复杂环境下基于累积损伤因子序列的桥梁结构损伤诊断方法
【专利摘要】复杂环境下基于累积损伤因子序列的桥梁结构损伤诊断方法，属于实际运营中的桥梁结构损伤诊断领域。本发明是为了解决复杂环境下基于海量监测数据的桥梁结构损伤诊断方法的准确性低的问题。本发明所述的复杂环境下基于累积损伤因子序列的桥梁结构损伤诊断方法，采用健康状态下的桥梁结构监测数据构建损伤诊断阈值，通过对不同时刻待诊断状态下的累积损伤判别因子与损伤诊断阈值进行比较，从而判别桥梁结构产生损伤与否。同时本发明所述方法通过相关性置乱策略，能够剔除各种环境因素对桥梁结构监测数据的影响，本发明能够使复杂环境条件下桥梁结构损伤诊断的准确性得到提高，本发明适用于解决实际运营的桥梁结构损伤诊断问题。
【专利说明】复杂环境下基于累积损伤因子序列的桥梁结构损伤诊断方法
【技术领域】
[0001]本发明属于实际运营中的桥梁结构损伤诊断领域。
【背景技术】
[0002]桥梁结构是连接公路的重要枢纽，其结构的安全性对保障公路交通的安全与畅通举足轻重。为保障桥梁结构在运营期间的安全性、完整性和适用性，急需采用有效的技术手段对桥梁结构性能的变化过程给予准确的诊断，从而有效地诊断桥梁结构损伤。近年来，随着传感器技术、数值模拟、损伤识别技术的快速发展，结构健康监测技术开始广泛应用于大型桥梁结构。结构健康监测技术可以持续可靠地提供桥梁结构状态、响应信息；识别设计和建造中的各种缺陷、劣化和损伤；评估损伤对桥梁结构承载能力和可靠性的影响;为桥梁结构运营和维修决策者提供超载和损伤的警告信息。因此，结构健康监测技术逐渐成为准确诊断桥梁结构损伤的有效手段。
[0003]然而，由于运营的桥梁结构往往处于时变和复杂环境下，使得基于结构健康监测技术的桥梁结构损伤诊断方法的研究仍然面临巨大挑战。首先，健康监测系统的连续运行导致积累的数据已经趋于海量，而且监测得到的数据种类繁多、数据质量参差不齐；其次，由于这些海量数据是桥梁结构运行状态下遭受各种耦合作用的综合反应，所以各种环境及荷载因素对监测数据具有较大的影响，而且这些影响往往掩盖结构损伤导致的监测数据变化，从而使得桥梁结构损伤诊断仍具有较大难度。如何有效剔除多种环境及荷载因素对结构监测数据的影响，从而利用实时监测数据准确诊断桥梁结构损伤是一个颇具挑战性的课题。由此可知，多种环境及荷载因素对监测数据的影响是大跨度桥梁结构损伤诊断的瓶颈。复杂环境下基于实时监测数据的桥梁结构损伤诊断的准确性非常低。
【发明内容】
[0004]本发明是为了解决复杂环境下基于实时监测数据的桥梁结构损伤诊断方法的准确性低的问题，现提供复杂环境下基于累积损伤因子序列的桥梁结构损伤诊断方法。
[0005]复杂环境下基于累积损伤因子序列的桥梁结构损伤诊断方法，该方法包括以下步骤:
[0006]步骤一:采集待诊断状态下桥梁结构的实时监测数据，并以监测时间的中间时间点作为划分点，将该监测数据平均划分为前段时间部分和后段时间部分；
[0007]步骤二:利用步骤一获得的前段时间部分监测数据建立待诊断状态下桥梁数据模型；
[0008]步骤三:根据步骤一获得的后段时间部分监测数据和步骤二获得的待诊断状态下桥梁数据模型，构建待诊断状态下桥梁累积损伤特征向量；
[0009]步骤四:根据步骤三获得的待诊断状态下桥梁累积损伤特征向量，利用累积控制图方法确定待诊断状态下桥梁结构累积损伤判别因子序列；[0010]步骤五:采用相关性置乱方法对待诊断状态下桥梁结构累积损伤判别因子序列进
行重置；
[0011]步骤六:将重置后的累积损伤判别因子序列与损伤诊断阈值进行比较，当累积损伤判别因子序列中的任意一个元素大于损伤诊断阈值时，则桥梁结构损伤。
[0012]本发明所述的复杂环境下基于累积损伤因子序列的桥梁结构损伤诊断方法，采用健康状态下的桥梁结构监测数据构建损伤诊断阈值，通过对不同时刻待诊断状态下的累积损伤判别因子与损伤诊断阈值进行比较，从而判别桥梁结构产生损伤与否。同时本发明所述方法通过相关性置乱策略，能够剔除各种环境因素对桥梁结构监测数据的影响，本发明能够使复杂环境条件下桥梁结构损伤诊断的准确性得到提高，本发明适用于解决实际运营的桥梁结构损伤诊断问题。本发明还能够直接应用于桥梁结构健康监测系统，实现对桥梁结构状态的在线实时诊断。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为三跨连续梁桥结构示意图。
[0014]图2为混凝土材料的弹性模量与环境温度的相关性曲线图。
[0015]图3为钢材材料的弹性模量与环境温度的相关性曲线图。
[0016]图4为模拟桥梁结构环境温度年变化规律曲线图。
[0017]图5为本发明所述的复杂环境下基于累积损伤因子序列的桥梁结构损伤诊断方法的损伤诊断结果数据曲线图。
[0018]图6为常规的桥梁结构异常诊断方法的损伤诊断结果数据曲线图。
[0019]图7为【具体实施方式】一所述的复杂环境下基于累积损伤因子序列的桥梁结构损伤诊断方法的流程图。
【具体实施方式】
[0020]【具体实施方式】一:参照图7具体说明本实施方式，本实施方式所述的复杂环境下基于累积损伤因子序列的桥梁结构损伤诊断方法，该方法包括以下步骤:
[0021]步骤一:采集待诊断状态下桥梁结构的实时监测数据，并以监测时间的中间时间点作为划分点，将该监测数据平均划分为前段时间部分和后段时间部分；
[0022]步骤二:利用步骤一获得的前段时间部分监测数据建立待诊断状态下桥梁数据模型；
[0023]步骤三:根据步骤一获得的后段时间部分监测数据和步骤二获得的待诊断状态下桥梁数据模型，构建待诊断状态下桥梁累积损伤特征向量；
[0024]步骤四:根据步骤三获得的待诊断状态下桥梁累积损伤特征向量，利用累积控制图方法确定待诊断状态下桥梁结构累积损伤判别因子序列；
[0025]步骤五:采用相关性置乱方法对待诊断状态下桥梁结构累积损伤判别因子序列进
行重置；
[0026]步骤六:将重置后的累积损伤判别因子序列与损伤诊断阈值进行比较，当累积损伤判别因子序列中的任意一个元素大于损伤诊断阈值时，则桥梁结构损伤。
[0027]累积损伤因子序列的损伤诊断方法，即利用桥梁结构损伤累积过程的特征判别桥梁产生损伤与否。复杂环境因素影响下，现有基于异常诊断的桥梁结构损伤诊断方法的基本思想为:采用健康状态下的桥梁结构监测数据构建结构损伤判别因子，通过对不同时刻的损伤判别因子进行异常诊断，从而判别桥梁结构产生损伤与否。但是，实际桥梁损伤发展过程是一个从微小损伤逐渐发展至严重损伤的不可逆过程，因此，利用待诊断状态下某个时刻的损伤判别因子与损伤诊断阈值进行比较，与利用不断累积的监测损伤因子序列与损伤诊断阈值进行比较进行异常诊断，后者对损伤的敏感程度远高于前者。
[0028]本实施方式中，提出利用相关性置乱策略对累积损伤因子进行重置，从而消除累积损伤因子序列中各损伤判别因子之间的相关性。由于桥梁结构损伤因子之间在监测时间、环境因素及荷载作用等方面均具有相关性，所以建立的累积损伤因子序列同样具有上述相关性，从而导致基于独立同分布假设的异常诊断算法均无法应用，即桥梁损伤诊断方法失效。综上，提出消除损伤判别因子相关性的有效方法对准确诊断桥梁损伤具有重要意义。
[0029]【具体实施方式】二:本实施方式是对【具体实施方式】一所述的复杂环境下基于累积损伤因子序列的桥梁结构损伤诊断方法作进一步说明，本实施方式中，步骤二所述建立待诊断状态下桥梁数据模型的方法为:
[0030]步骤二一:设监测数据向量为ymX1，步骤一获得的前段时间部分监测数据矩阵为Y1 = [Y1,12,…，yn]，则Y1的协方差定义为:
【权利要求】
1.复杂环境下基于累积损伤因子序列的桥梁结构损伤诊断方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: 步骤一:采集待诊断状态下桥梁结构的海量监测数据，并以监测时间的中间时间点作为划分点，将该监测数据平均划分为前段时间部分和后段时间部分； 步骤二:利用步骤一获得的前段时间部分监测数据建立待诊断状态下桥梁数据模型；步骤三:根据步骤一获得的后段时间部分监测数据和步骤二获得的待诊断状态下桥梁数据模型，构建待诊断状态下桥梁累积损伤特征向量； 步骤四:根据步骤三获得的待诊断状态下桥梁累积损伤特征向量，利用累积控制图方法确定待诊断状态下桥梁结构累积损伤判别因子序列； 步骤五:采用相关性置乱方法对待诊断状态下桥梁结构累积损伤判别因子序列进行重置； 步骤六:将重置后的累积损伤判别因子序列与损伤诊断阈值进行比较，当累积损伤判别因子序列中的任意一个元素大于损伤诊断阈值时，则桥梁结构损伤。
2.根据权利要求1所述的复杂环境下基于累积损伤因子序列的桥梁结构损伤诊断方法，其特征在于，步骤二所述建立待诊断状态下桥梁数据模型的方法为: 步骤二一:设监测数据向量为ymX1，步骤一获得的前段时间部分监测数据矩阵为Y1 =[yi, y2,…，yn]，则Yi的协方差定义为:
3.根据权利要求2所述的复杂环境下基于累积损伤因子序列的桥梁结构损伤诊断方法，其特征在于，步骤三所述构建待诊断状态下桥梁累积损伤特征向量的方法为: 步骤三一:设步骤一获得的另一部分监测数据为Y2 = [yn+1, yn+2,…，yn+k]，则监测数据向量为:)=y^-F⑶ 式中，j = 1,2,…，k，且k为正整数； 步骤三二:根据数据模型{ μ，U2，SJ和监测数据向量I能够获得向量Pj:Pi=^lh⑷ 步骤三三:根据向量Pj，能够构建待诊断状态—卜桥梁累积损伤特征向量r = {r1； r2,…，rk}，其中每个元素定义为:
4.根据权利要求3所述的复杂环境下基于累积损伤因子序列的桥梁结构损伤诊断方法，其特征在于，步骤四所述确定待诊断状态下桥梁结构累积损伤判别因子序列为: 设待诊断状态下桥梁累积损伤特征向量r服从正态分布，则有概率分布模型:
5.根据权利要求4所述的复杂环境下基于累积损伤因子序列的桥梁结构损伤诊断方法，其特征在于，在步骤一之前，首先定义损伤诊断阈值，定义损伤诊断阈值的方法为: 子步骤一:采集健康状态下桥梁结构的海量监测数据，并将该健康状态下桥梁结构的海量监测数据平均划分为两部分； 子步骤二:根据子步骤一获得的一部分监测数据，利用步骤二的方法建立健康状态下桥梁数据模型； 子步骤三:根据子步骤一获得的另一部分监测数据和子步骤二获得的健康状态下桥梁数据模型，利用步骤三的方法构建健康状态下桥梁累积损伤特征向量； 子步骤四:根据子步骤三获得的桥梁累积损伤特征向量，利用步骤四的方法确定健康状态下桥梁结构累积损伤判别因子序列；并按照该累积损伤判别因子序列5%的误差概率确定损伤 诊断阈值。
【文档编号】G06F19/00GK103984875SQ201410255647
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年6月10日 优先权日:2014年6月10日
【发明者】刘洋, 王德军, 马俊, 张绍逸, 杨昌熙 申请人:哈尔滨工业大学