o r eb ee x t r a c t e da n d s e p a r a t e dt h r o u g hs i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d s t h es t r a i nd a t a c o r r e s p o n d i n gt ot h et y p i c a lt e m p o r a ls c a l e s10 5 s e c ，10 3 s e ea n d10 0 s e ea r ec a u s e dr e s p e c t i v e l yb y t e m p e r a t u r ec h a n g ew i t hc u t - o f ff r e q u e n c y 五i = o ( 1 0 ) h z ，b yt r a i nl o a dw i t h f e 2 = o ( 1 0 1 ) h za n d b yt r u c kl o a d f 。3 2 0 ( 1 0 ”) h z t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ea f o r e m e n t i o n e dm o n i t o r i n gd a t al e a dt ot h eu s eo fw a v e l e ta n d m u l t i r e s o l u t i o na n a l y s i sm e t h o d o l o g yf o rs e p a r a t i o na n de x t r a c t i o n f l o wc h a r t sf o rs e p a r a t i o n a n dl e v e ld e t e r m i n a t i o no fw a v e l e td e c o m p o s i t i o nw e r ep r o v i d e d w a v e l e tc o e f f i c i e n tt h r e s h o l d s w e r ed e v e l o p e da n da d o p t e dd u r i n gt h es t r a i ni n f o r m a t i o ne x t r a c t i o np r o c e s su s i n gt h ep - m e t h o d a n dn - m e t h o d t h er e s u l t ss h o wt h a t ：w a v e l e tm e t h o d o l o g yc a ns e p a r a t ed i f f e r e n tt y p e so fs t r a i n i n f o r m a t i o ne f f e c t i v e l y , a n dt h a tt h es i m i l a r i t ya n dd i s s i m i l a r i t yb e t w e e nd i f f e r e n tt y p eo fb r i d g e s a n dd i f f e r e n tt y p eo fs t r a i ng a u g e sc a l lb ec l e a r l yd e t e c t e da f t e rs e p a r a t i o n w a v e l e tm e t h o d o l o g y c a na l s oa c c u r a t e l yd i s c r i m i n a t ea m o n gs p e c i f i ct y p e so fs t r a i na n da l l o w st h es t r a i nd a t at ob e c o m p r e s s e dw i t ha na t t r a c t i v er a t i ow h i l ek e e p i n gas a t i s f a c t o r yr e c o v e r yc a p a b i l i t y as i m p l em e t h o df o rs e p a r a t i n gs t r a i ni n f o r m a t i o ni n s t e a do ft h ec o m p l i c a t e dw a v e l e t m e t h o dw a sa l s op r o v i d e di nt h et h e s i s ，w h o s ev a l i d i t yw a sc o n f i r m e db yc o m p a r i n gi t sr e s u l t s w i t ht h o s ew i t hw a v e l e tm e t h o d t h i sn e wm e t h o di ss i m p l e ra n dm o r ef l e x i b l et h a nw a v e l e t m e t h o d ，a n dc a na l s op e r f o r ms t r a i ne x t r a c t i o nu t i l i z i n gt i m e - d o m a i nd i r e c tt h r e s h o l d i n g t h ef a t i g u ec y c l ed i s t r i b u t i o n ，i n t e r c o u p l i n go ft h et h r e ek i n d so fs t r a i na n dt h ee f f e c to f n o i s eo nf a t i g u ee v a l u a t i o nw e r ei n v e s t i g a t e da tl a s t a ni m p o r t a n ta n da v a i l a b l ec h a r a c t e r i s t i co f t h er a i n - f l o wa l g o r i t h mw a sp r o v e df i r s t l y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee x i s t i n gf o r m u l a ef o r e s t i m a t i n gr a i n f l o wc y c l ed i s t r i b u t i o na r en o ts u i t a b l ef o r s t r a i na n a l y s e so fl o n gs p a nb r i d g e s a d d i t i o n a l l y , t h e s et h r e ek i n d so fs t r a i nw i t h i nt h r e et y p i c a lt e m p o r a ls c a l e sa r en o tc o u p l e dw h e n e v a l u a t i n gt h es t a t eo ff a t i g u ed a m a g e a n d ，n o i s es h o w ss i g n i f i c a n tc o u p l i n ge f f e c tw h e nc o a r s e s c a l es t r a i nd a t aa r eu s e df o rt h ee v a l u a t i o n ；i tr e s u l t si nas h i f to ft h ea c t u a ls t r a i n s t r e s sa m p l i t u d e ； e v e nn o i s ew i t ha na c c e p t a b l el e v e lm a yl c a dt on o t a b l e te r r o e k e yw o r d s ：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 t r a i nd a t a ；m u l t i p l et e m p o r a ls c a l e s ；w a v e l e ta n a l y s e s ； s t r a i ni n f o r m a t i o ns e p a r a t i o n ；s t r a i ni n f o r m a t i o ne x t r a c t i o n ；d a t ac o m p r e s s i o n ；f a t i g u ee v a l u a t i o n b 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： 去! 熊。日期：堕g 加 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：差! 盘导师签名：期：2 幻 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景：桥梁结构健康监测和状态评估 目前，结构( 机械、航空、土木) 结构健康监测的应用和研究是如此的广泛和深入，以 至于在全面的学术性搜索引擎( 如g o o g l es c h o l a r ) 中有几十万的条目。特别是对于从事与 此有关的研究人员来说，其存在是一个已成的事实，且拥有一个庞大的产业和研究人群。 对于一个已经发展如此之大、以至于铺天盖地存在的观念和事物，再从背后挖掘和考察 其原初的出发点和意义本身似乎就是个没有意义的问题。这或许也是一个科学技术的成就改 变人们概念和观念的例子。正如现在谈到“力”的概念的时候，仿佛它就是一个自然而然的 存在之物，而不会意识这其实这是三四百年前的自然哲学家们用理性为自然界立的一个 “法”，一个用来解释为什么这个世界会如此运作的“推动因”，我们不会( 也没必要) 意识 到其给当时的人们带来观念上的变革、原初出发点和所谓的“意义”。回到日常生活上，就 像现在的人们也不会去关心电话，汽车，火车等等会被发明，它曾经给人们带来多大的便利， 因为我们认为它就是自然而然的通讯方式。也正如现在的网络给人们的变革一样，几十年之 后甚至几年之后人们就会忘记网络是怎么产生、以及它的产生对人们意味着什么。 关于结构健康监测的意义和必要性似乎已经在以此为主题的学位论文的绪言和很多学 术论文中被重复了上万次，其逻辑跟那些早期的先驱者们的逻辑似乎也没有什么不同，这个 部分可能还要被重复好多年。但正如上文所言，依照作者个人之感觉，它的概念似乎已经累 积到我们没必要去探究它到底有什么意义的程度了。正如自然科学中的一种说法，一个观念 和知识只有在它开始出现的时候或者即将被抛弃、突破的时候，才是人们对它的来历和意义 认识最深刻的时候，大部分的时间人们都只是埋头地研究和发展它，直到它发展到自身突破 或者被抛弃。 当作者在构思写研究背景的时候，囿于学识、阅读广度和深度以及对结构健康监测的理 解程度，感觉要写清楚健康监测的“源”与“流”对作者而言实在是一个不可能的事情，所 以作者就只写出自己所能理解的结构健康监测作为本文研究内容的引子，不试图( 窃以为也 没必要) 做一个全面的综述。 关于结构健康监测的第一个系统的综述似乎是1 9 9 6 年d o e b l i n g 等的文酬，它的主要 内容是只是集中在机械和航空结构，这篇文章已经成为以结构健康监测为背景的论文中被引 用次数最多的一篇。而在土木工程中的结构健康监测的综述则是晚一年h o u s n e r 等的文献l z j ， 该文献在a s c e 的j o u r n a lo f e n g i n e r i n gm e c h a n i c s 期刊以一整期刊出，这篇文章的主题是结 构控制而不仅仅是结构健康监测，结构健康监测的综述出现在第7 部分。随后1 9 9 9 年，a s c e 的建筑设施结构识别委员会( a s c ec o m m i t t e eo ns t r u c t u r a li d e n t i f i c a t i o no fc o n s t r u c t e d f a c i l i t i e s ) 的报告3 1 在结构识别的框架下，也对土木结构健康监测进行了论述和综述。2 0 0 3 年的总结报告【4 1 是文酬l 】的后续版本，与之相比，题目的改变就已经颇具意味了。除此之外 也有很多综述性文剐5 4 】，各有侧重点。国内综述性的文章也有很多。 桥梁等大型土木结构健康系统的概念和实施体现了人们对重大工程项目安全和损伤情 第一章绪论 况的关切。但是似乎人们上百年来都一直对桥梁的健康状况很关注，在结构健康监测系统之 前，也有相关的措施来获得桥梁健康状态的信息，即是所谓的“桥梁管理系统”( b r i d g e m a n a g e m e n ts y s t e m ) l i2 1 ，主要是人工无损检测( n o n d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o n ，n d e ) ，可以使 用目测，也可以使用声学方法、染料渗透试验法、涡流法、发射光谱法、x 射线等方法1 2 1 ， 这种方法有两个主要的缺点需要预先知道损伤的粗略位置并且这个位置要人工可以到达， 这种基于人工探测的花费比较大【1 2 】。这就促使发展出弥补这种局部性检测的整体损伤探 测方法，同时期迅速发展的系统识别和信号处理的方法，刚好使得这个目标成为可能。正如 在文献【2 j 所言，这两种损伤探测方法得到的信息可以被专家综合分析去获取结构损伤( 安全 性) 的状态。 关于结构健康监测的一些概念似乎区别似乎比较微妙，除了健康监测( s t r u c t u r a lh e a l t h m o n i t o r i n g ，s h m ) 外，还有诸如损伤识别( d a m a g ei d e n t i f i c a t i o n d e t e c t i o n m o m i t o r i n g ) l l 乃j 状态评估( c o n d i t i o na s s e s s m e n t m o n i t o r i n g ) 【l4 1 ，智能结构( i n t e l l i g e n ts t r u c t u r e ) p j 等，这些 名词可能都有各自的侧重点和出发点，也说明了结构健康监测似乎是从不同背景的研究者发 展出的，同时不断有不同背景的研究者加入，融入各自的观点和研究。 早期的“健康监测”似乎就是“损伤识别”的同义词，后来出现了“集成( i n t e g r a t e d ) ” 【1 列，“框架( f r a m e w o r k ) ”p 6 和“系统( s y s t e m ) ”的名词，这表明可能研究者们认识到在 具体实施所谓整体损伤检测的时候，需要关注和解决的就不仅仅是损伤识别的算法问题，实 际操作中要考虑的问题要比实验室和数值模拟要复杂和不确定得多，因而使用“系统”这样 一个表示集合含义的名词。 这些名词的出现似乎意味着原初意义下纯粹的自动损伤识别技术在健康监测系统( 框 架) 中比重的降低，很明显的证据就是在以健康监测系统为主题的技术资料中篇幅和比重的 降低。其具体有如下几个表现： 1 传感器和有效数据获得的比重增加，以至于部分以健康监测系统为主题的论文中传 感器l l7 ，1 8 】的篇幅占了绝大部分。部分原因可能是产业的需求，因为健康监测系统大部分的 费用的使用是在传感器的购买和安装上。另一个主要的原因就是损伤识别和评估的准确程度 离不开可靠的信息，程度很小的损伤变化很可能被数据采集的误差所掩盖掉，所以扣除环境 影响的测量数据的规范化( d a t an o r m a l i z a t i o n ) 是非常必要的，当然这个规范化过程不仅仅 与传感器有关还涉及到很多的信号处理技术 4 1 。传感器的优化布置也可归为上述对传感器及 其组织方式的关注。 2 对环境影响等不确定性的估计也越来越重要。文献【4 】中的一个损伤识别的实例表明： 在较小的损伤的工况下，由于环境的改变和影响，根据测量数据得出的结构固有频率居然上 升了。此时，有学者就尝试用统计方式来对环境变化等不确定因素进行描述并反映到损伤识 别的结果上1 4 ，1 5 , 川。 从具体实施和系统的观念出发，有效、稳定可靠、鲁棒( r o b u s t ) 的程度就显得特别重 要。桥梁显然是一个系统，健康监测系统本身也是个系统，如果健康监测系统自生都不能够 健康、强壮( r o b u s t ) 到足以抵抗、反馈、消除外界的干扰以至于不断地误判，它如何能监 测桥梁的健康程度呢? 上述两个表现似乎就反映了此需求，同时也侧面反映了原初意义的损 伤识别技术在实际操作中( 特别是土木建筑) 中的困难，以至于文献中时不时出现令人沮丧 的评述。 如s o h n l 4 ：“粗碍篮剥重镄在窦忙诺掏丘的应用伪主孟原圄是( 考掏砰纯和( 点竹的童亿。 2 第一章绪论 尽管一些提伤识别方注在囊劈室的馆足催型或构僻中铭够很成功，但墨在j 9 l 陋钓( 墨纾环境下 的痛投住铱 生值得你醍。所蟛，迫些用西环硅的壹易需薹在诺掏健庶篮溺申精确沾考詹。 l i j 盘献为止，碑右认为迫个须碛的z ( 件常步( v e r yl l t t ；i o ) 。” 文献a u w e r a e l j “j ：“妻皇币，。似乎在( 学木界) 承诺饷研究诺果与织雾的抒礁操碑之向c 丕 有差距。最诲钓日t 孚仍丝墨崖展可强碑钓、专辞饷方洼，缮威劲可饼批量生产的z 业体重中。” 文献f a r a 一”1 的结论似乎更直接一点：“墓钓_ 焉来，丘述掰点论已布f i - 硅的雾陋位用别【曼 了严重的届限。雾酝丘，除了习旋转机械的应用之外，鲇( 右所妻口压的币考，c 丕缇荷鲁绋垂j 可农陆使用的、可靠的s h m 笨咯。” 3 如果说上述的两个还是以损伤识别为最终目标的话，那么第三个变化就是结构健康 监测系统不一定是自动整体损伤识别了。张【2 0 】总结了所谓结构健康监测系统的新概念，即 是除了损伤识别的理论研究之外，健康系统能具体实现的实际上只有监控与评估( 整体行为、 局部、抗风、抗震、耐久性等) 功能以及设计验证的功能。从作者所参与并能稍详细接触到 的三个大型桥梁的结构健康监测资料而言，可以佐证这个观点。 在青马大桥风和结构健康监测系统( w a s h m ) 的目标和内容之中( i 监测和评估系统的 健康状态，i i 为检查、维护工作计划提供信息，i i i 设计假设和参数的验证【2 l 】) ，似乎淡化了 损伤识别的概念，只在发展和研究计划里面出现了损伤识别的选项。润扬长江大桥的结构健 康监测系统实现的主要内容还是监测、局部的异常诊断、疲劳分析以及耐久性评估等1 2 2 1 ， 自动损伤识别方面进行了较多的研究但没有实施。而苏通大桥的结构健康监测系统的实施内 容u 州内容相比润扬桥要少一些。 上述是大跨桥梁结构健康监测系统已实现的功能，其扩展的研究内容要丰富得多，也不 局限于整体损伤识别了。似乎有越来越多的人加入了健康监测系统这样一个试验场，带来自 己的学术观念和背景，注入其中，使得研究的内容越来越丰富。以作者的浅见，目前的结构 健康监测的内涵似乎已经被扩大了，只要关心的是( 桥梁的) 安全问题、有理论支持和实施 策略似乎就可以看作是属于结构健康监测范畴的内容。 当然这些研究内容有的最终针对的可能还是自动损伤识别，只不过还是选取了其中的有 限目标；另外的一些可能就关注其它值得关注的安全性问题。当时还不知道“研究”到底意 味着什么的我，花了挺长一段时间才明白，对一个刚进入研究领域的硕士研究生来说，在最 初的阶段更重要的可能还是选择一个点有一个人领着认真地往下做，等在学术上有了一些判 断力的时候再去做一些判断。还能记起来当我大四刚开始知道“结构健康监测系统”的时候 想起了机器人和人类，我觉得似乎有一天，桥梁系统也能象机器人那样获得并根据外界的信 息作出调整和反馈；如果更好的话，还可以象人类一样具有自学的能力，并能跟现实的人有 交流的能力，在探测到超过自身调整能力的危险时也能象人类一样发出求救信号同时关闭部 分功能。当时为这个美好的想法兴奋了挺长一段时间，然而当我接触到那些铺天盖地的资料 的时候，烦躁感还是很大地冲击了这种兴奋感。 以上就是作者对健康监测( 系统) 这个大背景的认识，作者没有试图给所谓的结构健康 监测下个定义：或者编个框图。我觉得以目前的处于的阶段和知识水平，描述一个概念可能 比定义它更重要。最后，似乎绪论部分没有图片显得太枯燥，图1 1 就是几个安装有健康监 测系统的大型桥梁，不过似乎从这些壮观而富有力量感、美感的桥梁图片上不会得到结构健 康监测系统的具体信息，正如看到一个人也不会看到它的免疫系统和神经系统一样。不过我 3 镕一$ 绪镕 们似乎可以想象的是这些庞然大物如果将来有了智能会是什么样 戳誉擎掣墨：轰 臻i k o 基 香港青马大桥香港汀九大桥 止血 润扬悬索桥苏通大桥 田1 i 安装健康监测系统的部分太桥 1 2 国内外研究现状 1 2 1 桥梁结构健康监涮系统数据分析处理的研究现状 监测系统的数据分折与处理的概念似乎比较宽；乏。从广义上看，其实所有的健康状况评 估的算法( 可称为核心算法) 诸如损伤识别、状态评估等吏质上都是对数据的分析处理。 而这里的含义可能更重要的是指在这些算法之前对披据的分析处理过程。也可卧称为预处 理。其具体的研究目标可以是获得更可靠的可利用的数据：0 为了更好得理解数据本身 o 寻找某种统计意义上的规律；0 数据分析的分析( 如一些环境变异性的研究) ，等等 第一章绪论 在集成结构健康监测系统的数据采集的硬件部分，从传输过程出发，也会对数据进行一 些处理，这不是此处讨论的对象，此处讨论的是已获得的原始数据，这些数据有时候会比较 合理的反映了真实的相应，而有时则不然。 关于对测试数据进行预先分析处理的必要性，在文献【3 】中有论述，其出发点是环境的变 异性对损伤探测的影响，环境的改变导致结构响应的改变极有可能会掩盖掉损伤导致的变 化，作者指出需要进行数据的规范化( d a t an o r m a l i z a t i o n ) ，即扣除掉采集数据中环境变异导 致的部分。 上述针对的是损伤识别，对于结构健康监测的其他目标，如安全评估等，对所需数据的 预处理也同样是必要的。因为在使用数据之前必须需要对采集数据有所理解，而不能不假思 索地就拿来使用。这是人们自然的认识过程，也是使得监测系统做核心运算并作出准确可靠 判断的必要条件，也是上小结中结构健康监测走向集成化、系统化后为追求可靠性、稳定性 不得不考虑的问题。然而从作者的调研结果来看，似乎正如文献f 3 】中所言，这样的工作相对 而言并不多，似乎大部分研究者们更热衷于主流问题。 董 2 4 ，2 5 1 使用数据挖掘方法处理监测数据，如用聚类模型辨别桥梁的异常情况、用关联模 型发现桥梁与环境参数之间的关联、用时间序列方法研究桥梁数据的变化趋势等。主要分析 的是应变和挠度数据，基本完全从计算科学的角度出发。 削2 6 】在集成结构健康监测系统的框架内，使用对采集数据的数字滤波方法，其采用的是 i i r 滤波器( b u t t e r w o r t h 低通滤波) 并在l a b v i e w 虚拟仪器开发平台上实现。 李 2 r l 对监测系统中的故障诊断进行了研究，并使用人工神经网络的方法进行信号重构。 胡 2 9 - 3 0 对桥梁结构健康监测数据存在的失真问题进行了研究，提出了差错控制的理论， 对失真数据进行识别，并利用神经网对失真数据进行了恢复研究。其针对的主要也是挠度和 应变数据。 一些论文对环境的变异性及其影响做研究。如张【3 l 】研究了徐浦大桥在实际运营条件下， 模态频率和模态阻尼在一天内的变异性，李【3 2 】则研究了润扬斜拉桥模态频率在温度、突发 事件等工作环境的变异下短期( 天) 和长期( 年) 的变异性。“3 3 】则研究了青马大桥的应变 数据在台风作用下的一些变化，并讨论了对结构状态评估( 疲劳) 的影响。 此外也有一些统计方面的研究，l i t 蚓在频域内对青马大桥结构健康监测系统监测输出的 一周内应变数据采用线性回归方法得到代表性样本，以便于桥梁的疲劳评估。王p 5 j 对润扬 大桥监测系统输出的应变数据进行了统计分析，并考察了与温度之间的相关性。 1 2 2 多尺度角度研究结构健康监测系统问题的现状 如果说1 2 1 节的内容是针对问题的，则本小节则是针对观察问题的角度和方法的。若 上一节可以看作是一种事前的调查研究，则本节则怎么看都象是一个事后的拼凑。因为我似 乎总片面地觉得面对问题才是科学的，而面对方法，即想法设法的从方法出发应用于问题， 总觉得不太科学。似乎只有当在思考解决问题的时候发现了已有的研究角度或者方法刚好符 合该问题的特征时使用该方法才是合理的。庆幸的是，本文的研究思路大体是由问题到方法 的。 近几年来，多尺度科学成为一个研究的热点。众所周知，物理学的定律有两个很明显的 5 第一章绪论 特点不同的物理现象有不同的物理定律控制，比如电磁场、力、热属于不同的物理现象， 其使用的定律和概念都不太一样。不同的尺度有不同的物理定律控制，比如说最底层的第 一原理，即量子力学、然后有分子动力学，基于牛顿力学的连续介质力学，更高的还有解释 天体问题的广义相对论，这些是各自尺度上的控制定律。那些对物理有着由恐惧导致的厌恶 感的人很可能意识到了一个根本的问题：物理定律怎么会这么复杂多样，要是只有一个定律 的话，那人们理解起来就简单了。这个问题可一点都不愚蠢和幼稚，因为这样的问题同样出 现在对自然的简单性有着执着信仰的一些最杰出科学家们的头脑中，这里面包括爱因斯坦和 霍金，此即寻找所谓的万有理论。上述两种人似乎意识到了同一个问题，差别可能仅仅在于 前者因为复杂多样就不去理解，而后者先接受了复杂再从复杂多样中寻找简单。 对于大部分人而言，他们接受了这种多样性，但不尝试去思考更本质的统一性的问题， 他们杰出、聪明但信奉实用主义，他们只是自如地运用不同的尺度的定律解释不同尺度的现 象。但目前科学技术已经发展到该方法论在某些情况下会发生失效，因为有些现象不得不从 多个尺度一起来研究，比如固体的破坏，要深入解释其中的破坏机理，必须从更低层次的原 理出发，但是完全从这些原理出发，问题会变得不可解决地复杂，有时候也没有必要。这种 情形促进了多尺度科学的发展。 多尺度科学研究针对的是不同时间、空间尺度相互耦合的现象。很显然，自然界任何一 个现象都是多尺度的，取决于人们观察的尺度，但不是每一个现象都是用多尺度耦合的。目 前多尺度耦合研究在流体力学、材料科学、生物学、环境科学、化学、地理、大气学、高能 物理中都成为了一个热点的问题。但是要尝试去跨接不同尺度的特别是强耦合、强非线性的 问题( 以及其中的机理) 可能是个很不容易的事情。g l i m 0 6 认为多尺度科学的研究会成为 2 l 世纪的挑战。 上述内容似乎与结构健康监测系统的研究有点远，其实作者对微观的多尺度知识也仅仅 限于所感兴趣的科普书籍，对力学中的多尺度模拟也只有有限的专业资料阅读。但这里作者 想表达的观点是：多尺度可能是一种观察角度和方式，只要研究的现象和问题在时间、空间 上具有多个尺度性质，并且在存在一定的相互影响和耦合，我们就可以采用这样的视角来研 究，并可以采纳某些已有的研究方法和模式。 1 2 2 1 损伤识别中的多尺度概念：小波方法的应用 结构健康监测系统的损伤识别中，很多时候也会出现多尺度的概念，在那里似乎多尺度 跟小波方法是等价的。这里的多尺度概念可能与上述的多尺度科学的含义有些区别，这里主 要指的是一种信号处理方法，是指小波( 包) 变换对不同尺度信息出色的分辨和分离能力， 基本不涉及多尺度耦合的概念，但蕴含某些多尺度的思想。 小波的研究和应用近十几年成为一个热点，当作者大二的时候就从教数学分析的老师e l 中知道这个名词，他当时说f o u r i e r 分析在研究上已经不流行了，有兴趣的同学可以看看小 波分析，但我到研究生才开始了解这个学问。在g o o g l es c h o l a r 上可以搜索的主题条目已有 几十万条，尽管发展还不到2 0 年。小波分析9 0 年代初新兴起来，它的快速发展是在d a u b c h i e s 构造了紧支撑的正交小波和m a u a t 提出了快速算法之后。数学家将其看成是一个调和分析 的好工具，信息学的人看成是一个好的信号处理方法，还有些人则看成自然现象自相似的一 种反映等。 损伤识别的基本假定为：损伤会导致物理参数( 质量、刚度或阻尼) 的变化，这种变化 6 第一章绪论 会导致响应的变化。这个变化可能是时间上的，空间上的，或频域上的。但是在损伤较小时 变化可能较微小，在这种情况下，被视为“数学放大镜”小波方法就得到用武之地，它对时 间- 频率的杰出分辨能力有可能辨别微小的变化。 文献【37 弛】对小波分析在损伤探测方面应用做了较为详细的介绍，文献【3 9 】也对其在集成概 念上的结构健康监测系统上的应用做了介绍。后者增加了对小波在监测数据处理上的应用。 研究者首先根据经验、假定或初步的理论分析选择可以反映结构损伤信息的响应，然后 用小波方法处理，这个响应可以是时程数据，也可以是得到的空间数据( 比如振型，位移的 空间分布等) ，所选择的损伤指标可以是小波变换后的高阶的间断点( 如寻找损伤开始的时 间或者空间上的裂纹处等) 、小波系数的改变或者各个频度的能量的改变等。 至于利用小波方法的损伤识别能到达什么程度：可以到预警的阶段( 即判定有没有发生 损伤) ，此时一般利用小波( 包) 能量的变化可以判定；对振型使用小波分析也可以进行损 伤定位，如果进一步进行损伤程度的评定可能需要用小波方法混合其它有关模式匹配的方 法，如人工神经网络方法。 ：。一一。一一。： - ： 损伤 ： ”z - ! ：3 一一一一一一一一一一一一一l 一一一一一一一一一一一一一 i i 丛 a r ， 、一一- - ， 时空域 一- 小波变换 一 小波域 时空域 小波变换 一 小波域 i i 图1 2 基于小波方法的损伤检测 选取用来小波分析的指纹信息是至关重要的，然而似乎选择很多都仅仅来自于假设，这 些假设都是合理的，但似乎又都只是经验的。下面可以罗列出一些假设： 7 第一章绪论 1 如果一个结构在某个时间突然发生了损伤，那么其某些响应的某些成分在此瞬间会发 生突变( 小波分解后可能会很容易看出来) 。 2 如果结构在某个部位有了裂纹或者损伤，那么结构的振型的某些成分会在该点发生某 种突变或者具有某种奇异性( 小波方法可能比其它方法更容易寻找出来) 。 3 如果结构发生损伤了，由于传递函数、固有频率的改变，响应能量的频域分布会发生 变化( 小波方法可能更容易分辨出来) 。 这些假设使得小波分析似乎只在认识的终点被使用了，这些合理的但只能定性的假设似 乎也使得损伤识绝大部分也只能停留在预警和定位上，要实现定位+ 定量似乎仅仅从这些假 设出发不会有结果，似乎还需要对所研究的系统作对应的多尺度分析，寻找出系统的多尺度 变化如何定量地对应于结构响应的多尺度变化( 若假设激励不变) ，如图1 2 。文献【3 7 4 0 1 分 别用小波变换和离散小波变换对多尺度动力系统描述方程有所研究，不过似乎也没有涉及这 样对应关系。总的看来，小波似乎更多的被用做了一种工具而不是作为一种观念，就像 f o u r i e r 分析之于动力学分析一样。 1 2 2 2 桥梁结构数值模拟的多尺度方法 桥梁等大型土木结构的多尺度模拟之于结构健康监测研究的必要性可以通过如下几点 理由综合得到： 1 物理现象是一个多尺度耦合的情形：对于土木结构而言，损伤始自局部应力集中、在 施加于整个结构上的工作荷载作用下，局部损伤的演化造成结构劣化，因而结构劣化实际上 是位于局部细节尺度与结构整体尺度这样两个不同量级的空间尺度上；另一方面，劣化过程 漫长而持久，其间又可能有突发过载造成的损伤与长期累积的疲劳损伤交互作用，突发过载 损伤通常发生在极短的时间内，而疲劳损伤的累积则是发生于结构漫长的服役期，因而外界 的作用在时间上也会是一个多尺度的描述。 2 除了动力学方法之外，存在一类通过对基准模型的修正来实现损伤探测的方法。很显 然由于上述物理决定了如果在建模的时候不同时考虑整体和局部，就不能正确的反映损伤和 失效的物理，从而很多的时候就可能不会有好的结果。但是单纯的去建立精细的数值模型， 一方面花费太大，另一方面即使建立起来了，由于桥梁的使用是在宏观上，计算算出的精细 结果最后还得转换到宏观上去，显得没有必要。所以一个多尺度的建模策略显得很有必要。 3 即使使用动力学的识别方法，由响应的改变反过来推知结构的物理改变，这是个反问 题，也可以看作一个模式识别问题。在没有较为丰富的已有的正演信息情况下( 如局部的损 伤为何能影响整体行为，又是以什么样的方式影响的) ，要很好的实现这些反演似乎不太现 实。正如上一节所述，如果仅仅靠一些经验性的定性的假定去反演这些损伤的模式可能只能 是比较粗略的。获得这些较为丰富的经验信息，一个正确反映物理的、准确的数值模拟显然 就成为必要了。 李( 2 0 0 3 ) 【4 l 】在论述以结构健康监测和状态评估为目标的有限元模拟的论文中，从疲劳 评估的需求出发，已经意识到这个问题并实现了在整体分析的情况下计算局部热点应力。周 阳】在博士论文中使用过渡单元的实施策略，同时分析整体响应和局部的热点应力，其针对 的也是疲劳损伤的演化和桥梁结构的状态评估。李( 2 0 0 6 ) 1 4 3 开始正式使用了一致( 或并 发，c o n c u r r e n t ) 多尺度模拟的概念，较系统地论述了其必要性、具体的实施策略、存在的 挑战和问题，文献 4 1 1 与【4 3 1 的对比可以看出想法的发展过程。同年，孙的博士论文删也使用 8 第一章绪论 了该概念并用子结构法实现了多尺度的一致( 并发) 计算。此外，t 4 习通过二次