一种桥梁健康监测船撞报警方法与流程

本发明涉及桥梁船撞报警领域，更具体地，涉及一种桥梁健康监测船撞报警方法。

背景技术：

1、随着我国桥梁和水运交通事业的快速发展，水上交通量的日益增大，船舶不断向大型化、高速化发展。然而，现有大多数桥梁为上世纪建造的既有桥梁，由于受净宽高限制，面临船撞风险日益突出。近年来，船撞桥梁事故的频繁发生，给桥梁管养单位带来了巨大的压力。其主要在于桥梁管养面临着以下难题：管养桥梁众多，桥梁巡检难度大；大多数桥墩位于河面上，难以近距离巡查。此外，由于船舶剐蹭桥墩及防撞平台造成的桥梁桥墩小损伤、小变形，难以被及时发现，可能造成事故难以及时获知，延误了桥梁的状态评判和检修时间，从而造成损伤继续发展，甚至引起桥梁的倒塌，危及桥上生命安全。

2、在现有的技术中，常见的应急监测方法为阈值报警法，当桥梁受船舶撞击时，可以通过实测的索力、挠度、加速度等监测数据产生的变化超过预警值进行报警。但实测数据易受环境因素的影响存在较大噪声，使得实测数值经常性超过预警值，从而引起误报，降低系统报警有效性和可信度。大部分预警值是根据设计值进行设定的，然而，实际由船舶剐蹭引起的异常数据响应远达不到预警值，从而造成预警值虚设现象。若将预警值改小，则面临着经常性误报。而且，对于不同的桥墩类型，其刚度、结构形式、桥墩的受力形式等均存在差异，传感器的安装位置、阈值设定等均存在不同。因此，如何合理设置预警值，面临着巨大难题。再者，部分监测数据除了受环境影响还受温度效应的影响，如动挠度、动应变等，其长期监测数据受温度效应的影响大于车辆荷载或其它冲击荷载引起的值变化，因此，需进行温度效应分离，才能进行预警，否则存在预警值设置范围过大无法预警的现象。相比加速度监测，动挠度监测数据受监测条件限制，船撞前后挠度变化小，数据精度低，且易被环境噪声所掩盖。虽然，采用协整与卡尔曼滤波方法的可以识别动挠度异常信号，但却无法确定信号类型为船撞信号。与之相同，基于应变回归残差的方法虽然能够识别异常应变信号，但是信号并不明显，而且无法确定外部荷载类型，得结合梁端转角等其它监测数据进行判断。尽管，采用梁端水平转角幅值、水平转角峰谷、1阶水平转角自功率谱密度幅值组成的梁端水平转角自振特性综合报警指标能够实现桥梁船撞报警，但这种方法过度依赖了桥梁本身的模型信息，并且特征之间存在依赖性，如转角幅值没有匹配到，则后两个特征直接失效，存在没有有效的冗余机制问题。

3、因此，为了解决上述问题，本发明提出了一种及时、经济、实用的桥梁健康监测船撞报警方法，能够及时发现船撞时刻和位置，有效地进行船撞报警，解决了一般采用加速度实测数据进行桥梁船撞异常报警，存在阈值设定不同、信号类型识别困难、识别结果易受环境噪声影响的问题，实现桥梁在船撞等异常事件下的实时报警，对长大桥梁营运管理具有重要的现实意义。

技术实现思路

1、本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷(不足)，提供一种桥梁健康监测船撞报警方法，用于解决桥梁船撞异常报警，存在阈值设定不同、信号类型识别困难、识别结果易受环境噪声影响的问题，实现桥梁在船撞等异常事件下的实时报警，及时发现船撞引起的桥梁桥墩损伤变形，从而能够对桥梁进行状态评判和检修，进而降低桥梁管养管理难度高的问题。

2、本发明采取的技术方案是，一种桥梁健康监测船撞报警方法，具体包括以下步骤：

3、s1：采用滑动窗算法对加速度信号进行分段截取得到对应的加速响应子序列；

4、s2：采用自然激励技术对加速度子序列进行振动响应曲线提取；

5、s3：利用希尔伯特变化提取振动响应信号的包络，再对该包络进行拟合；

6、s4：通过衰减函数判定信号类型，并在此基础上，计算不同状态下的马氏距离均值比；

7、s5：利用肖维勒方法对不同桥墩顶处加速度振动响应的马氏距离均值比的异常值进行判断，通过出现异常值的时间和大小来判断船撞时刻和位置。

8、该方法能够识别出船撞时刻和位置，有效地进行船撞报警，克服了一般基于振动时域参数特征向量算法难以识别的缺点。同时，该算法通过冲击振动衰减特性，进行衰减函数判断，解决了一般桥梁船撞算法存在信号类型识别困难的问题。

9、优选地，所述步骤s1中还包括了实测桥梁的加速度时程响应a(t)，将实测得到的加速度时程响应长度设置为l，设置固定窗长度为w的滑动窗口在a(t)上按顺序滑动。

10、进一步优选地，所述步骤s1还包括了设置滑动窗基本参数，设置固定窗长度w＝mn*60*fs，滑动间距s＝ms*60*fs，其中，fs为采样频率，固定窗采样时间为mn分钟，递推时间为ms分钟；所述滑动间距小于固定窗长度，即s<w。

11、对于滑动窗算法，滑动间距和固定窗长度具有三种形式：若滑动间距等于固定窗长度，即相当于滚窗截取数据；若滑动间距大于固定窗长度，则会丢失数据；若滑动间距小于固定窗长度，则窗口重叠。滑动间距和固定窗长度的选取对截取子序列的特征变化具有重要的影响。若需要反应短时间内子序列的变化特征则滑动间距不能过大，而对于一些计算子序列变化特征的算法，其对子序列的窗宽长度也具有一定要求，即固定窗长度不能过小，因此这类问题为上述第三种形式，即滑动间距小于固定窗长度。

12、进一步优选地，所述步骤s1中，加速响应子序列[xt1，xt2，…，xtk，…，xtm]由m＝(l-w)/s个滑动窗截取所得到，其中xtk为：

13、xtk＝a(ks:ks+w)

14、式中：k＝1，2，…，tk＝ks+w/2，且w/2≤tk≤l-w/2。

15、由于一般环境荷载作用下桥梁的加速度响应与船撞激励下桥梁加速度响应是具有一定差异性的，因此，需要通过滑动窗算法来获得桥梁发生船撞的加速响应子序列，为后续判断船撞时刻和位置做数据支撑。

16、优选地，在步骤s2中，还包括了通过求得结构加速度响应的互相关函数来代替脉冲响应函数提取振动响应曲线，当结构在k点输入信号激励时，i、j两点的位移响应互相关函数公式为：

17、

18、式中：x(t)为结构的位移响应向量，为第r阶振型，ωr和ζr分别为第r阶自振频率和模态阻尼比，mr为第r阶模态质量，gijr为与测点和模态阶数有关的常数。

19、由于桥梁在发生船撞激励后反应在加速度时程曲线上并不明显，难以对船撞事件进行判别，但是在桥梁受冲击荷载作用下，其振动具有自由衰减特性，冲击荷载作用下的自由振动曲线与环境激励下的振动曲线具有较大差异性，因此可根据自由振动曲线变化特征的差异性对船撞事件进行判别，此外，由于在冲击激励或高斯白噪声下，结构加速度响应的互相关函数与脉冲响应函数具有相似的数学表达式，因此，可以利用互相关函数代替脉冲响应函数。

20、优选地，所述步骤s3中，还包括了将信号x(t)和1/πt做卷积运算，然后分析信号得到x(t)的包络谱。

21、进一步优选地，所述步骤s3中，采用单自由度加速度衰减信号的包络线方程对其包络曲线进行拟合，包络曲线拟合方程为：

22、

23、其中：c为振幅，ωn为固有频率，φ相位角，ζ为系统阻尼比。

24、进一步优选地，所述步骤s3中，包括采用确定系数对拟合法方程进行评估：

25、

26、式中：yi、分别为原始数据、预测数据、原始数据均值，当满足-0.1<b<0，c>0.8，且拟合确定系数rs>0.85时，，判定为衰减函数。

27、桥梁受船舶撞击后，将产生衰减的脉冲力，从而引起结构的高频共振，由于阻尼压低共振幅值，使得振动信号表现出衰减特性，出现短暂时间幅值变化和相位变化，其本质上是有阻尼的自由振动衰减过程，通过衰减函数判断可以找到发生船撞时刻和位置。

28、优选地，在步骤s4中还包括了设置两个子序列加速度响应的样本总体为u、z，均含有w个样本：

29、u＝[u1，u2，…，uw]t

30、z＝[z1，z2，…，zw]t

31、向量u到z的马氏距离为：

32、

33、式中：为向量z的均值，cz为向量z的协方差；

34、采用不同下标0，r，t分别代表基准状态、参考状态和检验状态，前两个状态为常规环境激励下的响应状态(即正常状态)，检验状态为实测的自由振动响应状态，构造不同状态下的马氏距离均值比的异常信号判别指标为：

35、

36、式中：mean(·)表示平均值，ifr为自由振动衰减响应信号。

37、冲击荷载作用下的加速度响应与常规环境激励下的响应具有明显区别，将实测监测的自由振动响应与正常状态的自由振动响应进行作差，其差值可作为船撞判别的重要手段。当桥梁在常规环境激励下结构的自由衰减曲线未发生较大变化，即ik≈1，当桥梁受冲击荷载作用下，其自由振动响应响应将明显大于1。在船撞冲击荷载作用下，其马氏距离均值比将存在异常值，因此，可根据异常值判断方法对有无船撞进行判别。该方法通过对比不同状态下的马氏距离均值比，可以减小环境激励引起的异常值影响，突显冲击荷载作用下的异常值。

38、优选地，在步骤s5中，所述肖维勒方法中某个马氏距离均值比与样本均值之差的绝对值大于样本标准差与肖维勒系数ωm之积，则该值为船撞引起的异常值，即：其中，式中肖维勒系数ωm＝1+λln(m)。

39、对于环境激励下的桥梁振动响应具有随机性，其衍生指标马氏距离均值比也具有随机性，服从正态分布，而肖维勒方法对于有限的数据处理结果较为合理，因此，选用其对马氏距离均值比进行异常判断，从而识别是否发生船撞。

40、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

41、(1)能够实现桥梁健康监测系统在异常事件下的实时报警，降低对大桥营运管养管理难度，及时对由于船舶剐蹭桥墩及防撞平台造成的桥梁桥墩小损伤、小变形进行状态评判和检修，防止桥梁倒塌，危机桥上生命安全。

42、(2)采用next技术对振动加速度实测信号进行提取，可以观测到在不同激励力下明显的自由衰减特性，通过分析船舶船撞的自由衰减信号特征与车辆荷载、风荷载激励引起的自由衰减信号特征的异常性，从而将将船撞信号与其他异常振动如车辆荷载、风荷载等引起的振动信号区分开来，实现船撞信号识别，克服其它异常振动引起的误报。

43、(3)基于不同状态下马氏距离均值比来判断船撞引起的异常加速度振动，一定程度上减小了环境激励引起的变化，突出了冲击振动信号的识别程度，克服了预警值设置难、预警值虚设、经常性误报和阈值设定存在不同的难题，通过对比不同位置的马氏距离均值比异常值的大小，可以进行船撞时刻和位置的报警。