大连体育场结构健康监测系统：设计、研发与实践应用

大连体育场结构健康监测系统：设计、研发与实践应用一、引言1.1研究背景与意义随着现代社会的发展，大型空间结构如体育馆、展览馆、机场航站楼等在人们的生活中扮演着越来越重要的角色。这些结构不仅是满足人们体育、文化、交通等活动需求的重要场所，更是城市形象和经济发展的重要标志。然而，由于其规模大、结构复杂，在长期使用过程中，受到自然环境、使用荷载、材料老化等多种因素的影响，结构的安全性和可靠性面临着严峻的挑战。近年来，国内外发生了多起大型空间结构的安全事故，如美国塔科马大桥垮塌、加拿大魁北克大桥整体垮塌、重庆綦江彩虹桥整体垮塌等，这些事故不仅造成了巨大的人员伤亡和财产损失，也引起了社会各界对大型空间结构安全问题的高度关注。因此，对大型空间结构进行实时、有效的安全监测，及时发现结构的损伤和潜在隐患，预测结构的性能变化，对于保障结构的安全运营，保护人民生命财产安全，具有重要的现实意义。大连体育场作为大连市的重要体育设施，承担着举办各类大型体育赛事、文艺演出和群众体育活动的重要任务。其结构形式复杂，采用了大跨度巨型网格弦支穹顶结构，最大跨度为145.4m，整个钢屋盖形状在空间上呈椭球体，通过46个支座固定于下部混凝土柱上。这种结构形式在提高空间利用率和建筑美观性的同时，也增加了结构的受力复杂性和安全风险。为了确保大连体育场在施工及使用期间的结构安全，引入结构健康监测系统对其进行实时监测和评估是非常必要的。结构健康监测系统可以实时采集反映结构状态的物理量，如杆件的应力、预应力索的索力、支座的倾角以及位移、结构的振动等，采用一定的损伤算法，就可以判断结构的损伤程度及损伤位置，及时发出预警信号，为结构的维护和加固提供科学依据。通过对监测数据的分析，还可以验证结构设计的合理性，为同类结构的设计和施工提供参考。此外，结构健康监测系统的应用还可以提高体育场的运营管理水平，降低维护成本，延长结构的使用寿命，具有显著的经济效益和社会效益。1.2国内外研究现状结构健康监测作为保障大型结构安全运营的重要手段，在国内外受到了广泛的关注和深入的研究。从最初的简单监测到如今的智能化、多参数综合监测，该领域取得了长足的发展。在桥梁结构健康监测方面，国外起步较早。20世纪60年代，美国率先对一些重要桥梁进行监测，随后日本、英国、挪威等国家也纷纷开展相关研究与实践。挪威的Skarnsunder斜拉桥建立了早期的结构健康监测系统，通过传感器监测桥梁关键部位的应力、应变和位移等参数，为后续研究提供了宝贵经验。随着科技的不断进步，光纤传感技术、无线通信技术等逐渐应用于桥梁监测领域。例如，美国的一些桥梁采用光纤光栅传感器监测桥梁的应变和温度，这些传感器具有抗电磁干扰、精度高、耐久性好等优点，能够实现对桥梁结构状态的长期稳定监测。国内在桥梁结构健康监测方面的研究虽然起步相对较晚，但发展迅速。近年来，随着我国桥梁建设的快速发展，众多大型桥梁如香港青马大桥、江苏江阴大桥、安徽铜陵大桥等都安装了结构健康监测系统。其中，香港青马大桥安装了33个加速度传感器，江苏江阴大桥安装了72个加速度传感器，安徽铜陵大桥安装了116个加速度传感器，通过对这些传感器采集的数据进行分析，能够实时掌握桥梁在各种荷载作用下的动态响应，及时发现潜在的安全隐患。此外，我国还在监测技术、数据分析方法等方面取得了一系列研究成果，如基于小波分析、神经网络等理论的数据处理与损伤识别方法，提高了监测系统的准确性和可靠性。大跨空间结构健康监测研究也在不断推进。国外一些大型体育馆、展览馆等建筑采用先进的监测技术，对结构的应力、变形、振动等参数进行实时监测。例如，一些国外的大型体育场馆利用激光测量技术监测结构的位移变化，利用应变片监测关键杆件的应力状态，通过对这些数据的实时分析，确保结构在复杂荷载作用下的安全性。在国内，随着2008年北京奥运会的举办，大跨空间结构的建设迎来高潮，相关的健康监测研究也日益增多。学者们对一些大跨空间结构进行了监测，如使用振弦应变计对奥运会羽毛球馆预应力施工过程中的径向拉杆和撑杆的应力进行监测；使用锚索测力计和振弦应变计对国家体育馆的缆索索力和弦杆应力进行监测；采用光纤光栅传感器对济南奥体中心体育馆网壳杆件的应力进行监测等。这些研究为大跨空间结构健康监测技术的发展提供了实践基础。然而，对于像大连体育场这种采用大跨度巨型网格弦支穹顶结构的复杂建筑，其健康监测研究仍具有独特性和挑战性。与传统的桥梁结构和一般的大跨空间结构不同，弦支穹顶结构的受力特性更为复杂，其预应力索撑体系和网壳杆件的协同工作机制对结构的安全性至关重要。目前，针对此类结构的健康监测系统在硬件兼容性和多物理量同步采集方面仍存在不足，难以满足对结构全面、实时监测的需求。大连体育场监测系统的研发，旨在解决这些问题，通过创新的硬件设计和高效的软件算法，实现对多种物理量的实时同步采集和分析，为该类复杂结构的健康监测提供新的思路和方法，具有重要的研究价值和工程应用意义。1.3研究内容与方法本研究围绕大连体育场结构健康监测系统展开，致力于设计并研发一套全面、高效且可靠的监测系统，以确保体育场在全生命周期内的结构安全与稳定。主要研究内容涵盖以下几个关键方面：大连体育场结构特性分析：运用有限元分析软件，对大连体育场复杂的弦支穹顶结构进行深入模拟。全面考虑结构在预应力刚化、大变形效应以及多种荷载工况组合作用下的力学行为，精确计算结构各关键部位的应力、应变分布以及变形情况。通过模态分析，获取结构的自振特性，包括自振频率和振型等参数，为后续监测方案的制定提供坚实的理论基础。监测方案设计：依据结构特性分析结果，针对体育场的关键构件，如径向索、环形索、竖向撑杆、弦杆等，以及重要部位，如支座、整体结构等，制定详细的监测方案。确定需监测的物理量，包括应力、索力、位移、倾角、温度、振动等，并运用结构力学、材料力学等相关理论知识，合理选择传感器的类型、数量和安装位置，以确保能够全面、准确地捕捉结构的状态变化信息。监测系统硬件研发：针对当前结构健康监测系统硬件存在的兼容性和同步采集问题，开展多物理量实时同步采集硬件系统的研发工作。采用先进的传感器技术、数据采集技术和通信技术，实现对多种物理量的兼容采集和实时同步传输。例如，研发基于光纤光栅、振弦式、压电式等多种传感器融合的传感网络，结合高速数据采集卡和可靠的通信模块，确保数据采集的准确性、及时性和稳定性。监测系统软件研发：开发功能强大、操作便捷的监测系统软件，实现数据的自动采集、存储、处理、分析和可视化展示。运用数据库技术、数据挖掘技术和人工智能算法，对采集到的数据进行深度挖掘和分析，及时发现结构状态的异常变化，并进行损伤识别和安全评估。同时，实现监测数据的实时远程传输和共享，方便管理人员随时随地获取结构状态信息。系统集成与验证：将研发的硬件系统和软件系统进行集成，构建完整的大连体育场结构健康监测系统。在体育场现场进行安装调试，并结合实际工程进行系统验证。通过对监测数据的分析和对比，验证系统的准确性、可靠性和有效性，确保系统能够满足体育场结构健康监测的实际需求。在研究方法上，本研究综合运用了多种技术手段和方法：有限元分析方法：借助ANSYS、ABAQUS等专业有限元分析软件，建立大连体育场弦支穹顶结构的精细化模型。通过模拟结构在不同工况下的力学响应，为监测方案的设计提供理论依据，同时也用于对监测数据的分析和验证，评估结构的安全性能。传感器技术：选用适合大连体育场监测需求的传感器，如光纤光栅传感器用于应力、应变监测，具有抗电磁干扰、精度高、耐久性好等优点；振弦式传感器用于索力监测，稳定性强；压电式传感器用于振动监测，响应速度快。通过合理布置传感器，实现对结构多物理量的精确测量。数据采集与传输技术：采用高速数据采集卡，实现对传感器信号的快速采集和数字化转换。利用无线通信技术（如4G、5G）或有线通信技术（如光纤以太网），将采集到的数据实时传输至数据处理中心，确保数据传输的及时性和可靠性。软件开发技术：运用C++、Python等编程语言，结合数据库管理系统（如MySQL）和数据可视化工具（如Echarts），开发监测系统软件。利用面向对象编程思想和模块化设计方法，提高软件的可维护性和可扩展性，实现数据处理、分析、存储和可视化展示等功能。实验验证方法：在大连体育场现场进行传感器安装和监测系统调试，并结合实际工程中的荷载试验、环境测试等，对监测系统进行验证和校准。通过与理论计算结果和传统监测方法的对比分析，评估监测系统的性能和准确性。二、大连体育场结构特点与监测需求分析2.1大连体育场工程概况大连体育场坐落于辽宁省大连市，是一座具有重要意义的大型体育设施，在城市的体育文化生活中扮演着关键角色。其规模宏大，占地面积达到[X]平方米，建筑面积为[X]平方米，拥有[X]个座位，能容纳大量观众，满足举办各类大型体育赛事、文艺演出以及群众体育活动的需求。体育场的建筑风格独具特色，造型设计动感飘逸，宛如灵动的曲线，将现代建筑的时尚感与体育建筑的力量感完美融合。外观采用先进的膜结构，展开面积达[X]平方米，仅次于北京水立方，成为世界上膜结构面积较大的大型单体建筑之一。膜结构的表皮采用ETFE膜材，这种材料不仅使体育场富有多面的表现力，通过蓝色与白色的巧妙组合，呈现出海浪起伏般的变化，更充分体现了大连的地域特色和深厚的足球文化底蕴。从功能布局来看，体育场主体建筑共5层，科学合理地划分为运动员区、竞赛管理区、新闻媒体区、贵宾区和观众区等多个功能区域。各区域分工明确，设施完备，能够全方位地满足赛事举办和观众观赛的各种需求，确保赛事的顺利进行和观众的良好体验。体育场拥有先进的渗水系统，即便遭遇暴雨天气，场地也不会出现积水，保证了比赛的正常开展。在体育场罩棚“肩”部，通过精心调整气枕角度，形成了空气可以流动的通风口，为观众营造了更为舒适的观赛环境。作为大连市的重要体育地标，大连体育场不仅承办了众多国际田径及足球等大型体育赛事，还多次举办城市大型文体活动。例如，2013年成功承办全运会男足甲组和女足甲组的比赛，2020年7月25日-9月28日，中国足球协会超级联赛在此举行。此外，作为2021年世俱杯承办地之一，大连体育场也进行了一系列升级改造，以满足国际足联的赛事要求，进一步提升了其国际影响力和赛事承办能力。2.2结构体系与特点大连体育场屋盖采用大跨度巨型网格弦支穹顶结构，这种结构体系是一种新型的杂交空间结构，融合了网壳结构和预应力索撑体系的优点，具有卓越的力学性能和独特的结构特点。屋盖的网壳部分是结构的主要受力构件之一，其中心部位为弦支穹顶内环，外围的网格形式为肋环型正交立体桁架，整体形状在空间上呈椭球体。网壳杆件全部采用圆钢管，这种材料具有较高的强度和良好的抗压、抗弯性能，能够有效地承受屋面传来的竖向荷载以及风荷载、地震作用等水平荷载。通过合理的网格布置和杆件连接方式，网壳结构形成了一个稳定的空间受力体系，为整个屋盖提供了坚实的支撑。预应力索撑体系与上部网壳结构相互协同工作，是弦支穹顶结构的关键组成部分。该体系的形式与上部桁架相对应，由环向索、径向索和撑杆构成，共设置3环。撑杆同样采用圆钢管，其上下端均为铰接连接，这种连接方式能够使撑杆在受力时自由转动，更好地适应结构的变形。撑杆与索系之间通过铸钢节点连接，铸钢节点具有强度高、韧性好、加工精度高的特点，能够可靠地传递索力和撑杆的轴力，确保预应力索撑体系的协同工作效率。环向索和径向索是预应力索撑体系中的主要受拉构件，通过施加预应力，它们能够有效地提高结构的整体刚度和承载能力。在结构承受荷载时，索系能够将部分荷载直接传递到支座上，减轻网壳杆件的受力负担，同时利用索的张拉作用，使网壳结构产生反向变形，抵消部分由荷载引起的变形，从而提高结构的稳定性。由于1/4区域内每段环向索和每根径向索的索力以及撑杆的轴力存在差异，在实际工程中，采用张拉径向索的方法进行弦支穹顶结构预应力张拉。整个张拉过程分为4级，分别张拉到设计值的10%、50%、70%和105%，其中第1级和第2级由内向外张拉，第3级和第4级由外向内张拉。为保证张拉的均匀性，同时考虑张拉设备数量，每一级又按照分组、分批的顺序进行张拉，整个张拉过程历时9d。大连体育场弦支穹顶结构通过网壳与预应力索撑体系的有机结合，充分发挥了钢材的强度优势，实现了大跨度空间的高效覆盖。这种结构体系不仅具有较高的承载能力和良好的抗震性能，还能有效降低结构自重，减少用钢量，具有显著的经济效益和社会效益。其独特的结构形式和复杂的受力特性，也对结构健康监测提出了更高的要求，需要全面、准确地监测结构的各项物理参数，以确保结构的安全稳定运行。2.3结构受力分析与潜在风险评估为深入了解大连体育场弦支穹顶结构的力学性能，准确评估其在各种工况下的安全状态，运用有限元软件ANSYS对结构进行了全面而细致的受力分析。在建模过程中，充分考虑结构的实际构造和材料特性。对于上部网壳结构，杆件连接视为刚接，选用PIPE16单元进行模拟，该单元能够较好地模拟圆钢管杆件的力学行为，准确反映其在受力时的应力、应变分布情况。环索和径向拉索采用拉杆单元LINK10单元来模拟，LINK10单元适用于模拟只承受轴向拉力的索单元，能够精确模拟拉索的张拉特性和受力状态。撑杆单元采用LINK8单元来模拟，撑杆与上部网壳连接为铰接，这种连接方式通过在模型中合理设置节点约束来实现，能够真实反映撑杆在结构中的受力和变形情况。环梁则采用BEAM4单元模拟，BEAM4单元可考虑弯曲、拉伸和扭转等多种受力情况，适合模拟环梁这种复杂受力构件。在荷载施加方面，全面考虑了结构在实际使用过程中可能承受的各种荷载。除了施加预应力以模拟结构的初始受力状态外，还考虑了屋面板等恒荷载，通过MASS21单元将其施加在结构上，以准确反映结构在自重作用下的力学响应。同时，考虑了活荷载、风荷载和地震作用等可变荷载。对于活荷载，根据体育场的使用功能和相关规范，合理确定其取值和分布范围。风荷载的施加则依据当地的气象资料和相关规范，考虑不同风向和风速对结构的影响。在地震作用分析中，根据大连地区的地震设防烈度和场地条件，选取合适的地震波进行时程分析，并采用反应谱法进行对比验证，以确保分析结果的可靠性。通过有限元分析，得到了结构在不同荷载工况下的应力、应变分布情况。结果表明，在正常使用荷载工况下，结构各杆件的应力水平均在材料的允许范围内，结构整体处于弹性工作状态。然而，在某些特殊工况下，如遭遇强烈地震或极端风荷载时，部分关键杆件的应力可能会接近或超过材料的屈服强度，存在一定的安全风险。对于大连体育场这样的大型公共建筑，地震和强风是其面临的主要自然灾害威胁，可能导致结构严重损坏甚至倒塌，造成巨大的人员伤亡和财产损失，因此对其进行潜在风险评估至关重要。在地震风险评估方面，采用非线性动力时程分析法和反应谱法对结构的抗震性能进行了深入研究。非线性动力时程分析能够考虑结构在地震作用下的非线性行为，如材料的非线性、几何非线性等，更真实地反映结构在地震中的响应。通过选取多条符合大连地区地震特性的地震波，对结构进行动力时程分析，得到了结构在地震作用下的加速度、速度、位移时程曲线以及关键部位的应力、应变响应。反应谱法则是根据地震反应谱理论，计算结构在不同地震波作用下的最大响应，为结构的抗震设计提供重要依据。分析结果显示，大连体育场弦支穹顶结构在多遇地震作用下，结构的位移和应力均满足规范要求，结构处于弹性工作状态，具有较好的抗震性能。在设防地震作用下，结构部分构件进入塑性状态，但塑性铰的分布和发展较为合理，结构的整体承载能力和变形能力仍能满足设计要求。然而，在罕遇地震作用下，结构的塑性铰发展较为严重，部分关键构件的承载力下降，结构的变形显著增大，存在一定的倒塌风险。尤其是结构的支座部位和预应力索撑体系，在罕遇地震作用下受力较为复杂，容易出现破坏，需重点关注。针对风灾风险评估，首先通过风洞试验研究获得了结构的风压分布特性。在风洞试验中，按照一定的相似比制作了大连体育场的刚性模型，模拟不同风向角和风速下的风场环境，测量模型表面的风压分布情况。根据风洞试验结果，分析了风荷载对结构的作用规律，确定了结构在不同风向角下的最不利风荷载工况。同时，采用风振响应分析方法对结构在风荷载作用下的动力响应进行了计算。考虑结构的自振特性、风荷载的脉动特性以及结构与风的相互作用，运用随机振动理论计算结构的风振响应，包括结构的位移、速度、加速度以及杆件的应力等。分析结果表明，在强风作用下，结构的风振响应较为明显，尤其是屋盖结构的位移和杆件应力变化较大。当风速超过一定阈值时，部分杆件的应力可能会超过设计值，对结构的安全性产生影响。此外，结构的风振响应还与风向角密切相关，在某些特定风向角下，结构的风振响应更为突出，需采取相应的抗风措施。2.4监测需求确定基于大连体育场弦支穹顶结构的特点以及上述受力分析和潜在风险评估结果，明确了以下关键物理量的监测需求，这些监测内容对于全面掌握结构的工作状态、及时发现安全隐患具有重要意义。应力监测：应力是反映结构构件受力状态的关键指标，通过对应力的监测，能够及时发现构件是否处于危险受力状态。对径向索、环形索、竖向撑杆和弦杆等关键构件的应力进行监测至关重要。在荷载作用下，这些构件的应力分布复杂，且不同部位的应力水平差异较大。例如，在地震或强风等极端荷载作用下，部分关键杆件的应力可能会迅速增大，接近或超过材料的屈服强度。通过实时监测这些构件的应力变化，可以及时评估结构的承载能力，为结构的安全性判断提供直接依据。索力监测：索力是预应力索撑体系的重要参数，对结构的整体刚度和稳定性有着显著影响。由于1/4区域内每段环向索和每根径向索的索力存在差异，且在结构使用过程中，索力可能会因材料松弛、温度变化等因素而发生改变。准确监测索力的大小及其变化情况，能够确保预应力索撑体系的有效性，维持结构的设计力学性能。当索力出现异常变化时，可能导致结构的受力状态发生改变，甚至引发结构的局部破坏或整体失稳。位移监测：结构位移是衡量结构变形程度的重要指标，能够直观反映结构在荷载作用下的整体响应。对结构整体的位移变化以及支座位移进行监测，可以了解结构的变形形态和趋势。在正常使用荷载下，结构的位移应在设计允许范围内。若位移超出正常范围，可能意味着结构存在潜在的安全隐患，如结构刚度不足、构件连接松动等。支座位移的异常还可能影响结构的传力路径，导致结构受力不均。倾角监测：支座的倾角变化反映了支座的转动情况，对结构的稳定性评估具有重要意义。在结构承受荷载时，支座的倾角可能会发生改变，若倾角过大，可能会影响结构的整体稳定性。例如，在地震或风荷载作用下，支座的倾角变化可能导致结构的重心偏移，增加结构倒塌的风险。通过监测支座的倾角，可以及时发现支座的异常转动，为结构的稳定性分析提供关键数据。温度监测：温度变化会引起结构材料的热胀冷缩，从而产生温度应力。大连地区四季温差较大，且体育场结构暴露在自然环境中，温度变化对结构的影响不容忽视。当结构各部分温度变化不均匀时，会产生较大的温度应力，可能导致结构构件出现裂缝或破坏。实时监测结构的温度分布情况，能够准确评估温度对结构的影响，为结构的应力分析和安全评估提供必要的温度数据，以便采取相应的温度控制措施。振动监测：结构的振动特性能够反映结构的整体刚度和健康状况。通过对结构整体和局部的振动进行监测，获取结构的自振频率、振型和振动响应等参数，可以评估结构在动力荷载作用下的性能。当结构发生损伤时，其振动特性会发生改变，例如自振频率降低、振型发生变化等。通过监测振动参数的变化，可以及时发现结构的损伤情况，为结构的健康诊断提供重要依据。在体育场举办大型活动时，人群的活动、设备的运行等都可能引起结构的振动，监测振动情况有助于确保结构在动态荷载作用下的安全。三、监测系统设计方案3.1设计原则与目标大连体育场结构健康监测系统的设计遵循一系列科学合理的原则，以确保系统能够高效、稳定、可靠地运行，全面实现对体育场结构的健康监测。功能原则是监测系统设计的首要原则。系统应具备全面监测大连体育场弦支穹顶结构关键物理量的功能，包括但不限于应力、索力、位移、倾角、温度和振动等。通过对这些物理量的实时监测，能够准确反映结构的工作状态，及时发现潜在的安全隐患。例如，对于预应力索撑体系中的索力监测，系统应能够精确测量索力的大小及其变化情况，以保证索撑体系的有效性和结构的整体稳定性。同时，系统应具备强大的数据处理和分析功能，能够对采集到的海量数据进行快速、准确的处理，提取有价值的信息，为结构的安全评估提供可靠依据。利用先进的数据挖掘算法和机器学习技术，对长期积累的监测数据进行分析，预测结构的性能变化趋势，提前制定相应的维护措施。成本原则也是设计过程中需要重点考虑的因素。在满足监测功能要求的前提下，应尽量降低系统的建设成本和运营成本。这包括合理选择传感器、数据采集设备、通信设备等硬件设施，避免过度追求高端设备而导致成本过高。同时，采用经济高效的数据传输方式和存储方式，减少数据传输和存储的成本。在软件设计方面，注重提高软件的可维护性和可扩展性，降低后期软件升级和维护的成本。通过优化系统架构和算法，提高系统的运行效率，减少能源消耗，进一步降低运营成本。可靠性原则是监测系统的生命线。由于大连体育场作为重要的体育设施，其结构安全关系到大量人员的生命财产安全，因此监测系统必须具备高度的可靠性。在硬件选型上，选用质量可靠、性能稳定的传感器和设备，确保其能够在复杂的环境条件下长期稳定运行。例如，采用具有抗电磁干扰、防水、防尘等特性的传感器，提高传感器的可靠性和使用寿命。在系统设计上，采用冗余设计和容错技术，确保在部分设备出现故障时，系统仍能正常运行，不影响监测数据的采集和传输。同时，建立完善的系统维护和管理机制，定期对系统进行检测和维护，及时发现和解决潜在的问题，保障系统的可靠性。可扩展性原则是为了适应未来体育场结构的改造、升级以及监测需求的变化。监测系统应具备良好的可扩展性，能够方便地添加新的监测参数和传感器，以及对系统进行功能扩展和升级。在硬件设计上，采用模块化的设计理念，使系统的各个组成部分具有良好的兼容性和可替换性，便于后期的扩展和升级。在软件设计上，采用开放式的架构，预留数据接口和功能接口，方便与其他系统进行集成和对接，同时便于开发新的功能模块，满足不断变化的监测需求。实时性原则对于及时发现结构的异常变化至关重要。监测系统应能够实时采集、传输和处理监测数据，确保管理人员能够及时了解结构的最新状态。采用高速数据采集设备和高效的数据传输网络，实现监测数据的快速采集和实时传输。在数据处理方面，运用实时数据处理算法和多线程技术，对采集到的数据进行实时分析和处理，及时发现数据中的异常情况，并发出预警信号。通过实时性原则的贯彻，能够有效提高结构安全事故的预警能力，为及时采取措施提供充足的时间。大连体育场结构健康监测系统的设计目标是实现对体育场结构的全方位、实时、准确的监测，为结构的安全评估和维护提供科学依据。具体而言，系统应能够实时监测结构的应力、索力、位移、倾角、温度和振动等物理量，获取结构在各种工况下的响应信息。通过对这些监测数据的分析和处理，及时发现结构的损伤和潜在隐患，准确判断结构的损伤程度和位置，并进行安全评估。当结构出现异常情况时，系统能够及时发出预警信号，提醒管理人员采取相应的措施，避免安全事故的发生。同时，系统应具备数据存储和管理功能，能够长期保存监测数据，为结构的长期性能评估和维护决策提供数据支持。通过对历史监测数据的分析，总结结构的性能变化规律，优化结构的维护策略，延长结构的使用寿命。此外，监测系统还应具备良好的用户界面，方便管理人员进行操作和查询，提高体育场的运营管理效率。3.2监测参数与测点布置基于对大连体育场结构特性和监测需求的深入分析，确定了一系列关键的监测参数，并依据结构力学、材料力学等相关理论，对测点进行了科学合理的布置，以确保能够全面、准确地获取结构的状态信息。应力监测是了解结构受力状态的关键。对于径向索、环形索、竖向撑杆和弦杆等关键构件，其应力分布直接反映了结构的承载能力和安全性能。在径向索和环形索上，选取索的中部以及与撑杆连接部位作为测点，这些位置在结构受力时应力变化较为明显，能够敏感地反映索力的变化情况。对于竖向撑杆，在撑杆的上下端以及中部布置测点，撑杆上下端与索系和网壳连接，受力复杂，中部则能反映撑杆整体的应力状态。弦杆的测点布置在弦杆的跨中以及与腹杆连接的节点处，跨中是弦杆受力的关键部位，节点处则由于力的传递和构件的相互作用，应力分布复杂，通过这些测点可以全面掌握弦杆的应力变化。索力是预应力索撑体系的核心参数，对结构的整体刚度和稳定性起着决定性作用。采用振动频率法测量索力，在每根径向索和环向索上布置相应的传感器。考虑到索力在不同区域存在差异，重点监测索力变化较大的区域以及结构受力关键部位的索力。对于不同长度和直径的索，根据其力学特性和结构分析结果，合理确定测点数量和位置，以确保索力监测的准确性和代表性。例如，对于较长或受力较大的索，适当增加测点数量，以更精确地测量索力分布。位移监测能够直观反映结构在荷载作用下的变形情况。在结构整体位移监测方面，利用全站仪、GPS等设备，在屋盖的关键控制点，如屋盖边缘的角点、跨度方向的中点等位置布置测点，通过实时测量这些测点的三维坐标变化，获取结构整体的位移信息。支座位移和倾角的监测对于评估结构的稳定性至关重要，在每个支座处安装位移传感器和倾角传感器，位移传感器测量支座在水平和垂直方向的位移，倾角传感器则监测支座的转动角度，全面掌握支座的工作状态。温度变化会对结构产生显著影响，尤其是在大连地区温差较大的环境下。在结构的不同部位，如屋盖顶部、底部、边缘以及关键构件上，均匀布置温度传感器，以监测结构在不同环境条件下的温度分布。温度传感器的布置考虑了结构的热传导特性和可能出现的温度梯度，确保能够准确测量结构的温度变化，为后续的温度应力分析提供可靠数据。振动监测是评估结构动力性能和健康状况的重要手段。在结构整体振动监测方面，在屋盖的多个位置布置加速度传感器，形成振动监测网络，通过测量结构在环境激励或人为激励下的加速度响应，分析结构的自振频率、振型和阻尼比等动力特性。对于局部振动监测，针对可能出现局部振动问题的区域，如某些杆件连接节点、悬挑部位等，加密布置加速度传感器，以捕捉局部振动的异常情况，及时发现结构的潜在损伤。测点布置遵循一系列重要原则，以确保监测数据的有效性和可靠性。代表性原则要求测点能够充分反映结构整体或关键部位的力学响应，通过对结构有限元分析结果的深入研究，确定结构受力的关键区域和敏感部位，将测点布置在这些位置，如应力集中区域、位移较大区域等，使监测数据能够准确代表结构的实际工作状态。敏感性原则强调测点应能够敏锐地捕捉到结构状态的微小变化，对于可能发生损伤或性能退化的部位，选择灵敏度高的传感器，并合理布置测点，以提高对结构异常情况的监测能力。经济性原则在保证监测效果的前提下，尽量优化测点数量和传感器选型，避免过度监测造成资源浪费。通过合理规划测点布局，在满足监测要求的同时，降低监测系统的建设和运营成本。可维护性原则考虑到传感器在长期使用过程中的维护和更换需求，测点位置应便于操作人员进行检查、校准和维修，同时确保传感器安装牢固，能够在恶劣环境下正常工作。通过科学确定监测参数和合理布置测点，大连体育场结构健康监测系统能够全面、准确地获取结构的状态信息，为后续的结构安全评估和维护决策提供坚实的数据基础，有效保障体育场在全生命周期内的安全稳定运行。3.3传感器选型与配置在大连体育场结构健康监测系统中，传感器的选型与配置是确保监测数据准确性和可靠性的关键环节。不同类型的传感器具有各自独特的特点，需要根据具体的监测参数和现场环境进行合理选择与配置。光纤光栅传感器是近年来发展迅速的一种新型传感器，其工作原理基于光纤的光敏特性。当外界因素如温度、压力、应变等发生变化时，会导致光纤光栅的中心波长发生漂移，通过检测波长的变化量，即可精确获取被测物理量的变化情况。这种传感器具有诸多显著优点，其灵敏度极高，能够检测到微小的物理量变化；动态范围大，可适应不同强度的信号检测；抗电磁干扰能力强，在复杂的电磁环境中仍能稳定工作，尤其适用于大连体育场这种存在多种电气设备的场所；同时，它还具有抗腐蚀、寿命长、测量范围广等特点。在大连体育场的应力和温度监测中，光纤光栅传感器得到了广泛应用。例如，在监测径向索、环形索、竖向撑杆和弦杆等关键构件的应力时，将光纤光栅应变传感器粘贴于构件表面，通过测量应变来间接获取应力信息。其高精度的应变测量能力，能够及时捕捉到构件应力的细微变化，为结构的受力分析提供准确数据。在温度监测方面，光纤光栅温度传感器可均匀布置于结构的不同部位，如屋盖顶部、底部、边缘以及关键构件上，实现对结构温度场的全面监测。振弦式传感器属于无源传感器，以拉紧的金属弦作为敏感元件。其工作过程为：当外界力作用于传感器时，金属弦的振动频率会发生改变，通过外部激励使弦起振，再由振弦式传感器内的电感线圈接收振弦的脉冲信号，并将其转换成可测定的电信号，经过后续处理后得到被测物理量的值。振弦的材料与质量对传感器的精度、灵敏度和稳定性有着至关重要的影响，常用的振弦材料包括钨丝、提琴弦、高强度钢丝、钛丝等，其中钨丝因其性能稳定、硬度高、熔点和抗拉强度大而被广泛应用。振弦式传感器具有稳定性强、精度较高的特点，特别适用于索力监测。在大连体育场预应力索撑体系的索力监测中，采用振弦式锚索测力计，将其安装在索的端部，通过测量索力作用下振弦的振动频率变化，精确计算出索力的大小。由于索力是影响结构整体刚度和稳定性的关键参数，振弦式传感器的高稳定性和精度能够确保索力监测数据的可靠性，为结构的安全评估提供重要依据。压电式传感器基于压电效应工作，其敏感元件由压电材料制成，常见的压电材料有石英、压电陶瓷等。当压电材料受到外力作用时，其表面会产生电荷，这些电荷经电荷放大器和测量电路放大、变换阻抗后，成为与所受外力成正比的电量输出。压电式传感器具有响应速度快、灵敏度高的优点，非常适合用于结构的振动监测。在大连体育场的振动监测中，在屋盖的多个位置布置压电式加速度传感器，组成振动监测网络。当结构受到环境激励（如风力、地面振动等）或人为激励（如人群活动、设备运行等）时，加速度传感器能够迅速响应，捕捉到结构的振动信号，并将其转化为电信号输出。通过对这些振动信号的分析，可以获取结构的自振频率、振型和阻尼比等动力特性参数，及时发现结构的异常振动情况，为结构的健康诊断提供关键信息。对于位移监测，选用全站仪和GPS传感器。全站仪是一种集光、机、电为一体的高技术测量仪器，能够精确测量角度和距离，通过测量测点的三维坐标变化，可获取结构的位移信息。在大连体育场的结构整体位移监测中，在屋盖的关键控制点，如屋盖边缘的角点、跨度方向的中点等位置设置全站仪监测点，定期进行测量，以监测结构在长期使用过程中的位移变化。GPS传感器则利用全球定位系统，通过接收卫星信号来确定测点的位置，具有测量不受气象条件限制、测站之间无需通视等优点。在大连体育场的位移监测中，主要用于实时监测结构在动态荷载作用下的位移响应，如在举办大型体育赛事或文艺演出时，人群的活动可能会引起结构的瞬间位移变化，GPS传感器能够快速、准确地捕捉到这些变化，为结构的安全性评估提供实时数据。在倾角监测方面，采用倾角传感器。倾角传感器利用重力加速度原理，通过测量重力加速度在传感器敏感轴上的分量，来确定传感器的倾斜角度。在大连体育场的每个支座处安装倾角传感器，实时监测支座的转动角度。支座的倾角变化是评估结构稳定性的重要指标之一，通过对倾角数据的监测和分析，能够及时发现支座的异常转动情况，为结构的稳定性分析提供关键数据，确保结构在各种荷载作用下的安全。传感器的配置严格遵循测点布置原则。在应力监测中，根据结构受力分析结果，在径向索、环形索、竖向撑杆和弦杆等关键构件的应力集中区域、受力复杂部位以及可能出现损伤的部位布置光纤光栅应变传感器，以确保能够全面、准确地监测构件的应力变化。对于索力监测，在每根径向索和环向索的端部安装振弦式锚索测力计，同时考虑索力在不同区域的差异，在索力变化较大的区域适当增加传感器数量，以提高索力监测的精度和可靠性。在位移监测中，在屋盖的关键控制点布置全站仪监测点，在需要实时监测位移的部位布置GPS传感器，在每个支座处布置位移传感器和倾角传感器，实现对结构整体位移、支座位移和倾角的全面监测。在温度监测中，根据结构的热传导特性和可能出现的温度梯度，在结构的不同部位均匀布置光纤光栅温度传感器，确保能够准确测量结构的温度分布。在振动监测中，在屋盖的多个位置均匀布置压电式加速度传感器，形成振动监测网络，同时针对可能出现局部振动问题的区域，如某些杆件连接节点、悬挑部位等，加密布置加速度传感器，以提高对局部振动的监测能力。通过对光纤光栅、振弦式、压电式等多种传感器的合理选型与配置，以及严格遵循测点布置原则，大连体育场结构健康监测系统能够实现对结构多种物理量的精确测量，为结构的安全评估和维护决策提供全面、准确的数据支持，有效保障体育场的安全稳定运行。3.4数据采集与传输方案在大连体育场结构健康监测系统中，数据采集与传输是实现结构状态实时监测的关键环节，其准确性、及时性和稳定性直接影响到整个监测系统的性能。数据采集硬件设备的选择与配置至关重要。选用了高性能的多通道数据采集卡，其具备高精度的模数转换功能，能够快速、准确地将传感器输出的模拟信号转换为数字信号，满足多种传感器信号的采集需求。针对光纤光栅传感器，配置了专用的光纤光栅解调仪，该解调仪采用先进的波长解调技术，能够精确测量光纤光栅的波长变化，从而获取结构的应力、应变和温度等物理量。对于振弦式传感器，配备了振弦式频率读数仪，通过测量振弦的振动频率，计算出索力、应力等参数。压电式传感器则连接电荷放大器，将传感器输出的微弱电荷信号放大后，再输入数据采集卡进行处理。此外，还采用了信号调理模块，对传感器输出的信号进行滤波、放大、隔离等预处理，提高信号的质量和稳定性，减少噪声干扰对数据采集的影响。在数据传输方面，充分考虑了大连体育场的现场环境和监测数据的特点，采用了有线与无线相结合的传输方式。对于距离数据处理中心较近、信号传输要求较高的传感器，如位于体育场主体结构关键部位的传感器，采用有线传输方式。选用了光纤以太网作为有线传输网络，光纤具有传输速度快、带宽大、抗电磁干扰能力强等优点，能够满足大量监测数据的高速、稳定传输需求。通过光纤将各个传感器节点与数据采集服务器连接起来，形成一个可靠的有线传输网络，确保数据的实时传输和准确接收。对于一些安装位置较为分散、布线困难的传感器，如分布在体育场周边区域或高处的传感器，采用无线传输方式。选用了基于ZigBee、LoRa等技术的无线传感器网络，这些技术具有低功耗、自组网、传输距离远等特点，适合在复杂环境下实现传感器节点与汇聚节点之间的无线通信。传感器节点将采集到的数据通过无线信号发送给汇聚节点，汇聚节点再将数据转发至数据采集服务器。为了提高无线传输的可靠性，采用了多跳传输、数据加密、自动重传等技术，确保数据在传输过程中的安全性和完整性。构建了层次化的数据传输网络架构，以实现监测数据的高效传输和管理。整个网络架构分为感知层、传输层和应用层。感知层由分布在体育场各个监测点的传感器组成，负责采集结构的各种物理量信息，并将其转换为电信号或光信号输出。传输层包括有线传输网络和无线传输网络，负责将感知层采集到的数据传输至数据处理中心。其中，有线传输网络采用光纤以太网，实现高速、稳定的数据传输；无线传输网络采用ZigBee、LoRa等技术，实现传感器节点与汇聚节点之间的无线通信。应用层则是数据处理和分析的核心部分，包括数据采集服务器、数据库服务器和监测系统软件等。数据采集服务器负责接收传输层传来的数据，并进行初步的处理和存储；数据库服务器用于存储大量的监测历史数据，为后续的数据分析和挖掘提供数据支持；监测系统软件则实现数据的实时显示、分析、报警等功能，为管理人员提供直观、准确的结构状态信息。为了确保数据传输的可靠性和稳定性，还采取了一系列的数据传输管理措施。在数据传输过程中，采用了数据校验技术，如CRC校验、奇偶校验等，对传输的数据进行校验，确保数据的准确性。同时，建立了数据备份机制，定期对监测数据进行备份，防止数据丢失。此外，还对数据传输网络进行实时监控，及时发现和解决网络故障，保障数据传输的畅通。通过合理选择数据采集硬件设备，采用有线与无线相结合的传输方式，构建层次化的数据传输网络架构，并实施有效的数据传输管理措施，大连体育场结构健康监测系统能够实现监测数据的快速、准确、稳定传输，为结构的安全评估和维护决策提供有力的数据支持。四、监测系统硬件研发4.1多物理量同步采集硬件设计大连体育场结构健康监测系统需对多种物理量进行实时监测，然而传统监测系统硬件难以兼容所有被测物理量，且无法实现多物理量同步采集，严重影响对结构健康状况的准确分析。因此，研发多物理量同步采集硬件系统至关重要。在硬件选型方面，充分考虑不同物理量监测的特点与需求，选用多种类型的传感器，如光纤光栅传感器用于应力、应变和温度监测，振弦式传感器用于索力监测，压电式传感器用于振动监测，全站仪和GPS传感器用于位移监测，倾角传感器用于支座倾角监测等。为实现这些传感器信号的兼容采集，采用了模块化设计理念，开发了多功能数据采集模块。该模块具备多种信号输入接口，可适配不同类型传感器的输出信号，通过内部的信号调理电路，对传感器信号进行滤波、放大、隔离等预处理，使其满足数据采集卡的输入要求。为解决多物理量同步采集问题，设计了基于高精度时钟同步的硬件同步采集方案。在系统中引入高精度时钟源，如原子钟或GPS同步时钟，为各个数据采集模块提供统一的时间基准。每个数据采集模块内置同步触发电路，在接收到时钟同步信号后，同时启动数据采集过程，确保不同物理量的采集在同一时刻开始，实现多物理量的同步采集。此外，采用了多通道并行数据采集技术，数据采集卡具备多个高速采集通道，可同时对多个传感器信号进行采集，进一步提高采集效率和同步性。针对不同类型传感器的数据传输特性，设计了相应的数据传输接口和通信协议。对于光纤光栅传感器，采用光纤通信接口，利用光纤的高速、大容量传输特性，实现波长数据的快速传输；振弦式传感器和压电式传感器等输出的电信号，通过RS485、CAN等串行通信接口进行传输，这些通信接口具有抗干扰能力强、传输距离远的特点，适合工业现场环境下的数据传输。为保证数据传输的可靠性和稳定性，制定了严格的通信协议，对数据的帧格式、校验方式、传输速率等进行了规范，确保数据在传输过程中不丢失、不被篡改。在硬件系统的抗干扰设计方面，采取了多种措施。在硬件布局上，将传感器与数据采集设备、通信设备等进行合理分区，减少相互之间的电磁干扰。对敏感的模拟信号线路，采用屏蔽线进行传输，并做好屏蔽层的接地处理，防止外界电磁干扰的侵入。在电源设计上，采用隔离电源模块，为各个硬件设备提供独立的电源，减少电源噪声对系统的影响。同时，在电路中加入滤波电容、磁珠等抗干扰元件，进一步抑制电源和信号线路上的噪声。通过这些抗干扰措施的实施，有效提高了硬件系统在复杂电磁环境下的稳定性和可靠性，确保监测数据的准确性。4.2硬件设备的安装与调试硬件设备的安装与调试是大连体育场结构健康监测系统建设的重要环节，直接关系到监测数据的准确性和系统的稳定性。在安装过程中，严格遵循相关标准和规范，确保传感器、数据采集仪等设备的正确安装与连接。在传感器安装位置的确定上，依据测点布置方案，充分考虑结构的受力特点和监测需求。对于光纤光栅传感器，在安装前对其进行外观检查，确保光栅无损坏、涂层无脱落。在径向索、环形索、竖向撑杆和弦杆等关键构件上，选择应力变化明显、易于安装和维护的部位作为安装点。例如，在径向索中部，采用专用的夹具将光纤光栅应变传感器牢固粘贴，确保传感器与索体紧密接触，以准确测量索的应变情况。在温度监测点，将光纤光栅温度传感器安装在结构表面，并用保温材料进行适当包裹，防止外界环境因素对温度测量的干扰。振弦式传感器主要用于索力监测，安装在索的端部。在安装前，对传感器进行校准，确保其测量精度符合要求。安装时，将传感器的受力端与索的端部可靠连接，保证索力能够准确传递到传感器上。同时，注意传感器的安装方向，使其敏感轴与索力方向一致，以获得准确的测量结果。压电式加速度传感器用于振动监测，在屋盖的多个位置进行安装。根据振动监测网络的布局，选择结构振动响应较为敏感的部位，如屋盖边缘、跨中等。安装时，采用螺栓将传感器固定在结构表面，确保传感器与结构之间的连接牢固，避免在振动过程中出现松动，影响测量精度。位移传感器和倾角传感器的安装同样至关重要。全站仪监测点设置在屋盖的关键控制点，通过建立稳定的观测墩，确保全站仪能够准确测量测点的三维坐标变化。GPS传感器安装在需要实时监测位移的部位，确保其能够接收良好的卫星信号。倾角传感器则安装在每个支座处，通过专用的安装支架，将传感器固定在支座的合适位置，使其能够准确测量支座的倾角变化。在安装工艺方面，严格把控每一个环节。对于传感器与结构的连接，采用合适的连接方式和材料，确保连接的可靠性。如光纤光栅传感器的粘贴，使用高强度、耐高温的粘结剂，按照规定的工艺要求进行粘贴，保证传感器与结构之间的应变传递效率。在传感器线缆的铺设过程中，遵循布线规则，避免线缆交叉、缠绕，防止信号干扰。对于重要的线缆，采用穿管保护措施，确保线缆在使用过程中不受损坏。数据采集仪的安装位置选择在环境较为稳定、便于维护和管理的地方。将数据采集仪固定在专用的机柜内，确保其稳固可靠。在数据采集仪与传感器的连接过程中，按照预先设计的布线方案，正确连接各个通道，确保信号传输的准确性。同时，对连接线路进行标识，方便后续的维护和故障排查。硬件设备安装完成后，进行全面的调试工作。调试流程包括设备自检、参数设置、信号测试和系统联调等环节。首先，对各个硬件设备进行自检，检查设备是否正常工作，有无硬件故障。例如，通过数据采集仪的自检功能，检查采集卡的各个通道是否正常，传感器的连接是否正确。然后，根据监测系统的要求，对设备的参数进行设置，如传感器的量程、采样频率、数据传输速率等。在信号测试阶段，使用标准信号源对传感器进行校准和测试，检查传感器的测量精度和线性度是否满足要求。对于光纤光栅传感器，通过光纤光栅解调仪对其进行波长校准，确保测量的准确性。对于振弦式传感器，使用频率校准仪对其进行频率校准，保证索力测量的精度。在系统联调过程中，模拟实际监测工况，对整个监测系统进行全面测试。检查数据采集仪是否能够准确采集各个传感器的数据，数据传输是否稳定可靠，监测系统软件是否能够正确接收和处理数据，并实时显示监测结果。通过系统联调，及时发现和解决硬件设备之间、硬件与软件之间可能存在的兼容性问题和通信故障。在调试过程中，详细记录调试数据和出现的问题，对问题进行分析和总结，及时采取相应的措施进行解决。通过严格的安装与调试工作，确保大连体育场结构健康监测系统的硬件设备能够正常运行，为后续的结构健康监测工作提供可靠的保障。4.3硬件系统的可靠性与抗干扰设计大连体育场结构健康监测系统的硬件系统在复杂的运行环境中，可能面临多种干扰因素，这些干扰会影响监测数据的准确性和系统的可靠性。为确保系统稳定运行，采取了一系列屏蔽、滤波、冗余设计等抗干扰措施。在电磁干扰方面，体育场内存在大量电气设备，如照明系统、音响设备、转播设备等，这些设备在运行过程中会产生强烈的电磁辐射，可能干扰传感器信号的传输和数据采集设备的正常工作。同时，外界的自然电磁干扰，如雷电、太阳黑子活动等，也可能对系统造成影响。此外，信号传输过程中的干扰也不容忽视，长距离传输的传感器信号容易受到传输线路周围电磁场的影响，导致信号失真或衰减。针对这些干扰因素，采取了全面的屏蔽措施。对于传感器，采用金属屏蔽外壳，将其内部的敏感元件与外界电磁环境隔离开来。例如，光纤光栅传感器的封装采用金属屏蔽材料，有效防止电磁干扰对其波长测量的影响。在信号传输线路方面，使用屏蔽电缆，如对光纤光栅传感器的信号传输采用带金属屏蔽层的光纤，对振弦式传感器和压电式传感器的信号传输采用屏蔽双绞线。屏蔽电缆的屏蔽层接地良好，能够将干扰信号引入大地，减少对信号的影响。在数据采集设备和通信设备周围，设置金属屏蔽罩，形成电磁屏蔽空间，进一步降低电磁干扰的影响。滤波技术也是提高硬件系统抗干扰能力的重要手段。在信号调理电路中，设计了多种滤波器，针对不同频率的干扰信号进行有效滤除。对于高频干扰信号，采用电容滤波和电感滤波相结合的方式，通过在电路中合理配置电容和电感，形成低通滤波器，阻止高频干扰信号通过。例如，在压电式传感器的信号调理电路中，加入陶瓷电容和电感组成的低通滤波器，有效滤除了高频噪声干扰，提高了振动信号的质量。对于低频干扰信号，采用有源滤波器，通过运算放大器和电阻、电容等元件组成的电路，对低频干扰信号进行反向抵消，从而达到滤波的目的。同时，还采用数字滤波算法，在数据采集卡对信号进行数字化处理后，利用软件算法对采集到的数据进行滤波处理，进一步提高数据的准确性。例如，采用中值滤波算法，对采集到的应力数据进行处理，去除因干扰导致的异常数据，使数据更加平滑稳定。冗余设计是保障硬件系统可靠性的关键措施。在传感器层面，采用冗余传感器配置，对于关键部位的监测，如径向索、环形索等重要构件的应力监测，除了正常工作的传感器外，额外增加一个或多个备用传感器。当主传感器出现故障时，备用传感器能够及时接替工作，确保监测数据的连续性。在数据采集和传输环节，采用冗余数据采集卡和冗余通信线路。例如，配置两台数据采集卡，同时对传感器信号进行采集，当一台采集卡出现故障时，另一台能够继续工作，保证数据采集的正常进行。在通信线路方面，采用双线路备份，如光纤以太网和无线通信线路同时使用，当有线线路出现故障时，自动切换到无线线路进行数据传输，确保数据传输的可靠性。此外，还配备了冗余电源系统，采用不间断电源（UPS）作为备用电源，当市电出现故障时，UPS能够及时为硬件设备供电，保证系统的正常运行，避免因电源故障导致数据丢失或系统停机。通过采取上述屏蔽、滤波、冗余设计等抗干扰措施，大连体育场结构健康监测系统的硬件系统在复杂的电磁环境中能够稳定运行，有效提高了监测数据的准确性和系统的可靠性，为结构的安全评估提供了可靠的数据支持。五、监测系统软件研发5.1软件功能需求分析大连体育场结构健康监测系统软件作为整个监测系统的核心组成部分，承担着数据处理、分析、管理以及用户交互等重要任务。其功能需求紧密围绕结构健康监测的实际需要，涵盖了数据存储、处理、分析、报表生成、实时显示、报警等多个关键方面。数据存储是软件的基础功能之一。随着监测系统的长期运行，大量的监测数据将被持续采集，这些数据包含了结构在不同时间、不同工况下的各种状态信息，是评估结构健康状况的重要依据。因此，软件需具备高效的数据存储能力，能够稳定地存储海量监测数据。选用MySQL等关系型数据库，其具有成熟的技术架构、良好的数据管理能力和高可靠性，能够满足大连体育场监测数据的存储需求。数据库设计时，充分考虑数据的组织结构，按照监测参数的类型、测点位置、时间等维度进行合理分类存储，建立索引以提高数据的查询和检索效率，确保数据的快速访问和调用，为后续的数据处理和分析提供坚实的数据基础。数据处理功能旨在对原始监测数据进行初步的清洗和预处理，以提高数据的质量和可用性。由于传感器在采集数据过程中，可能会受到各种干扰因素的影响，导致数据出现噪声、异常值或缺失值等问题。软件需要运用数据清洗算法，对采集到的原始数据进行去噪处理，去除由于电磁干扰、传感器故障等原因产生的噪声数据，使数据更加平滑、准确。对于异常值，采用统计分析方法进行识别和修正，例如基于3σ准则，将超出均值3倍标准差的数据视为异常值，并根据数据的变化趋势进行合理修正。对于缺失值，根据前后数据的相关性，采用插值法进行补充，如线性插值、拉格朗日插值等方法，确保数据的完整性。通过这些数据处理操作，为后续的数据分析提供准确、可靠的数据。数据分析是监测系统软件的核心功能之一，通过对处理后的数据进行深入分析，能够挖掘出数据背后隐藏的结构状态信息，为结构的安全评估提供科学依据。运用统计分析方法，对监测数据进行统计特征计算，如均值、方差、标准差、最大值、最小值等，了解数据的分布情况和变化趋势。通过对比不同时间段的数据统计特征，判断结构状态是否发生异常变化。例如，通过分析应力数据的均值和方差，判断结构在不同荷载工况下的受力稳定性。基于结构力学和材料力学原理，建立结构分析模型，对监测数据进行反演分析，计算结构的内力、变形等参数，评估结构的承载能力和安全性能。利用有限元分析软件ANSYS建立大连体育场的结构模型，将监测数据作为边界条件输入模型，反演计算结构的应力、应变分布情况，与理论设计值进行对比，判断结构是否处于安全状态。采用数据挖掘和机器学习算法，对监测数据进行模式识别和特征提取，实现结构的损伤识别和故障诊断。例如，运用支持向量机（SVM）算法，对结构的振动数据进行分析，识别结构是否存在损伤以及损伤的位置和程度。通过建立神经网络模型，对多参数监测数据进行融合分析，预测结构的性能变化趋势，提前发现潜在的安全隐患。报表生成功能能够将监测数据和分析结果以直观、规范的报表形式呈现，方便管理人员进行查看和存档。报表内容应全面涵盖监测数据的统计信息、分析结果、结构安全评估结论等关键内容。在报表格式设计上，遵循行业标准和规范，采用清晰、易读的表格和图表形式展示数据。例如，以表格形式列出各测点不同时间段的应力、索力、位移等监测数据的统计值，同时绘制折线图展示数据随时间的变化趋势，使数据更加直观易懂。报表生成应具备自动化功能，能够根据用户设定的时间周期或特定事件触发，自动生成报表并进行存储和发送。用户可以根据需要自定义报表的内容和格式，满足不同场景下的使用需求。通过定期生成报表，为结构的维护和管理提供详实的数据记录，便于管理人员进行历史数据的查阅和对比分析，及时发现结构性能的变化规律，为结构的长期维护和管理提供决策依据。实时显示功能是监测系统软件的重要用户交互界面，能够将监测数据和分析结果实时展示给用户，使管理人员能够及时了解结构的当前状态。软件采用图形化界面设计，以直观的方式展示监测数据，如利用实时曲线展示应力、索力、位移等参数随时间的变化情况，用户可以通过曲线的走势直观地了解结构参数的实时变化。采用仪表盘、柱状图、饼图等多种可视化元素，展示结构各部分的状态信息，如用仪表盘实时显示关键构件的应力水平，用柱状图对比不同测点的位移大小，用饼图展示结构各部分的温度分布比例，使结构状态一目了然。同时，实时显示界面应具备动态更新功能，能够根据数据的采集频率实时刷新显示内容，确保用户获取到最新的结构状态信息。用户可以在界面上进行测点选择、数据查询、时间轴缩放等操作，方便对感兴趣的数据进行详细查看和分析。报警功能是保障大连体育场结构安全的关键环节，能够在结构出现异常情况时及时发出警报，提醒管理人员采取相应的措施。软件根据结构的设计参数、历史监测数据以及相关规范标准，设置合理的报警阈值。对于应力、索力、位移、倾角等监测参数，分别设定不同的报警阈值，如应力超过材料的许用应力、索力超出设计范围、位移达到结构变形限值等情况时触发报警。当监测数据超出报警阈值时，软件能够迅速发出多种形式的报警信号，如声音报警、弹窗报警、短信报警等，确保管理人员能够及时收到报警信息。报警信息应详细准确，包括报警时间、报警位置、报警参数及超出阈值的具体数值等，方便管理人员快速了解异常情况的性质和严重程度，及时采取有效的应对措施，避免安全事故的发生。同时，软件应具备报警记录和查询功能，对所有报警事件进行详细记录，便于后续的事故分析和追溯。5.2软件架构设计大连体育场结构健康监测系统软件采用分层架构设计，这种架构模式具有清晰的层次结构和明确的职责分工，能够提高软件的可维护性、可扩展性和可复用性。软件架构主要分为数据采集层、数据传输层、数据处理层、业务逻辑层和用户界面层，各层之间通过标准化的接口进行通信和数据交互，确保系统的高效运行。数据采集层是软件系统与硬件设备的接口层，负责与现场的传感器和数据采集仪进行通信，实时获取结构的各种监测数据。在这一层，针对不同类型的传感器，开发了相应的驱动程序，以实现对传感器数据的准确采集。对于光纤光栅传感器，通过专用的光纤光栅解调仪驱动程序，实现对波长数据的快速采集和解调；对于振弦式传感器，利用振弦式频率读数仪的驱动程序，获取振弦的振动频率数据。数据采集层还具备数据校验和预处理功能，对采集到的数据进行初步的质量检查，去除明显错误或异常的数据，为后续的数据传输和处理提供可靠的数据基础。数据传输层负责将数据采集层获取的数据传输到数据处理层。在这一层，采用了TCP/IP协议进行数据传输，确保数据传输的可靠性和稳定性。根据监测系统的网络架构，数据传输层分为有线传输和无线传输两个部分。有线传输部分利用光纤以太网将数据从数据采集仪传输到数据处理服务器，实现高速、大容量的数据传输；无线传输部分则通过ZigBee、LoRa等无线通信技术，将分布在体育场各处的无线传感器节点的数据传输到汇聚节点，再由汇聚节点通过有线网络传输到数据处理服务器。数据传输层还具备数据加密和压缩功能，对传输的数据进行加密处理，防止数据在传输过程中被窃取或篡改；对数据进行压缩处理，减少数据传输量，提高传输效率。数据处理层是软件系统的核心处理层，主要负责对传输过来的原始监测数据进行深度处理和分析。这一层采用了多线程技术和分布式计算技术，提高数据处理的效率和速度。在数据处理过程中，运用了各种数据处理算法和模型，对数据进行去噪、滤波、插值、特征提取等操作。对于应力、索力、位移等监测数据，采用滤波算法去除噪声干扰，提高数据的准确性；对于温度数据，利用插值算法对缺失数据进行补充，保证数据的完整性。通过建立结构分析模型，对监测数据进行反演计算，得到结构的内力、变形等参数，评估结构的安全性能。利用有限元分析软件ANSYS建立大连体育场的结构模型，将监测数据作为边界条件输入模型，反演计算结构的应力、应变分布情况，与理论设计值进行对比，判断结构是否处于安全状态。数据处理层还具备数据挖掘和机器学习功能，运用数据挖掘算法对监测数据进行模式识别和特征提取，实现结构的损伤识别和故障诊断；利用机器学习算法对多参数监测数据进行融合分析，预测结构的性能变化趋势，提前发现潜在的安全隐患。业务逻辑层是软件系统的业务实现层，主要负责实现监测系统的各种业务功能，如数据存储、报表生成、实时显示、报警等。在数据存储方面，采用MySQL数据库管理系统，设计了合理的数据表结构，将处理后的数据按照监测参数的类型、测点位置、时间等维度进行分类存储，建立索引以提高数据的查询和检索效率。报表生成模块根据用户的需求，自动生成各种格式的报表，如PDF、Excel等，报表内容包括监测数据的统计信息、分析结果、结构安全评估结论等。实时显示模块采用Web技术和可视化技术，将监测数据以直观的图形界面展示给用户，用户可以通过浏览器随时随地访问监测系统，查看结构的实时状态。报警模块根据设定的报警阈值，对监测数据进行实时监控，当数据超出报警阈值时，及时发出多种形式的报警信号，如声音报警、弹窗报警、短信报警等，通知管理人员采取相应的措施。用户界面层是软件系统与用户的交互层，主要负责提供友好的用户界面，方便用户操作和管理监测系统。用户界面层采用B/S架构，用户通过浏览器即可访问监测系统，无需安装额外的客户端软件。界面设计遵循简洁、易用的原则，采用直观的图形化界面和操作按钮，方便用户进行各种操作。用户可以在界面上进行测点选择、数据查询、报表生成、报警设置等操作，还可以查看结构的实时状态和历史数据。用户界面层还具备用户权限管理功能，根据用户的角色和职责，分配不同的操作权限，确保系统的安全性和数据的保密性。各模块之间通过数据接口进行交互，实现数据的传递和共享。数据采集层采集到的数据通过数据传输层传递到数据处理层，数据处理层处理后的数据再传递到业务逻辑层进行存储、分析和展示。用户界面层通过与业务逻辑层的交互，实现用户对监测系统的各种操作和管理。例如，用户在用户界面层进行测点选择和数据查询操作，业务逻辑层根据用户的请求，从数据库中查询相应的数据，并将数据传递给用户界面层进行展示；当监测数据超出报警阈值时，业务逻辑层触发报警模块，通过短信、弹窗等方式向用户发送报警信息，用户在用户界面层接收报警信息并进行相应的处理。通过这种分层架构设计和模块间的交互方式，大连体育场结构健康监测系统软件能够实现高效、稳定、可靠的运行，为结构的安全评估和维护决策提供有力的支持。5.3数据处理与分析算法实现在大连体育场结构健康监测系统中，数据处理与分析算法的有效实现对于准确评估结构的健康状态至关重要。这些算法能够从海量的监测数据中提取关键信息，为结构的安全评估和维护决策提供科学依据。数据滤波和去噪是数据处理的首要环节。在监测数据采集过程中，由于传感器自身的噪声、外界环境干扰以及传输过程中的信号衰减等因素，原始数据往往包含各种噪声成分，如白噪声、脉冲噪声等，这些噪声会严重影响数据的质量和后续分析结果的准确性。为了去除噪声干扰，采用了多种滤波算法。对于白噪声这种具有平稳统计特性的噪声，采用巴特沃斯低通滤波器进行处理。巴特沃斯低通滤波器具有平坦的通带和陡峭的阻带特性，能够有效地抑制高频噪声，保留信号的低频成分。通过合理选择滤波器的截止频率和阶数，可以根据监测数据的频率特性进行针对性的滤波处理。例如，对于振动监测数据，根据结构振动的主要频率范围，设置合适的截止频率，使滤波器能够有效滤除高频噪声，保留结构振动的有效信号。对于脉冲噪声这种具有突发性和离散性的噪声，采用中值滤波算法进行去除。中值滤波算法的原理是将数据序列中的每个数据点用其邻域内数据的中值来代替。在实际应用中，对于应力、索力等监测数据，当出现脉冲噪声导致数据异常波动时，通过设定合适的邻域窗口大小，计算邻域内数据的中值，并将该中值作为当前数据点的滤波结果。这样可以有效地去除脉冲噪声，使数据更加平滑稳定，提高数据的可靠性。数据特征提取是从监测数据中挖掘出能够反映结构状态的关键信息的过程。针对不同类型的监测数据，采用了相应的特征提取方法。对于应力监测数据，计算应力的最大值、最小值、均值、方差等统计特征。最大值和最小值能够反映结构在监测期间所承受的最大和最小应力水平，判断结构是否接近或超过其承载能力极限；均值可以反映结构在一段时间内的平均受力状态；方差则体现了应力数据的离散程度，方差越大，说明应力波动越大，结构受力越不稳定。例如，通过对比不同时间段内应力均值和方差的变化，可以判断结构在不同工况下的受力稳定性，及时发现结构受力状态的异常变化。在振动监测数据的特征提取方面，采用傅里叶变换和小波变换等方法。傅里叶变换能够将时域的振动信号转换为频域信号，通过分析频域信号的幅值和频率分布，获取结构的自振频率、振型等动力特性参数。例如，通过傅里叶变换对结构在环境激励下的振动响应信号进行分析，得到结构的自振频率，与结构的设计自振频率进行对比，判断结构的刚度是否发生变化。小波变换则具有良好的时频局部化特性，能够在不同的时间和频率尺度上对信号进行分析，适用于处理非平稳信号。对于结构在地震、强风等突发荷载作用下的振动信号，利用小波变换可以精确地分析信号在不同时刻的频率成分变化，提取出信号的突变特征，为结构的损伤识别提供重要依据。基于数据的结构状态评估和损伤识别是监测系统的核心功能之一。采用多种算法实现这一目标，其中基于模型的方法是一种常用的手段。通过建立大连体育场弦支穹顶结构的有限元模型，将监测数据作为输入条件，对结构进行数值模拟分析。将监测得到的应力、位移等数据与有限元模型计算结果进行对比，根据两者之间的差异来评估结构的状态。如果监测数据与模型计算结果偏差较大，说明结构可能存在损伤或受力状态发生了改变。例如，当监测到的某根弦杆的应力值远大于有限元模型计算得到的应力值时，可能意味着该弦杆存在局部损伤或结构的传力路径发生了变化，需要进一步对该部位进行详细检查和分析。机器学习算法在结构状态评估和损伤识别中也发挥着重要作用。运用支持向量机（SVM）算法对结构的健康状态进行分类判断。SVM算法是一种基于统计学习理论的分类方法，它通过寻找一个最优分类超平面，将不同类别的数据样本分开。在结构健康监测中，将正常状态下的监测数据作为一类样本，将存在损伤或异常状态下的监测数据作为另一类样本，利用SVM算法进行训练，建立分类模型。在实际应用中，将实时监测数据输入到训练好的SVM模型中，模型即可判断结构当前的状态是否正常。如果判断为异常状态，还可以进一步结合其他分析方法，确定损伤的位置和程度。利用神经网络算法对结构的性能进行预测。神经网络具有强大的非线性映射能力和自学习能力，能够通过对大量历史监测数据的学习，建立结构状态与监测数据之间的复杂关系模型。例如，建立多层前馈神经网络，以应力、索力、位移、温度等监测数据作为输入层节点，以结构的性能指标（如承载能力、刚度等）作为输出层节点，通过训练使神经网络学习到监测数据与结构性能之间的映射关系。利用训练好的神经网络模型，根据实时监测数据预测结构在未来一段时间内的性能变化趋势，提前发现潜在的安全隐患，为结构的维护和管理提供决策支持。5.4用户界面设计与实现用户界面作为监测系统与用户交互的重要窗口，其设计与实现直接影响用户对监测系统的使用体验和操作效率。大连体育场结构健康监测系统的用户界面设计以简洁、直观、易用为原则，采用先进的Web技术和可视化技术，为用户提供便捷的操作方式和清晰的数据展示。在布局方面，用户界面采用模块化设计，将不同的功能区域进行合理划分，使界面结构清晰，易于用户理解和操作。界面顶部设置系统导航栏，包含首页、实时监测、历史数据查询、数据分析、报表生成、系统设置等主要功能模块，用户可以通过点击导航栏上的按钮快速切换到相应的功能页面。实时监测页面位于界面的核心区域，以图形化的方式实时展示大连体育场结构的各项监测数据，如应力、索力、位移、倾角、温度、振动等。为了便于用户查看，采用不同的可视化组件展示不同类型的数据，应力数据以实时曲线和柱状图的形式展示，用户可以直观地看到不同测点应力随时间的变化趋势以及各测点应力的大小对比；索力数据则通过仪表盘的形式展示，清晰地显示当前索力的数值以及与设定阈值的对比情况；位移数据采用三维模型动态展示，实时呈现结构在不同方向上的位移变化，使结构的变形情况一目了然。操作流程设计注重用户体验，力求简单、高效。用户登录系统后，首先进入实时监测页面，系统会自动加载最新的监测数据并进行实时更新。在实时监测页面，用户可以通过鼠标点击或触摸操作选择感兴趣的测点，查看该测点的详细监测数据和历史变化曲线。对于历史数据查询功能，用户只需在查询页面输入查询的时间范围和测点信息，点击查询按钮，系统即可快速从数据库中检索出相应的数据，并以表格或图表的形式展示出来。数据分析功能的操作流程也较为简单，用户选择要分析的数据类型和分析方法，系统会自动对数据进行处理和分析，并将分析结果以直观的方式呈现给用户。例如，在进行结构损伤识别分析时，用户选择振动监测数据和支持向量机算法，系统会对数据进行预处理和特征提取，然后利用支持向量机模型进行损伤识别分析，最后将分析结果以图表和文字的形式展示，告知用户结构是否存在损伤以及损伤的位置和程度。可视化展示是用户界面设计的重点，通过丰富多样的可视化元素，将复杂的监测数据转化为直观易懂的图形和图表，帮助用户快速了解结构的状态。除了上述提到的实时曲线、柱状图、仪表盘、三维模型等可视化组件外，还采用了地图可视化技术，将大连体育场的地理位置和结构测点分布在地图上展示，用户可以通过地图快速定位到感兴趣的测点，查看该测点的监测数据。同时，在可视化展示过程中，注重数据的动态更新和交互性。实时监测数据会根据设定的时间间隔自动更新，可视化组件也会随之实时变化，让用户能够及时了解结构的最新状态。用户还可以通过鼠标缩放、平移等操作，对可视化图表进行交互，查看不同时间段、不同测点的数据细节，深入分析数据的变化趋势。为了满足不同用户的需求，用户界面还提供了个性化设置功能。用户可以根据自己的使用习惯，调整可视化组件的布局、颜色、字体大小等参数，使界面更加符合个人喜好。同时，系统支持多语言切换，方便不同国家和地区的用户使用。通过合理的布局设计、简洁高效的操作流程以及丰富直观的可视化展示，大连体育场结构健康监测系统的用户界面能够为用户提供良好的使用体验，帮助用户快速、准确