專利名稱：基于混合監測的遞進式索結構健康監測方法
技術領域：
本發明基于結構健康監測技術，基于混合監測、采用遞進式方法來識別支座位移、識別索結構的索系統中的受損索、識別需調整索力的支承索，并給出具體的索長調整量，屬工程結構健康監測領域。
背景技術：
支座位移對索結構安全是一項重大威脅，同樣的，索系統的損傷和松弛也將對結構的安全造成不良影響，嚴重時將會引起結構的失效，因此準確及時地識別支座位移、受損索和松弛索(即需調整索力的支承索)是非常必要的。
斜拉橋、懸索橋、桁架結構等結構有一個共同點，就是它們有許多承受拉伸載荷的部件，如斜拉索、主纜、吊索、拉桿等等，該類結構的共同點是以索、纜或僅承受拉伸載荷的桿件為支承部件，為方便起見本發明將該類結構表述為“索結構”。在索結構的服役過程中，索結構的支承系統(指所有承載索、及所有起支承作用的僅承受拉伸載荷的桿件，為方便起見，本專利將該類結構的全部支承部件統一稱為“索系統”，但實際上索系統不僅僅指支承索，也包括僅承受拉伸載荷的桿件)會受損，同時索結構的支座也可能出現位移，這些變化對索結構的安全是一種威脅，索結構出現支座位移、受損索和松弛索后會引起結構的可測量參數的變化，例如會引起索力的變化，會影響索結構的變形或應變，會影響索結構的形狀或空間坐標，會引起過索結構的每一點的任意假想直線的角度坐標的變化(例如結構表面任意一點的切平面中的任意一根過該點的直線的角度坐標的變化，或者結構表面任意一點的法線的角度坐標的變化)，所有的這些變化都包含了索系統的健康狀態信息，因此可以通過對這些不同類型的結構的特征參量的變化的混合監測來判斷結構的健康狀態，本發明將所有被監測的結構特征參量統稱為“被監測量”，由于此時被監測量是由結構的不同類型的可測量參數混合組成，本發明稱此為混合監測，也就是說可以利用混合監測來識別支座位移、受損索和松弛索。
發明內容
技術問題本發明公開了一種基于混合監測的、采用遞進式方法的、能夠合理有效地識別支座位移、受損索和松弛索的健康監測方法。
技術方案斜拉橋、懸索橋、桁架結構等結構有一個共同點，就是它們有許多承受拉伸載荷的部件，如斜拉索、主纜、吊索、拉桿等等，該類結構的共同點是以索、纜或僅承受拉伸載荷的桿件為支承部件，為方便起見本發明將該類結構表述為“索結構”。在索結構的服役過程中，索結構的支承系統(指所有承載索、及所有起支承作用的僅承受拉伸載荷的桿件，為方便起見，本專利將該類結構的全部支承部件統一稱為“索系統”，但實際上索系統不僅僅指支承索，也包括僅承受拉伸載荷的桿件)會受損，同時索結構的支座也可能出現位移，這些變化對索結構的安全是一種威脅，索結構出現支座位移、受損索和松弛索后會引起結構的可測量參數的變化，例如會引起索力的變化，會影響索結構的變形或應變，會影響索結構的形狀或空間坐標，會引起過索結構的每一點的任意假想直線的角度坐標的變化(例如結構表面任意一點的切平面中的任意一根過該點的直線的角度坐標的變化，或者結構表面任意一點的法線的角度坐標的變化)，所有的這些變化都包含了索系統的健康狀態信息，因此可以通過對這些不同類型的結構的特征參量的變化的混合監測來判斷結構的健康狀態，本發明將所有被監測的結構特征參量統稱為“被監測量”，由于此時被監測量是由結構的不同類型的可測量參數混合組成，本發明稱此為混合監測，也就是說可以利用混合監測來識別支座位移、受損索和松弛索。設索的數量和支座位移分量的數量之和為N。為敘述方便起見，本發明統一稱被評估的索和支座位移為“被評估對象”，給被評估對象連續編號，本發明用用變量j表示這一編號，j＝1，2，3，...，N，因此可以說有N個被評估對象。
依據支承索的索力變化的原因，可將支承索的索力變化分為三種情況一是支承索受到了損傷，例如支承索出現了局部裂紋和銹蝕等等；二是支承索并無損傷，但索力也發生了變化，出現這種變化的主要原因之一是支承索自由狀態(此時索張力也稱索力為0)下的索長度(稱為自由長度，本發明專指支承索兩支承端點間的那段索的自由長度)發生了變化；三是支承索并無損傷，但索結構支座有了位移(其中在重力方向的分量就被稱為沉降)，也會引起結構內力的變化，當然也就會引起索力的變化。為了方便，本發明將自由長度發生變化的支承索統稱為松弛索。
本發明由兩大部分組成。分別是一、建立被評估對象健康監測系統所需的知識庫和參量的方法、基于知識庫(含參量)和實測索結構的應變(或變形)的被評估對象健康狀態評估方法；二、健康監測系統的軟件和硬件部分。
本發明的第一部分建立用于被評估對象健康監測的知識庫和參量的方法。可按如下步驟依次循環往復地、遞進式進行 第一步每一次循環開始時，首先需要建立或已建立本次循環開始時的被評估對象初始健康狀態向量doi(i＝1，2，3，…)、建立索結構的初始力學計算基準模型Ao(例如有限元基準模型，在本發明中Ao是不變的)、建立索結構的力學計算基準模型Ai(例如有限元基準模型，i＝1，2，3，…)。字母i除了明顯地表示步驟編號的地方外，在本發明中字母i僅表示循環次數，即第i次循環。
第i次循環開始時需要的索結構“初始健康狀態向量doi”(如式(1)所示)，用dio表示第i次循環開始時索結構(用力學計算基準模型Ai表示)的索結構的初始健康狀態。
式(1)中dioj(i＝1，2，3，…；j＝1，2，3，.......，N)表示第i次循環開始時、力學計算基準模型Ai中的索系統的第j個被評估對象的當前健康狀態，如果該被評估對象是索系統中的一根索(或拉桿)，那么di表示其當前損傷，di為0時表示無損傷，為100％時表示該索徹底喪失承載能力，介于0與100％之間時表示喪失相應比例的承載能力，如果該被評估對象是一個支座的一個位移分量，那么di表示其當前位移數值。式(1)中T表示向量的轉置(后同)。
第一次循環開始時建立初始健康狀態向量(依據式(1)記為d1o)時，利用索的無損檢測數據等能夠表達索的健康狀態的數據以及支座位移測量建立被評估對象初始健康狀態向量d1o。如果沒有索的無損檢測數據及其他能夠表達索的健康狀態的數據時，或者可以認為結構初始狀態為無損傷無松弛狀態時，向量d1o的中與索相關的各元素數值取0。
第i次(i＝2，3，4，5，6…)循環開始時需要的被評估對象初始健康狀態向量dio，是在前一次(即第i-1次，i＝2，3，4，5，6…)循環結束前計算獲得的，具體方法在后文敘述。
第i次循環開始時需要建立的力學計算基準模型或已建立的力學計算基準模型記為Ai。
根據索結構完工之時的索結構的實測數據(包括索結構形狀數據、索力數據、拉桿拉力數據、索結構支座坐標數據、索結構模態數據等實測數據，對斜拉橋、懸索橋而言是橋的橋型數據、索力數據、橋的模態數據、索的無損檢測數據等能夠表達索的健康狀態的數據)和設計圖、竣工圖，利用力學方法(例如有限元法)建立Ao；如果沒有索結構完工之時的結構的實測數據，那么就在建立健康監測系統前對結構進行實測，得到索結構的實測數據(包括索結構形狀數據、索力數據、拉桿拉力數據、索結構支座坐標數據、索結構模態數據等實測數據，對斜拉橋、懸索橋而言是橋的橋型數據、索力數據、橋的模態數據、索的無損檢測數據等能夠表達索的健康狀態的數據)，根據此數據和索結構的設計圖、竣工圖，利用力學方法(例如有限元法)建立Ao。不論用何種方法獲得Ao，基于Ao計算得到的索結構計算數據(對斜拉橋、懸索橋而言是橋的橋型數據、索力數據、橋的模態數據)必須非常接近其實測數據，誤差一般不得大于5％。這樣可保證利用Ao計算所得的模擬情況下的應變計算數據、索力計算數據、索結構形狀計算數據和位移計算數據、索結構角度數據等，可靠地接近所模擬情況真實發生時的實測數據。Ao是不變的，只在第一次循環開始時建立。
第一次循環開始時建立的索結構的力學計算基準模型記為A1，A1就等于Ao。A1對應的被評估對象的健康狀態由d1o描述。
第i次(i＝2，3，4，5，6…)循環開始時需要的力學計算基準模型Ai，是在前一次(即第i-1次，i＝2，3，4，5，6…)循環結束前計算獲得的，具體方法在后文敘述。
已有力學計算基準模型A1和被評估對象初始健康狀態向量d1o后，模型A1中的各被評估對象的健康狀態由向量d1o表達。在A1的基礎上，將所有被評估對象的健康狀態數值變更為0，力學模型A1更新為一個所有被評估對象的健康狀態都為0的力學模型(記為A0)，力學模型A0實際上是完好無損無支座位移的索結構對應的力學模型。不妨稱模型A0為索結構的無損傷無支座位移模型A0。
被監測的多類參量可以包括索力、應變、角度和空間坐標，分別敘述如下 設索系統中共有Q根索，結構的被監測的索力數據由結構上M1個指定索的M1個索力數據來描述，結構索力的變化就是所有指定索的索力的變化。每次共有M1個索力測量值或計算值來表征結構的索力信息。M1是一個不小于0的整數。
結構的被監測的應變數據可由結構上K2個指定點的、及每個指定點的L2個指定方向的應變來描述，結構應變數據的變化就是K2個指定點的所有被測應變的變化。每次共有M2(M2＝K2×L2)個應變測量值或計算值來表征結構應變。M2是一個不小于0的整數。
結構的被監測的角度數據由結構上K2個指定點的、過每個指定點的L3個指定直線的、每個指定直線的H3個角度坐標分量來描述，結構角度的變化就是所有指定點的、所有指定直線的、所有指定的角度坐標分量的變化。每次共有M3(M3＝K3×L3×H3)個角度坐標分量測量值或計算值來表征結構的角度信息。M3是一個不小于0的整數。
結構的被監測的形狀數據由結構上K4個指定點的、及每個指定點的L4個指定方向的空間坐標來描述，結構形狀數據的變化就是K4個指定點的所有坐標分量的變化。每次共有M4(M4＝K4×L4)個坐標測量值或計算值來表征結構形狀。M4是一個不小于0的整數。
綜合上述被監測量，整個結構共有M(M＝M1+M2+M3+M4)個被監測量，定義參量K(K＝M1+K2+K3+K4)，K和M不得小于被評估對象的數量N。
為方便起見，在本發明中將“結構的被監測的所有參量”簡稱為“被監測量”。
本發明中用被監測量初始數值向量Cio”(i＝1，2，3，…)表示第i次(i＝1，2，3，4，5，6…)循環開始時所有指定的被監測量的初始值(參見式(2))，Cio的全稱為“第i次循環被監測量的初始數值向量”。
式(2)中Ciok(i＝1，2，3，…；k＝1，2，3，....，M；M≥N；)是第i次循環開始時、索結構中第k個被監測量。向量Cio是由前面定義的M個被監測量依據一定順序排列而成，對此排列順序并無特殊要求，只要求后面所有相關向量也按此順序排列數據即可。
第一次循環開始時，“第1次循環被監測量的初始數值向量C1o”(見式(2))由實測數據組成，由于根據模型A1計算所得被監測量的初始數值可靠地接近于相對應的實測數值，在后面的敘述中，將用同一符號來表示該計算值組成向量和實測值組成向量。
第i次(i＝2，3，4，5，6…)循環開始時需要的“第i次循環被監測量的初始數值向量Cio”，是在前一次(即第i-1次，i＝2，3，4，5，6…)循環結束前計算獲得的，具體方法在后文敘述。
第二步每一次循環需建立“單位損傷被監測量數值變化矩陣”和“名義單位損傷向量”，第i次循環建立的“單位損傷被監測量數值變化矩陣”記為ΔCi，第i次循環建立的“名義單位損傷向量”記為Diu，i＝1，2，3，…。
第一次循環建立的索結構“單位損傷被監測量數值變化矩陣”記為ΔC1。建立ΔC1的過程如下 在索結構的力學計算基準模型A1的基礎上進行若干次計算，計算次數數值上等于N。每一次計算假設只有一個被評估對象有單位損傷，具體的，如果該被評估對象是索系統中的一根支承索，那么就假設該支承索有單位損傷(例如取5％、10％、20％或30％等損傷為單位損傷)，如果該被評估對象是一個支座的一個方向的位移分量，就假設該支座在該位移方向發生單位位移(例如10mm，20mm，30mm等為單位位移)。為敘述方便，本發明將假定的支承索的損傷和支座位移統稱為單位損傷。為方便計算，每一次循環中設定單位損傷時可以都是把該次循環開始時的結構健康狀態當成是完全健康的，并在此基礎上設定單位損傷(在后續步驟中、計算出的、被評估對象的健康狀態數值---稱為名義健康狀態向量dic(i＝1，2，3，…)，都是相對于將該次循環開始時的、將索結構的健康狀態當成是完全健康而言的，因此必須依據后文給出的公式將計算出的名義健康狀態數值換算成真實健康狀態數值)。同一次循環的每一次計算中出現單位損傷的被評估對象不同于其它次計算中出現單位損傷的被評估對象，并且每一次假定有單位損傷的被評估對象的單位損傷值可以不同于其他被評估對象的單位損傷值，用“名義單位損傷向量Diu”(如式(3)所示)記錄各次循環中所有被評估對象的假定的單位損傷，第一次循環時記為D1u。每一次計算都利用力學方法(例如有限元法)計算索結構的、在前面已指定的M個被監測量的當前計算值，每一次計算所得M個被監測量的當前計算值組成一個“被監測量的計算當前數值向量”(當假設第j個被評估對象有單位損傷時，可用式(4)表示所有指定的M個被監測量的計算當前數值向量C1tj)；每一次計算得到的被監測量的計算當前數值向量減去被監測量的初始數值向量C1o，所得向量就是此條件下(以有單位損傷的被評估對象的編號為標記)的“被監測量的數值變化向量”(當第j個被評估對象有單位損傷時，用δC1j表示被監測量的數值變化向量，δC1j的定義見式(5)、式(6)和式(7)，式(5)為式(4)減去式(2)后再除以向量D1u的第j個元素Duj所得)，被監測量的數值變化向量δC1j的每一元素表示由于計算時假定有單位損傷的那個被評估對象(例如第j個被評估對象)有單位損傷(例如Duj)，而引起的該元素所對應的被監測量的數值改變量相對于假定的單位損傷Duj的變化率；有N個被評估對象就有N個“被監測量的數值變化向量”，每個被監測量的數值變化向量有M(一般的，M≥N)個元素，由這N個“被監測量的數值變化向量”依次組成有M×N個元素的“單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔC1”(M行N列)，每一個向量δC1j(j＝1，2，3，.......，N)是矩陣ΔC1的一列，ΔC1的定義如式(8)所示。
式(3)中名義單位損傷向量Diu的元素Diuj(i＝1，2，3，…；j＝1，2，3，.......，N)表示第i次循環中假定的第j個被評估對象的單位損傷數值，向量Diu中的各元素的數值可以相同也可以不同。
式(4)中元素Citjk(i＝1，2，3，...；j＝1，2，3，.......，N；k＝1，2，3，.......，M；M≥N)表示第i次循環由于第j個被評估對象有單位損傷時，依據編號規則所對應的第k個指定的被監測量的計算當前數值。
式(5)中各量的上標i(i＝1，2，3，...)表示第i次循環，下標j(j＝1，2，3，.......，N)表示第j個被評估對象有單位損傷，式中Diuj是向量Diu中的第j個元素。向量δCij的定義如式(6)所示，δCij的第k(k＝1，2，3，.......，M；M≥N)個元素δCijk表示第i次循環中，建立矩陣ΔCi時，假定第j個被評估對象有單位損傷時計算所得第k個被監測量的改變量相對于假定的單位損傷Diuj的變化率，其定義如式(7)所示。
式(7)中各量的定義已在前面敘述過。
式(8)中向量δCij(i＝1，2，3，.......，，j＝1，2，3，.......，N)表示第i次循環中，由于第j個被評估對象有單位損傷Diuj而引起的、所有被監測量的相對數值變化。矩陣ΔCi的列(下標j)的編號規則與前面向量dio的元素的下標j的編號規則相同。
第三步識別被評估對象的當前健康狀態(識別支座位移、受損索和松弛索)。具體過程如下。
第i(i＝1，2，3，...)次循環中，“被監測量的當前(計算或實測)數值向量Ci”同“被監測量的初始數值向量Cio”、“單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔCi”和“當前名義健康狀態向量dic”間的近似線性關系，如式(9)或式(10)所示。
式(9)和式(10)中被監測量的當前(計算或實測)數值向量Ci的定義類似于被監測量的初始數值向量Cio的定義，見式(11)；被評估對象當前名義健康狀態向量dic的定義見式(12)。
式(11)中元素Cik(i＝1，2，3，.......；k＝1，2，3，.......，M；M≥N)是第i次循環時索結構的、依據編號規則所對應的編號為k的被監測量的當前數值。
式(12)中dicj(i＝1，2，3，.......；j＝1，2，3，.......，N)是第i次循環中索結構第j個被評估對象的當前名義損傷值，向量dic的元素的下標j的編號規則與矩陣ΔCi的列的編號規則相同。
當被評估對象實際損傷或支座位移不太大時，由于索結構材料仍然處在線彈性階段，索結構的變形也較小，式(9)或式(10)所表示的這樣一種線性關系同實際情況的誤差較小，誤差可用誤差向量ei(式(13))定義，表示式(9)或式(10)所示線性關系的誤差。
式(13)中abs()是取絕對值函數，對括號內求得的向量的每一個元素取絕對值。
由于式(9)或式(10)所表示的線性關系存在一定誤差，因此不能簡單根據式(9)或式(10)和“被監測量的當前(實測)數值向量Ci”來直接求解得到當前名義健康狀態向量dic。而獲得當前名義健康狀態向量dic的可接受的解(即帶有合理誤差，但可以比較準確的從索系統中確定受損索的位置及其損傷程度、確定支座位移量)成為一個合理的解決方法，可用式(14)來表達這一方法。
式(14)中abs()是取絕對值函數，向量gi描述偏離理想線性關系(式(9)或式(10))的合理偏差，由式(15)定義。
式(15)中gik(i＝1，2，3，.......；k＝1，2，3，.......，N)描述了第i次循環中偏離式(9)或式(10)所示的理想線性關系的最大允許偏差。向量gi可根據式(13)定義的誤差向量ei試算選定。
在被監測量的初始數值向量Cio(實測或計算得到)、單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔCi(計算得到)和被監測量的當前數值向量Ci(實測得到)已知時，可以利用合適的算法(例如多目標優化算法)求解式(14)，獲得當前名義健康狀態向量dic的可接受的解，當前實際健康狀態向量di(定義見式(16))的元素可以根據式(17)計算得到，也就是得到了被評估對象當前實際健康狀態向量di，從而可由di確定受損索的位置和損傷程度、確定支座位移量，也就是實現了損傷識別和支座位移識別。
式(16)中dij(Ai＝1，2，3，…；j＝1，2，3，.......，N)表示第i次循環中第j個被評估對象的實際損傷值，其定義見式(17)，如果該被評估對象是索系統中的一根索(或拉桿)，那么dij表示其當前損傷，dij為0時表示該索無損傷，為100％時表示該索徹底喪失承載能力，介于0與100％之間時表示該索喪失相應比例的承載能力，確定受損索之后對所有的受損索進行無損檢測，經無損檢測查明該索沒有損傷，那么di表示該索與di損傷值力學等效的松弛，由此就確定了松弛索，具體松弛量的計算方法在下面說明；如果該被評估對象是一個支座的一個位移分量，那么dij表示其當前位移數值。向量di的元素的編號規則與式(1)中向量dio的元素的編號規則相同。
式(17)中dioj(i＝1，2，3，4，…；j＝1，2，3，.......，N)是向量dio的第j個元素，dicj是向量dic的第j個元素。
下面敘述得到了索結構當前實際健康狀態向量d后，如何確定松弛索的位置和松弛程度。
設索系統中共有Q根支承索，結構索力數據由Q根支承索的索力來描述。可用“初始索力向量Fo”表示索結構中所有支承索的初始索力(定義見式(18))。因為基于索結構的計算基準模型計算所得的初始索力可靠地接近于初始索力的實測數據，在后面的敘述中，將用同一符號來表示該計算值和實測值。
Fo＝[Fo1 Fo2···Fok···FoQ]T(18) 式(18)中Fo(k＝1，2，3，.......，Q)是索結構中第k根支承索的初始索力，該元素依據編號規則對應于指定支承索的索力。向量Fo是常量。在建立索結構的初始力學計算基準模型Ao時使用了向量Fo。
本發明中用“當前索力向量Fi”表示第i次循環時實測得到的索結構中所有支承索的當前索力(定義見式(19))。
式(19)中Fik(i＝1，2，3，4，…；k＝1，2，3，.......，Q)是第i次循環時索結構中第k根支承索的當前索力。
本發明中，在支承索初始狀態(無損傷、無松弛)下，且支承索處于自由狀態(自由狀態指索力為0，后同)時，支承索的長度稱為初始自由長度，用“初始自由長度向量lo”表示索結構中所有支承索的初始自由長度(定義見式(20))。
lo＝[lo1 lo2···lok···loQ]T(20) 式(20)中lok(k＝1，2，3，.......，Q)是索結構中第k根支承索的初始自由長度。向量lo是常量，與循環次數無關，在第一次循環開始時確定后，就不再變化。
本發明中，用“當前自由長度向量li”表示第i次循環時索結構中所有支承索的當前自由長度(定義見式(21))。
式(21)中lik(i＝1，2，3，4，…；k＝1，2，3，.......，Q)是第i次循環時索結構中第k根支承索的當前自由長度。
本發明中，用“自由長度改變向量Δli”(或稱支承索當前松弛程度向量)表示第i次循環時索結構中所有支承索的自由長度的改變量(定義見式(22)和式(23))。
式(22)中Δlik(i＝1，2，3，4，…；k＝1，2，3，.......，Q)是當前(第i次循環時)索結構中第k根支承索的自由長度的改變量，其定義見式(23)，Δlik不為0的索為松弛索，Δlik的數值為索的松弛量，并表示索系統第k根支承索的當前松弛程度，也是調整索力時該索的索長調整量。
在本發明中通過將松弛索同受損索進行力學等效來進行松弛索的松弛程度識別，等效的力學條件是 一、兩等效的索的無松弛和無損傷時的初始自由長度、幾何特性參數及材料的力學特性參數相同； 二、松弛或損傷后，兩等效的松弛索和損傷索的索力和變形后的總長相同。
滿足上述兩個等效條件時，這樣的兩根支承索在結構中的力學功能就是完全相同的，即如果用等效的受損索代替松弛索后，索結構不會發生任何變化，反之亦然。
本發明中，第i次循環時，如果同第k個支承索(其當前松弛程度用Δlik定義)進行等效的虛擬受損的支承索的當前實際虛擬損傷程度用dij表示(dij的定義見式(16)和式(17))。松弛的第k個支承索的當前松弛程度Δlik(Δlik的定義見式(22))同等效的受損索的當前實際虛擬損傷程度dij之間的關系由前述兩項力學等效條件確定。Δlik同dij之間的具體關系可以采用多種方法實現，例如可以直接根據前述等效條件確定(參見式(24))，也可采用基于Ernst等效彈性模量代替式(24)中的E進行修正后確定(參見式(25))，也可以采用基于有限元法的試算法等其它方法來確定。
式(24)和式(25)中E是該支承索的彈性模量，A是該支承索的橫截面面積，Fij是該支承索的當前索力，dij是該支承索的當前實際虛擬損傷程度，ωk是該支承索的單位長度的重量，likx是該支承索的兩個支承端點的水平距離。式(25)中[]內的項是該支承索的Ernst等效彈性模量，由式(24)或式(25)可以就可以確定支承索當前松弛程度向量Δli。式(25)是對式(24)的修正。
第四步判斷是否結束本次(第i次)循環，如果是，則完成本次循環結束前的收尾工作，為下一次(即第i+1次，i＝1，2，3，4，…)循環準備力學計算基準模型和必要的向量。具體過程如下。
在本次(第i次)循環中求得當前名義健康狀態向量dic后，首先，按照式(26)建立標識向量Bi，式(27)給出了標識向量Bi的第j個元素的定義；如果標識向量Bi的元素全為0，則在本次循環中繼續對索結構的健康監測和計算；如果標識向量Bi的元素不全為0，則完成后續步驟后，進入下一次循環。所謂的后續步驟為首先，根據式(28)計算得到下一次(即第i+1次，i＝1，2，3，4，…)循環所需的初始損傷向量di+1o的每一個元素di+1oj；第二，在力學計算基準模型Ai(i＝1，2，3，4，…)或索結構的無損傷模型A0的基礎上，令被評估對象的健康狀況狀況為di+1o后更新得到下一次(第i+1次，i＝1，2，3，4，…)循環所需的力學計算基準模型Ai+1；最后，通過對力學計算基準模型Ai+1的計算得到被監測量的初始數值，由其組成下一次(即第i+1次，i＝1，2，3，4，…)循環所需的“被監測量的初始數值向量Ci+1o”(i＝1，2，3，4，…)。
式(26)中標識向量Bi的上標i表示第i次循環，其元素Bij(j＝1，2，3，…，N)的下標j表示第j個被評估對象的損傷特征，只能取0和1兩個量，具體取值規則見式(27)。
式(27)中元素Bij是標識向量Bi的第j個元素，Diuj是名義單位損傷向量Diu的第j個元素(見式(3))，dicj是當前名義健康狀態向量dic的第j個元素(見式(12))，它們都表示第j個被評估對象的相關信息。
式(28)中Diuj是名義單位損傷向量Diu的第j個元素(見式(3))，dicj是當前名義健康狀態向量dic的第j個元素(見式(12))。
本發明的第二部分健康監測系統的軟件和硬件部分。
硬件部分包括被監測量監測系統、信號采集器和計算機等。要求實時或準實時監測每一個被監測量。
軟件應當具用下列功能軟件部分應當能夠完成本發明的第一部分所設定的過程，即完成本發明中所需要的、可以用計算機實現的監測、記錄、控制、存儲、計算、通知、報警等功能。
本發明方法具體包括 a.為敘述方便起見，本發明統一稱被評估的支承索和支座位移分量為被評估對象，設被評估的支承索的數量和支座位移分量的數量之和為N，即被評估對象的數量為N；確定被評估對象的編號規則，按此規則將索結構中所有的被評估對象編號，該編號在后續步驟中將用于生成向量和矩陣；本發明用變量j表示這一編號，j＝1，2，3，...，N； b.確定混合監測時指定的將被監測索力的支承索，設索系統中共有Q根索，結構的被監測的索力數據由結構上M1個指定索的M1個索力數據來描述，結構索力的變化就是所有指定索的索力的變化；每次共有M1個索力測量值或計算值來表征結構的索力信息；M1是一個不小于0的整數；確定混合監測時指定的將被監測應變的被測量點，結構的被監測的應變數據可由結構上K2個指定點的、及每個指定點的L2個指定方向的應變來描述，結構應變數據的變化就是K2個指定點的所有被測應變的變化；每次共有M2個應變測量值或計算值來表征結構應變，M2為K2和L2之積；M2是不小于0的整數；確定混合監測時指定的將被監測角度的被測量點，結構的被監測的角度數據由結構上K3個指定點的、過每個指定點的L3個指定直線的、每個指定直線的H3個角度坐標分量來描述，結構角度的變化就是所有指定點的、所有指定直線的、所有指定的角度坐標分量的變化；每次共有M3個角度坐標分量測量值或計算值來表征結構的角度信息，M3為K3、L3和H3之積；M3是一個不小于0的整數；確定混合監測時指定的將被監測的形狀數據，結構的被監測的形狀數據由結構上K4個指定點的、及每個指定點的L4個指定方向的空間坐標來描述，結構形狀數據的變化就是K4個指定點的所有坐標分量的變化；每次共有M4個坐標測量值或計算值來表征結構形狀，M4為K4和L4之積；M4是一個不小于0的整數；綜合上述混合監測的被監測量，整個結構共有M個被監測量，M為M1、M2、M3和M4之和，定義參量K，K為M1、K2、K3和K4之和，K和M不得小于被評估對象的數量N；由于M個被監測量是不同類型的，所以本發明稱為“基于混合監測的遞進式索結構健康監測方法”；為方便起見，在本發明中將本步所列出的“混合監測時結構的被監測的所有參量”簡稱為“被監測量”； c.利用被評估對象的無損檢測數據等能夠表達被評估對象的健康狀態的數據建立被評估對象初始健康狀態向量dio；如果沒有被評估對象的無損檢測數據時，向量dio的各元素數值取0；向量dio的元素的編號規則和被評估對象的編號規則相同；本發明用i表示循環次數，i＝1，2，3，......；這里是第一次循環，i取1，即這里建立的初始健康狀態向量dio可以具體化為d1o； d.在建立初始健康狀態向量d1o的同時，直接測量計算得到索結構的所有被監測量的初始數值，組成被監測量的初始數值向量Cio；這里是第一次循環，i取1，即這里建立的被監測量的初始數值向量Cio可以具體化為C1o；在實測得到被監測量初始數值向量C1o的同時，實測得到索結構的初始幾何數據和初始索結構支座坐標數據；直接測量計算得到所有支承索的初始索力，組成初始索力向量Fo；同時，依據結構設計數據、竣工數據得到所有支承索的初始自由長度，組成初始自由長度向量lo；向量Fo和向量lo是不變的；同時，實測或根據結構設計、竣工資料得到所有索的彈性模量、密度、初始橫截面面積； e.根據索結構的設計圖、竣工圖和索結構的實測數據、索的無損檢測數據和初始索結構支座坐標數據建立索結構的力學計算基準模型Ai；這里是第一次循環，i取1，即這里建立的索結構的力學計算基準模型Ai可以具體化為A1； f.在力學計算基準模型Ai的基礎上進行若干次力學計算，通過計算獲得“單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔCi”和“名義單位損傷向量Diu”； g.實測得到索結構的所有指定被監測量的當前實測數值，組成“被監測量的當前數值向量Ci”；給本步及本步之前出現的所有向量的元素編號時，應使用同一編號規則，這樣可以保證本步及本步之前出現的各向量的、編號相同的元素，表示同一被監測量的、對應于該元素所屬向量所定義的相關信息；實測得到索結構的所有支承索的當前索力，組成當前索力向量Fi；實測計算得到所有支承索的兩個支承端點的空間坐標，兩個支承端點的空間坐標在水平方向分量的差就是兩個支承端點水平距離； h.定義當前名義健康狀態向量dic和當前實際健康狀態向量di，兩個損傷向量的元素個數等于被評估對象的數量，當前名義健康狀態向量dic的元素數值代表對應被評估對象的當前名義損傷程度或支座位移，當前實際健康狀態向量di的元素數值代表對應被評估對象的當前實際損傷程度或支座位移，兩個損傷向量的元素的元素個數等于被評估對象的數量，兩個損傷向量的元素和被評估對象之間是一一對應關系，兩個損傷向量的元素的編號規則和被評估對象的編號規則相同； i.依據“被監測量的當前數值向量Ci”同“被監測量的初始數值向量Cio”、“單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔCi”和“當前名義健康狀態向量dic”間存在的近似線性關系，該近似線性關系可表達為式1，式1中除dic外的其它量均為已知，求解式1就可以算出當前名義健康狀態向量dic； 式1 j.利用式2表達的當前實際健康狀態向量di同初始損傷向量dio和當前名義健康狀態向量dic的元素間的關系，計算得到當前實際健康狀態向量di的所有元素； 式2 式2中j＝1，2，3，……，N； 當前實際健康狀態向量di的元素數值代表對應被評估對象的實際損傷程度或實際支座位移，根據當前實際健康狀態向量di就能確定有哪些索受損及其損傷程度，就能確定實際支座位移；若當前實際健康狀態向量的某一元素對應于是索系統中的一根索，且其數值為0，表示該元素所對應的索是完好的，沒有損傷或松弛的的，若其數值為100％，則表示該元素所對應的索已經完全喪失承載能力，若其數值介于0和100％之間，則表示該索喪失了相應比例的承載能力；如果當前實際健康狀態向量的某一元素對應于一個支座的一個位移分量，那么dij表示其當前位移數值； k.從第j步中識別出的有問題的支承索中鑒別出受損索，剩下的就是松弛索。
l.利用在第j步獲得的當前實際虛擬損傷向量di得到松弛索的當前實際虛擬損傷程度，利用在第g步獲得的當前索力向量Fi，利用在第g步獲得的所有支承索的兩個支承端點的水平距離，利用在第d步獲得的初始自由長度向量lo，利用在第d步獲得的所有索的彈性模量、密度、初始橫截面面積數據，通過將松弛索同受損索進行力學等效來計算松弛索的、與當前實際虛擬損傷程度等效的松弛程度，等效的力學條件是一、兩等效的索的無松弛和無損傷時的初始自由長度、幾何特性參數、密度及材料的力學特性參數相同；二、松弛或損傷后，兩等效的松弛索和損傷索的索力和變形后的總長相同；滿足上述兩個等效條件時，這樣的兩根支承索在結構中的力學功能就是完全相同的，即如果用等效的松弛索代替受損索后，索結構不會發生任何變化，反之亦然；依據前述力學等效條件求得那些被判定為松弛索的松弛程度，松弛程度就是支承索自由長度的改變量，也就是確定了那些需調整索力的支承索的索長調整量；這樣就實現了支承索的松弛識別；計算時所需索力由當前索力向量Fi對應元素給出。
m.在求得當前名義健康狀態向量dic后，按照式3建立標識向量Bi，式4給出了標識向量Bi的第j個元素的定義； 式3 式4 式4中元素Bij是標識向量Bi的第j個元素，Diuj是名義單位損傷向量Diu的第j個元素，dicj是當前名義健康狀態向量dic的第j個元素，它們都表示第j個被評估對象的相關信息，式4中j＝1，2，3，……，N； n.如果標識向量Bi的元素全為0，則回到第g步繼續本次循環；如果標識向量Fi的元素不全為0，則進入下一步、即第o步； o.根據式5計算得到下一次、即第i+1次循環所需的初始損傷向量di+1o的每一個元素di+1oj； 式5 式5中Diuj是名義單位損傷向量Diu的第j個元素，dicj是當前名義健康狀態向量dic的第j個元素，Fij是標識向量Fi的第j個元素，式5中j＝1，2，3，……，N；向量di+1o的元素的編號規則和被評估對象的編號規則相同； p.在力學計算基準模型Ai的基礎上，令被評估對象的健康狀況為di+1o后更新得到下一次、即第i+1次循環所需的力學計算基準模型Ai+1； q.通過對力學計算基準模型Ai+1的計算得到對應于模型Ai+1的結構的所有被監測應變的點的、將被監測的應變方向的應變數值，這些數值組成下一次、即第i+1次循環所需的被監測量的初始數值向量Ci+1o； r.回到第f步，開始下一次循環。
在步驟f中，在力學計算基準模型Ai的基礎上進行若干次力學計算，通過計算獲得“單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔCi”和“名義單位損傷向量Diu”的具體方法為 f1.在索結構的力學計算基準模型Ai的基礎上進行若干次力學計算，計算次數數值上等于N；依據被評估對象的編號規則，依次進行計算；每一次計算假設只有一個被評估對象在原有損傷或位移的基礎上再增加單位損傷或單位位移，具體的，如果該被評估對象是索系統中的一根支承索，那么就假設該支承索再增加單位損傷，如果該被評估對象是一個支座的一個方向的位移分量，就假設該支座在該位移方向再增加單位位移，每一次計算中再增加單位損傷或單位位移的被評估對象不同于其它次計算中再增加單位損傷或單位位移的被評估對象，用“名義單位損傷向量Diu”記錄記錄所有假定的再增加的單位損傷或單位位移，其中i表示第i次循環，每一次計算都利用力學方法計算索結構的所有被監測量的當前計算值，每一次計算得到的所有被監測量的當前計算值組成一個被監測量計算當前數值向量； f2.每一次計算得到的被監測量計算當前數值向量減去被監測量初始數值向量后再除以該次計算所假設的單位損傷或單位位移數值，得到一個被監測量變化向量，有N個被評估對象就有N個被監測量變化向量； f3.由這N個被監測量變化向量按照N個被評估對象的編號規則，依次組成有N列的索結構被監測量單位變化矩陣ΔCi。
有益效果本發明公開的方法可以非常準確地監測評估出索結構的健康狀態(包括所有支座位移、所有松弛索和受損索的位置、及其松弛程度或損傷程度)，本發明公開的系統和方法對索結構的安全是非常有益的。
具體實施例方式 針對索結構的健康監測，本發明公開了一種能夠合理有效地同時監測索結構中索系統中每一根索的健康狀況和每一個支座位移分量的系統和方法。本發明的實施例的下面說明實質上僅僅是示例性的，并且目的絕不在于限制本發明的應用或使用。
在索結構支座出現位移、出現受損索、松弛索的情況下，本發明采用一種算法，該算法用于監測索結構的健康狀態(包括識別支座位移、受損索、松弛索)。具體實施時，下列步驟是可采取的各種步驟中的一種。
第一步為敘述方便起見，本發明統一稱被評估的支承索和支座位移分量為被評估對象，設被評估的支承索的數量和支座位移分量的數量之和為N，即被評估對象的數量為N；確定被評估對象的編號規則，按此規則將索結構中所有的被評估對象編號，該編號在后續步驟中將用于生成向量和矩陣；本發明用變量j表示這一編號，j＝1，2，3，...，N。
確定混合監測時指定的將被監測應變的被測量點，結構的被監測的應變數據可由結構上K2個指定點的、及每個指定點的L2個指定方向的應變來描述，結構應變數據的變化就是K2個指定點的所有被測應變的變化。每次共有M2個應變測量值或計算值來表征結構應變，M2為K2和L2之積。M2是一個不小于0的整數。每一個將被監測應變的被測量點可以就是每一根索的固定端點(例如是斜拉橋的拉索在橋梁上的固定端)附近的一個點，該指定點還可以是結構支座附近的一個點，該點一般不應當是應力集中點，以避免出現過大的應變測量值，這些點一般也不應當全部是混合監測時指定的被監測索力的索的固定端點或在其附近。
確定混合監測時指定的將被監測角度的被測量點，結構的被監測的角度數據由結構上K3個指定點的、過每個指定點的L3個指定直線的、每個指定直線的H3個角度坐標分量來描述，結構角度的變化就是所有指定點的、所有指定直線的、所有指定的角度坐標分量的變化。每次共有M3個角度坐標分量測量值或計算值來表征結構的角度信息，M3為K3、L3和H3之積。M3是一個不小于0的整數。每一個指定點可以就是每一根索的固定端點(例如是斜拉橋的拉索在橋面上的固定端)或其附近的一個點，該指定點還可以是結構支座附近的一個點，被監測角度數據的點一般不應該全部選擇為“混合監測中指定的被監測索力的索的固定端點或在其附近的點”和“混合監測中指定的被監測應變的點或在其附近的點”；在每一指定點可以僅僅測量一個指定直線的一個角度坐標，例如測量過指定點的結構表面法線或切線相對于重力加速度方向的角度坐標，這里實際上就是傾角測量。
確定混合監測時指定的將被監測的形狀數據，結構的被監測的形狀數據由結構上K4個指定點的、及每個指定點的L4個指定方向的空間坐標來描述，結構形狀數據的變化就是K4個指定點的所有坐標分量的變化。每次共有M4個坐標測量值或計算值來表征結構形狀，M4為K4和L4之積。M4是一個不小于0的整數。每一個指定點可以就是每一根索的固定端點(例如是斜拉橋的拉索在橋梁上的固定端)，該指定點還可以是結構支座附近的一個點，或者直接就是結構支座支點；這里選定的被監測點不應該全部選用“混合監測中指定的被監測索力的索的固定端點或在其附近的點”、“混合監測中指定的被監測應變的點或在其附近的點”和“混合監測中指定的被監測角度數據的點或在其附近的點”。
綜合上述被監測量，整個結構就混合監測而言共有M個被監測量，M為M1、M2、K3和M4之和，定義參量K，K為M1、K2、K3和K4之和，K和M不得小于被評估對象的數量N。由于M個被監測量是不同類型的，所以本發明稱為“基于混合監測的遞進式索結構健康監測方法”。為方便起見，在本發明中將本步所列出的“混合監測時結構的被監測的所有參量”簡稱為“被監測量”。
第二步利用被評估對象的無損檢測數據等能夠表達被評估對象的健康狀態的數據建立被評估對象初始健康狀態向量d1o；如果沒有被評估對象的無損檢測數據時，向量d1o的各元素數值取0；向量d1o的元素的編號規則和被評估對象的編號規則相同。
第三步在初始健康狀態向量d1o的同時，直接測量計算得到索結構的所有被監測量的初始數值，組成被監測量的初始數值向量C1o。
第四步在實測得到被監測量的初始數值向量C1o的同時，可以采用成熟的測量方法進行索力測量、應變測量、角度測量和空間坐標測量。同時，直接測量計算得到索結構的所有支承索的初始索力，組成“初始索力向量Fo”。同時，依據結構設計數據、竣工數據得到所有索的初始自由長度，組成“初始自由長度向量lo”。同時，實測或根據結構設計、竣工資料得到所有索的彈性模量、密度、初始橫截面面積。同時，直接測量或測量后計算得到索結構初始幾何形狀數據(對于斜拉橋就是其初始橋型數據)，索結構的初始幾何形狀數據可以是所有索的端點的空間坐標數據加上結構上一系列的點的空間坐標數據，目的在于根據這些坐標數據就可以確定索結構的幾何特征。對斜拉橋而言，初始幾何形狀數據可以是所有索的端點的空間坐標數據加上橋梁兩端上若干點的空間坐標數據，這就是所謂的橋型數據。
根據索結構的設計圖、竣工圖和索結構的實測數據(包括結構初始幾何形狀數據、應變數據、所有索的初始索力、結構模態數據等數據，對斜拉橋、懸索橋而言是橋的橋型數據、應變數據、索力數據、橋的模態數據)、索的無損檢測數據和初始索結構支座坐標數據建立索結構的力學計算基準模型Ao，基于力學計算基準模型Ao計算得到結構的計算數據必須非常接近其實測數據，誤差一般不得大于5％。
Ao是不變的，只在第一次循環開始時建立；第i次循環開始時建立的索結構的力學計算基準模型記為Ai，其中i表示循環次數；本發明的申請書中字母i除了明顯地表示步驟編號的地方外，字母i僅表示循環次數，即第i次循環；因此第一次循環開始時建立的索結構的力學計算基準模型記為A1，本發明中A1就等于Ao； 第五步安裝索結構健康監測系統的硬件部分。硬件部分至少包括被監測量監測系統(例如含角度測量分系統、索力測量分系統、應變測量分系統、空間坐標測量分系統、信號調理器等)、信號(數據)采集器、計算機和通信報警設備。每一個被監測量都必須被監測系統監測到，監測系統將監測到的信號傳輸到信號(數據)采集器；信號經信號采集器傳遞到計算機；計算機則負責運行索結構的索系統的健康監測軟件，包括記錄信號采集器傳遞來的信號；當監測到被評估對象的健康狀態有變化時，計算機控制通信報警設備向監控人員、業主和(或)指定的人員報警。
第六步編制并在監控計算機上安裝索結構的健康監測系統軟件。在每一次循環時都運行該軟件，或者說此軟件始終在運行。該軟件將完成本發明的各項任務所需要的監測、記錄、控制、存儲、計算、通知、報警等功能(即本具體實施方法中所有可以用計算機完成的工作)，并能定期或由人員操作健康監測系統生成索結構健康情況報表，還能依據設定的條件(例如損傷達到某一值)，自動通知或提示監控人員通知特定的技術人員完成必要的計算工作。
第七步由此步開始循環運作，為敘述方便記為第i次循環，其中i＝1，2，3，4，5，...。
第八步在索結構的力學計算基準模型記為Ai的基礎上進行若干次力學計算，通過計算獲得索結構單位損傷被監測量變化矩陣ΔCi和名義單位損傷向量Diu。具體方法為 a.在第i次循環開始時，在索結構的力學計算基準模型Ai的基礎上進行若干次力學計算，計算次數數值上等于N；依據被評估對象的編號規則，依次進行計算；每一次計算假設只有一個被評估對象在原有損傷或位移的基礎上再增加有單位損傷或單位位移，具體的，如果該被評估對象是索系統中的一根支承索，那么就假設該支承索再增加單位損傷，如果該被評估對象是一個支座的一個方向的位移分量，就假設該支座在該位移方向再增加單位位移，每一次計算中再增加單位損傷或單位位移的被評估對象不同于其它次計算中再增加單位損傷或單位位移的被評估對象，用“名義單位損傷向量Diu”記錄記錄所有假定的再增加的單位損傷或單位位移，其中i表示第i次循環，每一次計算都利用力學方法計算索結構的所有被監測量的當前計算值，每一次計算得到的所有被監測量的當前計算值組成一個被監測量計算當前數值向量；在本步驟中給各向量的元素編號時，應同本發明中其它向量使用同一編號規則，這樣可以保證本步驟中各向量中的任意一個元素，同其它向量中的、編號相同的元素，表達了同一被監測量或同一被評估對象對象的相關信息。
b.每一次計算得到的被監測量計算當前數值向量減去被監測量初始數值向量后再除以該次計算所假設的單位損傷或單位位移數值，得到一個被監測量變化向量δCij；有N個被評估對象就有N個被監測量變化向量δCij(j＝1，2，3，…，N)。
c.由這N個被監測量變化向量按照N個被評估對象的編號規則，依次組成有N列的索結構被監測量單位變化矩陣ΔCi。“單位損傷被監測量變化矩陣ΔCi”的列的編號規則與后面定義的當前名義健康狀態向量dic和當前實際健康狀態向量di的元素編號規則相同。
在本步驟中及其后給各向量的元素編號時，應同本發明中其它向量使用同一編號規則，這樣可以保證本步驟中各向量中的任意一個元素，同其它向量中的、編號相同的元素，表達了同一被監測量或同一對象的相關信息。
第九步建立線性關系誤差向量ei和向量gi。利用前面的數據(“被監測量的初始數值向量Cio”、“單位損傷被監測量變化矩陣ΔCi”)，在第八步進行每一次計算的同時，即在每一次計算中假設索系統中只有一個被評估對象在原有損傷或位移的基礎上再增加有單位損傷或單位位移的同時，每一次計算組成一個健康狀態向量dit，健康狀態向量dit的元素個數等于被評估對象的數量，向量dit的所有元素中只有一個元素的數值取每一次計算中假設增加單位損傷的索的單位損傷值或增加的單位位移值，dit的其它元素的數值取0，那個不為0的元素的編號與假定增加單位損傷或單位位移的被評估對象的對應關系、同其他向量的同編號的元素同該索的對應關系是相同的；將Citj、Cio、ΔCi、dit帶入式(13)，式(13)dic用dit帶入，得到一個線性關系誤差向量ei，每一次計算得到一個線性關系誤差向量ei；有N個被評估對象就有N次計算，就有N個線性關系誤差向量ei，將這N個線性關系誤差向量ei相加后得到一個向量，將此向量的每一個元素除以N后得到的新向量就是最終的線性關系誤差向量ei。向量gi等于最終的誤差向量ei。將向量gi保存在運行健康監測系統軟件的計算機硬盤上，供健康監測系統軟件使用。將所有獲得等參數以數據文件的方式保存在運行健康監測系統軟件的計算機硬盤上。
第十步實測得到索結構的所有指定被監測量的當前實測數值，組成“被監測量的當前數值向量Ci”。實測得到索結構的所有支承索的當前索力，組成當前索力向量Fi。實測計算得到所有支承索的兩個支承端點的空間坐標，兩個支承端點的空間坐標在水平方向分量的差就是兩個支承端點水平距離。
第十一步依據“被監測量的當前數值向量Ci”同“被監測量的初始數值向量Cio”、“單位損傷被監測量變化矩陣ΔCi”和“當前名義健康狀態向量dic”間存在的近似線性關系(式(9))，按照多目標優化算法計算索系統當前名義健康狀態向量dic的非劣解。
可以采用的多目標優化算法有很多種，例如基于遺傳算法的多目標優化、基于人工神經網絡的多目標優化、基于粒子群的多目標優化算法、基于蟻群算法的多目標優化、約束法(Constrain Method)、加權法(Weighted Sum Method)、目標規劃法(Goal Attainment Method)等等。由于各種多目標優化算法都是常規算法，可以方便地實現，本實施步驟僅以目標規劃法為例給出求解當前名義健康狀態向量dic的過程，其它算法的具體實現過程可根據其具體算法的要求以類似的方式實現。
按照目標規劃法，式(9)可以轉化成式(29)和式(30)所示的多目標優化問題，式(29)中γi是一個實數，R是實數域，空間區域Ω限制了向量dic的每一個元素的取值范圍(本實施例要求向量dic的每一個元素不小于0，不大于1)。式(29)的意思是尋找一個絕對值最小的實數γi，使得式(30)得到滿足。式(30)中G(dic)由式(31)定義，式(30)中加權向量Wi與γi的積表示式(30)中G(dic)與向量gi之間允許的偏差，gi的定義參見式(15)，其值在第八步計算得到。實際計算時向量Wi可以與向量gi相同。目標規劃法的具體編程實現已經有通用程序可以直接采用。按照目標規劃法就可以求得當前名義健康狀態向量dic。
minimize γi(29) γi∈R， 求得當前名義健康狀態向量dic后，可依據式(17)得到的當前實際健康狀態向量di每一個元素，當前實際健康狀態向量di就是帶有合理誤差、但可以比較準確地識別有問題的索(可能是受損也可能是松弛)、可以比較準確地確定所有支座位移的解。di的每一個元素對應于一個被評估對象的健康狀態，如果該被評估對象是索系統中的一根索(或拉桿)，那么該元素的數值表示其當前損傷或松弛，如果該被評估對象是一個支座的一個位移分量，那么該元素的數值表示其當前位移數值。
第十二步識別受損索和松弛索。由于當前實際健康狀態向量di的元素數值代表對應被評估對象的當前實際健康狀態，如果di的一個元素dij對應于索系統中的一根索(或拉桿)，那么dij表示其當前可能的實際損傷，dij為0時表示無損傷，為100％時表示該索徹底喪失承載能力，介于0與100％之間時表示喪失相應比例的承載能力，但這根索究竟是發生了損傷還是發生了松弛，需進行鑒別。鑒別的方法多種多樣，可以通過去除支承索的保護層，對支承索進行目視鑒別，或者借助光學成像設備進行目視鑒別，也可以通過無損檢測方法對支承索是否受損進行鑒別，超聲波探傷就是一種目前廣泛使用的無損檢測方法。鑒別后那些沒有發現損傷且dij數值不為0的支承索就是發生了松弛的索，就是需調整索力的索，依據式(24)或式(25)可以求得這些索的松弛程度(即索長調整量)。這樣就實現了受損索識別和松弛索識別。
第十三步識別支座位移。當前實際健康狀態向量di的對應于支座位移的元素數值就是支座位移量。
第十四步在本次循環，即第i次循環中求得當前名義健康狀態向量dic后，按照式(26)、式(27)建立標識向量Bi。如果標識向量Bi的元素全為0，則回到第十步繼續本次循環；如果標識向量Bi的元素不全為0，則進入下一步、即第十五步。
第十五步根據式(28)計算得到下一次、即第i+1次循環所需的初始損傷向量di+1o的每一個元素di+1oj。
第十六步在索結構力學計算基準模型Ai的基礎上，令被評估對象的健康狀況為上一步計算得到的向量di+1o后，得到新的力學計算基準模型，即下一次(第i+1次)循環所需的力學計算基準模型Ai+1。
第十七步通過對力學計算基準模型Ai+1的計算得到對應于模型Ai+1的結構的所有被監測量的數值，這些數值組成下一次、即第i+1次循環所需的向量Ci+1o，即被監測量的初始數值向量。
第十八步健康監測系統中的計算機定期自動或由人員操作健康監測系統生成索系統健康情況報表。
第十九步在指定條件下，健康監測系統中的計算機自動操作通信報警設備向監控人員、業主和(或)指定的人員報警。
第二十步回到第七步，開始下一次循環。
權利要求
1.一種基于混合監測的遞進式索結構健康監測方法，其特征在于所述方法包括
a.稱被評估的支承索和支座位移分量為被評估對象，設被評估的支承索的數量和支座位移分量的數量之和為N，即被評估對象的數量為N；確定被評估對象的編號規則，按此規則將索結構中所有的被評估對象編號，該編號在后續步驟中將用于生成向量和矩陣；用變量j表示這一編號，j＝1，2，3，...，N；
b.確定混合監測時指定的將被監測索力的支承索，設索系統中共有Q根索，結構的被監測的索力數據由結構上M1個指定索的M1個索力數據來描述，結構索力的變化就是所有指定索的索力的變化；每次共有M1個索力測量值或計算值來表征結構的索力信息；M1是一個不小于0的整數；確定混合監測時指定的將被監測應變的被測量點，結構的被監測的應變數據可由結構上K2個指定點的、及每個指定點的L2個指定方向的應變來描述，結構應變數據的變化就是K2個指定點的所有被測應變的變化；每次共有M2個應變測量值或計算值來表征結構應變，M2為K2和L2之積；M2是不小于0的整數；確定混合監測時指定的將被監測角度的被測量點，結構的被監測的角度數據由結構上K3個指定點的、過每個指定點的L3個指定直線的、每個指定直線的H3個角度坐標分量來描述，結構角度的變化就是所有指定點的、所有指定直線的、所有指定的角度坐標分量的變化；每次共有M3個角度坐標分量測量值或計算值來表征結構的角度信息，M3為K3、L3和H3之積；M3是一個不小于0的整數；確定混合監測時指定的將被監測的形狀數據，結構的被監測的形狀數據由結構上K4個指定點的、及每個指定點的L4個指定方向的空間坐標來描述，結構形狀數據的變化就是K4個指定點的所有坐標分量的變化；每次共有M4個坐標測量值或計算值來表征結構形狀，M4為K4和L4之積；M4是一個不小于0的整數；綜合上述混合監測的被監測量，整個結構共有M個被監測量，M為M1、M2、M3和M4之和，定義參量K，K為M1、K2、K3和K4之和，K和M不得小于被評估對象的數量N；由于M個被監測量是不同類型的，所以本發明稱為“基于混合監測的遞進式索結構健康監測方法”；為方便起見，在本發明中將本步所列出的“混合監測時結構的被監測的所有參量”簡稱為“被監測量”；
c.利用被評估對象的無損檢測數據等能夠表達被評估對象的健康狀態的數據建立被評估對象初始健康狀態向量dio；如果沒有被評估對象的無損檢測數據時，向量dio的各元素數值取0；向量dio的元素的編號規則和被評估對象的編號規則相同；本發明用i表示循環次數，i＝1，2，3，......；這里是第一次循環，i取1，即這里建立的初始健康狀態向量dio可以具體化為d1o；
d.在建立初始健康狀態向量d1o的同時，直接測量計算得到索結構的所有被監測量的初始數值，組成被監測量的初始數值向量Cio；這里是第一次循環，i取1，即這里建立的被監測量的初始數值向量Cio可以具體化為C1o；在實測得到被監測量初始數值向量C1o的同時，實測得到索結構的初始幾何數據和初始索結構支座坐標數據；直接測量計算得到所有支承索的初始索力，組成初始索力向量Fo；同時，依據結構設計數據、竣工數據得到所有支承索的初始自由長度，組成初始自由長度向量lo；向量Fo和向量lo是不變的；同時，實測或根據結構設計、竣工資料得到所有索的彈性模量、密度、初始橫截面面積；
e.根據索結構的設計圖、竣工圖和索結構的實測數據、索的無損檢測數據和初始索結構支座坐標數據建立索結構的力學計算基準模型Ai；這里是第一次循環，i取1，即這里建立的索結構的力學計算基準模型Ai可以具體化為A1；
f.在力學計算基準模型Ai的基礎上進行若干次力學計算，通過計算獲得“單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔCi”和“名義單位損傷向量Diu”；
g.實測得到索結構的所有指定被監測量的當前實測數值，組成“被監測量的當前數值向量Ci”；給本步及本步之前出現的所有向量的元素編號時，應使用同一編號規則，這樣可以保證本步及本步之前出現的各向量的、編號相同的元素，表示同一被監測量的、對應于該元素所屬向量所定義的相關信息；實測得到索結構的所有支承索的當前索力，組成當前索力向量Fi；實測計算得到所有支承索的兩個支承端點的空間坐標，兩個支承端點的空間坐標在水平方向分量的差就是兩個支承端點水平距離；
h.定義當前名義健康狀態向量dic和當前實際健康狀態向量di，兩個損傷向量的元素個數等于被評估對象的數量，當前名義健康狀態向量dic的元素數值代表對應被評估對象的當前名義損傷程度或支座位移，當前實際健康狀態向量di的元素數值代表對應被評估對象的當前實際損傷程度或支座位移，兩個損傷向量的元素的元素個數等于被評估對象的數量，兩個損傷向量的元素和被評估對象之間是一一對應關系，兩個損傷向量的元素的編號規則和被評估對象的編號規則相同；
i.依據“被監測量的當前數值向量Ci”同“被監測量的初始數值向量Cio”、“單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔCi”和“當前名義健康狀態向量dic”間存在的近似線性關系，該近似線性關系可表達為式1，式1中除dic外的其它量均為已知，求解式1就可以算出當前名義健康狀態向量dic；
式1
j.利用式2表達的當前實際健康狀態向量di同初始損傷向量dio和當前名義健康狀態向量dic的元素間的關系，計算得到當前實際健康狀態向量di的所有元素；
式2
式2中j＝1，2，3，……，N；
當前實際健康狀態向量di的元素數值代表對應被評估對象的實際損傷程度或實際支座位移，根據當前實際健康狀態向量di就能確定有哪些索受損及其損傷程度，就能確定實際支座位移；若當前實際健康狀態向量的某一元素對應于是索系統中的一根索，且其數值為0，表示該元素所對應的索是完好的，沒有損傷或松弛的的，若其數值為100％，則表示該元素所對應的索已經完全喪失承載能力，若其數值介于0和100％之間，則表示該索喪失了相應比例的承載能力；如果當前實際健康狀態向量的某一元素對應于一個支座的一個位移分量，那么dij表示其當前位移數值；
k.從第j步中識別出的有問題的支承索中鑒別出受損索，剩下的就是松弛索。
l.利用在第j步獲得的當前實際虛擬損傷向量di得到松弛索的當前實際虛擬損傷程度，利用在第g步獲得的當前索力向量Fi，利用在第g步獲得的所有支承索的兩個支承端點的水平距離，利用在第d步獲得的初始自由長度向量lo，利用在第d步獲得的所有索的彈性模量、密度、初始橫截面面積數據，通過將松弛索同受損索進行力學等效來計算松弛索的、與當前實際虛擬損傷程度等效的松弛程度，等效的力學條件是一、兩等效的索的無松弛和無損傷時的初始自由長度、幾何特性參數、密度及材料的力學特性參數相同；二、松弛或損傷后，兩等效的松弛索和損傷索的索力和變形后的總長相同；滿足上述兩個等效條件時，這樣的兩根支承索在結構中的力學功能就是完全相同的，即如果用等效的松弛索代替受損索后，索結構不會發生任何變化，反之亦然；依據前述力學等效條件求得那些被判定為松弛索的松弛程度，松弛程度就是支承索自由長度的改變量，也就是確定了那些需調整索力的支承索的索長調整量；這樣就實現了支承索的松弛識別；計算時所需索力由當前索力向量Fi對應元素給出。
m.在求得當前名義健康狀態向量dic后，按照式3建立標識向量Bi，式4給出了標識向量Bi的第j個元素的定義；
式3
式4
式4中元素Bij是標識向量Bi的第j個元素，Diuj是名義單位損傷向量Diu的第j個元素，dicj是當前名義健康狀態向量dic的第j個元素，它們都表示第j個被評估對象的相關信息，
式4中j＝1，2，3，……，N；
n.如果標識向量Bi的元素全為0，則回到第g步繼續本次循環；如果標識向量Fi的元素不全為0，則進入下一步、即第o步；
o.根據式5計算得到下一次、即第i+1次循環所需的初始損傷向量di+1o的每一個元素di+1oj；
式5
式5中Diuj是名義單位損傷向量Diu的第j個元素，dicj是當前名義健康狀態向量dic的第j個元素，Fij是標識向量Fi的第j個元素，式5中j＝1，2，3，……，N；向量di+1o的元素的編號規則和被評估對象的編號規則相同；
p.在力學計算基準模型Ai的基礎上，令被評估對象的健康狀況為di+1o后更新得到下一次、即第i+1次循環所需的力學計算基準模型Ai+1；
q.通過對力學計算基準模型Ai+1的計算得到對應于模型Ai+1的結構的所有被監測應變的點的、將被監測的應變方向的應變數值，這些數值組成下一次、即第i+1次循環所需的被監測量的初始數值向量Ci+1o；
r.回到第f步，開始下一次循環。
2.根據權利要求1所述的基于混合監測的遞進式索結構健康監測方法，其特征在于在步驟f中，在力學計算基準模型Ai的基礎上進行若干次力學計算，通過計算獲得“單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔCi”和“名義單位損傷向量Diu”的具體方法為
f1.在索結構的力學計算基準模型Ai的基礎上進行若干次力學計算，計算次數數值上等于N；依據被評估對象的編號規則，依次進行計算；每一次計算假設只有一個被評估對象在原有損傷或位移的基礎上再增加單位損傷或單位位移，具體的，如果該被評估對象是索系統中的一根支承索，那么就假設該支承索再增加單位損傷，如果該被評估對象是一個支座的一個方向的位移分量，就假設該支座在該位移方向再增加單位位移，每一次計算中再增加單位損傷或單位位移的被評估對象不同于其它次計算中再增加單位損傷或單位位移的被評估對象，用“名義單位損傷向量Diu”記錄記錄所有假定的再增加的單位損傷或單位位移，其中i表示第i次循環，每一次計算都利用力學方法計算索結構的所有被監測量的當前計算值，每一次計算得到的所有被監測量的當前計算值組成一個被監測量計算當前數值向量；
f2.每一次計算得到的被監測量計算當前數值向量減去被監測量初始數值向量后再除以該次計算所假設的單位損傷或單位位移數值，得到一個被監測量變化向量，有N個被評估對象就有N個被監測量變化向量；
f3.由這N個被監測量變化向量按照N個被評估對象的編號規則，依次組成有N列的索結構被監測量單位變化矩陣ΔCi。
全文摘要
基于混合監測的遞進式索結構健康監測方法基于混合監測，考慮到了被監測量的當前數值向量同被監測量的初始數值向量、單位損傷被監測量變化矩陣和當前名義健康狀態向量間的線性關系是近似的，為克服此缺陷，本發明給出了使用線性關系分段逼近非線性關系的方法，將大區間分割成連續的一個個小區間，在每一個小區間內上述線性關系都是足夠準確的，在每一個小區間內可以利用多目標優化算法等合適的算法快速識別出支座位移、受損索和松弛索。
文檔編號G01M99/00GK101793627SQ201010140048
公開日2010年8月4日 申請日期2010年4月2日 優先權日2010年4月2日
發明者韓玉林 申請人:東南大學