专利名称：结构损伤检测的多指标分层与融合可视化方法
技术领域：
本发明涉及大型土木结构损伤检测领域，特别涉及一种结构损伤检测的多指标分层与融合可视化方法。
背景技术：
改革开放以来，我国的基础设施建设得到明显加强，各种大型结构相继建成。然而由于大型结构在服役过程中，不可避免的受到环境荷载、疲劳效应、腐蚀效应和材料老化等不利因素的影响，这些影响有可能产生损伤累积、抗力衰减、突发破坏等严重后果。为此有必要对结构的损伤状况进行识别和评估。目前，在大型土木结构损伤检测和健康监测研究领域，揭示结构损伤信息的方法主要是应用单个参数或指标的曲线或柱状图，通过曲线或柱状图的突变来识别结构的损伤位置，并通过与未损伤状况下作比较，根据图中参数的偏离大小来评估损伤程度。另一种结构损伤检测的方法是通过应用X射线扫描或者热成像等图像方法来实现，但该方法主要是应用于小型的机械结构。上述两种方法在实际应用中存在以下弊端(1)由于当前损伤检测的指标过于抽象，曲线和柱状图方法必须专业的工程技术人员才能判断结构是否存在损伤、损伤位置以及损伤程度，这种方法不够直观、形象，不利于推广和产业化。并且当前各类测量仪器以及自带的数据处理软件缺少直接在原结构上揭示损伤信息的可视化模块。(2)通常曲线和柱状图方法在突变位置即为损伤位置，当结构为简单的梁结构时能够很好的揭示出损伤位置，但是对于相对复杂结构，如桁架结构，就不能用曲线来表达。如果用柱状图来表达时，则把每一根杆件当成一个单元，把每一根杆件标号，在柱状图中对应显示，再和原结构对应， 操作相对麻烦，在屏幕显示上也不能一目了然。( 图像识别技术在医学，地质学等领域有较成熟的应用，在结构损伤探测中虽有应用X射线扫描，高速摄像，热成像及涡流成像等技术，但这些方法只适用于小型机械结构，如果要用于大型土木结构的健康监测，不仅耗时耗力，而且消耗大量的资金，所以并不适用。(4)在结构损伤检测领域，单一指标只对特定的损伤信息敏感，仅能包含有限的损伤信息，对不同的结构有其适应性，容易导致漏判，可靠性不足。因此，需要提供一种适用于大型结构且检测精度高、损伤位置和损伤程度能直观显示的结构损伤可视化方法。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种结构损伤检测的多指标分层与融合可视化方法，该方法适用于大型结构，且检测精度高，损伤位置和损伤程度能够清楚直观的显示出来，对操作人员的专业程度相对要求不高。本发明的目的通过以下的技术方案实现结构损伤检测的多指标分层与融合可视化方法，具体包括以下步骤
(1)采集大型土木结构上传感器的信号，根据信号应用基于结构振动特性的损伤检测方法，得到坐标模态置信因子(COMAC)、协调模态置信因子(ECOMAC)、柔度矩阵、曲率模态、应变模态和应变能，基于时间序列和基于统计学等动力特性指标值；(2)将步骤(1)所述各动力特性指标值映射成图像数据，然后将图像数据融合到原结构图上，即将一个可视化空间结构和一条图像信息对应起来，在显示器上分层显示出来；对得到的各指标图像数据分别进行如下操作(2-1)提取出同一时刻得到的各个动力特性指标值并将它们进行融合，得到一个新的融合指标，然后将该融合指标进行映射得到融合指标图像数据；(2-2)提取出不同时刻得到的同一动力特性指标图像数据和不同时刻对应的融合指标图像数据，然后将数据融合到原结构图上，在显示器上分层显示，从而直观显示出土木结构的损伤位置和损伤程度。作为优选方案，在第一次使用该方法时，在步骤(2)结束后，由操作人员对每个指标图像进行对比验证，检查是否有漏判损伤信息或者对本结构不适应的指标，如果有则将该指标剔除，在以后检测中不再计算该指标。所述映射的图像数据分为两种，分别是彩色图像数据和灰度图像数据，在一次损伤检测过程中，仅选用两者中的一种，具体映射方法是(2-1)若要映射为彩色图像，即将结构上的每一点对应的指标数据a均用红(R)、 绿(G)、蓝(B)三原色组表示成真彩色图像数据，每一色原存在256个级别，设指标中最小值为min_a，最大值为maX_a，则该点处的颜色值(R(a) ,G(a)，B(a))用下式表示
权利要求
1.结构损伤检测的多指标分层与融合可视化方法，其特征在于，具体包括以下步骤(1)采集大型土木结构上传感器的信号，根据信号应用基于结构振动特性的损伤检测方法，得到如下动力特性指标值坐标模态置信因子、协调模态置信因子、柔度矩阵、曲率模态、应变模态、应变能、基于时间序列指标和基于统计学指标；(2)将步骤(1)所述各动力特性指标值映射成图像数据，然后将图像数据融合到原结构图上，即将一个可视化空间结构和一条图像信息对应起来，在显示器上分层显示出来；对得到的各指标图像数据分别进行如下操作(2-1)提取出同一时刻得到的各个动力特性指标值并将它们进行融合，得到一个新的融合指标，然后将该融合指标进行映射得到融合指标图像数据；(2-2)提取出不同时刻得到的同一动力特性指标图像数据和不同时刻对应的融合指标图像数据，然后将数据融合到原结构图上，在显示器上分层显示，从而直观显示出土木结构的损伤位置和损伤程度。
2.根据权利要求1所述的结构损伤检测的多指标分层与融合可视化方法，其特征在于，在第一次使用该方法时，在步骤( 结束后，由操作人员对每个指标图像进行对比验证，检查是否有漏判损伤信息或者对本结构不适应的指标，如果有则将该指标剔除，在以后检测中不再计算该指标。
3.根据权利要求1所述的结构损伤检测的多指标分层与融合可视化方法，其特征在于，所述映射的图像数据分为两种，分别是彩色图像数据和灰度图像数据，在一次损伤检测过程中，仅选用两者中的一种，具体映射方法是(2-1)若要映射为彩色图像，即将结构上的每一点对应的指标数据a均用红(R)、绿 (G)、蓝(B)三原色组表示成真彩色图像数据，每一色原存在256个级别，设指标中最小值为 min_a，最大值为maX_a，则该点处的颜色值(R(a)，G(a)，B(a))用下式表示
4.根据权利要求1所述的结构损伤检测的多指标分层与融合可视化方法，其特征在于，所述步骤0-1)中对同一时刻得到的不同动力特性指标图像数据值进行融合所采用的方法是自适应加权最小二乘法，对于不同指标设定不同的权值，设定的权值使融合值和各指标差值平方和最小，具体为设&为计算得到的第i个指标值，Wi为第i个指标自适应权值，各指标平均值为文=If不，差为
5.根据权利要求1所述的结构损伤检测的多指标分层与融合可视化方法，其特征在于，所述步骤(2)完成可视化后，操作人员通过框定对结构图像中任意位置进行放大。
全文摘要
本发明公开了一种结构损伤检测的多指标分层与融合可视化方法，首先，采集大型土木结构上传感器的信号，应用各指标对应的处理方法求出各类动力特性指标；然后将各动力特性指标值进行分层可视化；对于同一时刻得到的不同指标的值进行融合，得到一个新的融合指标，然后将该融合指标可视化。通过图像的密度、颜色或灰度的分布，使得结构损伤信息在原结构中体现出来，实现结构动力特性数据的可视化，使得损伤信息形象、直观和具体。本发明将多个指标进行融合，形成融合指标，解决单一指标容易导致漏判的缺点，且可将不同时刻不同损伤程度下各指标图像进行分层对比，研究损伤的发展规律，评估结构的健康状况。
文档编号G01N33/00GK102323382SQ20111020335
公开日2012年1月18日 申请日期2011年7月20日 优先权日2011年7月20日
发明者程良彦, 聂振华, 马宏伟 申请人:暨南大学