土木工程智能健康监测与诊断系统_周智

Absract: Civil engnieering system of smart health monitoring and diagnosis consists of sensing device, signal acquisition, data transfer and disposal, health diagnosis and safety evaluation, and results output. Each part of the system is given by importing the theory of smart sensor , signal fusion, fault diagnosis, damage detection and so on. Finally, the key questions, ex isting problems and the brilliant application future are pointed out. Key words: smart monitoring of civil engineering; health monitoring system; diagnosis system; data fusion; structural d amage
结构整体的健康诊断与安全评定研究方法主要 有以下几种:
( 1) 模型修正法[ 6] : 通过有限元模型修正和误差 定位, 得到一组修正的物理参数以再现测量数据, 依 据修正的模型对结构进行评定其安全状况。这种方 法的缺点是其可靠性难以确定。
( 2) 对比方法, 也称为动力指纹法[ 7] : 假设有一 系列的损伤情况, 包括损伤机制及位置, 预测损伤的 动态响应变化, 将结构的实测值与之比较, 最相近的 也就是最可能的损伤位置。该方法的缺点是工作量 太大, 费用高。
信号处理的核心内容是提取特征信息, 在土木 工程健康监测中的核心内容就是有效地提取结构损 伤特征信息。充分利用现代信号处理方法, 如高阶 谱分析、时- 频分析、小波分析、神经网络等方法, 对 各传感器传输来的信息进行智能处理, 通过数据融 合理论表征结构特征损伤信息, 便于对结构进行安 全与损伤评价。
收稿日期: 2001- 07- 26 * 基金项目: 国家高新技术应用发展项目( 1999- 2062)
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传感 器技 术
第 20 卷
型式多样、服役周期长、影响结构性能的因素复杂多 变等, 对其进行监测比一般的机械系统要复杂得多。 理想的健康监测系统应能在结构损伤出现的较早时 期发现损伤, 在传感器允许的情况下, 结合损伤识别 技术确定损伤的位置, 评估损伤程度, 预测剩余的有 效寿命。目前, 结构健康监测是世界土木工程界的 难题, 也是研究的热点, 尚没有成熟的理论与应用技 术。本文对土木工程健康监测引入智能传感器、信 息融合、故障诊断、结构损伤探测等理论构成智能监 测与诊断系统, 为土木工程健康监测提供新的思路。 1 土木工程智能监测与诊断系统
2001 年 第 20 卷 第 11 期
传感器技术( Journal of T ransducer Technology)
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综述与评论
土木工程智能健康监测与诊断系统*
周 智, 欧进萍
( 哈尔滨工业大学 土木工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150090)
摘 要: 土木工程智能健康监测与诊 断系统 由传感 元件、信号采 集、信 号传 输与 处理、健康 诊断与 安全 评
0前言 第二次世界大战至今的 60 年时间, 在世界范围
内, 建筑行业大致经历了三个不同的发展时期, 即战 后恢复的大规模建设时期、新建与旧房改造并重时 期以及目前强调的维修与现代化改造为主的第三个 发展时期。英国 1965 年至 1980 年的维修改造项目 逐年增加, 1980 年的检测、维修 改造工程已占 建设 工程的三分之二; 美国截止 1998 年整个混凝土工程 的价值约 6 万亿美元, 而今后每年用于检测、维修改 造或重建的费用预计将高达 3000 亿美元; 英国每年 用于钢筋混凝土结构检测与修复费用达 200 亿英镑; 日 本引以自豪的新干线使用不到十年, 就出现了大面 积的混凝土开裂和剥蚀, 今后用于检测和修复的费 用将 相 当 巨 大。我 国 城 镇 现 有 建 筑 已 超 过 70 亿平方米, 但其中 20 世纪 60 年代以前建成的占 50% , 相 当 多 的 建 筑 已 进 入 了 中 老 年 期, 有 近
决土木工程健康诊断与安全评定领域问题的计算机 程序系统, 其内部含有大量的土木工程领域的健康 诊断与安全评定的知识与经验, 可以用来解决健康 诊断与安全评定问题。专家系统具有准确、效率高、 不受环境影响等优点, 能带来巨大的经济与社会效 益, 因此, 各国都竞相开发专家系统。但是, 其开发 费用是一个值得考虑的问题。 1. 4 3S 系统与虚拟仪器技术的引入
文献标识码: A
文章编号: 1000- 9787( 2001) 11- 0001- 04
System of smart health monitoring and diagnosis in civil engnieering
ZHOU Zhi, OU Jin- ping
( Sch. of Civil Engin. , Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)
( 3) 神经网络方法[ 8] : 融合自动控制、数理统计、 计算机技术、以及相应的识别方法, 通过神经网络的 系统辨识原理, 充分利用其自适应、自反馈、自学习 功能, 以实验模态测试为手段, 输入模态参数, 运算 处理得到损伤的位置, 并对结构进行评价。由于神 经网络的容错性好, 对输入参数的准确性要求不高, 因此, 其前景比较看好。
第 11 期
周 智等: 土木工程智能健康监测与诊断系统
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1. 3 健康诊断与安全评定 健康诊断与安全评定可分为局部诊断与评定和
整体诊断与评定两种。局部诊断与评定针对的对象 是具体可疑的结构构件, 即通常的无损检测与无损 评价, 其技术已比较成熟, 几乎涉及现代科学的每一 分支, 如射线检测、声与超声检测、电学与电磁检测、 热力学与化学检测等, 具体而言, 如 X 射线法、超声 回弹法、硬度测试法、涡流法、磁粉法、同位素法等。 但是, 这些方法的费用高, 有些部位难以接近, 对大 型结构在事先无法预测损伤位 置的情况下无 法进 行。正因为如此, 人们设想能不能通过对结构整体 特性, 如动力特性和状态反应等的测量来诊断与评 价损伤, 实际证明这种方法是可行的[ 1] 。整体诊断 与评价是对结构的特性参数如频率、相位、振型、阻 尼及状态量等进行测量, 通过分析这些量的变化对 结构进行诊断与评价。
估、结果输出等部分构成。引入智能传感器、信息融合、故障诊断、结构损伤探测理论等对结构健康监测 与
诊断系统进行探讨, 最后指出必须解决的关键问题 与存在的困难, 指明其广阔的应用前景。
关键词: 土木工程智能监测; 健康监测系统; 诊断系统; 数据融合; 结 构损伤
中图分类号:TU312. 3; TP212
多传感器信息融合理论的基本原理就是充分利 用多个传感器资源, 通过对这些传感器及其观测信 息的合理支配和使用, 把多个传感器在空间或时间 上的冗余或互补信息依据某种准则来进行组合, 以 获得被测对象的一致性解释或描述, 使该传感器系 统由此而获得比它的各组成部分的子集所构成的系 统更优越的性能[ 4, 5] 。
35 亿平方米的建筑物有可能出现质量问题, 其中近 10 亿平方米急需维修加固才能 正常使用。我国现 有公路桥 5000 余座, 总长 130 公里, 1/ 3 以上的桥梁 都存在结构性缺陷、不同程度的损伤和功能性失效 的隐患, 其中重要的桥梁急需安全监测、评定和维修 加固。
对已建成的结构和设施采取有效的手段监测和 评定其安全状况、修复和控制损伤; 对新建的结构和 设施总结以往的经验和教训, 增设长期的健康监测、 振动和损伤控制系统, 已成为世界范围的热点课题。
结构健康监测的定义[ 1] : 利用现场的无损传感 与结构系统特性分析( 包括结构反应) , 探测结构的 变化, 揭示Fra Baidu bibliotek构损伤与结构性能劣化。其实, 结构健 康监测并不是一个 新的概念, 对结构的应变、加速 度、速度、位移、旋转等参数的测量一直是结构工程 的基本方法。由于土木工程结构的特殊性, 如结构
( 4) 体系可靠度分析方法[ 9] : 它是从概率的角度 评价结构整体的安全程度。由于结构体系复杂, 结 构的失效模式惊人之多, 加之各失效模式之间的相 关性很强, 所以它是一个很难的研究课题, 离实际应 用尚有一段距离。目前的常用方法是指标计算法, 即把结构的安全状况按损伤程度人为地划分等级,
通过鉴定结构的实际情况, 评定它所处的安全等级。 ( 5) 专家系统法: 它是一种模拟土木工程专家解
智能监测与诊断系统框图如图 1 所示[ 2] 。
图 1 结构的智能监测与诊断系统 Fig. 1 System of structural smart monitori ng and diagnosis
1. 1 智能传感元件 土木工程的健康监测就是利用性能稳定、耐久
性好的传感元件, 埋入或粘贴于结构中, 对最能反映 土木工程安全状况的参数进行监测, 评价结构的安 全性、耐久性, 为维修、报废、报警决策提供可靠的依 据。土木工程 结构与设施往往 处于较恶劣的 环境 中, 要求传感器必需满足耐久性、稳定性、与结构相 容性等, 传统的传 感器很难满足工 程实际的需要。 智能传感材料的出现, 如光纤、压电材料、形状记忆 合金、碳纤维、电阻应变丝、疲劳寿命丝、半导体材料 等, 为土木工程长期智能监测打下了坚实的基础[ 3] 。
3S 系统 指地理信 息系统 ( geographic information system, GIS) 、全 球定 位 系统 ( global posit ion system, GIS) 与遥感系统( remote sensing, RS) 。由于土木工程 分布广, 结构的个性很强, 如何对其安全状况很好的 把握, 单靠独立的监测系统是不可能的, 而且重复设 置浪费将很大。利用已取得广泛实际应用的 GIS 系 统将不同结构和子系统的监测系统形成一个网络式 的大系统, 最终实现大规模的智能监测与诊断系统。 随着 GPS 定位系统准确度的提高, 用于土木工程的 变形观测指日可待。尤其值得关 注的是 RS 系统, 在恶劣自然灾害如地震、洪水、飓风、火灾等发生时, 基于有线传感传输的监测系统很容易遭到破坏, 而 此时正是要监测系统发挥作用的时候, 由此将已用 于通信的遥感、无线传输技术应用到土木工程的健 康监测中来有着非常重要的意义[ 10] 。
智能材料在航空、航天、机械等领域已取得实际 应用, 针对土木工程的实际情况, 已取得以下研究结 果:
( 1) 对土木工程结构进行短期检测, 使用这些智 能材料都是可行的。技术成熟、外部设备要求较少 的电阻应变丝是比较理想的材料, 但其存在性能不 稳、易受干扰等问题。
( 2) 光纤是用于长期监测的最理想材料, 虽然它 所需的外部设备最为复杂且昂贵, 但它具有信号稳 定、抗干扰、多 参数准 分布测 量等优 点, 这也是 近 10 年来在土 木工程方面受到重视的原因。法布里 - 珀罗干涉传感器与布拉格光栅传感器是最具前途 的两种传感器。
( 3) 疲劳寿命丝是寿命预测、健康评估用最理想 的材料, 因为它具有记录损伤积累的功能。
( 4) 若将几种材料在制作传感器时相融合会得 到更好的效果, 如将光纤与碳纤维融合, 在小变形时 用光纤监测, 大变形时用碳纤维。
( 5) 若想在结构的监测过程中, 还需对其施加作 用力, 形状记忆合金与压电材料最理想, 因为它们除 传感功能外, 还具有驱动功能。 1. 2 信号智能处理
土木工程健康监测的结构参数较多, 如应变、加 速度、速度、位移、温度、旋转等, 再则, 大型结构的多 自由度特性要求的监测布点尽可能多, 从而就要求 采用尽可能多的传感器, 而且不同的参数测量采用 的原理也大多不一样, 尤其智能传感器的出现使得 测量的信号差异很大。多传感器的使用会带来以下 4 个方面的问题: ( 1) 多传感器形成了不同通道的信 号; ( 2) 同一信号形成了不同的特征信息; ( 3) 不同的 诊断途径和方法会得出有偏差的诊断结论; ( 4) 来自 多传感器的监测信息和诊断决策信息具有强烈的不 确定性。如何综合利用来自多传感器的多源不确定 性信息以提高确诊率成为土木工程健康监测系统亟 需解决的问题。近年来, 不断发展起来的多传感器 信息融合技术以其强大的时空覆盖能力和对多源不 确定性信息的综合处理能力, 越来越成为信息处理 领域的强有利工具, 从而可以有效地解决上述 4 个 方面的问题。