基于損傷可識別性的靜力傳感器的優化布設方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于損傷可識別性的靜力傳感器的優化布設方法，以最少的不可識別模型的個數Ymin作為目標函數，Ymin所對應的傳感器的布設位置即為最優的傳感器布設。本發明在靜力測試下，可以實現利用最少的傳感器且能最大程度的區分結構的各種可能的損傷情況。本發明的傳感器優化布設方法原理明確，操作簡單，在橋梁工程上具有很強的實用性。
【專利說明】基于損傷可識別性的靜力傳感器的優化布設方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基于損傷可識別性的靜力傳感器的優化布設方法，屬于橋梁領域。
【背景技術】
[0002]橋梁工程中可采用的靜力傳感器種類主要有測試撓度的位移計及測試應變、應力的應變計等。由于經濟和結構運行狀態等方面的原因，在結構上安置過多的傳感器是不可能的，因此需要對傳感器的位置進行優化布設，使其能夠應用最少的傳感器最大程度的區分結構的各種可能的損傷情況。
[0003]傳感器的優化布設是橋梁結構健康監測過程中的一個重要問題，以往的監測中，為了盡可能多的獲取橋梁不同位置的信息采取的方法一般是在橋梁內部埋入較多的傳感器，然而這種做法會帶來以下不良后果:一、增加了監測系統的成本；二、過多的傳感器本身也會對橋梁的結構造成不利的影響。因此應盡量做到使用較少的傳感器獲得盡可能多的結構健康信息。
[0004]《華北電力大學(河北)》2008公開了一種基于多源信息融合的傳感器故障診斷方法，其采用傳感器對故障進行診斷，但是該方法并非是針對橋梁的故障診斷，且其也并未涉及傳感器的優化布設算法；Park, jae-Hyung, Ho, Duc-Duy, Ryu, Yeon-Sun, et al.Damagedetect1n algorithm-embedded smart sensor node system for bridge structuralhealth monitoring[C]//Proceedings of SPIE-The Internat1nal Society for OpticalEngineering, 2009 (7292),該文采用自主智能傳感器節點對預應力混凝土橋梁健康監測(SHM)進行了分析，設計了基于加速和阻抗的智能傳感器節點，建立了專門的操作系統，使用智能傳感器節點使用全局和局部混合的方法對其進行了監控監測，但是該文也并未涉及傳感器的優化布設；Lee, Soon Gie, Yun GunJin Real-time health monitoring of bridgestructures using a reference-free damage detect1n algorithm[C]//Proceedingsof SPIE-The Internat1nal Society for Optical Engineering, 2011 (7981),該文提出了一個連續的實時結構監控監測(SHM)和損傷監測系統，采用小波包分解(WPD)對所造成的橋梁損傷建立了敏感指標(DSI)，采用基準模型修正結構儀表和加速度傳感器用于監測系統的試驗，該文采用了修正結構儀表和加速度傳感器，用于損傷檢測系統，并建立了敏感指標，但是其也并不涉及靜力傳感器的優化布設。因此還需要對用于橋梁健康監測的靜力傳感器的優化布設進行進一步研究。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于，提供一種基于損傷可識別性的靜力傳感器的優化布設方法，它可以有效解決現有技術中存在的問題，尤其是沒有一種現成的橋梁靜力傳感器傳感器的優化布設方法，實現應用最少的靜力傳感器最大程度的區分橋梁結構的各種可能的損傷情況的問題。
[0006]為解決上述技術問題，本發明采用如下的技術方案:一種基于損傷可識別性的靜力傳感器的優化布設方法，以最少的不可識別模型的個數Ymin作為目標函數，Yfflin所對應的傳感器的布設位置即為最優的傳感器布設。
[0007]具體的，本發明所述的優化布設方法包括以下步驟:
[0008]SI，建立η種損傷情況下的有限元損傷模型，并提取各種損傷情況下各傳感器潛在位置i處的應變預測值Pij,其中，i為傳感器的潛在位置，j為損傷情況，I ^ j ^ η ；
[0009]S2，根據傳感器的測量精度，將傳感器潛在位置i處的應力預測值Pi根據值的大小劃分為若干區間，相應的應力預測值處于同一區間的損傷模型即為不可識別損傷模型；將包含兩個或兩個以上的模型的區間設為集合bik，其中，O < k < j ;集合bik中的元素為各種不可識別的損傷狀態且多個bik組成集合Bi, Bi = Ibil U bi2...U bik}；
[0010]S3，若各傳感器的潛在位置個數為m，傳感器的個數為S，計算Y =IB1 n B2...n BJ ;子集中元素數量最少的數目即為最少的不可識別模型的個數Ymin，Ymin所對應的傳感器的布設位置即為最優的傳感器布設。
[0011]本發明編程求解Ymin的實現:
[0012]由于在求解Ymin的過程中，當i = S時需計算集合Y的次數為C(m，s)，計算量巨大，因而求解Ymin，需編制相應的優化算法。因為求交集具有結合律，即(A η B) n C = An (B n c)，所以每次計算s = i+l的Y時，可以利用s = i的Y,用s = i的Y中的每個元素,與s = I的Y相交，通過枚舉，可以不重復算出Y中每個元素，從而節約大量計算時間。
[0013]依據此原理，可采用如下的方法來實現Ymin的計算:
[0014]首先計算S = I時的Y，假設有m行，Y中元素表示為(Y1, Y2，...Yj ;計算每個集合Yi中的最大子集元素的個數(表示為Υ?，_)及所有中的最小值(表示為Ys = I^niin),其中，S為傳感器的個數，Y為不可識別模型的個數，m為各傳感器的潛在位置個數；
[0015]其次，根據s = i時的Y與s = I時的Y相交來計算s = i+l時的Y,依次類推迭代。
[0016]例如Y1 = B1 n B2 = {(5,6) ;(9，0)}，其不可識別模型最多為2個；而
Y2=B3 nB5 =0,?=? η爲=0則為空集，不可識別模型為零，此時的Y即為所求。
[0017]根據以上算法思想，編制的程序流程圖如圖3所示。
[0018]采用matlab語言編制相關程序進行計算，將模擬得到的各損傷狀態下的應變值作為輸入，得到相應輸出。
[0019]為了驗證本發明的優化布設方法的有效性及優越性，發明人進行了以下數值算例試驗:
[0020]基于損傷可識別性的傳感器的優化布置主要分為兩大步驟:損傷模型的建立和傳感器布設的評價。
[0021]1.損傷模型的建立
[0022]將結構中可以布設傳感器的位置稱為傳感器的潛在位置。假設結構在某位置出現了損傷，在損傷情況下建立其有限元模型，繼而獲得結構在傳感器潛在位置處的效應值。這些效應值可以由該處的傳感器測量得到。本發明傳感器優化布設的目的就是利用這些效應值，使用最少的傳感器，最大程度的區分各損傷情況。可以模擬損傷的基本形式一般有截面面積減少，單元彈性模量損失，支座破壞沉降等。
[0023]由于結構的實際損傷形式往往是幾種損傷的組合，要模擬所有損傷情況是不現實也是不可能的。因此，在實際應用中，可以根據工程師的經驗對若干可能的損傷情況進行有限元模擬。
[0024]在靜力傳感器的優化布置中，傳感器必須能夠對不同的損傷情況做出靈敏的反應，即在布置傳感器時，不同模擬損傷情況下的傳感器測定的數值應有所不同。假定在某種損傷情況下，建立結構的損傷有限元模型，可以得到任意傳感器潛在位置i處的預測效應值為Pi,假定所有潛在的傳感器位置為m個，所有的損傷狀況為η個。
[0025]2.傳感器布設的評價
[0026]本發明傳感器優化布設的最終目的是使其能最大限度的區分各損傷模型預測值。本發明將使不可識別的損傷模型數目減少到最少的布設方案稱為最優方案，即以不可識別模型的最少個數Ymin作為目標函數，在給定傳感器個數S的時候，最少的不可識別模型數Ymin。
[0027]以一個三跨連續簡支梁為例，說明本發明的方法在傳感器優化布置中的應用。如圖1所示的三跨連續簡支梁，每跨分為三個單元。損傷設定為其中某一單元彈性模量損失60%，由于單元總數為9個，損傷狀況共計9種，加上無損狀況故η = 10。假定采用應變傳感器識別單元的損傷。
[0028]在利用橋梁有限元模型施加了均布荷載的情況下，通過有限元模擬計算，得到各單元無損狀態以及各損傷狀況下的應變預測值如表1所示:
[0029]表1應變預測
[0030]
【權利要求】
1.一種基于損傷可識別性的靜力傳感器的優化布設方法，其特征在于:以最少的不可識別模型的個數Ymin作為目標函數，Yfflin所對應的傳感器的布設位置即為最優的傳感器布設。
2.根據權利要求1所述的基于損傷可識別性的靜力傳感器的優化布設方法，其特征在于，具體包括以下步驟: SI，建立η種損傷情況下的有限元損傷模型，并提取各種損傷情況下各傳感器潛在位置i處的應變預測值Pij,其中，i為傳感器的潛在位置，j為損傷情況，I ^ j ^ η ； S2，根據傳感器的測量精度，將傳感器潛在位置i處的應力預測值Pi劃分為若干區間，相應的應力預測值處于同一區間的損傷模型即為不可識別損傷模型；將包含兩個或兩個以上的模型的區間設為集合bik，其中，k為不可識別損傷數，O彡k< j ;集合bik中的元素為各種不可識別的損傷狀態且多個bik組成集合Bi, Bi = Ibil U bi2...U bik}； S3，若各傳感器的潛在位置個數為m，傳感器的個數為S，計算Y = (B1 Π B2...H Bj ；子集中元素數量最少的數目即為最少的不可識別模型的個數Ymin，Yfflin所對應的傳感器的布設位置即為最優的傳感器布設。
【文檔編號】G06F17/50GK104133961SQ201410363669
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月28日 優先權日:2014年7月28日
【發明者】吳朝霞, 趙玉倩, 樊紅, 胡立鵬, 黃艷南 申請人:東北大學