中國地質(zhì)大學(xué)（北京）現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育專 科 實(shí) 習(xí) 報(bào) 告題 目 基于健康監(jiān)測數(shù)據(jù)側(cè)橋梁 安全性能評價(jià)體系研究現(xiàn)狀 學(xué)生姓名 批 次 2013年秋 專 業(yè) 土木工程 學(xué) 號 學(xué)習(xí)中心 北京財(cái)貿(mào)學(xué)習(xí)中心 2017 年 2 月中文摘要隨著橋梁科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，基于健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的橋梁安全性能評價(jià)體系逐漸得到廣泛的應(yīng)用。本文主要對基于健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的橋梁安全性能評價(jià)體系的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，發(fā)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的處理一直是擺在橋梁管理者和橋梁專家面前懸而未解或沒有很好解決的課題。國內(nèi)上百座的大型橋梁都安裝了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，但由于缺乏必要的數(shù)據(jù)甄別，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)泛濫、重要數(shù)據(jù)被淹沒或預(yù)警系統(tǒng)難以達(dá)到要求甚至出現(xiàn)錯(cuò)誤等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行和使用。在橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展期，由于當(dāng)時(shí)我國正處于交通及大型橋梁建設(shè)的高潮時(shí)期，這一時(shí)代背景為我們提供了歷史契機(jī)，橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測技術(shù)得到了較快的發(fā)展并取得了顯著的成績。關(guān)鍵詞：橋梁； 健康監(jiān)測； 安全； 評價(jià)； 目錄引言11 健康監(jiān)測的概念、目的及意義21.1 概念21.2目的21.3意義22 健康監(jiān)測系統(tǒng)組成23 橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)失真問題研究的國內(nèi)外現(xiàn)狀33.1 數(shù)據(jù)失真問題的提出33.2 數(shù)據(jù)失真的特點(diǎn)43.3 數(shù)據(jù)失真問題研究的國內(nèi)外現(xiàn)狀54 基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的橋梁安全性能評價(jià)體系研究的國內(nèi)外現(xiàn)狀6結(jié)論8致謝9參考文獻(xiàn)1010引言我國的健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究及實(shí)施是從上世紀(jì)90年代后期開始。由于我國正處于交通及大型橋梁建設(shè)的高潮時(shí)期，這一時(shí)代背景為我們提供了歷史契機(jī)，橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測技術(shù)得到了較快的發(fā)展并取得了顯著的成績。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)已經(jīng)有60多座橋梁建立了健康監(jiān)測系統(tǒng)，還有大量橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)正在設(shè)計(jì)規(guī)劃中。早期的健康監(jiān)測系統(tǒng)主要集中在香港、上海、江蘇和重慶等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，最有代表性的要屬香港在青馬管制區(qū)的三座大橋(青馬大橋、汲水門橋和汀九橋)上建立的風(fēng)及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)(Wind And Structural Health Monitoring System (WASHMS)，這是世界上最早的綜合監(jiān)測系統(tǒng)之一。三座橋上安裝的傳感器系統(tǒng)，涉及了風(fēng)速儀、加速度計(jì)、溫度傳感器、應(yīng)變計(jì)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、位移傳感器、水準(zhǔn)檢測站等七類傳感器共700多個(gè)。自系統(tǒng)開始運(yùn)行到現(xiàn)在的十多年來，香港路政署和香港理工大學(xué)等展開對青馬大橋等監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析與研究、香港科技大學(xué)展開對汲水門橋監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析、香港大學(xué)展開對汀九橋監(jiān)測數(shù)據(jù)的研究。目前，已經(jīng)將系統(tǒng)成功的經(jīng)驗(yàn)用于深圳西部通道（香港側(cè)）和昂船洲大橋（跨徑1018 m，2009年，世界第二長斜拉橋）的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。隨著我國各地經(jīng)濟(jì)及橋梁建設(shè)的高速發(fā)展，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的理論方法和工程應(yīng)用的研究已初具規(guī)模，而且擴(kuò)展了到了全國各地，包括徐浦大橋、江陰大橋、潤揚(yáng)大橋、東海大橋、洞庭湖大橋、虎門大橋、大佛寺長江大橋、南京長江大橋、錢江四橋和文暉大橋在內(nèi)的多座橋梁已經(jīng)建立了健康監(jiān)測系統(tǒng)。我國的獨(dú)特機(jī)遇在于沒有過多傳統(tǒng)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，可以直接采用最新的科技，而且已經(jīng)取得了許多可喜的成果與進(jìn)展。1健康監(jiān)測的概念、目的及意義1.1 概念Housner (1997) 等人首先將結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測定義為：一種從營運(yùn)狀態(tài)的結(jié)構(gòu)中獲取并處理數(shù)據(jù)，評估結(jié)構(gòu)的主要性能指標(biāo)(如可靠性、耐久性等)的有效方法。橋梁健康監(jiān)測的基本內(nèi)涵即是通過對橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)控與評估，為橋梁在特殊氣候、交通條件下或橋梁營運(yùn)狀況嚴(yán)重異常時(shí)觸發(fā)預(yù)警信號，為橋梁維護(hù)、維修與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。為此，監(jiān)測系統(tǒng)對以下幾個(gè)方面進(jìn)行監(jiān)控：l 橋梁結(jié)構(gòu)在正常環(huán)境與交通條件下營運(yùn)的物理與力學(xué)狀態(tài)；l 橋梁重要非結(jié)構(gòu)構(gòu)件(如支座)和附屬設(shè)施(如振動(dòng)控制元件)的工作狀態(tài)；l 結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐久性；l 橋梁所處環(huán)境條件等。與傳統(tǒng)的檢測技術(shù)不同，大型橋梁健康監(jiān)測不僅要求在測試上具有快速大容量的信息采集與通訊能力，而且力求對結(jié)構(gòu)整體行為的實(shí)時(shí)監(jiān)控和對結(jié)構(gòu)狀態(tài)的智能化評估。1.2目的其目的是為了診斷結(jié)構(gòu)中是否有損傷發(fā)生，判斷損傷的位置，估計(jì)損傷的程度以及損傷對結(jié)構(gòu)將要造成的后果，以確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全營運(yùn)?？偟膩碚f，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測目的在于進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷識別和狀態(tài)評估。1.3意義大型橋梁健康監(jiān)測不只是傳統(tǒng)的橋梁檢測加結(jié)構(gòu)評估技術(shù)，而是被賦予了新的意義。主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：結(jié)構(gòu)損傷識別：根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下的靜力或動(dòng)力反應(yīng)的實(shí)測值與理論值間的關(guān)系，對結(jié)構(gòu)的損傷情況進(jìn)行識別，為結(jié)構(gòu)評估提供依據(jù)。結(jié)構(gòu)的智能化評估：對既有橋梁的整體、各有關(guān)組成部分進(jìn)行考察、了解、檢查、檢測，經(jīng)過驗(yàn)算分析，有時(shí)還輔以相關(guān)試驗(yàn)，對其病害情況、損傷程度、病害與損傷原因、實(shí)際承載能力、功能以及能否正常運(yùn)營做出評估鑒定，給出明確結(jié)論。設(shè)計(jì)驗(yàn)證和研究與發(fā)展：橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)理論分析常基于理想化的有限元離散模型，并且分析時(shí)常以很多假定條件為前提，這些往往與實(shí)際的真實(shí)條件不全相符。通過橋梁健康監(jiān)測所獲得的實(shí)際結(jié)構(gòu)的動(dòng)靜力行為可驗(yàn)證大橋的理論模型、計(jì)算假定等，還可為橋梁工程中的未知問題和超大跨度橋梁的研究提供了新的契機(jī)。2 健康監(jiān)測系統(tǒng)組成為了到達(dá)預(yù)期要求，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測評估系統(tǒng)主要由四個(gè)子系統(tǒng)所組成并通過網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系而進(jìn)行工作，見圖1。這四個(gè)子系統(tǒng)分別是：傳感器系統(tǒng)、信息收集系統(tǒng)、信息處理和分析系統(tǒng)、評估控制系統(tǒng)。圖1：健康監(jiān)測系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(1) 傳感器系統(tǒng)該系統(tǒng)主要由各測試項(xiàng)目的傳感設(shè)備組成的硬件系統(tǒng)。一般包括：風(fēng)速風(fēng)向儀、加速度計(jì)、位移計(jì)、應(yīng)變計(jì)、溫度計(jì)、水平儀、車軸車速儀、信息放大處理器及連接介面等。該系統(tǒng)主要任務(wù)是能感知結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境及結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力響應(yīng)。(2) 信息收集系統(tǒng)包括：信號采集器及相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)設(shè)備。該系統(tǒng)主要任務(wù)是對橋梁結(jié)構(gòu)的各種反應(yīng)進(jìn)行采集，并將信息進(jìn)行傳輸，可以是人工采集系統(tǒng)、半自動(dòng)采集系統(tǒng)以及自動(dòng)、在線采集系統(tǒng)。（3） 信息處理分析系統(tǒng)建立監(jiān)測、分析、模型及管理等的數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)的管理與處理。對橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和損傷識別，其中結(jié)構(gòu)分析包括靜力分析和動(dòng)力分析。該系統(tǒng)主要任務(wù)是為結(jié)構(gòu)評估提供理論數(shù)據(jù)。（4）評估控制系統(tǒng)包括對橋梁安全性和耐久性綜合評估。該系統(tǒng)可根據(jù)橋梁的監(jiān)測數(shù)據(jù)和表觀檢查信息以及理論計(jì)算的數(shù)據(jù)，參照我國現(xiàn)行的養(yǎng)護(hù)規(guī)范，綜合考慮橋梁的內(nèi)在信息及表觀信息，運(yùn)用有關(guān)的理論，編制計(jì)算機(jī)程序，對工作狀態(tài)進(jìn)行綜合評估，供橋梁養(yǎng)護(hù)管理部門參考。上述四個(gè)子系統(tǒng)又可以分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大類。硬件系統(tǒng)包括傳感器系統(tǒng)、信息收集系統(tǒng)中的硬件系統(tǒng)、處理分析系統(tǒng)中的硬件系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)中的電腦硬件系統(tǒng)；軟件系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)作，信息收集/處理/傳送，結(jié)構(gòu)分析/評估，信息存儲(chǔ)/傳送/管理以及可視化處理等。3橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)失真問題研究的國內(nèi)外現(xiàn)狀3.1 數(shù)據(jù)失真問題的提出橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)在工程實(shí)踐中推廣應(yīng)用，尤其是橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)在信息獲取環(huán)節(jié)和安全評價(jià)環(huán)節(jié)獲得了一些進(jìn)步和突破，引發(fā)了國內(nèi)外橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測更大的研究熱潮，甚至使得橋梁界的部分人誤認(rèn)為該技術(shù)已經(jīng)是一門非常成熟的技術(shù)，可以一勞永逸地保證橋梁結(jié)構(gòu)安全、且可以在任何橋梁上“復(fù)制”的現(xiàn)成產(chǎn)品。然而，由于橋梁是結(jié)構(gòu)工程界公認(rèn)最為復(fù)雜的一類工程結(jié)構(gòu)，而橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測、故障診斷具有高度學(xué)科交叉的特點(diǎn)，這決定了這項(xiàng)起步不久的新興技術(shù)必然存在大量需要深入研究的科學(xué)問題， 其中結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息本身的可靠性，即原始數(shù)據(jù)失真即是其中一個(gè)極為重要、但又處于學(xué)科交叉薄弱點(diǎn)上、直接影響故障診斷結(jié)果的關(guān)鍵核心問題。在傳統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)安全荷載實(shí)驗(yàn)中，為了監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)安全而安裝的測試儀器設(shè)備基本屬于“一次性”使用，測試系統(tǒng)規(guī)模不大，不復(fù)雜，數(shù)據(jù)失真問題表現(xiàn)不是很嚴(yán)重和突出。但是，這些儀器設(shè)備只是為了滿足短時(shí)間監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)安全的需要，從儀器設(shè)備的可靠性、耐久性，以及安裝工藝上都沒有過高考慮，不能滿足長期的、實(shí)時(shí)監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)安全的需要。橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)及系統(tǒng)正是為了滿足這種需要而產(chǎn)生的，系統(tǒng)規(guī)模、復(fù)雜性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)安全荷載實(shí)驗(yàn)單一的監(jiān)測設(shè)備，其數(shù)據(jù)失真問題表現(xiàn)尤為突出。首先，在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的信息獲取環(huán)節(jié)，前端的信息獲取環(huán)節(jié)是由多種類型的傳感器以及相關(guān)儀器設(shè)備組成的硬件系統(tǒng)為主，因此它們的正常使用壽命與一般常規(guī)電子儀器一樣只有幾年；而在橋梁惡劣的野外環(huán)境(頻繁振動(dòng)、交變受力，高塵、高濕、高低溫變化、高腐蝕性環(huán)境等)下，它們會(huì)受到各種外界干擾、并還會(huì)大大加劇性能衰退。其次，傳感器系統(tǒng)采集的信息在傳輸?shù)桨踩u價(jià)過程中，外部噪聲干擾和信道白噪聲也會(huì)使得數(shù)據(jù)在傳輸過程中產(chǎn)生失真。此外，在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的安全評價(jià)環(huán)節(jié)，原則上沒有導(dǎo)致數(shù)據(jù)產(chǎn)生失真和變異的可能，但是，一些不可預(yù)知的因素，如在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過程中數(shù)據(jù)誤操作、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)故障、或計(jì)算機(jī)病毒影響等因素，也有可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真。橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)失真問題，大多是由信息獲取環(huán)節(jié)的硬件設(shè)備造成的。據(jù)美國“智能維護(hù)系統(tǒng)中心”研究表明，一般系統(tǒng) 40以上的故障警報(bào)皆是由于傳感器系統(tǒng)自身的故障而產(chǎn)生的誤報(bào)警。要用這些只有短短幾年使用壽命的儀器設(shè)備去監(jiān)測具有數(shù)十、上百年服役年限的橋梁，兩者之間就存在巨大的壽命差距，一旦監(jiān)測儀器設(shè)備出現(xiàn)故障或失效，它將無法保證為后續(xù)的安全評價(jià)提供客觀、正確、無誤的原始信息，從而會(huì)對橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的最終評價(jià)結(jié)果產(chǎn)生嚴(yán)重影響，導(dǎo)致對橋梁結(jié)構(gòu)事故預(yù)兆的漏報(bào)或誤報(bào)、甚至使整個(gè)系統(tǒng)失去作用。因此，硬件監(jiān)測儀器設(shè)備自身的可靠性及使用壽命問題，導(dǎo)致了橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)一系列的數(shù)據(jù)失真與變異問題。數(shù)據(jù)失真問題也不僅僅在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的硬件監(jiān)測儀器設(shè)備中表現(xiàn)的突出，在其他所有的故障診斷系統(tǒng)中都存在，是所有故障診斷系統(tǒng)的共性問題。因此，解決傳感器系統(tǒng)產(chǎn)生的原始信息失真問題，是橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)以及其他故障診斷系統(tǒng)共同面臨的重大科學(xué)技術(shù)問題。3.2 數(shù)據(jù)失真的特點(diǎn)數(shù)據(jù)失真問題貫穿了橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)所有環(huán)節(jié)，表現(xiàn)形式千差萬別，其特點(diǎn)如下： 數(shù)據(jù)失真的普遍性數(shù)據(jù)失真現(xiàn)象在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)所有環(huán)節(jié)，所有的軟件、硬件上都可能產(chǎn)生，包括硬件的每一個(gè)傳感器、每一個(gè)電子器件，以及軟件上的每一個(gè)軟件模塊、每一條指令等，是所有智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的共性問題。 數(shù)據(jù)失真表現(xiàn)的多樣性數(shù)據(jù)失真的表現(xiàn)形式呈現(xiàn)多種多樣的特點(diǎn)，可以從多個(gè)角度來劃分，如從數(shù)據(jù)失真源來分，可以為傳感器故障、軟件故障、外部干擾；從數(shù)據(jù)失真產(chǎn)生的環(huán)節(jié)，可以分為信息獲取環(huán)節(jié)、安全評價(jià)環(huán)節(jié)；從數(shù)據(jù)失真表現(xiàn)特征上，可以分為單點(diǎn)失真數(shù)據(jù)和連續(xù)數(shù)據(jù)段失真，等。單點(diǎn)數(shù)據(jù)還可以從數(shù)據(jù)失真表現(xiàn)特征上分為粗大值、微小異常兩種類型。連續(xù)失真數(shù)據(jù)段大多是由于傳感器故障產(chǎn)生，可以從數(shù)據(jù)失真來源上分為由于傳感器漂移、精度下降、完全損壞，以及其他因素引起的數(shù)據(jù)失真。 數(shù)據(jù)失真表現(xiàn)的復(fù)雜性數(shù)據(jù)失真的多樣性說明了橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的復(fù)雜性，包括數(shù)據(jù)失真識別復(fù)雜，數(shù)據(jù)失真恢復(fù)復(fù)雜，數(shù)據(jù)失真源的確定復(fù)雜，以及數(shù)據(jù)失真維護(hù)策略的復(fù)雜。數(shù)據(jù)失真復(fù)雜性正是由于橋梁是一個(gè)復(fù)雜的、巨大的結(jié)構(gòu)，對其監(jiān)測的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)也是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。3.3 數(shù)據(jù)失真問題研究的國內(nèi)外現(xiàn)狀橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的復(fù)雜性，使得其數(shù)據(jù)失真問題也絕不是一個(gè)簡單的問題，它所涉及的技術(shù)基礎(chǔ)跨越了不同專業(yè)領(lǐng)域，單純依賴某一專業(yè)的人員、單從某一個(gè)方面入手、單用某一種處理方法，都是難以達(dá)到目的的。然而，由于目前從事橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)研究的主力基本上都是結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的學(xué)者，因此他們主要從力學(xué)的角度出發(fā)開展橋梁結(jié)構(gòu)的損傷識別與故障診斷方法的研究，因而對系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)失真與變異問題普遍缺乏足夠的認(rèn)識；而少數(shù)涉足橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測、故障診斷及預(yù)警技術(shù)研究的信息學(xué)科的學(xué)者，則一般都是單純從傳感器與測量技術(shù)的角度出發(fā)研究及其可靠性問題，基本沒有從狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的整體出發(fā)去探討數(shù)據(jù)的失真與變異問題；因此橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)失真與變異這樣一個(gè)重大共性關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題，還處于原始的起步階段。所以，在現(xiàn)在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)及系統(tǒng)研究領(lǐng)域，目前的針對數(shù)據(jù)失真問題的所作的工作只是“頭痛醫(yī)頭，腳痛醫(yī)腳”。 信息獲取環(huán)節(jié)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的信息獲取環(huán)節(jié)，主要工作是利用各種類型的傳感器系統(tǒng)獲得橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息，其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)失真，幾乎占到系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)失真90%以上。從事該領(lǐng)域的研究人員主要是來自儀器儀表、自動(dòng)化、數(shù)據(jù)通信、計(jì)算機(jī)等背景的專家，在信息獲取環(huán)節(jié)已經(jīng)做了一些提高數(shù)據(jù)可靠性的工作。為了滿足橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的需要，正確、無誤地獲取橋梁的各種結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息，該環(huán)節(jié)的主要研究人員針對橋梁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，發(fā)展了各式各樣的應(yīng)變、位移、變形、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、溫度等傳感器，以提高獲取的橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的精度和準(zhǔn)確度。這是從信息獲取環(huán)節(jié)的硬件方面入手，來大幅度提高傳感器的可靠性、環(huán)境適應(yīng)性、使用壽命，也是解決傳感器系統(tǒng)的自身故障引起數(shù)據(jù)失真的根本途徑，是目前人們追求的目標(biāo)，但是要將傳感器系統(tǒng)的壽命從幾年提高到幾十年，這將是一個(gè)十分漫長的過程。除此之外，傳統(tǒng)上的增加系統(tǒng)的硬軟件冗余度也是最常規(guī)的一種方法提高系統(tǒng)可靠性的方法，但它會(huì)大幅度增加系統(tǒng)的復(fù)雜性以及成本，因此難以被橋梁界接受。而采用濾波等常規(guī)信號處理方法，對原始信號進(jìn)行預(yù)處理顯然是一個(gè)相對有效的低成本的方法。信息學(xué)科的研究人員嘗試從信息獲取環(huán)節(jié)的軟件方面入手，利用信號處理的方法，研究其特定的失真信息特征及其識別、濾波、剔除的方法，試圖通過對信號的預(yù)處理，來盡量降低輸出狀態(tài)信息的失真、提高可靠性。然而，傳感器輸出的橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息中，傳感器失效的引起的失真信息、結(jié)構(gòu)故障產(chǎn)生的失常信息、外界干擾引起的異常信息是混雜在一起。一般的信號處理方法很可能將結(jié)構(gòu)故障產(chǎn)生的失常信息從數(shù)據(jù)剔除掉。所以，信息獲取環(huán)節(jié)的傳感器系統(tǒng)部分，也就是信息采集單元在提高數(shù)據(jù)可靠性方面，是很難到達(dá)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的要求。但是，在信息環(huán)節(jié)的信息傳輸單元，通常是利用橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)造的內(nèi)部局域網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，如以太網(wǎng)、NOVEL 網(wǎng)等。其數(shù)據(jù)的可靠性是通過數(shù)據(jù)通信中的差錯(cuò)控制技術(shù)來保證，主要基于 TCP/IP 協(xié)議或其他相關(guān)的成熟通信協(xié)議來完成的，如自動(dòng)重新發(fā)送(ARQ)技術(shù)等來保證數(shù)據(jù)在傳輸?shù)耐ㄐ判诺乐械目煽啃?，可以很好地解決信息傳輸單元的數(shù)據(jù)失真問題。 安全評價(jià)環(huán)節(jié)安全評價(jià)環(huán)節(jié)是橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，將直接決定橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)最終評價(jià)結(jié)果。不論信息獲取環(huán)節(jié)傳感器的故障，還是數(shù)據(jù)傳輸信道噪聲，外部環(huán)境干擾等因素，所有的失真的數(shù)據(jù)都將最后匯聚到安全評價(jià)環(huán)節(jié)。此時(shí)的失真數(shù)據(jù)，不僅僅是某個(gè)環(huán)節(jié)單一因素引起的，也可能是前面部分或全部因素的疊加，很難簡單地將失真的信息和其橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息區(qū)分開。橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的安全評價(jià)環(huán)節(jié)的研究人員主要以結(jié)構(gòu)工程為主力，其中的絕大多數(shù)研究人員想當(dāng)然地認(rèn)為，系統(tǒng)獲取的全部是真實(shí)、有效、無失真的原始數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)的變異全部是由橋梁結(jié)構(gòu)引起的。所以，但因?yàn)閷I(yè)背景的限制，結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的技術(shù)人員只是從力學(xué)與結(jié)構(gòu)角度出發(fā)考慮問題、而信息學(xué)科的技術(shù)人員則只是從傳感器與儀器系統(tǒng)的角度出發(fā)考慮問題，根本不能解決這樣一個(gè)跨學(xué)科的大問題。更為嚴(yán)重的是，橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的研究人員界普遍還沒有認(rèn)識到這個(gè)問題的嚴(yán)重性；特別是以結(jié)構(gòu)工程為主力的絕大多數(shù)研究人員想當(dāng)然地認(rèn)為，系統(tǒng)獲取的全部是真實(shí)、有效、無失真的原始數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)的變異全部是由橋梁結(jié)構(gòu)引起的。這種認(rèn)識導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的損傷識別與故障診斷技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)陷入了一個(gè)“數(shù)據(jù)災(zāi)難”的困境，如投資數(shù)千萬港幣、建于 90 年代中期的香港某大橋狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，雖然采用了當(dāng)時(shí)全球最為先進(jìn)的硬件系統(tǒng)，但仍然存在各種硬件引起的原始數(shù)據(jù)大幅波動(dòng)、相當(dāng)比例的異常波動(dòng)程度都超過了結(jié)構(gòu)損傷的數(shù)據(jù)變化，使得絕大多數(shù)損傷識別與故障診斷的算法與軟件都頻頻誤報(bào)警、產(chǎn)生出“數(shù)據(jù)災(zāi)難”的新問題，該大橋不得不每年花巨資吸引全球結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的人才、進(jìn)行結(jié)構(gòu)辨識與處理算法研究，但由于始終沒有考慮數(shù)據(jù)失真與變異問題的影響，故十余年的努力沒有取得實(shí)質(zhì)性突破，即使在近期對該橋的硬件系統(tǒng)進(jìn)行了大幅度更新?lián)Q代后，這個(gè)“數(shù)據(jù)災(zāi)難”問題依然在困擾該橋及全球的相關(guān)研究人員。4 基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的橋梁安全性能評價(jià)體系研究的國內(nèi)外現(xiàn)狀對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測最終是要實(shí)現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的評估。建立完善的、性能穩(wěn)定可靠的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)只是提供了一種獲取反映橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)特征即損傷特征信息的數(shù)據(jù)采集和分析的手段，更重要的是要根據(jù)所獲取的損傷特征數(shù)據(jù)經(jīng)過統(tǒng)計(jì)、對比、分析和診斷揭示橋梁結(jié)構(gòu)整體性能的退化規(guī)律分析和評估橋梁結(jié)構(gòu)累積損傷的程度和危害，預(yù)測損傷的發(fā)展趨勢，為橋梁管理部門及時(shí)提供狀態(tài)信息為橋梁結(jié)構(gòu)的維修養(yǎng)護(hù)和管理提供科學(xué)依據(jù)。解增銀（2007年）以石板坡大橋?yàn)楣こ瘫尘埃攸c(diǎn)進(jìn)行了其健康監(jiān)測中的數(shù)據(jù)處理和安全狀態(tài)評估。完成的主要工作為： 監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)處理。利用各采集時(shí)段內(nèi)得到的大量監(jiān)測數(shù)據(jù)，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析得到具有一定可靠度的統(tǒng)計(jì)值，并作為該時(shí)段大橋監(jiān)測的實(shí)測值，用于橋梁的安全評估； 整體安全狀態(tài)評估。根據(jù)變權(quán)層次分析法，利用溫度修正后的應(yīng)變數(shù)據(jù)和撓度數(shù)據(jù)實(shí)測值分別進(jìn)行基于承載力性能和基于正常使用性能的安全評估； 根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，建立鋼混接頭的三維有限元模型，并確定典型的計(jì)算工況，對鋼混接頭進(jìn)行靜力分析，得到各工況下的靜力響應(yīng)和鋼混接頭相對位移分布特點(diǎn)，根據(jù)分析結(jié)果和實(shí)測數(shù)據(jù)情況，確定鋼混接頭的報(bào)警閾值； 鋼混接頭的局部安全評估。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)處理方案，對鋼混接頭的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并根據(jù)閾值對比法原理，利用鋼混接頭數(shù)據(jù)的實(shí)測值進(jìn)行局部安全評估。胡順仁（2007年）將數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域的差錯(cuò)控制思想引入橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，從系統(tǒng)高度建立橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的差錯(cuò)控制理論，有望全面解決系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)失真問題，提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可靠性；結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘和信號與系統(tǒng)理論建立的關(guān)聯(lián)度模型，為后續(xù)差錯(cuò)控制分析奠定了基礎(chǔ)；針對橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)安全環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)失真特點(diǎn)，提出的基于數(shù)據(jù)變化率、主成分分析、關(guān)聯(lián)度模型、RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、數(shù)據(jù)趨勢曲線等方法，有效地解決了安全環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)失真識別和恢復(fù)問題，并在實(shí)橋的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中取得了較為成功的實(shí)踐效果。劉綱（2010年）利用橋梁恒載在總荷載中占較大比例，對橋梁結(jié)構(gòu)損傷反應(yīng)相對敏感的特點(diǎn)，提出從長期靜態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)中提取恒載效應(yīng)進(jìn)行大型橋梁安全狀態(tài)評估的方法，分別從結(jié)構(gòu)恒載效應(yīng)信息的提取、反演損傷識別方法和靜態(tài)測點(diǎn)優(yōu)化布設(shè)方法三個(gè)方面進(jìn)行系統(tǒng)研究，探索大型橋梁健康監(jiān)測和長期安全狀態(tài)評估新的理論和方法。韓雪（2011年）提出了通過建設(shè)期預(yù)埋傳感器進(jìn)行監(jiān)測，并在運(yùn)營期通過表貼傳感器與預(yù)埋傳感器共同工作來保證信息傳遞連續(xù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)長期健康監(jiān)測的工作模式。深入分析了監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差產(chǎn)生的原因、數(shù)據(jù)可靠性保證措施，及數(shù)據(jù)預(yù)處理判別、修復(fù)方法，并進(jìn)行了初步應(yīng)用；提出通過分析建設(shè)運(yùn)營期不同布置方式獲得的預(yù)埋表貼監(jiān)測數(shù)據(jù)相關(guān)性關(guān)系，建立相應(yīng)函數(shù)實(shí)現(xiàn)長期實(shí)時(shí)評估橋梁可靠性的方法；在統(tǒng)計(jì)假設(shè)檢驗(yàn)理論的基礎(chǔ)上，基于橋梁監(jiān)測信息的活載效應(yīng)最大值分布及其動(dòng)態(tài)擬合技術(shù)，獲取橋梁的荷載效應(yīng)，并在收集結(jié)構(gòu)抗力方面研究資料基礎(chǔ)上，研究了影響橋梁抗力衰減的各個(gè)因素的相關(guān)概率模型和統(tǒng)計(jì)參數(shù)，建立實(shí)質(zhì)的橋梁結(jié)構(gòu)抗力衰減模型；最后，通過抗力及荷載效應(yīng)時(shí)變模式建立基于監(jiān)測信息的結(jié)構(gòu)功能函數(shù)，并實(shí)現(xiàn)全橋的可靠性評估。邢丹丹等人（2012年）針對小波分析方法在橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)中面臨的小波基函數(shù)合理選擇問題，采用一周期性仿真信號作為算例，考察了在其他研究領(lǐng)域內(nèi)廣泛用來進(jìn)行信號去噪的Haar、Db、Sym、Coif、Bior、Rbio、Dmey 等 7 種小波基函數(shù)，選取出去噪效果最顯著的 Bb8 小波基函數(shù)。依托已建立的江陰大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)，對具有明顯周期性的塔頂 GPS 的豎向數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與采用低通濾波進(jìn)行去噪的結(jié)果進(jìn)行比較分析。結(jié)果表明： 由于小波方法采用了比低通濾波方法更為細(xì)致的處理方法，其去噪效果比低通濾波方法更有效，從而可為橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析處理創(chuàng)造有利條件。劉建等人（2012年）針對橋梁結(jié)構(gòu)長期健康監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測信息的海量數(shù)據(jù)中由于儀器設(shè)備失效或環(huán)境干擾而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)失真問題，結(jié)合數(shù)據(jù)變化率和聚類變化等數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法，提出基于數(shù)據(jù)變化率的識別算法。該方法主要是對比數(shù)據(jù)之間的結(jié)構(gòu)特性，首先建立相應(yīng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的結(jié)構(gòu)特性數(shù)據(jù)庫，然后訓(xùn)練出該類型參數(shù)的安全系數(shù)以及變化率閾值，并通過數(shù)據(jù)庫的不斷更新和擴(kuò)大來提高安全系數(shù)和閾值的精確性，最后通過驗(yàn)算實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的變化率是否超過對應(yīng)的樣本閾值來判別該數(shù)據(jù)是否失真。通過對佛山平勝大橋長期健康監(jiān)系統(tǒng)采集的主塔偏位和環(huán)境溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行失真識別驗(yàn)證，表明了該算法在實(shí)際工程中運(yùn)行的有效性和可靠性。結(jié)論基于健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的橋梁安全性能評價(jià)體系雖然得到了廣泛的應(yīng)用，但是還存在一些問題，其中海量數(shù)據(jù)的處理一直是擺在橋梁管理者和橋梁專家面前懸而未解或沒有很好解決的課題。國內(nèi)上百座的大型橋梁都安裝了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，但由于缺乏必要的數(shù)據(jù)甄別，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)泛濫、重要數(shù)據(jù)被淹沒或預(yù)警系統(tǒng)難以達(dá)到要求甚至出現(xiàn)錯(cuò)誤等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行和使用。對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測最終是要實(shí)現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的評估。建立完善的、性能穩(wěn)定可靠的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)只是提供了一種獲取反映橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)特征即損傷特征信息的數(shù)據(jù)采集和分析的手段，更重要的是要根據(jù)所獲取的損傷特征數(shù)據(jù)經(jīng)過統(tǒng)計(jì)、對比、分析和診斷揭示橋梁結(jié)構(gòu)整體性能的退化規(guī)律分析和評估橋梁結(jié)構(gòu)累積損傷的程度和危害，預(yù)測損傷的發(fā)展趨勢，為橋梁管理部門及時(shí)提供狀態(tài)信息為橋梁結(jié)構(gòu)的維修養(yǎng)護(hù)和管理提供科學(xué)依據(jù)。致謝論文指導(dǎo)老師在我完成論文期間經(jīng)常給我提供一些指導(dǎo)性的意見，在此對老師的付出表示衷心的感謝！轉(zhuǎn)眼間就到了畢業(yè)的時(shí)候，在平時(shí)及論文創(chuàng)作過程中，無論是學(xué)習(xí)還是生活，我的同學(xué)都給了我很多幫助，在此向他們表示深深的感謝之情。同時(shí)感謝我的家人，是他們的無私付出、理解才使得我能夠全身心的投入學(xué)習(xí)。參考文獻(xiàn)1 Shahawy M A，Arockiasamy M. Field Instrumentation to Study the Time-Dependent Beh