FAST健康监测中传感器优化配置的研究进展

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ＦＡＳＴ健康监测中传感器优化配置的研究进展

工具技术

汤为，杨清阁，孙才红

中国科学院国家天文台

摘要：５００ｍ口径球而射电望远镜（Ｆｉｖｅ—ｈｕｎｄｒｅｄ—ｍｅｔｅｒＡｐｅｒ【ｕｒｅｓｐｈｅ＾ｃａｌｒａｄｉｏＴｅｌｅｓｃｏｐｅ，简称ＦＡＳＴ）是我国在建的世界上最大的单口径射电望远镜。ＦＡｓＴ结构庞大、组成复杂、控制困难，因此急需对其进行健康监测。传感器优化配置在健康监测中至关重要，优化方法的选择直接关系到优化计算的效率和可行性。本文基于不同优化方法的基本原理，对目前用于传感器优化布置的几种优化算法的研究进展进行了分类介绍，对传感器优化布置研究中存在的问题进行ｒ分析，并对其发展趋势进行了展望ｊ

关键词：ＦＡｓＴ；健康监测；传感器；优化配置

中图分类号：ＴＧｌｌ５文献标志码：Ａ

ＡｄＶａｎｃｅｓｉｎＯｐｔｉｍａｌＳｅｎｓｏｒＰｌａｃｅｍｅｎｔｆｏｒＨｅａｌｔｈＭｏＩＩｉｔｏｒｉｎｇｏｆＦＡＳＴ

ＴａｎｇＷｅｉ，ＹａｎｇＱｉｎｇｇｅ，ＳｕｎＣａｉｈｏｎｇ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｉｖｅ—ｈｕｎｄｒｅｄ?ｍｅｌｅｒＡｐｅｎｕｒｅｓｐｈｅｒｉｃａｌｒａｄｉｏＴｅｌｅｓｃｏｐｅ（ＦＡＳＴｆｏｒｓｈｏｎ）ｉｓｔｈｅｌａ唱ｅｓｔｓｉｎｄｅａＰｅｒｔｕｒｅｒａ—ｄｉｏ【ｅｌｅｓｃｏｐｅｗＰａｒｅｂｕｉＩｄｉｎｇｉｎｔｈｅｗｏｒｌｆｌ．ＦＡＳＴｈａｓＩｈｅｃｈａＩＨｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｗｉｔｈｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｈｕｇｅｓｔｎＪｃｔｕｒｅ，ａｎｄｄｉｍＰｕＩｌｃｏｃｏｎｔｒｏｌ，ｓｏｉｔｉｓｅａｇｅｒｔｏｍｏｎｉｔｏｒｔｈｅｈｅａｌｔｈｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．Ｏｐｔｉｍａｌｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｓｅｎｓｏｒｓｉｓａｃｏｍｂｉｎａｔｏｒｉａｌｏｐ“ｍｉｚａ—ｌｉｏｎｐｒｏｂｌｅｍｗｈｉｃｈｉｓｏｆｇｒｅａｔｓｉｇｎｉ６ｃａｎｃｅｉｎｈｅａｌｔｈｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ．Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｄｉｒｅｃ“ｙｒｅｌａｔｅ（Ｉｔｏｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉ?ｆｙａｎｄｅ侬ｒｉｅｎｃｙｏｆｏｐｌｉｒＩｌｉｚａｌｉｏｎ（‘ａ１（‘ｕｌａｌｉｏｎ．ＡＰ（‘ｎⅣｌｉｎｇ“）Ｉｈｅｂａｓｉｃｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｏｆｄｉｆｆｂｒｅｎｔｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｌｌｏｄｓ。ａｃＩａｓｓｉ—ｆｉｅ（１ｉｎｔｒ０（１ｕｃｔｉｏｎｆｏｒｆｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓｏｆｏｐ【ｉｍｉｚａ【ｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｓｕｓｅｄｆｏｒｏｐｔｉｍａｌｐＩａｃｅｍｅｎｔｏｆｓｅｎｓｏｒｗａｓｇｉｖｅｎ．Ｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍ８ｅｘｉｓｔｅｄｉｎｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｐｌａｃｅｍｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｓｅｎｓｏｒｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄｉｔｓｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ【ｒｅｎｄｗａｓｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＦＡＳＴ；ｈｅａｌｃｈｍｏｎｊｔｏｒ；ｓｅｎｓｏｒ；ｏｐｔｉｍａｌｐＩａｃｅｍｅｎｔ

１引言

５００Ｉｎ口径大射电望远镜（Ｆｉｖｅ—１１ｕｎｄｒｅｄ－ｌｌｌｅｔｅｒ

ＡｐｅｎｕｒｅＳｐｈｅｒｉｃａｌｒａｄｉｏＴｅｌｅｓｃｏｐｅ，简称ＦＡＳＴ）是我国在建的世界上最大的单厂Ｉ径射电天文望远镜¨‘，其总体图如图１所示。作为ＦＡＳＴ重要创新之一的馈源支撑系统，由支撑塔、索驱动、馈源舱和舱停靠平台组成。其中，６座高度在１０７一１６８ｍ范围内的支撑塔均匀分布在直径为６００ｍ的圆周上，高塔支撑６根柔性钢索拖动３０ｔ的ＦＡｓＴ馈源舱体在１５０ｍ高空、２００ｍ范围内做天文跟踪运动，同时舱内Ａ、Ｂ轴机构及ｓｔｅｗａｎ并联机器人再对接收机进行位置精调，要求ＦＡｓＴ馈源实时定位精度优于６．２ｍｍ，实现望远镜接收机的高精度定位，这是极具挑战性的难题。

馈源支撑系统具有跨度大、高程大、分布广的特点，一旦其在运行过程中出现故障，将会直接导致天

基金项目：蚓家门然科学基金（１０９７３０２３）；中科院知识创新工程重要方向件和ｆ｝】国科学院知泓创新Ｊ．程青年人爿‘领域前沿资助项日；中国科学院国家天文台菏年人才基金

收稿日期：２０１２年６月文观测的中断，严重情况下甚至会造成结构的破坏，发生灾难性的事件。因此，必须对馈源支撑系统进行健康监坝０，以确保ＦＡＳＴ的安全运转。但受现场条件和建造费用的限制，只能在有限的位置上布设一定数目的传感器来监测结构的健康状态，因此如何将有限数目的传感器布设在结构的合适位置上并获得结构最接近真实的信息成为ＦＡＳＴ健康监测系统设计需要解决的关键问题之一。

图１ＦＡＳｌ＿

很多学者对传感器的配置问题进行了研究。Ｋａｍｍｅｒ等人提出有效独立法（ＥｆｆｅｃｔｉｖｅＩｎｄｅｐｅｎｄ—ｅｎｃｅ，ＥＩ）、２。，它对可能测点逐一搜索，每次搜索时删除对其秩贡献最小的自由度，使ＦＩＭ（ＦｉｓｈｅｒＩｎｆｏｒ．ｍａｔｉｏｎＭａｔｒｉｘ）达到最大化，从而在试验数据中采集到最大的模态反应信息；Ｇｕｙａｎ减缩法将主从自由

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