中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預警與評價、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復合型高新技術(shù)集團企業(yè)。
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是指對工程結(jié)構(gòu)實施損傷檢測和識別。 我們這里所說的損傷包括材料特性改變或結(jié)構(gòu)體系的幾何特性發(fā)生改變，以及邊界條件和體系的連續(xù)性，體系的整體連續(xù)性對結(jié)構(gòu)的服役能力有至關(guān)重要的作用。 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測涉及到通過分析定期采集的結(jié)構(gòu)布置的傳感器陣列的動力響應(yīng)數(shù)據(jù)來觀察體系隨時間推移產(chǎn)生的變化，損傷敏感特征值的提取并通過數(shù)據(jù)分析來確定結(jié)構(gòu)目前的健康狀態(tài)。對于長期結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，通過數(shù)據(jù)定期更新來估計結(jié)構(gòu)老化和惡劣服役環(huán)境對工程結(jié)構(gòu)是否有能力繼續(xù)實現(xiàn)設(shè)計功能。
1 起源
長期以來，我們一直使用針對質(zhì)量的不連續(xù)的方法來評估結(jié)構(gòu)是否有能力繼續(xù)服役以實現(xiàn)設(shè)計目的。從19世紀初開始，列車員借助小錘通過聽錘擊鐵軌的聲音來確定是否存在損傷。在旋轉(zhuǎn)機械行業(yè)，幾十年來振動監(jiān)測一直作為檢測手段。在過去的十到十五年里，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)開始興起并產(chǎn)生一個聯(lián)合不同工程學科分支的新的領(lǐng)域，而且專注于這個領(lǐng)域的學術(shù)會議和科學期刊開始產(chǎn)生。因此這些技術(shù)變得更為常見。
2 數(shù)據(jù)模式識別算法
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的問題可歸入數(shù)據(jù)模式識別算法的范疇。這個算法可分解為四部分：（1）實用性評估，（2）數(shù)據(jù)采集和提純，（3）特征提取和數(shù)據(jù)壓縮，（4）統(tǒng)計模型的發(fā)展。當你試圖將此算法應(yīng)用于實際工程結(jié)構(gòu)上獲取的數(shù)據(jù)時，很明顯的是，第2-4部分，即數(shù)據(jù)提純、壓縮、正規(guī)化和數(shù)據(jù)融合來貼近工程實際服役環(huán)境是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，我們可通過硬件、軟件以及二者的有機結(jié)合來實現(xiàn)。
實用性評估
對于健康監(jiān)測對結(jié)構(gòu)的損傷識別能力，實用性評估涉及到四個方面：
?。?）結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的應(yīng)用對于生命安全和經(jīng)濟效益有什么好處？
?。?）怎樣對結(jié)構(gòu)進行損傷定義，多重損傷同時存在的可能性，哪種類型最值得關(guān)注？
（3）什么條件下（不同用途、不同環(huán)境）的體系需要監(jiān)測
?。?）使用過程中采集數(shù)據(jù)的局限性
使用環(huán)境對監(jiān)測的體系和監(jiān)測過程的完成形成限制條件。 這種評估開始將損傷識別的過程和損傷的外部特征聯(lián)系起來，當然也用到獨特的損傷特征來完成檢測。
數(shù)據(jù)采集和提純
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集部分涉及到選擇激勵方法、傳感器類型、數(shù)量和布置，以及數(shù)據(jù)采集、存儲、傳輸設(shè)備。經(jīng)濟效益是選擇方案一個重要的參考因素，采樣周期是另一個不可忽視的因素。因為數(shù)據(jù)可在變化的環(huán)境中獲取，將這些數(shù)據(jù)正規(guī)化的能力在損傷識別過程中變得非常重要。當應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測時，數(shù)據(jù)正規(guī)化是一個分離出由于環(huán)境或操作而導致的傳感器測得的不準確的數(shù)值。最常見的方法是通過測量輸入?yún)?shù)來正規(guī)化測得的響應(yīng)。當環(huán)境或操作影響比較顯著時，我們需要來對比相似時間段的數(shù)據(jù)或?qū)?yīng)的操作周期。數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定性的來源需要認識到并把它對系統(tǒng)監(jiān)測的影響降到最低?？偟膩碚f，不是所有的影響因素都可以消除，因此，我們有必要才去適當?shù)拇胧﹣泶_保這些無法消除的因素對監(jiān)測系統(tǒng)的影響作用大小。數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定性會因為變化的環(huán)境因素、測試條件以及測試的不連續(xù)性而加劇。
數(shù)據(jù)提純是一個篩選部分有價值數(shù)據(jù)以完成傳遞的過程，與特征提取的過程相反。數(shù)據(jù)提純很大程度上基于個人相關(guān)數(shù)據(jù)采集的經(jīng)驗。舉例來說，通過檢查測試設(shè)備的安裝或許會發(fā)現(xiàn)某個傳感器的固結(jié)已經(jīng)松動，因此基于個人經(jīng)驗可以在數(shù)據(jù)處理的過程中刪除獲取的這組數(shù)據(jù)或某個特定傳感器測得的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理技術(shù)，比如濾波和重構(gòu)，也是一種不錯的數(shù)據(jù)提純方法。
總之，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測過程中的數(shù)據(jù)采集、正規(guī)化和提純技術(shù)在不斷前進。特征提取過程的進一步認識和數(shù)據(jù)模型的不斷完善都將有助于數(shù)據(jù)采集技術(shù)的進步。
特征提取和數(shù)據(jù)壓縮
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域中最受關(guān)注的莫過于通過數(shù)據(jù)特征如何辨別出損傷結(jié)構(gòu)與完好結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)壓縮包含于這個特征選擇過程，最有效的損傷識別的特征還是
基于相關(guān)測試系統(tǒng)的相應(yīng)量（比如現(xiàn)場測得的振動譜或頻率）是最常用的特征之一。另一個損傷識別方法是尋找與特定損傷敏感的因素，即某個結(jié)構(gòu)體系在某特定環(huán)境下的損傷與某種參數(shù)最原始的定義相對應(yīng)。這種模擬損傷的系統(tǒng)是一種非常有效的工具。分析工具的應(yīng)用也起到非常重要的作用，比如試驗驗證的有限元模型。分析工具通常用來進行數(shù)值模擬試驗，通過計算機設(shè)置來模擬真實結(jié)構(gòu)的損傷。通過觀測承受荷載的結(jié)構(gòu)體系關(guān)鍵部件的老化得到的損傷累計測試也可用于識別某些損傷。這個過程涉及到加速損傷測試、疲勞測試、腐蝕、和溫度循環(huán)對某種類型損傷的積累。上文提到的多種類型的分析和試驗研究或多種研究方法的有機結(jié)合可加深對某些損傷特征的認識。
統(tǒng)計模型的發(fā)展
通過統(tǒng)計模型來辨別結(jié)構(gòu)是否存在損傷，是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域文獻中涉及最少的一部分。統(tǒng)計模型關(guān)注如何評估結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)的算法的使用，統(tǒng)計模型中用到的算法通常分為3種：當完好結(jié)構(gòu)和有損傷的結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)都可獲取時，模式識別算法通常使用與有參照的研究有關(guān)的整體分類，整體分類和回歸分析法都屬于有參照研究的范疇；無參照研究指的是缺乏損傷結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)；新型的檢測技術(shù)（或引用自其他行業(yè)比較成熟的技術(shù)）是一種應(yīng)用于無參照研究中的基本算法。所有的算法（分析統(tǒng)計或提純優(yōu)化）都推動損傷識別技術(shù)的提升。
