基于桥梁健康监测的传感器优化布置研究现状与发展趋势
建筑科学与工程学报2014年文章编号：16732049(2014)01012010
收稿日期：20130912
基金项目：广东省交通运输厅科技计划重大工程专项项目（201101001）；中央高校基本科研业务费专项资金项目（CHD2012JC077）；
长安大学基础研究支持计划专项资金项目
作者简介：梁鹏（1977），男，江西高安人，教授，工学博士
摘要：从传感器监测项目优化、数量优化和位置优化3个方面综述传感器优化布置的研究现状。重点探讨传感器位置优化，系统介绍了基于模态可观测性和基于损伤可识别性的传感器优化布置准则、布置方法和布置评价准则，对比分析各种布置方法之间的脉络关系、技术演变及其优缺点，最后指出传感器优化布置研究存在的几点不足及其技术发展趋势。
关键词：桥梁工程；健康监测；传感器优化布置；模态保证准则；有效独立法
中图分类号：U445.71文献标志码：A
Research Status and Development Trend of Optimal Sensor
Placement Based on Bridge Health MonitoringLIANG Peng1,2, LI Bin1,3, WANG Xiaoguang1, WU Xiangnan1, CHEN Wenqiang1
（1. School of Highway, Changan University, Xian 710064, Shaanxi, China; 2. National Engineering
Laboratory for Bridge Structure Safety Technology, Changan University, Xian 710064,
Shaanxi, China; 3. China Harbour Engineering Company Ltd, Beijing 100027, China）Abstract: By monitoring items, the number of optimization and location optimization from three aspects of the optimal sensor placement, the research status of optimal sensor placement was summarized. The sensor location optimization was emphatically discussed based on modal observability and the injury identifiable criterion, and the sensor placement rule, layout methods and evaluation criteria were systematically introduced. Meanwhile, the relations of different layout methods and technology evolutions were compared, and the advantages and disadvantages were also analyzed. Finally, the deficiencies of methods of the optimal sensor placement were pointed out, the technology trends of optimal sensor placement were prospected.
Key words: bridge engineering; health monitoring; optimal sensor placement; modal assurance criterion; effective independence
0引言
在桥梁健康监测系统中，传感器系统是整个系统的“眼睛”。通过传感器系统，桥梁健康监测系统可以实时地对结构进行监测，为后续工作打下基础［1］。传感器系统的主要任务包括实时采集结构的运营环境、结构承受的荷载以及结构动力特性3个部分的内容，其中结构动力特性的测量主要包括外部激励的选取和布置、传感器的选取及配置、结构在线试验数据采集等几个主要的环节。如果这几个环节处理不当，将直接影响到后期的数据处理和损伤检测的可靠程度。因而传感器优化布置作为设计结构健康监测系统的关键问题之一，对数据采集的有效性有着至关重要的影响。而传感器系统本身是一个“矛盾体”：一方面，为了对结构的健康状况做出合理的、科学的评价，需要使用尽量多的传感器，监测尽量多的项目；另一方面，为了保证监测系统本身的可靠性和经济性，要求使用的监测设备不能过多。在已实施的桥梁健康监测系统中，有些系统规模过于庞大，系统本身的可靠性可能都无法保证；而有些结构监测系统则相反，规模过于精简，以至于无法对结构的健康状态做出科学的评估。因此，需要找到合适的方法寻求两者最佳的平衡点。
一般来说，健康监测系统中传感器的布置应满足以下2个目标：①安装传感器的测点能够最大程度地反映空间结构的信息；②测点信息对空间结构状态的变化足够敏感。Carne等［2］强调了传感器的配置应使试验模态结果具有良好的可视性和鲁棒性。由于投资和结构运行管理等方面的原因，传感器不可能取得桥梁结构完整的结构状态数据，而只是取得相对于有限元模型总自由度的部分数据。如何将有限的传感器配置在最优位置，从而实现对结构状态信息的最优采集并合理判别采集位置的结构状态，即如何实现m个自由度上布置n个传感器（n 传感器优化布置包括传感器监测项目优化、数量优化和位置优化3个方面内容。为探讨传感器优化布置在桥梁健康监测系统的应用，本文中笔者通过系统梳理各国相关文献，从传感器监测项目优化、数量优化和位置优化3个方面探讨传感器优化布置的起源和发展，总结归纳现有的传感器优化布置方法及其应用，并总结分析各种方法的优缺点和发展趋势。 1传感器监测项目优化 一个大型桥梁健康系统监测项目往往种类繁多，一般可按输入与输出、静力与动力、整体与局部、研究方向划分，如图1所示。目前实际应用和研究中，桥梁健康监测项目多根据经验确定，如文献［3］中通过对多座运营中的斜拉桥进行大量病害调查与监测分析，图1监测项目分类 Fig.1Monitoring Item Classifications总结了用于斜拉桥状态监控与评估的颇具代表性的监测项目。文献［4］中总结了多座斜拉桥病害特点，调查典型桥梁健康监测方法的适用性，对传感器监测项目的设计具有重要的指导意义。 监测项目的确定依据从来源上来说主要包括病害数据库、风险分析［5］、易损性分析［6］3个方面，具体考虑的内容包括局部与整体的关系、动力与静力分析的需要、健康监测与人工巡检如何相结合等方面。理论分析数据如何与习惯经验数据融合是监测项目中健康监测系统与人工巡检是否可以良好衔接的关键性问题。