结构健康监测
【结构健康监测】是指对工程结构实施损伤检测和识别。我们这里所说的损伤包括材料特性改变或结构体系的几何特性发生改变，以及边界条件和体系的连续性，体系的整体连续性对结构的服役能力有至关重要的作用。结构健康监测涉及到通过分析定期采集的结构布置的传感器阵列的动力响应数据来观察体系随时间推移产生的变化，损伤敏感特征值的提取并通过数据分析来确定结构的健康状态。对于长期结构健康监测，通过数据定期更新来估计结构老化和恶劣服役环境对工程结构是否有能力继续实现设计功能。
监测简介
监测起源
长期以来，我们一直使用针对质量的不连续的方法来评估结构是否有能力继续服役以实现设计目的。从19世纪初开始，列车员借助小锤通过听锤击铁轨的声音来确定是否存在损伤。在旋转机械行业，几十年来振动监测一直作为检测手段。在过去的十到十五年里，结构健康监测技术开始兴起并产生一个联合不同工程学科分支的新的领域，而且专注于这个领域的学术会议和科学期刊开始产生。因此这些技术变得更为常见。
识别算法
结构健康监测的问题可归入数据模式识别算法的范畴[3-4] 。这个算法可分解为四部分：（1）实用性评估，（2）数据采集和提纯，（3）特征提取和数据压缩，（4）统计模型的发展。当你试图将此算法应用于实际工程结构上获取的数据时，很明显的是，第2-4部分，即数据提纯、压缩、正规化和数据融合来贴近工程实际服役环境是非常关键的环节，我们可通过硬件、软件以及二者的有机结合来实现。
实用性评估
对于健康监测对结构的损伤识别能力，实用性评估涉及到四个方面：
（1）结构健康监测的应用对于生命安全和经济效益有什么好处？
（2）怎样对结构进行损伤定义，多重损伤同时存在的可能性，哪种类型最值得关注？
（3）什么条件下（不同用途、不同环境）的体系需要监测
（4）使用过程中采集数据的局限性
使用环境对监测的体系和监测过程的完成形成限制条件。这种评估开始将损伤识别的过程和损伤的外部特征联系起来，当然也用到独特的损伤特征来完成检测。
数据采集和提纯
结构健康监测的数据采集部分涉及到选择激励方法、传感器类型、数量和布置，以及数据采集、存储、传输设备。经济效益是选择方案一个重要的参考因素，采样周期是另一个不可忽视的因素。因为数据可在变化的环境中获取，将这些数据正规化的能力在损伤识别过程中变得非常重要。当应用于结构健康监测时，数据正规化是一个分离出由于环境或操作而导致的传感器测得的不准确的数值。最常见的方法是通过测量输入参数来正规化测得的响应。当环境或操作影响比较显著时，我们需要来对比相似时间段的数据或对应的操作周期。数据的不
稳定性的来源需要认识到并把它对系统监测的影响降到最低。总的来说，不是所有的影响因素都可以消除，因此，我们有必要才去适当的措施来确保这些无法消除的因素对监测系统的影响作用大小。数据的不稳定性会因为变化的环境因素、测试条件以及测试的不连续性而加剧。
数据提纯是一个筛选部分有价值数据以完成传递的过程，与特征提取的过程相反。数据提纯很大程度上基于个人相关数据采集的经验。举例来说，通过检查测试设备的安装或许会发现某个传感器的固结已经松动，因此基于个人经验可以在数据处理的过程中删除获取的这组数据或某个特定传感器测得的数据。数据处理技术，比如滤波和重构，也是一种不错的数据提纯方法。
总之，结构健康监测过程中的数据采集、正规化和提纯技术在不断前进。特征提取过程的进一步认识和数据模型的不断完善都将有助于数据采集技术的进步。
特征提取和数据压缩
结构健康监测领域中最受关注的莫过于通过数据特征如何辨别出损伤结构与完好结构。数据压缩包含于这个特征选择过程，最有效的损伤识别的特征还是
基于相关测试系统的相应量（比如现场测得的振动谱或频率）是最常用的特征之一。另一个损伤识别方法是寻找与特定损伤敏感的因素，即某个结构体系在某特定环境下的损伤与某种参数最原始的定义相对应。这种模拟损伤的系统是一种非常有效的工具。分析工具的应用也起到非常重要的作用，比如试验验证的有限元模型。分析工具通常用来进行数值模拟试验，通过计算机设置来模拟真实结构的损伤。通过观测承受荷载的结构体系关键部件的老化得到的损伤累计测试也可用于识别某些损伤。这个过程涉及到加速损伤测试、疲劳测试、腐蚀、和温度循环对某种类型损伤的积累。上文提到的多种类型的分析和试验研究或多种研究方法的有机结合可加深对某些损伤特征的认识。
统计模型的发展
通过统计模型来辨别结构是否存在损伤，是结构健康监测领域文献中涉及最少的一部分。统计模型关注如何评估结构的损伤状态的算法的使用，统计模型中用到的算法通常分为3种：当完好结构和有损伤的结构的数据都可获取时，模式识别算法通常使用与有参照的研究有关的整体分类，整体分类和回归分析法都属于有参照研究的范畴；无参照研究指的是缺乏损伤结构的数据；新型的检测技术（或引用自其他行业比较成熟的技术）是一种应用于无参照研究中的基本算法。所有的算法（分析统计或提纯优化）都推动损伤识别技术的提升。
结构健康监测理论基础
经过20年的发展，可以说本领域已经成熟到一个阶段，很多基本的理论和原理已经成型。这些原理如下：
公理1：所有的材料都有内在损伤；
公理2：损伤的评估需要体系两种状态的对比；
公理3：可通过无参照研究来判定损伤是否存在和定位损伤，但是判定损伤类型和损伤程度需要有参照研究模式；
公理4a：单靠传感器不能测定损伤，数据处理的特征提取和统计分类才能将传感器获取数据转换为损伤信息；
公理4b：在缺乏智能特征提取手段时，测试方法对损伤越敏感，则操作和环境因素对测试结果影响越大；
公理5：损伤的开始和发展的长度和时间尺度提供结构健康监测传感系统需要的特征；
公理6：在算法对损伤的敏感度和抗噪声干扰的能力有一个平衡点；
公理7：可通过体系动力响应变化测得的损伤尺寸与可激励的频率范围大小成反比；
结构健康监测的组成
结构健康监测系统包括：
1）结构
2）传感器系统
3）数据采集系统
4）数据传输和存储系统
5）数据管理系统
6）数据解析和诊断
a）系统识别
b）结构模型更新
c）结构状况评估
d）预测服役年限
这个技术的一个比较典型的例子，在桥梁或飞机中布置传感器，这些传感器为不同的结构变化提供譬如应力或应变的实时监测信息。在土木工程行业，传感器获取的数据通常传送到远端的数据采集中心。借助于现代技术，基于传感器获取到的信息使结构的实时控制（主动结构控制）成为可能。——来着百度
摘要：在电力系统中，随着电网容量越来越大，以及智能电网的发展，对变压器的运行状态实行有效地监测成为了值得研究的课题，而将物联网与变压器状态和检测联系起来更成为一
个全新的课题。
物联网由感知层，网络层和应用层组成，感知层负责信息的获取，网络层负责信息的传输，应用层负责对信息的反馈处理。
新型的Zigbee技术的发展促进了物联网的应用。ZigBee技术是一种低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。各种电子设备之间进行典型的周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。
引言
电力变压器在线监测是一项复杂的工程，目前在线监测技术还不太成熟。传感器技术对电力变压器的监测显得尤为重要。美国电力研究院开发出一种直接测量分析变压器油中的四种气体，并检测其状态，现已应用于变压器的状态监测中。在电力变压器监测过程中，如何提高监测数据的可靠性及时性，就要解决两个问题：一是如何获得有效及时的数据，二是怎样将这些数据传输到监控人员的手中。
我国直到本世纪初才开始接受并尝试国外先进的理念和技术，而且，这种尝试还只是局部的，没有形成规模的尝试，但是发展的势头是好的，通过多年的努力，也取得了不错的研究成果，并得到了实际应用。目前电力变压器在线监测技术的应用主要是气象色谱及局部放电的在线测试，同事加强了变压器绕组变形，绕组老化及铁心接地的测试，此外，整栋检测，噪声监测，红外热像检测也得到了广泛的实际应用。
关于电力变压器运行状态的监测，大部分的学者都认为，随着经济条件的发展，信息技术，传感技术，无线传输技术以及智能电网水平的提高，这将会朝着利用物联网技术方向发展。实际应用将会随着理论的发展而得到广泛的应用。
1、物联网技术
物联网是国家新兴战略产业中信息产业发展的核心领域，将在国民经济发展中发挥重要作用。而将物联网应用于电力变压器检测，构建电力变压器实时运行数据中心，将使智能电网的发展迈上新的台阶。本文介绍将物联网在电力变压器中的应用，故先对物联网进行分析。1．1物联网技术
物联网，英文名“The Internet Of Things”。顾名思义，即：物物相连的网络。这也表明了物联网也是互联网，它也是由互联网发展而来的。物联网技术的定义是：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，将任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、追踪、监控和管理的一种网络技术。物联网的主要特征是每一个物件都可以寻址，每一个物件都可以控制，每一个物件都可以通信。显然，它作为“感知、传输、应用”3项技术相结合的一种产物，是一种全新的信息获取和处理技术。
1.1.1频识别技术.
射频识别RFID技术，是一种通过无线电信号对特定的目标进行识别，并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触，它隶属于非接触式自动识别技术。其基本原理是利用射频信号和空间电磁场耦合传输特性来实现对监控物体的信息交换及自动识别。RFID的设计就是射频电路技术、通信技术、传感器技术等的紧密结合。
RFID的阅读器通过天线与RFID电子标签进行无线通信，可以实现对标签识别码和内存数据的读出或写入操作。典型的阅读器包含有高频模块（发送器和接收器）、控制单元以及阅读器天线。RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无需人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。比如说，我们在商场见到的电子标签就属于RFID标签。因此，这种技术应用非常广泛。
射频识别系统性能的评断，阅读距离（电子阅读器与电子标签最大距离能够识别）的长短最
重要的指标之一。在实际的应用中，不同识别系统的的阅读距离差别很大，这一般是有实际情况来决定的。
GPS是英文Global Positioning System的简称Zigbee技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术，是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术协定层从下到上分别为实体层（PHY）、媒体存取层（MAC）、网络层（NWK）、应用层（APL）等。网络层由ZigBee联盟制定，应用层的开发应用根据用户的应用需要，对其进行开发利用，因此该技术能够为用户提供机动、灵活的组网方式。根据IEEE 802.15.4协议标准，ZigBee的工作频段分为3个频段，这3个工作频段相距较大，而且在各频段上的信道数据不同，因而，在该项技术标准中，各频段上的调制方式和传输速率不同。在组网性能上，ZigBee可以构造为星形网络或者点对点对等网络，，具有较大的网络容量。在无线通信技术上，采用CSMA－CA方式，有效地避免了无线电载波之间的冲突，此外，为保证传输数据的可靠性，建立了完整的应答通信协议。数据传输速率低只有10～250Kb ／s，专注于低传输速率应用。无线传感器网络不传输语音、视频之类的大数据量的采集数据，仅仅传输一些采集到的温度、湿度之类的简单数据。功耗低工作模式情况下，ZigBee 技术传输速率低，传输数据量很小，因此信号的收发时间很短，其次在非工作模式时，ZigBee 节点处于休眠模式，耗电量仅仅只有1μW。设各搜索时延一般为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接人时延为15ms。数据传输可靠ZigBee的介质链路层（以MAC层）采用CSMA－CA碰撞避免机制。在这种完全确认的数据传输机制下，当有数据传送需求时则立刻传送，发送的每个数据包都必须等待接收方的确认信息，并进行确认信息回复，若没有得到确认信息的回复就表示发生了碰撞，将再传一次网络容量大ZigBee定义了两种器件：全功能器件（FFD）和简化功能器件（RFD）。网络协调器（coordinator）是一种全功能器件，而网络节点通常为简化功能器件。如果通过网络协调器组建无线传感器网络，整个网络最多可以支持超过65 000个ZigBee网络节点，再加上各个网络协调器可互相连接，整个ZigBee网络节点的数目将十分可观。（）实现成本低模块的初始成本估计在6美元左右，很快就能降到1.5～2.5美元，且ZigBee协议免专利费用。无线传感器网络中可以具有成千上万的节点，如果不能严格地控制节点的成本，那么网络的规模必将受到严重的制约，从而将严重地制约无线传感器网络的强大功能。（6）兼容性ZigBee技术与现有的控制网络标准无缝集成。通过网络协调器自动建立网络，采用CSMA-CA方式进行信道接入。
随着社会的不断发展,信息产业已经逐渐成为了国民经济发展的重要支柱,而物联网作为新一代信息技术的重要组成部分成为推动人类文明向智能化方向发展的关键技术。物联网中的数据挖掘是物联网技术中重要的一环,是未来物联网应用数量大规模增长后对物联网产业的强力补充,本文分析了物联网数据的特点以及物联网数据挖掘存在的困难,以及云计算的出现为物联网数据挖掘提供了重要思路,文中论断云计算为物联网提供了最具计算力和存储力的平台,并创新性的提出物联网云的概念。另外,在对平台可行性及性能进行分析的过程中,本文提出了数据转换器、开放平台接口等思路,使整个平台有更好的扩展性,方便第三方开发和测试。目前,物联网应用的整体生态系统面临很多挑战,产业链中的不同人群也面临着不同问题,本文也给物联网中这些问题的解决提供了很好的思路。
信息采集与处理系统-结构健康监测设计专题
2014-12-14 结构健康监测
信息采集与处理系统
4.1 信号的采集和调理
4.1.1 信号采集时，数据采集站位置明确，满足采集站之安全、环境、电力、通讯路径等要求，建议设置在结构物的计算机或消防控制中心；宜采用稳定的工控机。
4.1.2 传感器系统空间分布较分散时宜考虑设置多个采集站，各采集站与中心信号采集仪相连，传感器与采集站，采集站与中心采集仪的连接须可靠、稳定。
4.1.3 采集站和中心采集仪都应能满足数据的幅值、分辨率和容量的要求；
4.1.4 监测系统应做到防雷击、防渗水；机箱应有接地措施；当所测光、电等信号微弱以致不易获得时，宜选择能满足采集系统要求的信号放大器；信号放大前应进行合理滤波以提高信噪比；信号放大器的安装位置应满足其所需的环境要求。
4.2 数据的时间间隔与同步
4.2.1 对于动力信号，数据的采样频率应在被测物理量预估最高频率的5倍以上；
4.2.2 建议大型复杂结构采用一级监测，中型结构采用二级，小型结构采用三级。
4.3 数据的标准化
4.3.1 建议长度单位为米，时间单位为秒，温度单位为摄氏度。
4.3.2 建议同时输出以“公元1年1月1日1分1秒”为“1”，每隔一秒增量为“1”的时间码体系；如有必要则采用更高精度，时间码精度同时提高。
4.5 数据的净化
4.5.2 剔除粗差，保证监测数据的准确可靠；对于观测值中的系统误差，应该尽可能按其产生的原因和规律加以改正、抵消或削弱；增加测量次数，减小偶然误差。
4.6 数据的取舍
4.6.1 对短时间内频繁发生的异常数据进行报警，要求现场技术人员查看现场状况、检查传感器的工作状态以及相应传输线路和数据采集硬件的工作状态，但采集系统仍正常工作。在此过程中，对偶然的，瞬时的异常数据一般不作处理和存储。
4.6.2 在所有经判断无异常的数据存储之前还需经过数据存储准则的判断，满足一定要求，具有分析价值的数据将被存入数据库，以减小数据存储量，阈值的设定需视具体情况而定。
数据通信与传输系统-结构健康监测设计专题
2014-12-16 结构健康监测
数据通信与传输系统
5.1 一般规定
5.1.1 数据采集系统应能从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集信息。
5.1.2 数据通信与传输系统应将系统采集到的数据传输到指定地点，以便进行存储、分析及发布等。
5.1.3 数据通信与传输系统应具有对来自结构健康监测系统内外的各种信息予以接收、存贮、处理、交换和传输的能力。
5.1.4 数据通信与传输系统提供的各类接口，应通过系统布线引至各个数据采集终端。
5.1.5 数据通信与传输系统设计，必须保证数据传输的可靠性、高效性及数据传输质量。
5.2 数据通信及传输方案
5.2.1 基于信号的同步技术
采用基于时钟同步模块的时钟频率共享技术，每个采集设备中装有时钟同步模块，再用同轴电缆将各个设备相连，以其中之一作为主模块，其余的作为从模块。主模块内部的时钟信号通过同轴电缆同步从模块内部的时钟信号。时间戳同步可以采用网络时间服务器。
5.2.2 基于时间的同步技术
系统各部分具有一个公共的时间基准参考，可以基于该基准时间生成事件、触发和时钟。对于跨度较大的长距离传输，可以利用包括GPS、NTP、IEEE 1588和IRIG-B等各种时间参考，借助绝对定时实现测量结果的关联与同步。
5.2.3 有线传输
两个通信设备之间使用物理连接，将信号从一方传到另一方。常用的介质有双绞线、同轴电缆和光缆等，常用的接口有RS232、RS422、RS485和RJ45等。
5.2.4 无线传输
两个通信设备之间不使用任何物理连接，将信号通过空间传输的一种技术。通常可分为无线广域通信网（无线公网）和无线局域通信网两种方式。常用的无线广域通信网络有GPRS 和CDMA两种制式；常用的无线局域通信网有无线网桥和部门行业专用频率通信等。
5.3 设计要求
5.3.1 数据采集系统设计，必须保证系统的采集准确度。
1. 系统采集数据的有效位数应与历史数据平均值的有效位数一致。
2. 系统采集数据与历史数据的差值应在合理范围内。
5.3.2 数据传输系统在设计，按照传输速度不同，选择同步传输或异步传输。
1. 低速数据传输宜采用异步传输；
2. 高速数据传输宜采用同步传输。
5.3.3 当数据传输系统选择同步传输时，需要结合现场实际情况，综合考虑传感器间距离、工程各阶段特征及工程现场地形条件等因素，选择合适的同步技术。
1. 对于小范围的结构健康监测系统，宜采用基于信号的同步技术。采用该技术，在设计时还需考虑路线最优化，增加最少的信号放大设备。同时注意外部的突发事件对信号可能造成的干扰。
2. 对于大范围的结构健康监测系统，宜采用基于时间的同步技术。
3. 根据工程实际需要，可选取一种或两种同步技术组合使用。
5.3.4 数据通信与传输系统的设计必须坚持因地制宜的原则，综合考虑数据通信传输距离、工程各阶段特征及工程现场地形条件、网络覆盖状况、已有的通信设施等因素，灵活选取合适的通信传输方式。
1. 当工程现场存在无线发射设备，通信信号受干扰的情况下，应采用有线传输方式。
2. 工程现场有强电磁场的环境下，应采取有效的电磁屏蔽措施，如无法实施电磁屏蔽，应采用有线传输方式。
3. 对于交通不便的深山峡谷、复杂地形、物理线路布设和维护困难的环境下，宜采用无线传输方式。
4. 需要构建临时通信网络的工程现场，宜采用无线传输方式。
5. 根据工程实际需要，可选择一种通信传输方式或多种通信传输方式进行组合使用。
5.3.5 采用有线传输数据，设计时应优先考虑利用监测系统已有的光纤通信网或部门局域互联网等数据传输线路，增加最少的中继器或转发器，选取适当的传输介质；同时应以现场数据采集器的接口为基础，以增加最少的接口转换器为原则，选取适当的接口类型。
5.3.6 采用无线传输数据，应根据工程现场营运的网络、成本及现场实际情况选择合适的无线传输方式。
5.3.7 数据通信与传输系统中应设计数据备份机制，以保证在通信传输线路故障时数据的完整性和可靠性。
1. 数据传输的发送端应至少保存最近7天的监测数据做备份。
2. 常用的数据存储介质为硬盘、磁带、CF卡、SD卡等，宜设置双卡槽以满足连续观测需要，其容量选取应以结构健康监测系统每天接收的数据量为依据。
5.3.8 数据通信与传输系统设计应具备以下基本资料：
1. 工程场地与环境条件的有关资料
(1) 工程场地的现状平面图，包括交通设施、高压架空线、地下管线和地下构筑物的分布；
(2) 水、电及有关建筑材料的供应条件；
(3) 周围建筑物的防振、防噪声等要求。
2. 建筑工程的有关资料
(1) 工程总平面布置图
(2) 工程基础平面图和剖面图
5.4 质量控制
监测数据是决策部门做出评判的基础资料，因而作为联系监测现场与远程控制中心的数据通道要确保高效、准确无误地传输。为实现该目标，制定以下质量控制措施。
5.4.1 数据通信与传输系统中应采用握手协议进行流量控制，保证通信线路畅通。握手分为硬件握手和软件握手。
1. 硬件握手通过握手线的交互作用进行主控端和被控端的数据交流，在通信数据将要传输时，通过握手线的高低电位变化控制数据传送与否。
2. 软件握手以数据线上的数据信号代替实际的硬件线路。常用的软件握手是XON/XOFF协议。
5.4.2 为了提高海量数据传输的可靠性，必须根据系统前端传感器单位时间采集的数据，结合设计的传输实际通信能力，对数据进行分包处理，以包为单位实施传输。开发的相应数据传输软件在设计中必须采用应答模式，并引入检校-重发-补发机制进行误码控制，以保证数据的可靠性及完整性。数据包设计必须按照以下规定要求，格式见图5.4.1.
开始位
控制参数
标识信息
数据段
校验段
结束位
图5.4.1 数据包设计要求
1. 将海量数据文件根据设计的传输速率，划分若干数据段。
2. 为了区分不同传感器、不同数据采集终端发送数据，必须在每个数据段前加入标识信息，标识信息位数应能区分各不同传感器、不同数据采集终端，以便接收端可以根据标识信息加以区分。
3. 为保证数据传输的可靠性，必须对传输数据进行校验，可采用奇偶校验或循环冗余校验（CRC），并将校验码加入数据段后。
4. 为区分每个数据段，按图
5.4.1加入开始位及结束位。
5. 为区分不同传输文件，在文件的开头和结束位置，加入包标识信息，定义请求发送包和文件结束包。
5.4.3 数据通信与传输系统中必须设计校验机制，在传送和接收两方对数据进行确认以降低误码率。常用的校验方法有奇偶校验和（CRC）两种。
1. 奇偶校验是在传送字符的各位之外，再传送1位奇校验位或偶校验位，分别为奇校验方式或偶校验方式。奇偶校验不能纠错，但发现错误后可以要求重发。
2. 循环冗余校验（CRC）采用除法及余数的原理进行错误侦测。对数据质量要求较高或数据传输量较大的场合，宜采用CRC校验。常用的CRC位数有8、16、32位，大型工程结构健康监测系统的数据通信设计时宜采用16位的CRC校验。
3. 接收端将计算得到的奇偶校验或CRC校验码与数据包包含的校验码进行比较，二者一致，接收端给发送端确认信息，继续发送下一数据包。若校验不合格，接收端发送相应信息，要求发送端重新发送该数据包。
5.4.4 数据开始发送时，发送端应发送请求包，并等待接收端响应，以确保数据通道畅通。在文件结束时，发送端发送结束包，并等待接收端响应。
5.4.5 当数据通道发生故障而中断，在故障排除后，数据通信与传输系统应具有补发功能，将中断时间段内所有数据发送到接收端。
5.4.6 对于数据通信与传输系统的应答、重发和补发模块应设置时限，避免因应答等待、重发及补发影响正常数据发送。建议利用数据通道空闲时段完成补发数据传输。
5.5 其他问题
5.5.1 工程现场应有安置通信设备的专有或公用的观测房，观测房应符合以下要求：
1. 电力比较稳定可靠，交通方便，自然环境比较清洁。
2. 远离产生粉尘、油烟、有害气体以及生产或贮存具有腐蚀性、易燃、易爆物品的工厂、仓库、堆场等。
3. 远离强振源和强噪声源。
4. 避开强电磁场干扰，无法避开时应采取有效的电磁屏蔽措施。
5. 应有必要的防雷、防火设施。
6. 观测房内部温度、湿度等条件应满足通信及其他设备的工作环境要求，不能满足的应采取有效的调节措施。
5.5.2 数据通信与传输系统的线路应采取一定的防护措施，对有线传输线路应采用PVC或钢管等加以保护。
5.5.3 工程施工及运营阶段应根据实际情况制定应对特殊突发情况的紧急预案。
5.5.4 本标准如有未尽事宜，应依照实际情况遵循国家现行的其他有关标准规定执行。
损伤识别与安全评估方法-结构健康监测设计专题
2014-12-17 结构健康监测
损伤识别与安全评估方法
6.1 模态参数识别方法
6.1.1 结构模态参数识别的定义
在系统模型已知的情况下，用实测的输入与输出数据来识别描述系统特性的各种物理参数，如系统的质量、刚度及阻尼，称之为“参数识别”。
如果实际结构可以运用所谓的“模态模型”来描述其动态响应，则通过实验数据的处理和分析，寻求其“模态参数”的过程，称之为模态参数识别。
6.1.2 结构模态参数识别的目的
1 通过模态试验，一般情况下可获取结构自振频率、振型、模态阻尼比，如有特殊要求，可获取模态刚度、模态质量等结构动力特性参数。
2 获取的结构动力特性参数，可为结构计算模型修正提供依据，并为结构损伤识别提供基础数据。
6.1.3 模态试验的基本要求
1 结构模态试验前，应根据试验目的制定符合相关技术要求的试验方案，并进行必要的计算。
2 模态试验应符合下列要求：
(1) 传感器宜选择高灵敏度的低频传感器；
(2) 测点布置应尽量避开振型节点和反节点处，所布测点数不应少于所测模态阶数的2倍，宜对称布置同时采集；
(3) 试验时应避免环境及系统干扰；
(4) 采样频率应满足采样定理的基本要求；
(5) 采样时间要保证数据有足够的长度；
(6) 当测点较多而传感器数量不足时，可以分批测量，每批测试应至少保留一个共同的参考点。
6.1.4 数据处理方法
大跨桥梁、大型建筑等土木工程结构，通常难以对其实施人工激励，可以采用随机振动识别理论，通过测量“环境激励”下的输出响应来识别结构的模态参数。
环境激励下的工程结构模态参数识别方法可以分为三大类：频域识别方法、时域识别方法和时频域方法。
6.1.5 在线识别技术
“在线”强调的是模态参数识别的实时性和自动性。相对于普通的基于现场测试的模态试验而言，在线模态参数识别具有全天候、快速、实时的优点，由于实际结构在不同环境下其动力特性会有所不同，如边界条件、温度的变化，台风、运营荷载等，只有实时分析才能获取整个结构的动力特性变化情况。
6.2 损伤识别方法
6.2.1 总体要求
1 工作目标
结构的损伤识别是指利用结构的响应数据来分析结构物理参数的变化，进而识别结构的损伤。
2 深度要求
(1) 损伤识别根据工作深度可以由浅入深逐次分为损伤预警、损伤定位、损伤定量、损伤评估；
(2) 损伤预警应给出结构是否发生损伤的明确判断，并对相应的判断阈值进行说明；
(3) 损伤定位应给出结构发生的损伤位置，可给出损伤位置的几何坐标，也可给出损伤单元或者构件的编号；
(4) 损伤定量应以百分比的形式给出发生损伤的单元或者构件的损伤程度；
(5) 损伤评估应对结构的损伤后的性能退化做出综合评估，对结构损伤后的残余寿命进行科学预测。
6.2.2 动力指纹法
可选用固有频率、固有振型等模态参数及其各种导出量来构建结构的动力指纹，根据动力指纹的变化来辨识结构的损伤。
常见的结构动力指纹包括固有频率比、固有振型变化、振型曲率、应变模态振型、MAC、COMAC、柔度曲率、模态应变能、里兹向量等，结构损伤识别时，可根据实际需要选用其中的一种或者多种。
6.2.3 模型修正法
若有高精度的有限元基准模型可供利用时，可采用模型修正的方法进行结构物理参数辨识进而实现结构损伤识别的目的。
模型修正是利用结构实测数据（一般是模态参数）来修正结构的初始理论模型，使修正后的结构模型的响应与结构的实测响应相一致。用模型修正法进行损伤识别时，应把有限元基准模型作为结构的初始理论模型，把损伤后的结构响应作为结构实测数据。
用于损伤识别的常用的模型修正方法可分为：矩阵型修正方法、元素型修正方法、误差因子修正方法（子矩阵修正方法）、设计参数修正方法。
6.2.4 神经网络法
神经网络是一种基于数据的非参数化非线性建模方法，其用于损伤识别的基本步骤，是构建结构的损伤数据集合，对神经网络进行训练，校验神经网络的有效性，利用训练得到的神经网络模型进行损伤识别。
结构的损伤数据应根据用途划分为训练集、校验集、测试集。为了得到较好的结果，训练集一般应进行归一化。
可供选用的神经网络模型有：BP神经网络，RBF神经网络，概率神经网络、自组织神经网络、模糊神经网络等。
神经网络的拓扑结构应根据所解决的问题来选择，也可采用试错法或遗传算法以及其他优化方法确定。
6.2.5 其他方法
结构损伤识别也可采用有文献报道证明可行的其他方法。如小波包能量谱方法、支持向量机方法、ARMA模型方法、响应面法、奇异值检验方法、考虑不确定性的统计方法等。
6.3 安全评估方法
6.3.1 一般原则
1 结构在规定的设计使用年限内应具有足够的可靠度。结构可靠度可采用以概率理论为基础的极限状态设计方法分析确定。
2 结构在规定的设计使用年限内应满足下列功能要求：
(1) 在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用；
(2) 在正常使用时具有良好的工作性能；
(3) 在正常维护下具有足够的耐久性能；
(4) 在设计规定的偶然事件发生时及发生后，仍能保持必须的整体稳定性。
3 施加在结构上的荷载宜采用随机过程概率模型描述。
4 结构构件的可靠指标宜采用考虑基本变量概率分析类型的一次二阶矩方法进行计算。
6.3.2 确定性方法
结构安全评估的确定性方法可以采用层次分析法和极限分析法。
6.3.3 可靠度方法
1 构件可靠度分析法
结构构件可靠度分析方法主要分为两大类。一类是解析算法，包括改进的一次二阶矩法、二次二阶矩法、JC法等；另一类是随机模拟法，包括蒙特卡罗法、随机有限元法等。
2 体系可靠度分析法
结构体系可靠度分析法可以采用界限估算法、串联及并联和混联体系可靠度计算法、概率网络估算技术方法、蒙特卡罗法、分枝界限法等。
数据库系统及其运行管理-结构健康监测设计专题
2014-12-18 结构健康监测
数据库系统及其运行管理
7.1 数据库系统的目标与设计原则
7.1.1 结构健康监测数据库系统是一个实时运行的存储、维护和为应用提供数据管理与分析的软件系统，是存储介质、处理对象和管理系统的集合体。系统由软件、数据库和数据管理员等组成。其软件主要包括操作系统、应用程序以及数据库管理系统。数据库由数据库管理系统统一管理，数据的插入、修改和检索均要通过数据库管理系统进行操作。数据管理员负责创建、监控和维护整个数据库，使数据能被授权用户有效使用。
7.1.2 数据库设计是建立数据库及其应用系统的核心技术，它是指利用现有的数据库管理系统，构造最优的数据模式，建立可用的数据库和应用系统，以便能够更为有效地存储数据，满足用户的应用需求，包括数据需求和处理需求。
1. 数据共享是指系统所有用户可同时访问数据库中的数据。同文件系统相比，由于数据库实现了数据共享，避免了用户各自建立应用文件而带来的数据冗余问题，同时数据共享有利于维护数据的一致性。
2. 进行系统数据库设计时需要根据传感器数量、采样频率、监测时间等因素估计数据库的容量，保证数据有效的存储和使用。
3. 各种软硬件平台日趋多样化，为了满足各种不同平台系统的要求，应用软件的设计必须遵循开放系统的原则，与平台无关。
4. 遵循公共的国际标准，以方便今后的升级维护。
7.3 数据库设计基础要求
7.3.1 在线实时数据处理分析包括对实时采集的数据进行处理分析，用户处于在线工作状态。离线数据处理分析则主要是对某一时段以前的存档数据进行处理和分析。
7.3.2
1. 传感器一般包括对环境信息、荷载信息、结构响应信息和结构形态信息进行监测的设备，常用的传感器类型详见第3章。故障检测包括定时轮询监测报警，用户根据实际设定失效报警时间。
2. 监测信息的自动导入指的是将观测数据通过传输模块进行预处理后导入到数据库中。数据导出的目的是便于为专业分析软件工具进行进一步的数据分析。预案处理包括监测信息预警机制以及相应处理措施的描述信息等。
3. 结构评估分析要依据结构分析模型进行定量分析，如果分析模型有改进，系统要支
持利用新的评估模型进行分析的机制。
4. 结构模型信息描述了进行评估分析时使用的评估规则和所需要的模型，评估规则本身可以添加、删除，需要描述参数的数据类型、返回的数据类型等。
5. 数据转储主要利用数据库管理系统自身提供的归档功能进行数据归档，归档使用的大容量存储设备包括大容量磁盘、光盘、磁带等二级存储设备，系统元数据记录归档数据基本信息。
6. 用户管理内容涉及：
(1) 用户属性定义。数据库管理系统安全功能应给出每个用户与标识相关的安全属性，如标识符、组等。如果数据库管理系统安全功能维护自己的标识与鉴别数据，那么它应保证每个用户个体在数据库管理系统和其他系统安全功能中信息一致。
(2) 用户标识。数据库管理系统的安全功能应预先设定数据库管理系统代表用户执行的、与安全功能相关的动作；在标识之前，安全功能允许数据库管理系统执行这些预设动作。在其他的安全功能引起的操作动作之前，数据库管理系统的安全功能要成功地标识每个用户。应对注册到数据库管理系统中的用户进行标识。用户标识信息是公开信息，一般以用户名和用户ID实现。为了管理方便，可将用户分组，也可使用别名。无论用户名、用户ID、用户组还是用户别名，都要遵守标识的唯一性原则。用户标识分为：
1) 基本标识：应在数据库管理系统安全子系统的安全功能实施所要求的动作之前，对提出该动作要求的用户进行标识；
2) 唯一性标识：应确保所标识用户在信息系统生存周期内的唯一性，并将用户标识与审计相关联。
(3) 标识信息管理。应对用户标识信息进行管理、维护，确保其不被非授权地访问、修改或删除。
(4) 用户鉴别。数据库管理系统的安全功能应预先设定数据库管理系统代表用户执行的、与安全功能相关的动作，在用户被鉴别之前，允许数据库管理系统执行这些预设动作。在其他的安全功能引起的操作动作之前，数据库管理系统的安全功能应成功地鉴别每个用户。应对登录的数据库管理系统的用户进行身份真实性鉴别。通过对用户所提供的“鉴别信息”的验证，证明该用户确有所声称的某种身份，这些“鉴别信息”必须是保密的，不易伪造的。用户鉴别分为：
1) 基本鉴别：应对数据库管理系统安全子系统的安全功能实施所要求地动作之前，先对提出该动作要求的用户成功地进行鉴别。
2) 不可伪造鉴别：应检测并防止使用伪造或复制的鉴别数据。一方面，要求数据库管理系统安全子系统的安全功能应检测或防止由任何别的用户伪造的鉴别数据；另一方面，要求数据库管理系统安全子系统应检测或防止当前用户从任何其他用户处复制的鉴别数据的使用。
3) 一次性使用鉴别：应能提供一次性使用鉴别数据操作的鉴别机制，即对数据库管理系统安全子系统的安全功能应防止与已标识过的鉴别机制有关的鉴别数据的重用。
4) 多机制鉴别：应能提供不同的鉴别机制，用于鉴别特定事件的用户身份，并且对数据库管理系统安全子系统的安全功能应根据所描述的多种鉴别机制如何提供鉴别的规则，来鉴别任何用户所声称的身份。
5) 重新鉴别：应有能力规定需要重新鉴别用户的事件，即对数据库管理系统安全子系统的安全功能应在需要重鉴别条件所指示的条件下，重新鉴别用户。
(5) 鉴别失败处理。数据库管理系统的安全功能应检测到与鉴别事件相关的不成功的鉴别尝试，当不成功鉴别尝试的次数达到或超过了定义的界限时，安全功能应终止会话建立的进程。
(6) 访问历史。在会话成功建立的基础上，数据库管理系统的安全功能应显示用户上一次成功会话建立的日期、时间、方法、位置等。数据库管理系统的安全功能应显示用户上一次不成功的会话尝试的日期、时间、方法、位置等，以及从上一次成功的会话建立以来的不成功的尝试的次数。
7. 数据库的安全包含两层含义：第一层是指系统运行安全，系统运行安全通常受到的威胁包括一些网络不法分子通过网络、局域网等途径通过入侵电脑使系统无法正常启动，或让系统超负荷运行大量算法，并关闭CPU风扇，使CPU过热烧坏等破坏性活动；第二层是指系统信息安全，系统信息安全通常受到的威胁包括黑客对数据库入侵，盗取系统内的资料。因此数据库管理系统的安全既要考虑对数据库管理系统的安全保护，也要考虑对数据库管理系统中所存储、传输和处理的数据信息的保护（包括以库结构形式存储的用户数据信息和以其他形式存储的由数据库管理系统使用的数据信息）。所以对数据库管理系统的安全保护的功能要求，要从系统安全运行和信息安全保护两方面综合进行考虑。
(1) 网络安全管理与安全保护：主要指的是系统运行的外部安全环境，一般包括网络管理软件和安全保护系统。前者用于防止外部用户入侵系统所在的网络，后者则主要是各种防病毒软件。
(2) 数据库容灾备份主要防止系统因一些不可抗因素导致硬件设备的损坏而采取的备份策略。
(3) 敏感信息标记用于标识数据库系统中需要特别保护的数据或对象，依据使用方式的不同可以标识为公开、秘密、机密和绝密四个等级。敏感信息的安全设置一般由系统安全员进行设置。对于支持有效期的各种安全属性，数据库管理系统的安全功能应限制授权管理员规定有效期的能力。数据库管理系统的安全功能应支持授权管理员对有效期后所采取的活动做出规定。
(4) 系统使用日志审计：一般由系统审计员进行审计，审计内容涉及一般信息与敏感信息操作使用的历史，以便追踪信息被破坏、泄漏的原因。
数据库管理系统宜采取以下措施抵御威胁：
1) 数据库管理系统中，主体对客体的访问受系统安全功能的限制和裁定，特定客体的访问权限由主、客体安全属性、用户身份和环境等条件所决定，这些条件应在对应的安全策略中规定。
2) 数据库管理系统应对系统用户进行标识和鉴别，并通过系统审计来记录用户的操作和所造成的影响，使用监督和事后评判等机制，保证用户的责任可追溯、行为得到控制。
3) 在物理上分离的部件之间传递信息流应遵从数据库管理系统中所确定的信息流策略。
4) 数据库管理系统所保护的资源仅限于需要了解该资源的授权用户知晓并进行访问和修改。
5) 数据库管理系统应维护主体及客体的敏感标记（安全级别），以此作为实施访问控制的基础。
6) 在数据库管理系统的空闲存储客体空间中，对客体初始指定、分配或再分配前，需要撤销客体所含信息的所有授权。
7) 当主体获得对一个已被释放的客体的访问权时，当前主体不能获得原主体活动所产生的任何信息。
7.4 数据库的组成
7.4.1 数据库的组成与数据库的功能相对应。
2. 风速和风向属于环境信息，而风压是直接作用在结构上的风荷载；同样地，环境温度属于环境信息，构件的实际温度与温度荷载直接相关。各类原始信息和附加信息的记录存
储依监测内容而异。比如，风速一般要记录三秒钟极值风速、十分钟平均风速、每小时平均风速、风玫瑰图、风谱图。地面脉动加速度要记录时程曲线、功率谱；车辆荷载一般要记录轮轴重量、总重、数量、车辆类型；环境温度和太阳辐射强度要记录每小时信息，统计日月年的最高温度、最低温度、及温差；结构加速度要记录存储时程曲线、功率谱；静态应变、位移、倾角宜与环境温度同步记录，混凝土应变应记录徐变和收缩；结构坐标包括三个方向的大地坐标。
4. 评估结果包括分析结果以及数据之间的相关性等。评估结果以定期和以专题事件为单位的方式记录；定期记录为单位指每个月、季度或年的结果；专题事件记录指突发事件（地震或台风）发生后的专题分析结果。
7.4.2 转储数据的元数据信息中，本地信息库中要记录转储数据的定位、识别信息等，转储到外部的数据可提供所转储信息的概要描述信息。
7.4.3 信息分类是根据信息内容属性的排列顺序，将信息按一定的原则和方法进行区分和归类，并建立起一定的分类系统和排列顺序，以便管理和使用信息。信息编码是在信息分类的基础上，将信息对象赋予有一定规律的、易于计算机和人识别与处理的符号。
传感器信息宜根据传感器的类型分类并根据所在空间位置或所属子站编码，比如某加速度计的一个通道的编码为
7.5 数据库选择的其它因素
7.5.1数据库相关的主要软件产品包括数据库管理系统、设计建模工具和管理工具。选择并统一数据库相关的软件产品，可使数据库管理员能够更关注于该产品，可使各层次人员的数据管理经验得以共享，从而可以大大提高数据管理水平和效率。统一数据库相关的软件产品也可以减少不同系统之间进行数据交换和数据访问的数据转换工作量，提高数据转换和共享效率。
由于系统监测数据流量较大，为了保证系统处理分析的效率，选择数据库系统时必须考虑对海量数据的有效存储管理，考虑系统的扩展性。数据库系统要有较好的数据分布管理策略，如数据的分片存储、透明访问、分布备份等，必要时要求支持数据网格集成等技术。
在2016云栖大会上海峰会上，国内领先的专业OpenStack服务商九州云（99Cloud）与阿里云达成战略合作，将共同研发企业级混合云平台，向用户提供弹性、敏捷及安全可控的混合云解决方案。
这是阿里云生态的又一次开放融合，通过像九州云这样的合作伙伴，OpenStack等不同领域的用户也能快速获取公共云服务能力。
对于生态和开源，每个人的理解都不太一样。但是它绝对不仅仅是简单的开放、合作、共赢这几个词就可以概况的，这还远远不够。
1
关于开放，阿里云有话要说
阿里云资深总监李津表示，技术没有门槛，服务没有边界，任何技术的诞生都是源于最终用户的需求。
阿里云希望通过跟九州云等生态伙伴的合作，让所有用户能够分享到生态伙伴的服务能力，让公共云的海量计算能力更便捷的去触达他们。
这才是今天阿里云整个生态的价值，这也是云计算带给我们联结在一起的价值。
2
关于混合云，我们有自己的态度
阿里云中间件产品总监赵杰辉表示，互联网重塑了企业形态和运行方式。
双11的天猫、淘宝很可能是目前为止我们能够看到的、最为接近未来企业形态的。
也就是说，大量的弹性需求，用到了阿里云极为浩瀚的计算能力支持。换句话说，未来是开放的，谁能借用外部计算能力为自己所用，谁就领先于同行。
这也是混合云大行其道的内在因素。
3
关于合作，谈谈阿里云的“心态”
为什么今天我们要跟大家去合作？阿里云资深总监李津谈了四点。
首先，是因为市场上去拥抱云计算的所有人都是我们的客户，都是我们的用户，也都是我们的朋友。今天的阿里云没有敌人，如果人为的要去划分的，不仅圈定自己，也圈定了别人，这是不对的。
其次，能够达成合作，是因为我们看到了合作伙伴在这个领域的贡献和优势，不是滥竽充数，是真正能够为客户解决问题。
第三，我们更看重的是合作伙伴的服务能力。因为云计算要贴近于用户，技术创新多种多样，但是服务质量要连接到用户那里去，而所有这些提供服务的人其实都是我们的朋友，我们也是他们的朋友。最终，我们希望让这些服务触达到用户，让用户感受到云计算，并且接受这些服务。所以从这些角度来说，阿里云会有越来越多的合作伙伴。
最后，谈谈合作的意义，其实很简单。如果说别人曾经划分过很多不同的门槛，区分不同种族的人类，那么今天云计算最大的使命感就是要打破这些东西。我们并不接受“技术门槛”的说法，因为这些都是人为商业诉求把技术这个纯粹的东西渲染掉。我们相信，通过合作，阿里云的技术能力，可以通过合作伙伴的服务，流淌到每一处需要计算的角落。
4
写在最后的话
2015年的天猫双11，是全球最大规模的混合云弹性架构实践。
现在，这一技术能力将通过阿里云与九州云、万国数据等生态伙伴的合作，加速向全球用户开放。
抱着这样的心态和理念，阿里云与合作伙伴打造的混合云技术，是阿里的，更是你我的！金融财务管理
阿里金融云：发挥云+端+数的最大力量
2013年底上线以来，阿里金融云已为易保、微贷网、大智慧、华夏保险等金融企业提供服务，构筑起了囊括银行、保险、微金融、证券等在内的完整生态。
当经济社会从IT时代迈入DT时代，计算能力正在成为像水、电、石油一样的公共资源。
阿里金融云通过发挥计算的力量，让金融展现多样性，把平等普惠带给每个人。
阿里金融云已来
阿里金融云为金融行业量身定制云计算服务，具备低成本、高弹性、高可用、安全合规的特性。
同时，帮助金融客户实现从传统IT向云计算的转型，并为客户实现与支付宝、淘宝、天猫的直接对接，助力金融客户业务创新，提升竞争力。
阿里金融云的优势
“云”、“端”、“数”是阿里金融云的核心能力。
“云”是指阿里金融云在云计算方面的能力。
“端”是指阿里金融云为上云企业提供的移动端的能力。
“数”是指阿里金融云的大数据分析能力。
依托于中国最大的云计算公共服务平台阿里云，阿里金融云在“云”、“端”、“数”三个方面都有很好的积累。
阿里金融云将这些能力传输给合作伙伴，同时提供“安全稳定”的安全性环境，达到“业务创新”的目标，打造基于互联网的全新金融创新生态。
在“云”、“端”、“数”的基础上，阿里金融云将重点打造包括场景引擎、互联引擎、数据引擎、技术引擎在内的四大引擎。
工程结构健康监测与诊断 姓 名： 查 忍 指 导教 师： 学 号： 专 业： 沈 圣 170527005 建筑与土木工程
琅岐大桥结构健康监测系统初步设计方案 目录 1 桥梁健康监测的必要性 (3) 2琅岐闽江大桥工程概况 (5) 3系统设计原则与功能目标 (9) 3.1 系统设计依据 (9) 3.2 系统设计原则 (10) 3.3 功能目标 (11) 4 健康监测系统方案设计 (11) 4.1 传感器子系统 (11) 4.1.1 环境监测 (12) 4.1.2 视频监测系统 (12) 4.1.3 结构变形监测 (13) 4.1.4 应变(应力)及温度场监测 (14) 4.1.5 斜拉索索力监测 (15) 4.1.6 结构动力性能监测 (15) 4.1.7 监测传感器统计 (16) 4.2 数据采集系统 (17) 4.2.1 数据采集系统设计 (17) 4.2.2 数据采集系统硬件系统 (18)
4.3 数据传输系统 (19) 4.4 监测数据分析与结构安全评定及预警子系统 (19) 4.5 健康监测网络化集成技术和用户界面子系统 (21) 4.6 中心数据库子系统 (21) 4.7 系统后期维护、升级和服务等要求 (21) 4.8 施工注意事项 (22) 4.9 其它 (22) 1桥梁健康监测的必要性 由于气候、环境等自然因素的作用和日益增加的交通流量及重车、超重车过桥数量的不断增加，大跨度桥梁结构随着桥龄的不断增长，结构的安全性和使用性能必然发生退化。自1940年美国Tacoma悬索桥发生风毁事故以后，桥梁结构安全监测的重要性就引起人们的注意。但是受科技水平的限制和人们对自然认识的局限性，早期的监测手段比较落后，在工程应用上一直没有得到很好的发展。20世纪80年代以来，在北美、欧洲和亚洲的一些国家和地区，相继发生了桥梁结构的突然性断裂事件，这些灾难性事故不仅引起了公众舆论的严重关注，也造成国家财产的严重损失，威胁到人民生命安全。国外从20世纪80年代中后期开始建立各种规模的桥梁健康监测系统。例如，英国在总长522m米的三跨变高度连续钢箱梁桥Foyle桥上布设传感器，监测大桥运营阶段在车辆与风荷载作用下主梁的振动、挠度和应变等响应，同时监测环境风和结构温度场。国外建立
传感器与微系统(Transducer and M icr osyste m Technol ogies) 2008年第27卷第7期设计与制造 航空结构健康监测的压电夹层设计3 王 强,袁慎芳 (南京航空航天大学智能材料与结构航空科技重点实验室,江苏南京210016) 摘 要:根据智能夹层思想和真实航空飞行器结构特点,研究了面向航空结构健康监测的压电夹层技术, 并将该技术应用到了某无人机机翼盒段结构健康监测验证实验中。实验结果表明:压电夹层工作性能稳 定,寿命长,压电元件的一致性良好,抗干扰、串扰能力较好,该技术对于结构健康监测技术实用化具有推 动作用。 关键词:结构健康监测;压电夹层;机翼盒段 中图分类号:T B552;V214.8 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(2008)07-0072-03 PZTs l ayer techn i que for aerocraft structure hea lth m on itor i n g3 WANG Q iang,Y UAN Shen2fang (The Aeronauti c Key Labora tory for S martM a ter i a l and Structure,Nan ji n g Un i versity of Aeronauti c and A stronauti c,Nan ji n g210016,Ch i n a) Abstract:Based on the ideal of s mart layer and the structure characterastic of aviati on flyer,PZTs Layer technique f or aer ocraft structure health monit oring(S HM)is studied and used in the SH M validati on experi m ent f or a testbox of an UAV wing.The experi m ent result p r oves that the PZTs layer works stably and has l ong service life, and the PZTs have good consistency,l ow interference.A ll of these indicate that the PZTs layer technique is hel pful for the p racticality of SHM. Key words:SH M;PZTs layer;wing testbox 0 引 言 自20世纪后期以来,由于世界各地发生的航空事故所引起的灾难性后果,使得来源于仿生原理的结构健康监测技术得以提出并迅速发展起来[1～4]。该技术研究在结构中安装或集成传感器/激励器、控制器以及信号处理器等功能单元来实现对结构健康状态的在线监测。在众多的传感器和激励器中,压电元件由于具有正逆压电效应,既可作为驱动器也可以作为传感器,因此,得到很多研究学者的关注并大量采用。在安装时,传统的方法是将压电元件逐个粘贴与分别连线,这样的做法会引起各压电元件存在性能差异,且稳定性、电气特性以及使用寿命等方面难以控制。为此,美国斯坦福大学率先进行了分布式传感器系统的研制,将这种分布式传感器系统叫做智能夹层(s mart layer)[5,6],国内南京航空航天大学是首先进行此方面研究的机构,在原理研究和应用等方面取得了一系列成果[7,8]。然而,目前国内压电智能夹层的应用研究还都是以小型结构为主,工作环境也大多局限于实验室内,距离真实工程应用还存在一定差距。本文以航空结构为应用对象,在国内外研究成果的基础上,研究了面向航空结构健康监测的实用化压电夹层技术,并在大型某无人机机翼盒段综合健康监测系统验证实验中得到了成功应用,取得了良好的效果。 1 压电夹层原理 电夹层的设计思想是采用柔性印刷线路工艺将压电传感器/激励器网络设计制作成夹层的形式,其中,压电元件按照一定工艺封装在夹层中,并用印刷线路代替普通导线连线[7,8]。通过这样的方法有效解决压电监测系统中常用的直接将压电元件粘贴在结构上所引起的胶层厚度不均、电绝缘问题、传感性能分散、串扰大的弊端。 2 设计方案 将压电夹层集成到结构中实现航空飞行器健康监测时,需要根据结构的特点和使用环境来确定夹层设计、安装工艺等。机翼盒段是航空飞行器中较为典型的结构部件, 收稿日期:2008-03-25 3基金项目:国家自然科学基金国际合作重大计划资助项目(50420120133);航空科学基金资助项目(20060952);教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目(NCET-04-0513);江苏省研究生科技创新计划资助项目(CX07B_076Z) 27
土木工程结构健康监测系统的研究状况与进展 发表时间：2018-09-17T16:19:53.787Z 来源：《基层建设》2018年第25期作者：韦广深[导读] 摘要：本文对土木工程结构健康监测系统进行了简单的介绍，阐述了土木工程结构健康监测系统的组成和功能，针对土木工程结构健康监测系统未来的发展展开了深入的研究分析，结合本次研究，发表了一些自己的建议看法，希望可以对土木工程结构健康监测系统的发展起到一定的参考和帮助，提高其在土木工程结构方面应用有效性。 身份证号：45252519760606XXXX 摘要：本文对土木工程结构健康监测系统进行了简单的介绍，阐述了土木工程结构健康监测系统的组成和功能，针对土木工程结构健康监测系统未来的发展展开了深入的研究分析，结合本次研究，发表了一些自己的建议看法，希望可以对土木工程结构健康监测系统的发展起到一定的参考和帮助，提高其在土木工程结构方面应用有效性。关键词：土木工程结构；健康监测系统；研究状况；进展在土木工程发展过程中，人们越来越重视土木工程建设安全性。单一结构设计健康检测系统已经很难满足人们实际需要，相关部门为了更好地实现土木工程结构检测，开大大力建设更加科学的结构检测系统。土木工程结构长时间使用后会因为老化、磨损以及地震、雨雪等因素影响出现一定的损坏，降低建筑物整体质量和荷载能力，尤其是一些重要结构构件，如果建筑损伤较为严重后，将非常有可能使整个建筑结构崩坏，出现更为严重的安全事故，定期做好对土木工程结构健康状况的检查，发现损伤及时修整，能够使土木工程结构安全可靠性得到有效保证。土木工程结构健康监测系统在实际应用中能够更好的实现这一目的，本文就此展开了研究分析。 1.土木工程结构健康监测系统概述土木工程结构健康监测主要是利用无损检测技术对结构的特性进行分析，实现对结构损伤情况的准确判断，明确损伤的部位。土木工程结构健康监测主要是测量超常荷载情况下结构的变化情况，明确工程结构特性变化，以此为基础判断结构损伤程度，明确损伤部位。包含损伤识别以及安全性评估两个方面内容，结构健康监测需要以损伤识别为基础，以安全性检测作为结构健康监测的核心。在损伤识别方面，土木工程结构损伤来源有两种，一种是积累损伤，另一种是外来损伤，积累损伤主要是指工程结构在长期使用过程中所积累的损伤，包含有材料老化、腐蚀、荷载效应等方面内容，外来损伤则指泥石流、爆破等自然灾害以及人为损害所带来的损伤。损伤检测目标可以分为不同步骤，首先是推测结构是否出现损伤，之后明确结构损伤部位，判断损伤类型，最后对损伤程度展开量化评估分析，估计结构使用剩余期限。需要注意的是，在结构损伤的识别和判断过程中，必须要有效区分建模偏差以及结构损伤偏差。在安全评估方面，工程结构安全性评价需要以健康监测和损伤识别为基础，安全状态测试属于一种工程结构安全等级的有效测试方法，工程结构安全等级的评价主要利用工程临界状态比较方式展开，不同工程结构安全等级与该工程结构的重要性密不可分，必须要做好工程结构安全性评估与可靠性评估之间的区分，安全性评估主要是实现对工程结构安全级别的有效判断。 2.结构健康监测系统组成和功能不同土木工程结构所处的环境以及承载存在明显的区别，在结构形式方面存在有较大差异性，但是其监测洗头工结构存在非常大相似性，主要表现在以下几个方面： 2.1 数据采集、处理、传输子系统该子系统包含有软件和硬件两大主要组成结构，通过软件方式将数据信号储存至计算机，常见的数据采集软件有VC++、LabV oew等，硬件系统主要组成包含有传输数据的电缆和相应的数模转换卡。数据采集子系统在实际应用中能够实现将传感器子系统与数据管理子系统有效联系，以此实现对数据的采集和储存。 2.2 传感器子系统传感器子系统属于整个结构健康测试系统最为关键的组成结构，为硬件部分，传感器子系统在实际应用中主要用来感知结构荷载和状态方面信息，并通过物理、光、声音等形式表现出来。 2.3 安全预警子系统该系统的主要组成结构包含有结构安全评定软件和相应的预警设备，当传感器子系统采集到结构信息并发送至数据采集处理子系统后，该系统识别出损伤后会发出相应的报警信号。 2.4 模型修正、结构损伤识别子系统该系统包含有损伤识别软件以及模型修正软件，在实际应用中，先启动结构损伤识别软件，在识别到结构损伤后，模型修正软件以及安全评定软件就会运行发挥作用。结构损伤识别软件的开发一般由计算机分析软件平台进行。损伤识别判断需要以结构感知信息基础上进行，数据采集子系统在接收到来自传感器子系统发送的数据信息后，将信息数据储存至数据管理子系统，结构损伤识别软件的运行需要从数据管理子系统中获取相应的数据信息，同时完成分析后分析结果还会自动保存至数据管理子系统，作为历史数据信息备用。 3.土木工程结构健康监测系统的发展当前土木工程结构健康监测系统尚处于初期发展阶段，在实际工程中的应用还不是十分广泛。未来土木工程结构健康监测系统的发展，需要做好以下几个方面工作：首先，研发更为科学合理的算法，实现对传感器子系统所接收到信息的实时监控，使数据信息的真实性和可靠性得到保证；其次，对工程结构健康监测系统的相关安全标准进行优化和完善，与土木工程结构实际情况相结合，方便工作人员根据监测结构准确判断工程结构的安全状况；最后，统一土木工程结构健康监测系统的设计和开发，提升整个系统的标准化视频，使该系统在实际应用中更好的发挥出价值和作用。结束语 土木工程结构健康监测系统在实际应用中可以实现对土木工程结构健康状况的有效监测，及时发现土木工程结构存在的问题和隐患，提高结构各类隐患问题处理的及时性和有效性，降低土木工程结构问题所带来的影响和损失，在土木工程结构领域有着非常广阔的发展前景。当前土木工程结构健康监测系统尚处于初期发展阶段，还存在有一定的缺陷和问题，在今后使用中，想要更好的发挥土木工程结构健康监测系统的价值和作用，还要从实践和理论等方面对其优化和完善，结合土木工程结构实际情况，提高其应用有效性，为我国建筑行业发展进步打下良好的基础。参考文献：
目录 一、传统桥梁结构检查与评估概述 (1) 二、现代桥梁健康监测系统概述 (2) 三、健康监测系统研究现状 (3) 四、健康监测系统实施现状 (5) $ 五、健康监测系统应用效果与存在问题 (9) 六、健康监测系统改善建议与发展前景 (10) "
一、传统桥梁结构检查与评估概述 桥梁在建成后，由于受到气候、腐蚀、氧化或老化等因素，以及长期在静载和活载的作用下易于受到损坏，相应地其强度和刚度会随时间的增加而降低。这不仅会影响行车的安全，并会使桥梁的使用寿命缩短。为保证大桥的安全与交通运输畅通，加强对桥梁的维护管理工作极为重要。桥梁管理的目的在于保证结构的可靠性，主要指结构的承载能力、运营状态和耐久性能等，以满足预定的功能要求。桥梁的健康状况主要通过利用收集到的特定信息来加以评估，并作出相应的工程决策，实施保养、维修与加固工作。评估的主要内容包括：承载能力、运营状态、耐久能力以及剩余寿命预测。承载能力评估与结构或构件的极限强度、稳定性能等有关，其评估的目的是要找出结构的实际安全储备，以避免在日常使用中产生灾难性后果。运营状态评估与结构或构件在日常荷载作用下的变形、振动、裂缝等有关。运营状态评估对于大桥工件条件的确认和定期维修养护的实施十分重要。耐久能力评估侧重于大桥的损伤及其成因，以及其对材料物理特性的影响。 传统上，对桥梁结构的评估通过人工目测检查或借助于便携式仪器测量得到的信息进行。人工桥梁检查分为经常检查、定期检查和特殊检查。但是人工桥梁检查方法在实际应用中有很大的局限性。美国联邦公路委员会的最近调查表明，根据目测检查而作出的评估结果平均有56%是不恰当的。传统检测方式的不足之处主要表现在： （i）需要大量人力、物力并有诸多检查盲点。现代大型桥梁结构布置极其复杂，构件多且尺寸大，加之大部分的构件和隐蔽工程部位难于直接接近检查，因此，这对现代大型桥梁尤其突出； （ii）主观性强，难于量化。检查与评估的结果主要取决于检查人员的专业知识水平以及现场检测的经验。经过半个多世纪的发展，虽然桥梁的分析设计与施工技术已日趋完善，但对某些响应现象，尤其是损伤的发展过程，尚处于经验积累中，因此定量化的描述是很重要的； （iii）缺少整体性。人工检查以单一构件为对象，而用于现代机械、光学、超声波和电磁波等技术的检测工具，都只能提供局部的检测和诊断信息，而不能
结构健康监测 【结构健康监测】是指对工程结构实施损伤检测和识别。我们这里所说的损伤包括材料特性改变或结构体系的几何特性发生改变，以及边界条件和体系的连续性，体系的整体连续性对结构的服役能力有至关重要的作用。结构健康监测涉及到通过分析定期采集的结构布置的传感器阵列的动力响应数据来观察体系随时间推移产生的变化，损伤敏感特征值的提取并通过数据分析来确定结构的健康状态。对于长期结构健康监测，通过数据定期更新来估计结构老化和恶劣服役环境对工程结构是否有能力继续实现设计功能。监测简介 监测起源 长期以来，我们一直使用针对质量的不连续的方法来评估结构是否有能力继续服役以实现设计目的。从19世纪初开始，列车员借助小锤通过听锤击铁轨的声音来确定是否存在损伤。在旋转机械行业，几十年来振动监测一直作为检测手段。在过去的十到十五年里，结构健康监测技术开始兴起并产生一个联合不同工程学科分支的新的领域，而且专注于这个领域的学术会议和科学期刊开始产生。因此这些技术变得更为常见。 识别算法 结构健康监测的问题可归入数据模式识别算法的范畴[3-4] 。这个算法可分解为四部分:(1)实用性评估，(2)数据采集和提纯，(3)特征提取和数据压缩，(4)统计模型的发展。当你试图将此算法应用于实际工程结构上获取的数据时，很明显的是，第2-4部分，即数据提纯、压缩、正规化和数据融合来贴近工程实际服役环境是非常关键的环节，我们可通过硬件、软件以及二者的有机结合来实现。 实用性评估 对于健康监测对结构的损伤识别能力，实用性评估涉及到四个方面:
(1)结构健康监测的应用对于生命安全和经济效益有什么好处, (2)怎样对结构进行损伤定义，多重损伤同时存在的可能性，哪种类型最值得关注, (3)什么条件下(不同用途、不同环境)的体系需要监测 (4)使用过程中采集数据的局限性 使用环境对监测的体系和监测过程的完成形成限制条件。这种评估开始将损伤识别的过程和损伤的外部特征联系起来，当然也用到独特的损伤特征来完成检测。 数据采集和提纯 结构健康监测的数据采集部分涉及到选择激励方法、传感器类型、数量和布置，以及数据采集、存储、传输设备。经济效益是选择方案一个重要的参考因素，采样周期是另一个不可忽视的因素。因为数据可在变化的环境中获取，将这些数据正规化的能力在损伤识别过程中变得非常重要。当应用于结构健康监测时，数据正规化是一个分离出由于环境或操作而导致的传感器测得的不准确的数值。最常见的方法是通过测量输入参数来正规化测得的响应。当环境或操作影响比较显著时，我们需要来对比相似时间段的数据或对应的操作周期。数据的不 稳定性的来源需要认识到并把它对系统监测的影响降到最低。总的来说，不是所有的影响因素都可以消除，因此，我们有必要才去适当的措施来确保这些无法消除的因素对监测系统的影响作用大小。数据的不稳定性会因为变化的环境因素、测试条件以及测试的不连续性而加剧。 数据提纯是一个筛选部分有价值数据以完成传递的过程，与特征提取的过程相反。数据提纯很大程度上基于个人相关数据采集的经验。举例来说，通过检查测试设备的安装或许会发现某个传感器的固结已经松动，因此基于个人经验可以在数据
《超大跨径桥梁结构健康监测关键技术》 2017年度湖南省科技进步奖项目公示材料 一、项目名称：超大跨径桥梁结构健康监测关键技术 二、项目简介 桥梁是公路交通的重要节点，而超大跨径桥梁由于结构形式与结构安全的重要性，成为交通线路的重中之中。大桥在投入使用后，不可避免地会受到外界因素（自然灾害、外荷载等）的影响，造成结构安全隐患，最终影响社会经济发展和人民生命财产的安全。 超大跨径桥梁结构健康监测关键技术主要以矮寨特大悬索桥（吉茶高速公路控制性工程，创造了最大峡谷跨径、塔梁完全分离结构设计、轨索滑移法架梁以及岩锚吊索结构四项世界第一）为工程依托，在课题组累积的前期研究基础之上，从监测系统整体效能优化设计、健康监测元器件开发、结构损伤分析与评估等方面开展了深入系统的研究，主要内容及创新点包括： （1）针对桥梁健康监测与评估系统功能划分不明确、系统框架不完全等问题，结合现代计算机通信技术，提出了基于网格的超大跨径桥梁结构健康监测系统。对桥梁结构健康监测系统中评估分析模块效率低、系统间存在信息孤岛等问题进行了优化，最终实现健康监测系统评估功能共享。 （2）针对超大跨径桥梁监测任务点繁多，数据量大等问题，以K-L信息距离为理论基础，提出了K-L信息距离准则。利用该准则研究了超大跨径桥梁传感器优化布置方法，达到用最少测点监测桥梁全面状态的目的。 （3）研究了超大跨径桥梁有限元模型修正方法，提出了基于径向基函数的桥梁有限元模型修正方法，避免了传统的矩阵型和参数型模型修正中修正目标众多、监测自由度与有限元模型自由度不匹配的问题。 （4）根据桥梁的损伤机理与车匀速过桥时与桥梁的耦合特性，提出了基于动能能量比和小波包能量比边缘算子的桥梁结构损伤识别方法。 （5）提出了基于健康监测系统的桥梁拉索疲劳寿命预测方法，研发了低功耗便携式索力在线监测设备等桥梁结构监测元器件。 （6）研发了超大跨径桥梁结构健康监测综合系统，编制了《湖
天津市海河大桥结构健康监测系统初步设计方案 天津市市政工程研究院 2009年3月
天津市海河大桥结构健康监测系统初步设计方案 1桥梁健康监测的必要性 由于气候、环境等自然因素的作用和日益增加的交通流量及重车、超重车过桥数量的不断增加，大跨度桥梁结构随着桥龄的不断增长，结构的安全性和使用性能必然发生退化。自1940年美国Tacoma悬索桥发生风毁事故以后，桥梁结构安全监测的重要性就引起人们的注意。但是受科技水平的限制和人们对自然认识的局限性，早期的监测手段比较落后，在工程应用上一直没有得到很好的发展。20世纪80年代以来，在北美、欧洲和亚洲的一些国家和地区，相继发生了桥梁结构的突然性断裂事件，这些灾难性事故不仅引起了公众舆论的严重关注，也造成国家财产的严重损失，威胁到人民生命安全。国外从20世纪80年代中后期开始建立各种规模的桥梁健康监测系统。例如，英国在总长522mM的三跨变高度连续钢箱梁桥Foyle桥上布设传感器，监测大桥运营阶段在车辆与风荷载作用下主梁的振动、挠度和应变等响应，同时监测环境风和结构温度场。国外建立健康监测的典型桥梁还有英国主跨194mM的Flintshire独塔斜拉桥、日本主跨为1991mM 的明石海峡大桥和主跨1100m的南备赞濑户大桥、丹麦主跨1624m的Great Belt East悬索桥、挪威主跨为530m的Skarnsunder斜拉桥、美国主跨为440m的Sunshine Skyway Bridge斜拉桥以及加拿大的Confederatio Bridge桥。中国自20世纪90年代起也在一些大型重要桥梁上建立了不同规模的长期监测系统，如香港的Lantau Fixed Crossing和青马大桥、内地的虎门大桥、徐浦大桥，江阴长江大桥等在施工阶段已安装健康监测用的传感设备，以备运营期间的实时监测。 导致桥梁结构发生破坏和功能退化的原因是多方面的，有些桥梁的破坏是人为因素造成的，但大多数桥梁的破坏和功能退化是自然因素造成的。自然原因中，循环荷载作用下的裂缝失稳扩展是造成许多桥梁结构发生灾难性事故的主要原因。近年来，国内发生的几起大桥坍塌或局部破坏事故在很大程度上是由于构件疲劳和监测养护措施不足，从而严重影响构件的承重能力和结构的使用，进而发生事故。理论研究和经验都表明，成桥后的结构状态识别和桥梁运营过程中的损伤检测，预警及适时维修，有助于从根本上消除隐患及避免灾难性事故的发生。 现代大跨桥梁设计方向是更长、更轻柔化、结构形式和功能日趋复杂化。虽然在设计阶段已经进行了结构性能模拟实验等科研工作，然而由于大型桥梁的力学和结构特点以及所处的特定气候环境，要在设计阶段完全掌握和预测结构在各种复杂环境和运营条件下的结构特性和行为是非常困难 的。为确保桥梁结构的结构安全、实施经济合理的维修计划、实现安全经济的运行及查明不可接受的响应原因，建立大跨桥梁结构健康监测系统是非常必要的。通过健康监测发现桥梁早期的病害，能大大节约桥梁的维修费用，避免出现因频繁大修而关闭交通所引起的重大经济损失。 桥梁健康监测就是通过对桥梁结构进行无损检测，实时监控结构的整体行为，对结构的损伤位置和程度进行诊断，对桥梁的服役情况、可靠性、耐久性和承载能力进行智能评估，为大桥在特殊气候、交通条件下或桥梁运营状况严重异常时触发预警信号，为桥梁的维修、养护与管理决策提供依据和指导。安装结构健康监测系统是提高桥梁的养护管理水平，保证桥梁安全运营的高效技术手段。 特别值得一提的是，桥梁的健康监测和施工监控系统均是通过检测和监测手段，测试桥梁结构的内力、变形、环境和荷载，因此，它们在传感器系统、数据传输系统和数据采集系统都具有很大的共享性和重复性。此外，两个阶段在时间顺序上具有衔接性，施工监控阶段的监测数据是健康监测阶段的基础。为了节约资源、降低工程造价，应充分发挥两个系统的共享性，对上述两个系统进行统筹规划和实施，即采取统一设计、统一施工和统一管理的方式，以实现海河大桥的健康监测和施工监控两位一体的工程实施。 2海河大桥工程简况 集疏港公路二期中段工程起点于津沽一线立交以北，向北过津沽公路、海河大桥南侧收费站，与现状海河大桥相邻向北跨越海河后沿现状临港路、东海路向北分别跨越进港铁路一线，新港二号路，三号路，进港铁路二线，新港四号路，泰达大街，会展中心入口，第五大街，第八大街，第九大街，丰田七号路，与疏港二线立交相接。该段桩号范围K9+342.802~K20+419.245，路线全长11.076公里，除起点引路约500M和海河大桥南侧收费站前后各约300M为道路外，其余将近9.8公里均为高架桥。从南向北依次有津沽公路支线上跨分离式立交一座，海河特大桥一座，临港立交、泰达大街立交、第九大街立交互通式立交三座，其他与现状及规划道路交叉位置为直线上跨。海河特大桥工程为海滨大道工程的一部分，设计速度V＝80km/h，双向八车道。
桥梁结构健康监测
目录 1. 桥梁结构健康监测的概念 0 2. 桥梁结构健康监测系统 0 2.1. 监测内容 0 2.2. 数据传输 (1) 2.3. 数据分析处理和控制 (2) 2.4. 大型桥梁结构健康监测系统 (2) 2.5. 桥梁结构健康监测的现状与发展方向 (3) 3. 桥梁结构健康监测系统的意义 (4) 3.1. 桥梁结构健康监测系统的主要作用包括： (4) 3.2. 桥梁健康监测意义 (4) 4. 现有桥梁结构监测系统存在的问题 (5) 5. 结语 (6)
桥梁结构健康监测 1.桥梁结构健康监测的概念 交通是社会的经济命脉，桥梁是交通的咽喉，交通不畅会制约社会的经济发展，所以保障桥梁的功能性、耐久性，尤其是安全性至关重要。为保证桥梁安全运行、避免严重事故发生,对桥梁结构进行健康监测应运而生，桥梁结构健康监测是以科学的监测理论与方法为基础，采用各种适宜的检验、检测手段获取数据，为桥梁结构设计方法、计算假定、结构模型分析提供验证；对结构的主要性能指标和特性进行分析，及早预见、发现和处理桥梁结构安全隐患和耐久性缺陷，诊断结构突发和累计损伤发生位置与程度，并对发生后果的可能性进行判断与预测。通过对桥梁结构健康状态的监测与评估，为桥梁在各种气候、交通条件下和桥梁运营状况异常时发出预警信号，为桥梁维护、维修与管理措施提供依据，并通过及时采取措施达到防止桥梁坍塌、局部破坏，保障和延长桥梁的使用寿命的目的。 2.桥梁结构健康监测系统 2.1.监测内容 数据采集与测量的内容主要为：变形(沉降、位移、倾斜)、应力、动力特性、温度、外观检测等。 1)变形监测 采取适宜的测量手段，对桥梁主体结构关键部位的沉降、位移、倾斜量进行监测。常用监测变形的方法有：导线测量法、几何水准测量法、GPS测定三维位移量法、自动极坐标实时差分测量法和自动全站仪三维坐标非接触量测等。 2)应力监测 桥梁运营状态中主体结构的应力变化是由于主体结构的外部条件和内部状态变化引起
文章编号:1004-9037(2009)02-0254-05 基于无线传感网络的大型结构健康监测系统 尚 盈 袁慎芳 吴 键 丁建伟 李耀曾 (南京航空航天大学智能材料与结构航空科技重点实验室,南京,210016) 摘要:针对大型碳纤维复合材料机翼盒段壁板结构,实现了基于无线传感网络的多点应变结构健康监测系统,采用自组织竞争神经网络成功判别了集中载荷模拟的损伤位置。本系统由传感采集子系统、无线传感网络子系统和终端监控子系统三部分组成。为了降低系统网络功耗及成本,提高系统的稳定性和可靠性,改善传感网络的实时性和同步性,设计了可直接配接无线传感网络节点的低功耗多通道应变传感器信号调理电路和基于无线传感网络的层次路由协议,开发了多通道应变数据采集、网络簇头转发和中继节点接收等主要软件模块。实验证明,相比于传统有线的监测方法和数据采集系统,基于无线传感网络的结构健康监测系统具有负重轻、成本低、易维护和搭建移动方便等优点。 关键词:无线传感网络;结构健康监测;层次路由协议;自组织竞争网络中图分类号:T P2;T P9 文献标识码:A 基金项目:国家“八六三”高技术研究发展计划(2007AA 032117)资助项目;国家自然科学基金(60772072,50420120133)资助项目;航空基金(20060952)资助项目。 收稿日期:2007-09-05;修订日期:2008-04-17 Large -Scale Structural Health Monitoring System Based on Wireless Sensor Networks S hang Ying ,Yuan Shenf ang ,Wu J ian ,Ding J ianw ei ,L i Yaoz eng (T he A ero nautic Key La bo rat or y o f Smart M ater ial and Str uct ur e,N anjing U niv ersit y o f Aer onautics and A str onautics,N anjing,210016,China) Abstract :Aimed at the large-scale structure and anisotropy nature o f the carbon fiber compos-ite material w ing box ,a large-scale structural health m onitoring system based on w ireless sen-sor netw orks is presented .A kind of artificial neural netw ork is designed to distinguish the damag e locatio n simulated by the co ncentrated load .The sy stem co nsists o f the sensor data ac-quisition,the w ireless sensor netw or ks,and the terminal monitoring sub-sy stem s.To im pro ve the performance o f the system ,the signal conditio ning circuit and the hierarchical routing pro -to col are designed based o n w ireless sensor netw orks ,the prog rams of data acquisition and Sink node are ex ploited.Experimental result pro ves that the system has advantag es of flexibili-ty o f deplo yment,low maintenance and deploym ent costs . Key words :w ir eless senso r netw or ks ;str uctural health monitoring ;hierarchical routing ;self -org anizing com petitive netw o rk 引 言 结构健康监测技术是采用智能材料结构的新概念,利用集成在结构中的先进传感/驱动元件网络,在线实时地获取与结构健康状况相关的信息(如应力、应变、温度、振动模态、波传播特性等),结 合先进的信号信息处理方法和材料结构力学建模 方法,提取特征参数,识别结构的状态,包括损伤,并对结构的不安全因素在其早期就加以控制,以消除安全隐患或控制安全隐患的进一步发展,从而实现结构健康自诊断、自修复、保证结构的安全和降低维修费用[1]。 无线传感网络节点具有局部信号处理的功能, 第24卷第2期2009年3月数据采集与处理Jour nal of D ata A cquisition &P ro cessing Vo l.24N o.2M a r.2009
文章编号：1009-6825（2011）17-0188-02 浅议桥梁结构健康监测系统 收稿日期：2011-02-24作者简介：王 兰（1983-），女，助理工程师，中交路桥技术有限公司，北京100029 王 明（1982-），男，工程师，中铁二十二局集团第一工程有限公司，北京100040 王兰 王明 摘 要：对桥梁结构健康监测的传感器系统、数据采集与传输系统、数据处理与控制系统及桥梁健康评估系统进行了论述，指出了目前国内外桥梁结构健康监测系统存在的差距，阐述了应用桥梁结构健康监测系统的意义，旨在保证桥梁运 营安全。 关键词：桥梁，健康监测，系统中图分类号：U446 文献标识码：A 尽管（截止到2006年）我们国家现有桥梁已经达到了50万余座， 但是有些地方的桥梁管理者对现有桥梁的管理仍然是“被动式”的，也就是当桥梁发生安全事故的时候才对桥梁进行维护（检测和加固）。这种被动式的管理不可避免的会带来桥梁安全事故的频繁发生，如近几年的重庆彩虹桥、宜宾小南门桥、苏州堰月桥以及辽宁盘锦的田庄台桥等塌桥事故。随着桥梁管理理念的发展和桥梁检测、 健康监测以及评估方法的进步，使得变“被动式”的桥梁管理为“主动式”桥梁安全管理成为可能。“主动式”的桥梁管理核心是建立桥梁维护管理制度，定期对 桥梁进行检测（对重大桥梁安装桥梁结构健康监测系统，对其进行“实时检测”），及时了解桥梁的安全状况，并采取相应的修理措 施，避免安全事故的发生。 1桥梁结构健康监测系统基本框架 一个较为完整的桥梁结构健康监测系统一般包括以下四个 子系统：传感器系统、数据采集与传输系统、数据处理与控制系统和桥梁健康评估系统。 1．1传感器系统 一般桥梁结构健康监测系统选用的传感器包括两大类：一类 是监测桥梁荷载（系统输入）的传感器，一类是监测桥梁结构反应（系统输出）的传感器。 监测桥梁荷载的传感器包括以下几种：温度计、风速仪、空气温湿度计和汽车动态称重系统等；监测桥梁结构响应的传感器包括以下几种：应变计、加速度计、GPS 、倾角仪、位移计、锚索计等。 根据不同的桥梁结构形式和工程预算的约束，不同的工程可以选择不同的传感器种类和数量。传感器系统设计主要是传感器种类和数量的选择，重点是传感器布点优化设计。 1．2数据采集与传输系统 数据采集设备一般包括五种：1）通用采集仪器，主要采集电类传感器信号，一般可针对具体的项目进行特殊设计。2）光纤光栅解调仪，光纤传感器是近些年来兴起的传感器种类，对于桥梁 监测系统光纤应变计和温度计得到了日益广泛的应用，采集光纤传感器信号使用光纤光栅解调仪。3）振弦采集仪，对于振弦原理 设计的传感器必须用振弦采集设备，如锚索计等。4）GPS 接收机， GPS 数据采集由专门的系统设备完成，GPS 天线通过同轴电缆连接至相应的GPS 接收机。5）动态称重主机， WIM 系统的数据通过高速称重主机接收压电传感器和地感线圈的信号来进行采集。 数据传输包括三个层次：1）从传感器到采集设备的局部传输网络；2）从采集设备到桥头交换机二级传输网络；3）从桥头交换 机到监控中心的骨干传输网络。数据采集与传输系统主要是与 传感器匹配的采集仪器的选择、通道数和采集频率的确定，以及数据传输方案的设计。 1．3数据处理与控制系统 在结构健康监测系统中，对系统监测数据的处理根据处理方 式、处理内容以及处理顺序的不同分为数据预处理和数据后处 理。系统的数据处理功能由数据库服务器与工控机共同来完成。数据采集系统中的原始监测数据的预处理是在各子系统采 集仪上完成， 包括通用数据采集仪、光纤解调仪、GPS 接收机、WIM 称重主机。预处理后的数据经桥头交换机通过光纤传回监控中心，监控中心的工控机接收预处理后的数据并实时显示。 经预处理后的数据实时的传输至监控中心，在各工控机中通过数据处理软件进行数据后处理，由于数据后处理涉及更为复杂的处理方式，因此有时可能需要进行人机交互的数据处理方式。 1．4桥梁结构健康评估系统 桥梁结构健康监测系统直接目的是为了桥梁结构评估。桥梁结构评估包括两个层次：一个层次是基于对监测数据的分析判定桥梁上是否发生了病害，并确定病害大致位置，辅以人工检查确定病害程度和性质。第二个层次是在上述病害下桥梁是否安全，是否需要维修加固。第一个层次是桥梁损伤识别的研究范畴；第二个层次一般有基于可靠度理论的分项系数评估方法和基于精细有限元分析的力学方法。桥梁健康评估系统是桥梁健康监测系统的核心。桥梁健康评估系统主要功能是根据采集的数据和分析结果对桥梁承载能力进行评估， 为桥梁维护提供决策依据。2桥梁结构健康监测系统国内外应用现状 20世纪60年代以来，由于发达国家桥梁严重退化，安全事故不断发生和事故后果的严重性，工程技术人员对桥梁结构监测展开了积极的探索。一方面是桥梁管理系统的研究，美国、英国、日本、加拿大和德国等一些发达国家最先开发了基于计算机的桥梁管理系统，美国从20世纪60年代起就开始使用桥梁管理系统，建成了大量的数据库，以便对桥梁进行科学管理。另一方面是监测系统的研究，到90年代国内外许多大型桥梁安装了健康监测系统，如日本的明石海峡大桥、丹麦的Great Belt 和中国的江阴桥等。 中国香港的青马大桥、汀九桥和汲水门桥三座桥梁同时安装了风与结构健康监测系统WASHMS （Wind And Structural Health Monitoring System ），为便于集中管理，相关部门建立了一个整体监控中心，三座桥梁共用一套整体的数据处理与控制系统和结构健康评价系统，三座桥梁的数据采集与传输作业的控制在监控中心 · 881·第37卷第17期2011年6月 山西 建筑 SHANXI ARCHITECTURE Vol．37No．17Jun．2011
桥梁健康监测系统方案
目录 1 项目概况---------------------------------------------------------------- 1 1.1 桥梁概述----------------------------------------------------------- 1 1.2 监测目的----------------------------------------------------------- 1 1.3 监测依据----------------------------------------------------------- 1 1.4 监测内容----------------------------------------------------------- 1 2 基本思路--------------------------------------------------------------- 2 3 巴河特大桥健康监测断面及测点布置----------------------------------- 2 3.1 主梁关键截面竖向变形-------------------------------------------- 2 3.2 主梁关键截面应变监测-------------------------------------------- 3 3.3 箱梁温度、湿度--------------------------------------------------- 3 3.4 车辆荷载---------------------------------------------------------- 4 3.5 监测仪器设备------------------------------------------------------- 4 4 监测系统---------------------------------------------------------------- 4 4.1系统组成---------------------------------------------------------- 4 4.2 监测系统实施方案------------------------------------------------ 5
工程结构健康监测与诊断 姓名：查忍 指导教师：沈圣 学号： 专业：建筑与土木工稈 琅岐大桥结构健康监测系统初步设计方案 目录 1桥梁健康监测的必要性 .............................. 2琅岐闽江大桥工程概况 .............................. 3系统设计原则与功能目标 ............................ 3.1系统设计依据.............................. 3.2系统设计原则.............................. 3.3 功能目标............................... 4健康监测系统方案设计 .............................. 4.1传感器子系统.............................. 4.1.1 环境监测 .......................... 4.1.2视频监测系统.......................... 4.1.3结构变形监测.......................... 4.1.4应变（应力）及温度场监测................... 4.1.5斜拉索索力监测.......................... 4.1.6结构动力性能监测........................
4.1.7监测传感器统计.......................... 4.2数据采集系统.............................. 4.2.1 数据采集系统设计....................... 4.2.2数据采集系统硬件系统....................... 4.3数据传输系统.............................. 4.4监测数据分析与结构安全评定及预警子系统 ................. 4.5健康监测网络化集成技术和用户界面子系统 ................. 4.6中心数据库子系统........................... 4.7系统后期维护、升级和服务等要求 .................... 4.8 施工注意事项............................. 4.9其它................................. 1桥梁健康监测的必要性 由于气候、环境等自然因素的作用和日益增加的交通流量及重车、超重车过桥数量的不断增加，大跨度桥梁结构随着桥龄的不断增长，结构的安全性和使用性能必然发生退化。自1940年美国Tacoma悬索桥发生风毁事故以后，桥梁结构安全监测的重要性就引起人们的注意。但是受科技水平的限制和人们对自然认识的局限性，早期的监测手段比较落后，在工程应用上一直没有得到很好的发展。20世纪80年代以来，在北美、欧洲和亚洲的一些国家和地区，相继发生了桥梁结构的突然性断裂事件，这些灾难性事故不仅引起了公众舆论的严重关注，也造成国家财产的严重损失，威胁到人民生命安全。国外从20世纪80年代中后期开始建立各种规模的桥梁健康监测系统。例如，英国在总长522m米的三跨变高度连续钢箱梁桥Foyle桥上布设传感器，监测大桥运营阶段在车辆与风荷载作用下主梁的振动、挠度和应变等响应，同时监测环境风和结构温度场。国外建立健康监测的典型桥梁还有英国主跨194m米的Flintshire 独塔斜拉桥、日本主跨为1991m米的明石海峡大桥和主跨1100m的南备赞濑户大桥、丹麦主跨1624m的Great Belt East 悬索桥、挪威主跨为530m的Skarnsunder斜拉桥、美国主跨为440m的Sunshine Skyway Bridge斜拉桥以及加拿大的Confederatio Bridge桥。中国自20世纪90年代起也在一些大型重要桥梁上建立了不同规模的长期监测系统，如香港的Lantau Fixed Crossing 和青马大桥、内地的虎门大桥、徐浦大桥，江阴长江大桥等在施工阶段已安装健康监测用