希爾伯特黃變換（HHT）：開啟結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測新時代一、引言1.1研究背景與意義隨著現(xiàn)代社會的快速發(fā)展，各類大型復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)如高層建筑、大型橋梁、水利大壩、海洋平臺等大量涌現(xiàn)。這些結(jié)構(gòu)在國民經(jīng)濟和社會生活中扮演著舉足輕重的角色，其安全性與可靠性直接關(guān)系到人民生命財產(chǎn)安全以及社會的穩(wěn)定與發(fā)展。然而，在長期服役過程中，工程結(jié)構(gòu)會受到各種復(fù)雜因素的作用，如荷載的長期作用、環(huán)境侵蝕、材料老化、疲勞效應(yīng)等，這些因素可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能逐漸劣化，甚至發(fā)生嚴(yán)重的安全事故。例如，2018年意大利熱那亞莫蘭迪大橋突然坍塌，造成了數(shù)十人死亡，經(jīng)濟損失巨大；2021年美國佛羅里達(dá)州一棟公寓樓發(fā)生局部坍塌，也造成了重大人員傷亡和財產(chǎn)損失。這些慘痛的事故警示我們，確保工程結(jié)構(gòu)的安全健康至關(guān)重要。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)監(jiān)測方法主要依賴于人工巡檢和簡單的儀器測量，這種方式不僅效率低下、耗費大量人力物力，而且存在檢測不全面、主觀性強、難以實時監(jiān)測等問題，容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷的漏檢或誤判。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)應(yīng)運而生，它通過在結(jié)構(gòu)上布置各類傳感器，實時采集結(jié)構(gòu)的響應(yīng)數(shù)據(jù)，并運用先進的信號處理和數(shù)據(jù)分析方法，對結(jié)構(gòu)的健康狀況進行評估和診斷，能夠及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)潛在的安全隱患，為結(jié)構(gòu)的維護、維修和管理提供科學(xué)依據(jù)，從而有效保障結(jié)構(gòu)的安全運行，降低維護成本，延長結(jié)構(gòu)使用壽命。因此，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)已成為土木工程領(lǐng)域的研究熱點和重要發(fā)展方向。在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中，準(zhǔn)確有效的信號處理和特征提取方法是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)狀態(tài)準(zhǔn)確評估和損傷診斷的關(guān)鍵。HHT（Hilbert-HuangTransform）作為一種新穎的非平穩(wěn)信號分析方法，自1998年由美籍華人N.E.Huang等人提出以來，因其獨特的優(yōu)勢在眾多領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注和應(yīng)用。HHT能夠有效地處理復(fù)雜的非線性、非平穩(wěn)信號，它不需要預(yù)先設(shè)定基函數(shù)，而是基于信號的局部特征尺度進行自適應(yīng)分解，將復(fù)雜信號分解為一系列固有模態(tài)函數(shù)（IntrinsicModeFunction，IMF），這些IMF能夠準(zhǔn)確地反映信號的局部特征和內(nèi)在物理機制。通過對IMF進行Hilbert變換，可以得到信號的瞬時頻率、瞬時振幅和瞬時相位等信息，從而獲得信號完整的時頻分布，為信號的分析和處理提供了更豐富、更準(zhǔn)確的信息。與傳統(tǒng)的傅里葉變換、小波變換等信號處理方法相比，HHT在處理非線性、非平穩(wěn)信號時具有更高的時頻分辨率和更好的適應(yīng)性，能夠更準(zhǔn)確地揭示信號的本質(zhì)特征。在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域，HHT技術(shù)展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力和優(yōu)勢。它可以對結(jié)構(gòu)在環(huán)境激勵或荷載作用下產(chǎn)生的振動響應(yīng)信號進行分析，提取出反映結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的特征參數(shù)，從而實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的故障診斷、損傷檢測、運動狀態(tài)分析等。例如，在結(jié)構(gòu)故障診斷方面，通過分析結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號的時頻特性，能夠及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)由于風(fēng)振、地震等因素引起的異常振動，判斷結(jié)構(gòu)是否存在故障以及故障的類型和程度；在結(jié)構(gòu)損傷檢測中，HHT能夠準(zhǔn)確捕捉到結(jié)構(gòu)損傷發(fā)生時信號特征的變化，實現(xiàn)對損傷位置和損傷程度的精確定位和評估；在結(jié)構(gòu)運動狀態(tài)分析中，利用HHT得到的結(jié)構(gòu)主要振動模態(tài)信息，可以評估結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能，了解結(jié)構(gòu)在不同工況下的運動狀態(tài)。綜上所述，本研究旨在深入探究HHT技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用，通過對HHT技術(shù)的原理、算法及其在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用方法進行系統(tǒng)研究，結(jié)合實際工程案例驗證其有效性和可靠性，為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測提供一種更加高效、準(zhǔn)確的技術(shù)手段，對于提高工程結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀自HHT提出以來，國內(nèi)外眾多學(xué)者對其在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用展開了廣泛而深入的研究。在國外，許多研究致力于將HHT技術(shù)應(yīng)用于各類結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測。例如，美國的一些研究團隊利用HHT對大型橋梁在風(fēng)荷載、交通荷載等作用下的振動響應(yīng)信號進行分析，通過提取IMF分量的特征參數(shù)，成功識別出橋梁結(jié)構(gòu)在不同工況下的振動模態(tài)變化，實現(xiàn)了對橋梁局部損傷和整體性能劣化的有效監(jiān)測。在航空航天領(lǐng)域，歐洲的研究人員運用HHT處理飛機結(jié)構(gòu)在飛行過程中的振動信號，通過對比正常狀態(tài)和故障狀態(tài)下信號的時頻特征，能夠準(zhǔn)確診斷出飛機發(fā)動機葉片的裂紋、松動等故障。日本的學(xué)者則將HHT應(yīng)用于高層建筑在地震作用下的響應(yīng)分析，通過分析結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)信號的HHT變換結(jié)果，評估高層建筑在地震中的損傷程度和抗震性能。國內(nèi)學(xué)者在HHT應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方面也取得了豐碩的成果。在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方面，眾多學(xué)者針對不同類型的橋梁，如斜拉橋、懸索橋、梁式橋等，開展了基于HHT的監(jiān)測研究。通過在橋梁關(guān)鍵部位布置傳感器，采集振動響應(yīng)信號，利用HHT對信號進行分解和分析，提取出反映橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的特征參數(shù)，如固有頻率、阻尼比等，并通過對比分析這些參數(shù)在不同時間或不同工況下的變化，實現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)損傷的檢測和定位。在建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域，研究人員將HHT與其他技術(shù)相結(jié)合，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機等，對建筑結(jié)構(gòu)在環(huán)境激勵或荷載作用下的振動響應(yīng)進行分析。通過建立結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測模型，利用HHT提取的特征參數(shù)作為模型輸入，實現(xiàn)對建筑結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的智能評估和預(yù)測。此外，在海洋平臺、水利大壩等領(lǐng)域，國內(nèi)學(xué)者也開展了基于HHT的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究，取得了一系列有價值的研究成果。然而，當(dāng)前HHT在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用研究仍存在一些不足之處。一方面，HHT中的經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（EMD）算法存在模態(tài)混疊問題，這會導(dǎo)致分解得到的IMF分量不能準(zhǔn)確反映信號的真實特征，從而影響后續(xù)的分析和診斷結(jié)果。盡管國內(nèi)外學(xué)者提出了多種改進方法，如集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（EEMD）、互補集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（CEEMD）等，但這些方法仍存在計算量大、分解精度不夠高等問題。另一方面，HHT在實際工程應(yīng)用中的適應(yīng)性和可靠性還有待進一步提高。由于實際工程結(jié)構(gòu)所處環(huán)境復(fù)雜多變，受到噪聲干擾、環(huán)境溫度濕度變化等因素的影響，HHT處理后的信號可能會出現(xiàn)誤差，從而影響結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的準(zhǔn)確性。此外，目前基于HHT的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)大多處于理論研究和實驗室驗證階段，在實際工程中的大規(guī)模應(yīng)用還面臨著系統(tǒng)集成、數(shù)據(jù)傳輸與處理、成本控制等諸多問題。1.3研究目標(biāo)與方法本研究旨在深入剖析HHT技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用，具體研究目標(biāo)如下：揭示HHT技術(shù)的核心原理與算法：系統(tǒng)地研究HHT技術(shù)中經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（EMD）算法的基本原理、實現(xiàn)步驟以及Hilbert變換在時頻分析中的作用機制，明確其在處理非線性、非平穩(wěn)信號時的優(yōu)勢和特性，為后續(xù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用奠定堅實的理論基礎(chǔ)。優(yōu)化HHT技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用方法：針對HHT技術(shù)在實際應(yīng)用中面臨的模態(tài)混疊、端點效應(yīng)以及受噪聲干擾等問題，深入研究并提出有效的改進策略和優(yōu)化方案，提高HHT技術(shù)處理結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號的準(zhǔn)確性和可靠性，增強其在復(fù)雜工程環(huán)境下的適應(yīng)性。建立基于HHT技術(shù)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測模型：結(jié)合結(jié)構(gòu)動力學(xué)原理和信號處理技術(shù)，利用HHT對結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)信號進行分析，提取能夠準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的特征參數(shù)，如固有頻率、阻尼比、模態(tài)振型等，并通過這些特征參數(shù)建立結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測模型，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的定量評估和損傷定位、損傷程度判斷。驗證基于HHT技術(shù)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的有效性和可靠性：通過數(shù)值模擬和實際工程案例驗證基于HHT技術(shù)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的性能，對比分析傳統(tǒng)監(jiān)測方法與基于HHT技術(shù)的監(jiān)測方法的監(jiān)測效果，評估HHT技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的優(yōu)勢和局限性，為該技術(shù)在實際工程中的推廣應(yīng)用提供有力的實踐依據(jù)。為實現(xiàn)上述研究目標(biāo)，本研究將綜合運用以下研究方法：理論分析：深入研究HHT技術(shù)的基本原理、數(shù)學(xué)模型以及在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用理論，分析其在處理結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號時的數(shù)學(xué)特性和物理意義。同時，結(jié)合結(jié)構(gòu)動力學(xué)、材料力學(xué)等相關(guān)學(xué)科知識，探討結(jié)構(gòu)損傷與響應(yīng)信號特征之間的內(nèi)在聯(lián)系，為后續(xù)的研究提供理論指導(dǎo)。數(shù)值模擬：利用有限元分析軟件（如ANSYS、ABAQUS等）建立各類結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，模擬結(jié)構(gòu)在不同工況下（如荷載作用、環(huán)境激勵、損傷狀態(tài)等）的響應(yīng)。通過數(shù)值模擬獲取結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)數(shù)據(jù)，并運用HHT技術(shù)對這些數(shù)據(jù)進行分析處理，研究HHT技術(shù)在不同模擬工況下對結(jié)構(gòu)狀態(tài)識別和損傷檢測的能力。數(shù)值模擬可以靈活地設(shè)置各種參數(shù)和工況，為研究提供大量的數(shù)據(jù)支持，有助于深入了解HHT技術(shù)的性能和應(yīng)用效果。實驗驗證：設(shè)計并開展結(jié)構(gòu)模型實驗和實際工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測實驗。在結(jié)構(gòu)模型實驗中，制作不同類型和損傷程度的結(jié)構(gòu)模型，在實驗室環(huán)境下對其進行加載測試，采集結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)信號，并利用HHT技術(shù)進行分析處理，驗證HHT技術(shù)在實驗室條件下對結(jié)構(gòu)損傷檢測和健康監(jiān)測的有效性。在實際工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測實驗中，選取典型的工程結(jié)構(gòu)（如橋梁、建筑等），在其關(guān)鍵部位布置傳感器，實時采集結(jié)構(gòu)的響應(yīng)數(shù)據(jù)，運用HHT技術(shù)進行現(xiàn)場監(jiān)測和分析，通過實際工程應(yīng)用進一步驗證HHT技術(shù)在復(fù)雜環(huán)境下的可靠性和實用性，同時也可以發(fā)現(xiàn)實際應(yīng)用中存在的問題并及時進行改進。對比分析：將基于HHT技術(shù)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法與傳統(tǒng)的監(jiān)測方法（如基于傅里葉變換、小波變換的方法等）進行對比分析。從信號處理效果、特征提取準(zhǔn)確性、結(jié)構(gòu)狀態(tài)識別精度、損傷檢測靈敏度等多個方面進行比較，評估HHT技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的優(yōu)勢和不足，為HHT技術(shù)的進一步改進和應(yīng)用提供參考依據(jù)，同時也為工程實踐中選擇合適的監(jiān)測方法提供指導(dǎo)。二、HHT技術(shù)原理與特點2.1HHT技術(shù)的起源與發(fā)展在信號處理領(lǐng)域，傳統(tǒng)的分析方法如傅里葉變換，自1807年由法國數(shù)學(xué)家傅里葉提出以來，長期占據(jù)著重要地位。傅里葉變換基于三角函數(shù)基展開，將信號從時域轉(zhuǎn)換到頻域，能夠有效地分析平穩(wěn)信號的頻率成分。然而，隨著科技的不斷進步，實際工程中的信號越來越復(fù)雜，許多信號呈現(xiàn)出非線性、非平穩(wěn)的特性，如機械振動信號、生物醫(yī)學(xué)信號、地震信號等。在面對這些復(fù)雜信號時，傅里葉變換的局限性逐漸凸顯，它假設(shè)信號是平穩(wěn)的，即信號的統(tǒng)計特性不隨時間變化，這使得傅里葉變換難以準(zhǔn)確地反映非平穩(wěn)信號在不同時刻的頻率變化情況。例如，在分析機械故障振動信號時，當(dāng)故障發(fā)生時，信號的頻率成分會發(fā)生突變，傅里葉變換無法精確捕捉到這些突變信息，導(dǎo)致對故障特征的提取不準(zhǔn)確。為了克服傅里葉變換的局限性，短時傅里葉變換應(yīng)運而生。短時傅里葉變換通過在時域上對信號加窗，將非平穩(wěn)信號劃分為多個局部平穩(wěn)的小段，然后對每個小段進行傅里葉變換，從而獲得信號在不同時間局部的頻率信息。雖然短時傅里葉變換在一定程度上改善了對非平穩(wěn)信號的分析能力，但它的時頻分辨率受到窗函數(shù)的限制。一旦窗函數(shù)的大小和形狀確定，時頻分辨率也就固定了，無法同時在時間和頻率上獲得高分辨率。在分析具有快速頻率變化的信號時，固定的窗函數(shù)可能無法準(zhǔn)確地捕捉到信號的瞬時頻率變化。小波變換的出現(xiàn)進一步推動了非平穩(wěn)信號處理技術(shù)的發(fā)展。小波變換采用具有時頻局部化特性的小波基函數(shù)對信號進行分解，通過改變小波基函數(shù)的尺度和位置，可以在不同的時間和頻率尺度上對信號進行分析，具有多分辨率分析的能力。與短時傅里葉變換相比，小波變換能夠更好地處理非平穩(wěn)信號，特別是對于突變信號具有較高的時頻分辨率。然而，小波變換的小波基函數(shù)需要預(yù)先選擇，不同的小波基函數(shù)對信號的分析結(jié)果可能會產(chǎn)生較大差異，而且小波變換對于復(fù)雜的非線性信號處理效果仍然不夠理想。1998年，美籍華人N.E.Huang等人提出了希爾伯特-黃變換（Hilbert-HuangTransform，HHT），為非線性、非平穩(wěn)信號的處理提供了一種全新的思路和方法。HHT的誕生源于對實際復(fù)雜信號處理的需求，尤其是在海洋學(xué)、地震學(xué)等領(lǐng)域，信號往往呈現(xiàn)出強烈的非線性和非平穩(wěn)特征，傳統(tǒng)的信號處理方法難以滿足分析要求。HHT主要由經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（EmpiricalModeDecomposition，EMD）和希爾伯特譜分析（HilbertSpectrumAnalysis）兩部分組成。EMD是HHT的核心，它通過對信號的局部特征尺度進行自適應(yīng)分解，將復(fù)雜的非線性、非平穩(wěn)信號分解為一系列固有模態(tài)函數(shù)（IntrinsicModeFunction，IMF）。這些IMF滿足一定的條件，能夠準(zhǔn)確地反映信號的局部特征和內(nèi)在物理機制。與傳統(tǒng)的信號分解方法不同，EMD不需要預(yù)先設(shè)定基函數(shù)，而是完全基于信號自身的特性進行分解，具有很強的自適應(yīng)性。在處理地震信號時，EMD能夠根據(jù)地震波的不同頻率成分和傳播特性，自適應(yīng)地將信號分解為多個IMF分量，每個IMF分量都對應(yīng)著地震信號的一個特定的物理過程。在得到IMF分量后，對每個IMF進行希爾伯特變換，從而得到信號的瞬時頻率、瞬時振幅和瞬時相位等信息，進而獲得信號完整的時頻分布，即希爾伯特譜。希爾伯特譜能夠清晰地展示信號在不同時刻的頻率和能量分布情況，為信號的分析和處理提供了豐富的信息。與傳統(tǒng)的時頻分析方法相比，HHT的希爾伯特譜具有更高的時頻分辨率，能夠更準(zhǔn)確地揭示信號的本質(zhì)特征。自HHT提出以來，迅速引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，并在眾多領(lǐng)域得到了應(yīng)用和發(fā)展。在機械故障診斷領(lǐng)域，研究人員利用HHT對機械設(shè)備的振動信號進行分析，能夠準(zhǔn)確地識別出設(shè)備的故障類型和故障位置。在生物醫(yī)學(xué)信號處理中，HHT被用于分析心電圖、腦電圖等信號，幫助醫(yī)生更準(zhǔn)確地診斷疾病。在地球物理學(xué)領(lǐng)域，HHT被應(yīng)用于地震信號分析、海洋波分析等，為地質(zhì)研究和海洋科學(xué)提供了有力的工具。隨著研究的不斷深入，HHT技術(shù)也在不斷改進和完善，針對EMD過程中存在的模態(tài)混疊、端點效應(yīng)等問題，學(xué)者們提出了多種改進方法，如集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（EEMD）、互補集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（CEEMD）等，這些改進方法在一定程度上提高了HHT的性能和可靠性。如今，HHT已經(jīng)成為信號處理領(lǐng)域中一種重要的分析方法，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、故障診斷、生物醫(yī)學(xué)工程、地球物理學(xué)、通信工程等眾多領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，并且隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用前景將更加廣闊。2.2HHT技術(shù)的核心原理2.2.1經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（EMD）經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（EMD）是HHT技術(shù)的核心環(huán)節(jié)，其作用是將復(fù)雜的非線性、非平穩(wěn)信號分解為一系列固有模態(tài)函數(shù)（IMF）。IMF是具有特定物理意義的分量，它代表了信號中不同時間尺度的振蕩模式，能夠準(zhǔn)確地反映信號的局部特征和內(nèi)在物理機制。EMD分解信號的過程是一個自適應(yīng)的“篩選”過程，其具體步驟如下：確定信號的極值點：對于給定的原始信號x(t)，首先找出其所有的局部極大值點和局部極小值點。這些極值點反映了信號在局部范圍內(nèi)的變化情況，是后續(xù)分析的基礎(chǔ)。擬合上下包絡(luò)線：利用三次樣條函數(shù)對所有極大值點進行插值，得到信號的上包絡(luò)線U(t)；同樣地，對所有極小值點進行插值，得到下包絡(luò)線L(t)。三次樣條函數(shù)能夠較好地擬合信號的局部變化趨勢，使得上下包絡(luò)線能夠準(zhǔn)確地反映信號的極值情況。計算包絡(luò)均值：計算上下包絡(luò)線的均值m_1(t)=\frac{U(t)+L(t)}{2}。均值包絡(luò)線m_1(t)代表了信號在該局部范圍內(nèi)的平均趨勢。提取IMF分量：將原始信號x(t)減去均值包絡(luò)線m_1(t)，得到一個新的信號h_1(t)=x(t)-m_1(t)。然后判斷h_1(t)是否滿足IMF的條件。如果h_1(t)滿足條件，則它就是第一個IMF分量，記為c_1(t)=h_1(t)；如果不滿足條件，則將h_1(t)作為新的原始信號，重復(fù)上述步驟1-3，直到得到滿足IMF條件的分量。這個過程通常需要進行多次迭代，每次迭代都會使信號逐漸向IMF的特征靠攏。分離IMF分量：從原始信號x(t)中減去第一個IMF分量c_1(t)，得到殘差信號r_1(t)=x(t)-c_1(t)。殘差信號r_1(t)包含了原始信號中除了第一個IMF分量之外的其他信息。然后將殘差信號r_1(t)作為新的原始信號，重復(fù)上述步驟1-4，依次提取出第二個IMF分量c_2(t)、第三個IMF分量c_3(t)，……，直到殘差信號r_n(t)成為一個單調(diào)函數(shù)或者只存在一個極點為止。此時，原始信號x(t)可以表示為x(t)=\sum_{i=1}^{n}c_i(t)+r_n(t)，其中c_i(t)為第i個IMF分量，r_n(t)為最終的殘差。IMF需滿足以下兩個條件：極值點與過零點條件：在整個時間序列中，IMF的局部極大值點和局部極小值點的數(shù)量必須相等或者最多相差一個。這意味著IMF在一個周期內(nèi)的變化是相對穩(wěn)定的，不會出現(xiàn)過多的波動。在分析機械振動信號時，如果IMF滿足這個條件，就說明它能夠準(zhǔn)確地反映出機械部件在一個振動周期內(nèi)的運動狀態(tài)。包絡(luò)均值條件：由局部極大值點和局部極小值點分別形成的上下包絡(luò)線的平均值在任意時刻都為零。這保證了IMF在時間軸上的局部對稱性，使得IMF能夠準(zhǔn)確地反映信號的局部特征。如果一個IMF不滿足這個條件，那么它所包含的信號特征就可能存在偏差，影響后續(xù)的分析結(jié)果。通過EMD分解得到的IMF分量按照頻率從高到低排列，高頻IMF分量反映了信號的細(xì)節(jié)信息和快速變化部分，低頻IMF分量則反映了信號的主要趨勢和緩慢變化部分。例如，在分析地震信號時，高頻IMF分量可以捕捉到地震波的高頻震蕩，這些震蕩可能與地震的短周期能量釋放有關(guān)；而低頻IMF分量則可以反映出地震波的主要傳播趨勢，幫助研究人員了解地震的整體特征。2.2.2希爾伯特變換（HT）在通過EMD將原始信號分解為一系列IMF分量后，需要對每個IMF分量進行希爾伯特變換（HT），以獲取信號的時頻分布信息。希爾伯特變換是一種將實值信號轉(zhuǎn)換為復(fù)值信號的數(shù)學(xué)變換，對于一個實信號x(t)，其希爾伯特變換定義為：y(t)=H[x(t)]=\frac{1}{\pi}\int_{-\infty}^{\infty}\frac{x(\tau)}{t-\tau}d\tau其中，P.V.表示柯西主值積分。通過希爾伯特變換，可以得到信號x(t)的解析信號z(t)：z(t)=x(t)+jy(t)=a(t)e^{j\theta(t)}其中，a(t)=\sqrt{x^2(t)+y^2(t)}為解析信號的幅值，即瞬時幅值，它反映了信號在每個時刻的能量大小；\theta(t)=\arctan(\frac{y(t)}{x(t)})為解析信號的相位，對相位求導(dǎo)可得瞬時頻率\omega(t)=\frac{d\theta(t)}{dt}，瞬時頻率表示信號在每個時刻的頻率變化情況。對每個IMF分量進行希爾伯特變換后，可以得到其瞬時頻率和瞬時幅值隨時間的變化關(guān)系，進而將所有IMF分量的時頻信息進行匯總，得到原始信號完整的時頻分布，即希爾伯特譜H(\omega,t)。希爾伯特譜能夠清晰地展示信號在不同時刻的頻率和能量分布情況，為信號的分析和處理提供了豐富的信息。在分析結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)信號時，通過希爾伯特譜可以直觀地觀察到結(jié)構(gòu)在不同時間點的振動頻率和能量變化，從而判斷結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)是否正常。如果在某個時刻出現(xiàn)了異常的頻率成分或能量分布，就可能意味著結(jié)構(gòu)發(fā)生了損傷或故障。希爾伯特變換在HHT中的作用主要體現(xiàn)在以下幾個方面：時頻分析：希爾伯特變換能夠?qū)⑿盘枏臅r域轉(zhuǎn)換到時頻域，使得我們可以同時觀察信號在時間和頻率上的變化特性。與傳統(tǒng)的傅里葉變換只能得到信號的全局頻率信息不同，希爾伯特變換得到的瞬時頻率和瞬時幅值能夠反映信號在每個時刻的局部頻率和能量特征，對于分析非線性、非平穩(wěn)信號具有重要意義。特征提?。和ㄟ^希爾伯特變換得到的瞬時頻率、瞬時幅值等信息可以作為信號的特征參數(shù)，用于信號的識別、分類和故障診斷等。在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中，可以利用這些特征參數(shù)來判斷結(jié)構(gòu)是否存在損傷以及損傷的位置和程度。例如，當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷時，其振動響應(yīng)信號的瞬時頻率和瞬時幅值會發(fā)生變化，通過監(jiān)測這些變化就可以實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)損傷的檢測。信號重構(gòu)：利用希爾伯特變換得到的解析信號，可以對原始信號進行重構(gòu)。在一些情況下，通過重構(gòu)信號可以去除噪聲干擾，恢復(fù)信號的真實特征，提高信號的質(zhì)量。在處理受到噪聲污染的結(jié)構(gòu)振動信號時，可以通過希爾伯特變換和信號重構(gòu)技術(shù)，提取出有用的信號成分，為后續(xù)的分析和診斷提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。2.3HHT技術(shù)的獨特特點HHT技術(shù)作為一種新型的信號處理方法，與傳統(tǒng)的信號處理技術(shù)相比，具有許多獨特的特點，使其在處理復(fù)雜信號時展現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢，這些特點也為其在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。自適應(yīng)性：HHT技術(shù)的核心——經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（EMD）是一種完全自適應(yīng)的信號分解方法。它不需要預(yù)先設(shè)定任何基函數(shù)，而是依據(jù)信號自身的時間尺度特征來進行分解。這使得HHT能夠根據(jù)信號的局部特性自動調(diào)整分解過程，將復(fù)雜信號分解為一系列固有模態(tài)函數(shù)（IMF），每個IMF都能準(zhǔn)確地反映信號在不同時間尺度上的固有振蕩模式。在處理結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)信號時，由于結(jié)構(gòu)在不同工況下的振動特性復(fù)雜多變，傳統(tǒng)的基于固定基函數(shù)的信號分解方法（如傅里葉變換基于三角函數(shù)基、小波變換需要預(yù)先選擇小波基）很難準(zhǔn)確地捕捉到信號的特征。而HHT的自適應(yīng)性能夠根據(jù)結(jié)構(gòu)振動信號的實際情況，自適應(yīng)地分解出不同頻率成分的IMF，從而更好地揭示結(jié)構(gòu)振動的內(nèi)在規(guī)律。即使結(jié)構(gòu)在受到突發(fā)荷載或環(huán)境變化等因素影響時，其振動信號發(fā)生突變，HHT也能迅速適應(yīng)這種變化，準(zhǔn)確地分解信號，為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測提供可靠的數(shù)據(jù)支持。多尺度分析能力：HHT技術(shù)能夠?qū)π盘栠M行多尺度分析，將信號分解為不同頻率尺度的IMF分量。從高頻到低頻的IMF分量依次反映了信號從細(xì)節(jié)到整體的特征。高頻IMF分量包含了信號的快速變化信息和局部細(xì)節(jié)特征，例如結(jié)構(gòu)在受到?jīng)_擊荷載時產(chǎn)生的高頻振動響應(yīng)就會體現(xiàn)在高頻IMF分量中；低頻IMF分量則反映了信號的緩慢變化趨勢和主要的能量分布，比如結(jié)構(gòu)在長期荷載作用下的整體變形趨勢可以從低頻IMF分量中得到體現(xiàn)。通過對不同尺度IMF分量的分析，可以全面地了解信號的特征，獲取豐富的結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息。在結(jié)構(gòu)損傷檢測中，通過分析不同尺度IMF分量的變化情況，可以判斷結(jié)構(gòu)損傷的位置和程度。當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生局部損傷時，損傷部位的高頻振動特性會發(fā)生改變，相應(yīng)的高頻IMF分量也會出現(xiàn)明顯變化；而當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)整體性能劣化時，低頻IMF分量會反映出結(jié)構(gòu)整體剛度、阻尼等參數(shù)的變化。時頻局部化特性：HHT技術(shù)通過希爾伯特變換，能夠得到信號的瞬時頻率和瞬時幅值，從而實現(xiàn)信號的時頻局部化分析。與傳統(tǒng)的傅里葉變換只能得到信號的全局頻率信息不同，HHT的時頻局部化特性可以清晰地展示信號在每個時刻的頻率和能量分布情況。在分析結(jié)構(gòu)振動信號時，時頻局部化特性能夠準(zhǔn)確地捕捉到結(jié)構(gòu)振動頻率隨時間的變化，以及在不同頻率下能量的分布情況。當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生共振現(xiàn)象時，HHT可以通過時頻局部化分析，準(zhǔn)確地確定共振發(fā)生的時刻和共振頻率，以及共振過程中能量的變化情況。這對于評估結(jié)構(gòu)在共振情況下的安全性和穩(wěn)定性具有重要意義。在處理包含多個頻率成分的結(jié)構(gòu)振動信號時，時頻局部化特性可以將不同頻率成分在時間軸上的分布清晰地展現(xiàn)出來，便于分析不同頻率成分對結(jié)構(gòu)狀態(tài)的影響。不受測不準(zhǔn)原理制約：傳統(tǒng)的傅里葉變換、短時傅里葉變換和小波變換都受到Heisenberg測不準(zhǔn)原理的制約，即時間分辨率和頻率分辨率不能同時達(dá)到最優(yōu)。而HHT技術(shù)不受這一限制，它可以在時間和頻率兩個維度上同時達(dá)到較高的分辨率。這使得HHT在分析突變信號時具有獨特的優(yōu)勢。在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中，當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生突發(fā)損傷或受到瞬時沖擊荷載時，信號會出現(xiàn)突變，傳統(tǒng)的信號處理方法很難同時準(zhǔn)確地捕捉到突變信號在時間和頻率上的特征。而HHT由于不受測不準(zhǔn)原理制約，能夠在時間和頻率上同時精確地分析突變信號，準(zhǔn)確地識別出結(jié)構(gòu)狀態(tài)的突然變化，及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的安全隱患。三、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測概述3.1結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的重要性在現(xiàn)代社會，各類工程結(jié)構(gòu)如高聳的摩天大樓、橫跨江河湖海的大型橋梁、承載著巨大水量的水利大壩以及矗立在茫茫大海中的海洋平臺等，構(gòu)成了支撐社會經(jīng)濟發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施。這些結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定運行對于社會和經(jīng)濟的平穩(wěn)發(fā)展具有不可估量的意義。從社會層面來看，工程結(jié)構(gòu)的安全直接關(guān)系到人民的生命財產(chǎn)安全和社會的穩(wěn)定。一旦結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重的安全事故，如建筑的坍塌、橋梁的垮塌等，往往會造成大量人員傷亡和財產(chǎn)損失，引發(fā)社會的恐慌和不安。2018年泰國曼谷拉瑪八世大橋在修復(fù)過程中發(fā)生坍塌，導(dǎo)致多人死亡和受傷，周邊交通陷入癱瘓，給當(dāng)?shù)鼐用竦纳詈蜕鐣刃驇砹藰O大的影響。這類事故不僅給受害者及其家庭帶來了巨大的痛苦，也對整個社會的穩(wěn)定和和諧造成了沖擊。因此，通過結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的安全隱患，采取有效的措施進行預(yù)防和修復(fù)，能夠保障人民的生命安全，維護社會的穩(wěn)定。在經(jīng)濟方面，保障工程結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定運行對經(jīng)濟發(fā)展至關(guān)重要。一方面，工程結(jié)構(gòu)是經(jīng)濟活動的重要載體，如工廠廠房、商業(yè)建筑、物流中心等，它們的正常運行是各類生產(chǎn)和商業(yè)活動得以順利開展的基礎(chǔ)。如果結(jié)構(gòu)出現(xiàn)故障或損壞，導(dǎo)致生產(chǎn)中斷或商業(yè)活動受阻，將會給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟損失，甚至影響整個產(chǎn)業(yè)鏈的正常運轉(zhuǎn)。一座大型工廠的建筑結(jié)構(gòu)因年久失修發(fā)生安全問題，需要停產(chǎn)進行維修，這期間不僅企業(yè)的生產(chǎn)收入中斷，還需要投入大量的維修資金，同時可能導(dǎo)致上下游企業(yè)的原材料供應(yīng)不足或產(chǎn)品銷售受阻，造成整個產(chǎn)業(yè)鏈的經(jīng)濟損失。另一方面，及時對結(jié)構(gòu)進行維護和修復(fù)，能夠延長結(jié)構(gòu)的使用壽命，降低結(jié)構(gòu)的更換和重建成本。通過結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，提前發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的潛在問題，采取針對性的維護措施，可以避免小問題演變成大故障，從而減少結(jié)構(gòu)的維修和更換頻率，節(jié)約大量的經(jīng)濟資源。對于一座使用壽命長達(dá)幾十年的大型橋梁，如果通過健康監(jiān)測及時發(fā)現(xiàn)并修復(fù)橋梁的局部損傷，就可以避免因結(jié)構(gòu)整體性能惡化而需要進行大規(guī)模的重建，這將節(jié)省巨額的建設(shè)資金。此外，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測對于保障國家基礎(chǔ)設(shè)施的安全，提升國家的綜合競爭力也具有重要意義。在全球化的背景下，國家之間的競爭不僅體現(xiàn)在經(jīng)濟和科技領(lǐng)域，還體現(xiàn)在基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和維護水平上。良好的基礎(chǔ)設(shè)施能夠吸引更多的投資和人才，促進經(jīng)濟的發(fā)展和創(chuàng)新。通過結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測確?；A(chǔ)設(shè)施的安全可靠，能夠展示國家在工程建設(shè)和管理方面的實力，提升國家的形象和國際競爭力。在國際合作項目中，擁有先進的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)和完善的監(jiān)測體系的國家，能夠在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和運營管理方面提供更可靠的保障，從而贏得更多的合作機會和市場份額。綜上所述，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測作為保障工程結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定運行的重要手段，在維護社會穩(wěn)定、促進經(jīng)濟發(fā)展以及提升國家競爭力等方面都發(fā)揮著關(guān)鍵作用。它不僅是工程領(lǐng)域的技術(shù)需求，更是社會和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的必然要求。3.2結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)組成一個完整的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)通常由傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)以及決策預(yù)警系統(tǒng)等幾個主要部分組成，這些部分相互協(xié)作，共同實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的實時監(jiān)測和評估。3.2.1傳感器系統(tǒng)傳感器系統(tǒng)是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的“感知器官”，其作用是獲取結(jié)構(gòu)的各種物理參數(shù)信息，如應(yīng)變、位移、加速度、溫度、應(yīng)力等。這些參數(shù)能夠直接或間接地反映結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)和健康狀況。傳感器的種類繁多，根據(jù)不同的測量原理和應(yīng)用場景，可以分為不同的類型。常見的傳感器包括應(yīng)變片傳感器、位移傳感器、加速度傳感器、光纖傳感器、溫度傳感器等。應(yīng)變片傳感器是一種通過測量結(jié)構(gòu)表面應(yīng)變來間接獲取結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的傳感器。它的工作原理是基于金屬材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)，當(dāng)結(jié)構(gòu)受力發(fā)生變形時，粘貼在結(jié)構(gòu)表面的應(yīng)變片也會隨之變形，從而導(dǎo)致其電阻值發(fā)生變化，通過測量電阻值的變化就可以計算出結(jié)構(gòu)的應(yīng)變。應(yīng)變片傳感器具有精度高、靈敏度好、測量范圍廣等優(yōu)點，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中被廣泛應(yīng)用于測量結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變分布情況。在橋梁結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，如橋墩、主梁等，粘貼應(yīng)變片傳感器，可以實時監(jiān)測橋梁在車輛荷載、風(fēng)荷載等作用下的應(yīng)力變化，判斷橋梁結(jié)構(gòu)是否處于安全狀態(tài)。位移傳感器用于測量結(jié)構(gòu)的位移變化，它可以分為接觸式和非接觸式兩種類型。接觸式位移傳感器如電阻式位移傳感器、電感式位移傳感器等，通過與結(jié)構(gòu)直接接觸來測量位移；非接觸式位移傳感器如激光位移傳感器、超聲位移傳感器等，則利用光學(xué)或聲學(xué)原理，無需與結(jié)構(gòu)接觸即可測量位移。位移傳感器在監(jiān)測結(jié)構(gòu)的變形、沉降等方面具有重要作用。在高層建筑的健康監(jiān)測中，使用位移傳感器可以實時監(jiān)測建筑物在風(fēng)力、地震等作用下的水平位移和豎向沉降，評估建筑物的穩(wěn)定性。加速度傳感器主要用于測量結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)，它能夠反映結(jié)構(gòu)的振動特性。加速度傳感器根據(jù)工作原理可分為壓電式加速度傳感器、電容式加速度傳感器等。壓電式加速度傳感器利用壓電材料在受到外力作用時產(chǎn)生電荷的特性來測量加速度，具有靈敏度高、頻率響應(yīng)寬等優(yōu)點。在地震監(jiān)測中，加速度傳感器被廣泛應(yīng)用于測量地震波引起的結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)，為地震預(yù)警和結(jié)構(gòu)抗震性能評估提供數(shù)據(jù)支持。光纖傳感器是近年來發(fā)展迅速的一種新型傳感器，它利用光在光纖中傳播時的特性變化來測量各種物理量。光纖傳感器具有抗電磁干擾、靈敏度高、耐腐蝕、體積小、可分布式測量等優(yōu)點，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中具有獨特的優(yōu)勢。光纖光柵傳感器是一種常用的光纖傳感器，它通過測量光纖光柵的中心波長變化來感知外界物理量的變化，如應(yīng)變、溫度等。在大型橋梁的健康監(jiān)測中，采用分布式光纖傳感器可以實現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)沿長度方向的應(yīng)變、溫度等參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的局部損傷和異常變化。溫度傳感器用于測量結(jié)構(gòu)所處環(huán)境的溫度或結(jié)構(gòu)自身的溫度。溫度變化會對結(jié)構(gòu)的材料性能、力學(xué)特性產(chǎn)生影響，例如，溫度的變化可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)材料的熱脹冷縮，從而引起結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形變化。在混凝土結(jié)構(gòu)中，溫度變化還可能導(dǎo)致混凝土的開裂和耐久性下降。因此，監(jiān)測結(jié)構(gòu)的溫度對于準(zhǔn)確評估結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)至關(guān)重要。常見的溫度傳感器有熱電偶傳感器、熱電阻傳感器等。在大壩的健康監(jiān)測中，通過布置溫度傳感器可以監(jiān)測大壩內(nèi)部和表面的溫度分布，分析溫度變化對大壩結(jié)構(gòu)的影響，預(yù)防因溫度應(yīng)力導(dǎo)致的大壩裂縫等問題。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點、監(jiān)測目的和要求，合理選擇傳感器的類型、數(shù)量和布置位置。傳感器的布置應(yīng)遵循全面性、代表性、可靠性和可維護性等原則，確保能夠獲取結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位和關(guān)鍵工況下的有效信息。對于一座大型橋梁，需要在橋墩、主梁、支座、拉索等關(guān)鍵部位布置不同類型的傳感器，以全面監(jiān)測橋梁在各種荷載作用下的應(yīng)力、應(yīng)變、位移、加速度等參數(shù)的變化。同時，為了保證傳感器的可靠性和準(zhǔn)確性，還需要對傳感器進行定期校準(zhǔn)和維護，確保其正常工作。3.2.2數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)是連接傳感器與后續(xù)數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)的橋梁，其主要功能是將傳感器采集到的各種信號進行收集、轉(zhuǎn)換、存儲，并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)中。數(shù)據(jù)采集是指通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備對傳感器輸出的信號進行實時采樣和量化，將連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號，以便后續(xù)的數(shù)字處理。數(shù)據(jù)采集設(shè)備通常包括數(shù)據(jù)采集卡、采集模塊等，它們具有高精度的A/D轉(zhuǎn)換功能，能夠準(zhǔn)確地將傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。在選擇數(shù)據(jù)采集設(shè)備時，需要考慮其采樣頻率、分辨率、通道數(shù)等參數(shù)。采樣頻率應(yīng)根據(jù)被監(jiān)測信號的頻率特性來確定，一般要求采樣頻率至少是被監(jiān)測信號最高頻率的兩倍以上，以避免混疊現(xiàn)象的發(fā)生。分辨率則決定了數(shù)據(jù)采集設(shè)備對信號微小變化的分辨能力，分辨率越高，采集到的數(shù)據(jù)越精確。通道數(shù)應(yīng)根據(jù)傳感器的數(shù)量來選擇，確保能夠同時采集所有傳感器的信號。在數(shù)據(jù)采集過程中，還需要對采集到的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，如濾波、放大、去噪等操作，以提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量。濾波可以去除信號中的高頻噪聲和干擾信號，常用的濾波器有低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器等。放大則是將傳感器輸出的微弱信號進行放大，以便后續(xù)的處理和傳輸。去噪處理可以采用各種信號處理算法，如均值濾波、中值濾波、小波去噪等，去除信號中的隨機噪聲，提高信號的信噪比。數(shù)據(jù)傳輸是將采集到的數(shù)據(jù)從傳感器所在位置傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)中。根據(jù)傳輸距離、傳輸速率和環(huán)境條件等因素，可以選擇不同的數(shù)據(jù)傳輸方式。常見的數(shù)據(jù)傳輸方式包括有線傳輸和無線傳輸。有線傳輸方式主要有以太網(wǎng)、RS-485總線、CAN總線等。以太網(wǎng)是一種廣泛應(yīng)用的有線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，它具有傳輸速率高、可靠性好、兼容性強等優(yōu)點，能夠滿足大數(shù)據(jù)量、高速率的數(shù)據(jù)傳輸需求。在大型建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中，通常采用以太網(wǎng)將各個傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒霐?shù)據(jù)處理中心。RS-485總線是一種半雙工的串行通信總線，它具有傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強等特點，適用于多個傳感器節(jié)點之間的短距離數(shù)據(jù)傳輸。CAN總線則是一種具有高可靠性的現(xiàn)場總線，它采用多主站工作方式，能夠?qū)崿F(xiàn)實時、可靠的數(shù)據(jù)傳輸，常用于工業(yè)自動化控制領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。無線傳輸方式主要有Wi-Fi、藍(lán)牙、ZigBee、4G/5G等。Wi-Fi是一種基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)技術(shù)，它具有傳輸速率高、覆蓋范圍廣等優(yōu)點，適合在室內(nèi)環(huán)境中進行數(shù)據(jù)傳輸。在一些小型建筑結(jié)構(gòu)或臨時監(jiān)測項目中，可以采用Wi-Fi將傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁浇慕邮赵O(shè)備。藍(lán)牙是一種短距離無線通信技術(shù)，它具有低功耗、低成本等特點，常用于連接移動設(shè)備和小型傳感器節(jié)點。ZigBee是一種低功耗、低速率、低成本的無線通信技術(shù)，它具有自組網(wǎng)能力強、可靠性高等優(yōu)點，適用于大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸。4G/5G是目前廣泛應(yīng)用的移動通信技術(shù)，它們具有高速率、低延遲、大連接等特點，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程、實時的數(shù)據(jù)傳輸。在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)或大型結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程監(jiān)測中，4G/5G技術(shù)可以將傳感器采集的數(shù)據(jù)通過移動網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆贫藬?shù)據(jù)處理平臺，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。為了確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性，還需要采用一些數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和技術(shù)，如數(shù)據(jù)校驗、重傳機制、加密技術(shù)等。數(shù)據(jù)校驗可以通過CRC校驗、奇偶校驗等方式對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行校驗，確保數(shù)據(jù)的完整性。重傳機制則是在數(shù)據(jù)傳輸過程中，如果接收方發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤或丟失，會請求發(fā)送方重新傳輸數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。加密技術(shù)可以對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行加密處理，防止數(shù)據(jù)被竊取或篡改，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?.2.3數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分，其主要任務(wù)是對采集到的數(shù)據(jù)進行深入處理和分析，提取出能夠反映結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的特征信息，并通過各種數(shù)據(jù)分析方法和模型對結(jié)構(gòu)的健康狀況進行評估和診斷。數(shù)據(jù)處理是對采集到的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理、特征提取和數(shù)據(jù)降維等操作，以提高數(shù)據(jù)的可用性和分析效率。預(yù)處理除了前面提到的濾波、去噪等操作外，還包括數(shù)據(jù)的歸一化、標(biāo)準(zhǔn)化等處理。歸一化和標(biāo)準(zhǔn)化可以將不同傳感器采集到的數(shù)據(jù)統(tǒng)一到相同的尺度范圍內(nèi)，消除數(shù)據(jù)量綱和數(shù)量級的影響，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和比較。特征提取是從原始數(shù)據(jù)中提取出能夠反映結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的特征參數(shù)，這些特征參數(shù)是結(jié)構(gòu)健康評估和診斷的重要依據(jù)。常見的特征參數(shù)包括結(jié)構(gòu)的固有頻率、阻尼比、模態(tài)振型、應(yīng)力、應(yīng)變、位移等。在基于振動的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中，通過對結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)信號的分析，可以提取出結(jié)構(gòu)的固有頻率和阻尼比等特征參數(shù)。固有頻率是結(jié)構(gòu)的固有屬性，當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷時，其剛度和質(zhì)量分布會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致固有頻率發(fā)生改變。因此，通過監(jiān)測固有頻率的變化可以判斷結(jié)構(gòu)是否存在損傷。阻尼比則反映了結(jié)構(gòu)在振動過程中的能量耗散特性，結(jié)構(gòu)損傷也會引起阻尼比的變化。數(shù)據(jù)降維是在保證數(shù)據(jù)信息損失最小的前提下，將高維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為低維數(shù)據(jù)，以減少數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜度和計算量。常見的數(shù)據(jù)降維方法有主成分分析（PCA）、線性判別分析（LDA）、局部線性嵌入（LLE）等。PCA是一種常用的線性數(shù)據(jù)降維方法，它通過對數(shù)據(jù)進行正交變換，將原始數(shù)據(jù)投影到一組新的正交基上，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的降維。在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中，當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)維度較高時，可以采用PCA對數(shù)據(jù)進行降維處理，提取出數(shù)據(jù)的主要特征，減少后續(xù)分析的計算量。數(shù)據(jù)分析是利用各種數(shù)據(jù)分析方法和模型對處理后的數(shù)據(jù)進行分析，以評估結(jié)構(gòu)的健康狀況和診斷結(jié)構(gòu)的損傷。常見的數(shù)據(jù)分析方法包括時域分析、頻域分析、時頻分析等。時域分析是直接對時間序列數(shù)據(jù)進行分析，如均值、方差、峰值指標(biāo)等統(tǒng)計參數(shù)的計算，以及自相關(guān)分析、互相關(guān)分析等。頻域分析則是將時域信號通過傅里葉變換轉(zhuǎn)換到頻域，分析信號的頻率成分和能量分布。時頻分析是結(jié)合時域和頻域的信息，對信號進行聯(lián)合分析，如短時傅里葉變換、小波變換、HHT等。在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中，不同的分析方法適用于不同的信號特征和監(jiān)測目的。對于平穩(wěn)信號，頻域分析方法能夠有效地分析其頻率成分；而對于非平穩(wěn)信號，時頻分析方法如HHT則能夠更好地揭示信號在時間和頻率上的變化特性。除了上述傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析方法外，近年來機器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用。機器學(xué)習(xí)算法如支持向量機（SVM）、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）、決策樹等，可以通過對大量歷史數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，建立結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)與特征參數(shù)之間的映射關(guān)系，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)健康狀況的分類和預(yù)測。深度學(xué)習(xí)算法如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）及其變體長短期記憶網(wǎng)絡(luò)（LSTM）等，具有強大的特征學(xué)習(xí)能力，能夠自動從原始數(shù)據(jù)中提取高層次的特征信息，在處理復(fù)雜的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)時表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。在基于圖像的結(jié)構(gòu)損傷檢測中，可以利用CNN對結(jié)構(gòu)表面的圖像進行分析，自動識別出結(jié)構(gòu)的裂縫、缺陷等損傷特征；在時間序列數(shù)據(jù)的分析中，LSTM可以有效地處理數(shù)據(jù)的時間序列特征，預(yù)測結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的變化趨勢。3.2.4決策預(yù)警系統(tǒng)決策預(yù)警系統(tǒng)是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分，它根據(jù)數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)的結(jié)果，對結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)進行評估和判斷，當(dāng)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)存在安全隱患或異常情況時，及時發(fā)出預(yù)警信息，并提供相應(yīng)的決策建議，以便管理人員采取有效的措施進行處理。決策預(yù)警系統(tǒng)通常包含評估模型和預(yù)警機制兩部分。評估模型是根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點、設(shè)計要求以及歷史數(shù)據(jù)等建立的，用于定量評估結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。常見的評估模型有基于指標(biāo)體系的評估模型、基于可靠性理論的評估模型、基于專家系統(tǒng)的評估模型等?；谥笜?biāo)體系的評估模型通過建立一系列反映結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的指標(biāo)，并根據(jù)這些指標(biāo)的權(quán)重和閾值來綜合評估結(jié)構(gòu)的健康等級。在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中，可以建立包括結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力、裂縫寬度等指標(biāo)的評估體系，根據(jù)各指標(biāo)的實際測量值與相應(yīng)的閾值進行比較，確定橋梁的健康等級?；诳煽啃岳碚摰脑u估模型則通過對結(jié)構(gòu)的荷載效應(yīng)和抗力進行概率分析，計算結(jié)構(gòu)的可靠度指標(biāo)，以此來評估結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)?；趯＜蚁到y(tǒng)的評估模型是利用專家的知識和經(jīng)驗，建立一套推理規(guī)則和知識庫，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)和相關(guān)信息進行推理和判斷，評估結(jié)構(gòu)的健康狀況。預(yù)警機制是決策預(yù)警系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它根據(jù)評估模型的結(jié)果，設(shè)定相應(yīng)的預(yù)警閾值和預(yù)警級別。當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過預(yù)警閾值時，系統(tǒng)會根據(jù)預(yù)警級別發(fā)出不同程度的預(yù)警信息。預(yù)警信息可以通過多種方式進行傳達(dá)，如聲光報警、短信通知、郵件提醒等。同時，決策預(yù)警系統(tǒng)還會提供相應(yīng)的決策建議，如結(jié)構(gòu)的維修方案、加固措施、交通管制建議等。對于一座橋梁，如果監(jiān)測到的結(jié)構(gòu)位移超過了預(yù)警閾值，系統(tǒng)會發(fā)出預(yù)警信息，并根據(jù)位移的大小和結(jié)構(gòu)的實際情況，建議采取相應(yīng)的維修或加固措施，如對橋梁支座進行調(diào)整、對主梁進行加固等。在預(yù)警過程中，還需要考慮預(yù)警的準(zhǔn)確性和可靠性，避免出現(xiàn)誤報警和漏報警的情況。為了提高預(yù)警的準(zhǔn)確性，可以采用多種傳感器數(shù)據(jù)融合、多模型協(xié)同分析等方法，綜合判斷結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。同時，還需要對預(yù)警系統(tǒng)進行定期的測試和驗證，確保其正常運行。決策預(yù)警系統(tǒng)的有效運行能夠及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的安全隱患，為結(jié)構(gòu)的維護和管理提供科學(xué)依據(jù)，避免結(jié)構(gòu)安全事故的發(fā)生，保障結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定運行。3.3傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法分析3.3.1常見傳統(tǒng)方法列舉傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法在工程領(lǐng)域應(yīng)用已久，為保障結(jié)構(gòu)安全發(fā)揮了重要作用。這些方法基于不同的物理原理和監(jiān)測參數(shù)，各有其特點和適用范圍。振動監(jiān)測是一種常用的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法。它基于結(jié)構(gòu)動力學(xué)原理，通過測量結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)來評估結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。在實際應(yīng)用中，通常在結(jié)構(gòu)上布置加速度傳感器，采集結(jié)構(gòu)在環(huán)境激勵（如風(fēng)、交通荷載、地震等）或人為激勵作用下的加速度響應(yīng)信號。然后對這些信號進行時域、頻域及時頻分析，提取結(jié)構(gòu)的振動特性參數(shù)，如固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型等。固有頻率是結(jié)構(gòu)的固有屬性，它與結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量密切相關(guān)。當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷時，其剛度會降低，從而導(dǎo)致固有頻率下降。例如，在橋梁結(jié)構(gòu)中，通過監(jiān)測橋梁主梁的固有頻率變化，可以判斷橋梁是否存在損傷以及損傷的大致程度。阻尼比反映了結(jié)構(gòu)在振動過程中的能量耗散特性，結(jié)構(gòu)損傷會引起阻尼比的變化。模態(tài)振型則描述了結(jié)構(gòu)在振動時各點的相對位移關(guān)系，通過對比不同時刻的模態(tài)振型，可以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)是否存在局部損傷。在高層建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中，利用振動監(jiān)測方法可以實時監(jiān)測建筑物在風(fēng)力作用下的振動響應(yīng)，通過分析振動特性參數(shù)的變化，評估建筑物的抗風(fēng)性能和結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)。應(yīng)變監(jiān)測也是一種重要的傳統(tǒng)監(jiān)測方法。它通過測量結(jié)構(gòu)的應(yīng)變來獲取結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和變形情況。常用的應(yīng)變監(jiān)測傳感器有電阻應(yīng)變片和光纖應(yīng)變傳感器。電阻應(yīng)變片利用金屬材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)，當(dāng)結(jié)構(gòu)受力變形時，粘貼在結(jié)構(gòu)表面的應(yīng)變片也會隨之變形，導(dǎo)致其電阻值發(fā)生變化，通過測量電阻值的變化即可計算出結(jié)構(gòu)的應(yīng)變。電阻應(yīng)變片具有成本低、測量精度較高等優(yōu)點，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中應(yīng)用廣泛。光纖應(yīng)變傳感器則利用光纖的光彈效應(yīng)，當(dāng)光纖受到應(yīng)變作用時，其折射率會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致光信號的相位、強度或波長發(fā)生改變，通過檢測這些變化來測量結(jié)構(gòu)的應(yīng)變。光纖應(yīng)變傳感器具有抗電磁干擾、靈敏度高、可分布式測量等優(yōu)點，適用于一些對測量環(huán)境要求較高或需要進行大面積監(jiān)測的場合。在混凝土結(jié)構(gòu)中，通過在關(guān)鍵部位粘貼應(yīng)變片或布置光纖應(yīng)變傳感器，可以實時監(jiān)測混凝土在荷載作用下的應(yīng)變分布情況，判斷結(jié)構(gòu)是否處于彈性工作狀態(tài)，以及是否存在裂縫開展等損傷情況。當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫時，裂縫附近的應(yīng)變會發(fā)生突變，通過監(jiān)測應(yīng)變的變化可以及時發(fā)現(xiàn)裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。無損檢測是另一類重要的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法，它主要用于檢測結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷和損傷。常見的無損檢測方法有聲發(fā)射檢測、超聲波檢測、射線檢測、紅外檢測等。聲發(fā)射檢測是利用材料在受力變形或損傷過程中會產(chǎn)生彈性波（即聲發(fā)射信號）的原理，通過布置在結(jié)構(gòu)表面的聲發(fā)射傳感器接收這些信號，對信號進行分析處理，從而判斷結(jié)構(gòu)內(nèi)部是否發(fā)生損傷以及損傷的位置和程度。聲發(fā)射檢測具有實時性好、可監(jiān)測動態(tài)損傷過程等優(yōu)點，常用于監(jiān)測大型金屬結(jié)構(gòu)如橋梁、壓力容器等的損傷情況。超聲波檢測是利用超聲波在材料中傳播時遇到缺陷會發(fā)生反射、折射和散射等現(xiàn)象，通過分析超聲波的傳播特性來檢測結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷。超聲波檢測具有檢測速度快、對內(nèi)部缺陷敏感等優(yōu)點，適用于各種材料結(jié)構(gòu)的內(nèi)部缺陷檢測。射線檢測是利用射線（如X射線、γ射線等）穿透結(jié)構(gòu)，根據(jù)射線在結(jié)構(gòu)內(nèi)部遇到缺陷時的衰減和散射情況來檢測缺陷。射線檢測能夠直觀地顯示缺陷的形狀、大小和位置，但存在輻射危害，操作時需要嚴(yán)格遵守安全規(guī)定。紅外檢測則是利用物體表面溫度分布與內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀態(tài)的相關(guān)性，通過紅外熱像儀測量結(jié)構(gòu)表面的溫度分布，分析溫度異常區(qū)域來檢測結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷和損傷。紅外檢測具有非接觸、快速檢測大面積區(qū)域等優(yōu)點，常用于檢測建筑物外墻、屋面等的缺陷。在鋼結(jié)構(gòu)橋梁的健康監(jiān)測中，聲發(fā)射檢測可以實時監(jiān)測橋梁在車輛荷載作用下是否發(fā)生疲勞裂紋擴展等損傷；超聲波檢測可以對橋梁焊縫等關(guān)鍵部位進行定期檢測，查找內(nèi)部可能存在的焊接缺陷；射線檢測可以對一些重要的鋼結(jié)構(gòu)部件進行詳細(xì)檢測，準(zhǔn)確確定缺陷的位置和尺寸；紅外檢測可以用于檢測橋梁支座的工作狀態(tài)，通過監(jiān)測支座表面溫度分布來判斷支座是否存在脫空、老化等問題。3.3.2傳統(tǒng)方法的局限性盡管傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法在工程實踐中取得了一定的成果，但隨著現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，以及對結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測要求的不斷提高，這些方法逐漸暴露出一些局限性。在處理復(fù)雜結(jié)構(gòu)方面，傳統(tǒng)方法面臨諸多挑戰(zhàn)。現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)如大型橋梁、超高層建筑、海洋平臺等往往具有復(fù)雜的幾何形狀、材料組成和受力狀態(tài)。對于振動監(jiān)測而言，復(fù)雜結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)往往包含多個頻率成分和模態(tài)，且各模態(tài)之間可能存在耦合現(xiàn)象。傳統(tǒng)的基于單一模態(tài)分析的振動監(jiān)測方法難以全面準(zhǔn)確地描述復(fù)雜結(jié)構(gòu)的振動特性，容易遺漏一些重要的信息。在大型斜拉橋中，主梁和拉索的振動相互影響，形成復(fù)雜的耦合振動系統(tǒng)。傳統(tǒng)的振動監(jiān)測方法可能無法準(zhǔn)確分離出主梁和拉索各自的振動模態(tài)，從而影響對結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的判斷。對于應(yīng)變監(jiān)測，復(fù)雜結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變分布不均勻，在局部區(qū)域可能存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。傳統(tǒng)的應(yīng)變片或光纖應(yīng)變傳感器的布置往往難以覆蓋所有關(guān)鍵部位，導(dǎo)致無法全面監(jiān)測結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。在超高層建筑的節(jié)點部位，由于受力復(fù)雜，應(yīng)力集中明顯，傳統(tǒng)的應(yīng)變監(jiān)測方法可能無法準(zhǔn)確測量該部位的應(yīng)力應(yīng)變情況，從而無法及時發(fā)現(xiàn)潛在的結(jié)構(gòu)損傷。無損檢測方法在檢測復(fù)雜結(jié)構(gòu)時也存在局限性。復(fù)雜結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷形狀、位置和分布往往不規(guī)則，傳統(tǒng)的無損檢測方法可能難以準(zhǔn)確檢測到所有缺陷。在大型海洋平臺的管節(jié)點結(jié)構(gòu)中，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部存在多種類型的缺陷，如裂紋、氣孔、夾渣等，傳統(tǒng)的無損檢測方法可能無法對所有缺陷進行全面準(zhǔn)確的檢測，容易出現(xiàn)漏檢或誤判的情況。在處理非平穩(wěn)信號方面，傳統(tǒng)方法也存在不足。實際工程結(jié)構(gòu)在服役過程中，受到環(huán)境激勵、荷載變化等因素的影響，其響應(yīng)信號往往是非平穩(wěn)的。傳統(tǒng)的基于傅里葉變換的振動監(jiān)測方法假設(shè)信號是平穩(wěn)的，將信號從時域轉(zhuǎn)換到頻域進行分析時，無法準(zhǔn)確反映非平穩(wěn)信號在不同時刻的頻率變化情況。在地震作用下，結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)信號具有明顯的非平穩(wěn)特性，傅里葉變換只能得到信號的全局頻率信息，無法捕捉到地震波在不同時刻的頻率成分變化，從而難以準(zhǔn)確評估結(jié)構(gòu)在地震過程中的損傷情況。對于應(yīng)變監(jiān)測，當(dāng)結(jié)構(gòu)受到動態(tài)荷載或沖擊荷載作用時，應(yīng)變信號也會呈現(xiàn)非平穩(wěn)特性。傳統(tǒng)的應(yīng)變監(jiān)測方法通常采用簡單的平均值、最大值等統(tǒng)計參數(shù)來分析應(yīng)變信號，無法有效處理非平穩(wěn)應(yīng)變信號中的時變特征，導(dǎo)致對結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的判斷不準(zhǔn)確。在無損檢測中，聲發(fā)射檢測、超聲波檢測等方法在處理非平穩(wěn)信號時也存在困難。聲發(fā)射信號在結(jié)構(gòu)損傷過程中往往是非平穩(wěn)的，傳統(tǒng)的聲發(fā)射信號分析方法難以準(zhǔn)確識別信號中的有效信息，從而影響對結(jié)構(gòu)損傷的判斷。超聲波在非均勻材料或存在缺陷的結(jié)構(gòu)中傳播時，其信號也會發(fā)生畸變，呈現(xiàn)非平穩(wěn)特性，傳統(tǒng)的超聲波檢測方法難以準(zhǔn)確分析這種非平穩(wěn)信號，降低了檢測的準(zhǔn)確性。此外，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法還存在其他一些局限性。傳統(tǒng)方法大多只能對結(jié)構(gòu)進行局部監(jiān)測，難以實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)的全面評估。振動監(jiān)測通常只能獲取結(jié)構(gòu)有限個測點的振動響應(yīng)信息，無法反映結(jié)構(gòu)整體的振動特性。應(yīng)變監(jiān)測也只能測量傳感器布置位置的應(yīng)變情況，對于結(jié)構(gòu)其他部位的狀態(tài)了解有限。無損檢測方法雖然可以檢測結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷，但也只能對有限的區(qū)域進行檢測，無法對整個結(jié)構(gòu)進行全面檢測。傳統(tǒng)方法的監(jiān)測精度和可靠性容易受到環(huán)境因素的影響。溫度、濕度、電磁干擾等環(huán)境因素會對傳感器的性能產(chǎn)生影響，導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)的誤差增大。在高溫環(huán)境下，電阻應(yīng)變片的電阻值會發(fā)生漂移，影響應(yīng)變測量的準(zhǔn)確性；在強電磁干擾環(huán)境中，振動傳感器和應(yīng)變傳感器的信號可能會受到干擾，導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)失真。傳統(tǒng)方法的數(shù)據(jù)處理和分析過程相對復(fù)雜，需要專業(yè)的技術(shù)人員進行操作，且分析結(jié)果往往依賴于操作人員的經(jīng)驗和判斷，主觀性較強。在振動監(jiān)測中，對振動信號的分析需要掌握一定的信號處理知識和結(jié)構(gòu)動力學(xué)知識，不同的操作人員可能會因為分析方法和經(jīng)驗的不同而得出不同的結(jié)論。綜上所述，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法在處理復(fù)雜結(jié)構(gòu)和非平穩(wěn)信號時存在諸多局限性，難以滿足現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)對健康監(jiān)測的高精度、實時性和全面性要求，因此需要探索新的監(jiān)測方法和技術(shù)。四、HHT在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用實例4.1橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測案例4.1.1工程背景與監(jiān)測方案本案例選取某大型城市跨江斜拉橋作為研究對象，該橋建成于[具體年份]，主橋全長[X]米，主跨為[X]米，采用雙塔雙索面斜拉橋結(jié)構(gòu)形式。橋梁的主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，索塔為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，拉索采用高強度平行鋼絲束。自建成通車以來，該橋承擔(dān)著城市主要交通干道的重任，車流量較大，且長期受到風(fēng)荷載、溫度變化、車輛荷載等多種因素的作用，其結(jié)構(gòu)安全狀況備受關(guān)注。為了實時監(jiān)測橋梁的健康狀況，保障橋梁的安全運營，建立了基于HHT的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。在傳感器選型與布置方面，充分考慮了橋梁的結(jié)構(gòu)特點和受力情況。在主梁的關(guān)鍵截面（如跨中、1/4跨、3/4跨、支點等部位）布置了應(yīng)變片傳感器，用于監(jiān)測主梁在車輛荷載、風(fēng)荷載等作用下的應(yīng)變變化情況；在主梁的底面和側(cè)面布置了位移傳感器，以測量主梁的豎向位移和橫向位移；在索塔頂部和中部布置了加速度傳感器，用于采集索塔在風(fēng)振、地震等作用下的加速度響應(yīng)信號；在拉索上安裝了索力傳感器，實時監(jiān)測拉索的索力變化。此外，還在橋梁的關(guān)鍵部位布置了溫度傳感器，用于監(jiān)測環(huán)境溫度和結(jié)構(gòu)溫度，以分析溫度變化對橋梁結(jié)構(gòu)的影響。數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)，各個傳感器節(jié)點通過無線傳輸方式將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁浇臄?shù)據(jù)采集站。數(shù)據(jù)采集站對數(shù)據(jù)進行初步處理和存儲后，再通過光纖網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的服務(wù)器。在數(shù)據(jù)采集過程中，設(shè)置了合理的采樣頻率，根據(jù)不同傳感器的信號頻率特性，應(yīng)變片傳感器的采樣頻率設(shè)置為[X]Hz，位移傳感器的采樣頻率設(shè)置為[X]Hz，加速度傳感器的采樣頻率設(shè)置為[X]Hz，索力傳感器的采樣頻率設(shè)置為[X]Hz，以確保能夠準(zhǔn)確捕捉到信號的變化。4.1.2HHT數(shù)據(jù)處理與分析結(jié)果在獲取傳感器采集的原始數(shù)據(jù)后，運用HHT技術(shù)對數(shù)據(jù)進行處理與分析。首先，對采集到的振動響應(yīng)信號進行經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（EMD），將信號分解為一系列固有模態(tài)函數(shù)（IMF）。以某一時刻采集到的主梁加速度響應(yīng)信號為例，經(jīng)過EMD分解后，得到了[X]個IMF分量，每個IMF分量都代表了信號在不同時間尺度上的振蕩模式。通過分析這些IMF分量的頻率和幅值特征，可以了解到信號中包含的不同頻率成分和能量分布情況。高頻IMF分量主要反映了信號的細(xì)節(jié)信息和快速變化部分，可能與車輛通過時產(chǎn)生的局部振動或風(fēng)振引起的高頻振蕩有關(guān)；低頻IMF分量則主要反映了信號的主要趨勢和緩慢變化部分，與橋梁的整體振動特性密切相關(guān)。對每個IMF分量進行希爾伯特變換（HT），得到其瞬時頻率和瞬時幅值隨時間的變化關(guān)系。通過繪制希爾伯特譜，可以清晰地展示信號在不同時刻的頻率和能量分布情況。從希爾伯特譜中可以觀察到，在某些時間段內(nèi)，信號的頻率和幅值出現(xiàn)了明顯的變化，這可能暗示著橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生了改變。在車輛密集通行時段，希爾伯特譜顯示出某些頻率成分的能量增加，這可能是由于車輛荷載引起的橋梁振動加劇導(dǎo)致的。利用HHT分析結(jié)果提取了反映橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的特征參數(shù)，如固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型等。通過對比不同時期提取的特征參數(shù)，來判斷橋梁結(jié)構(gòu)是否存在損傷或性能劣化。在連續(xù)監(jiān)測的過程中，發(fā)現(xiàn)橋梁的某一階固有頻率逐漸降低，阻尼比逐漸增大。固有頻率的降低可能是由于橋梁結(jié)構(gòu)剛度下降引起的，而阻尼比的增大則可能表示結(jié)構(gòu)內(nèi)部的能量耗散增加，這都可能是結(jié)構(gòu)損傷或性能劣化的跡象。進一步分析發(fā)現(xiàn)，在某一主梁截面處的應(yīng)變片監(jiān)測數(shù)據(jù)也出現(xiàn)了異常變化，該截面處的應(yīng)變值超出了正常范圍，結(jié)合固有頻率和阻尼比的變化，初步判斷該主梁截面可能存在局部損傷。4.1.3應(yīng)用效果評估基于HHT的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)在實際應(yīng)用中取得了顯著的效果。在結(jié)構(gòu)損傷識別方面，通過對HHT分析得到的特征參數(shù)進行深入分析，能夠準(zhǔn)確地識別出橋梁結(jié)構(gòu)的局部損傷位置和損傷程度。在上述案例中，通過對固有頻率、阻尼比以及應(yīng)變數(shù)據(jù)的綜合分析，成功地定位到了主梁的局部損傷位置，并根據(jù)應(yīng)變變化情況和結(jié)構(gòu)力學(xué)原理，初步評估了損傷程度。與傳統(tǒng)的無損檢測方法相比，基于HHT的監(jiān)測方法具有實時性強、檢測范圍廣的優(yōu)勢。傳統(tǒng)無損檢測方法通常需要定期對橋梁進行局部檢測，難以實現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)的實時監(jiān)測和全面檢測；而基于HHT的監(jiān)測系統(tǒng)可以實時采集橋梁各部位的響應(yīng)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的異常變化，大大提高了損傷識別的及時性和準(zhǔn)確性。在安全預(yù)警方面，該監(jiān)測系統(tǒng)也表現(xiàn)出色。通過設(shè)置合理的預(yù)警閾值，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過閾值時，系統(tǒng)能夠及時發(fā)出預(yù)警信息。當(dāng)橋梁的振動響應(yīng)幅值超過設(shè)定的安全閾值，或者固有頻率、阻尼比等特征參數(shù)偏離正常范圍達(dá)到一定程度時，系統(tǒng)會立即發(fā)出聲光報警，并通過短信、郵件等方式通知相關(guān)管理人員。在一次強風(fēng)天氣中，監(jiān)測系統(tǒng)檢測到橋梁的振動響應(yīng)異常增大，且部分拉索的索力變化超出了正常范圍，系統(tǒng)及時發(fā)出了預(yù)警信息。管理人員在收到預(yù)警后，立即采取了交通管制措施，限制車輛通行，避免了可能發(fā)生的安全事故。與傳統(tǒng)的人工巡檢預(yù)警方式相比，基于HHT的監(jiān)測系統(tǒng)具有更高的準(zhǔn)確性和可靠性。人工巡檢受限于巡檢人員的經(jīng)驗和檢測手段，容易出現(xiàn)漏檢和誤判的情況；而基于HHT的監(jiān)測系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)分析進行預(yù)警，能夠更加客觀、準(zhǔn)確地判斷橋梁的安全狀態(tài)，有效提高了安全預(yù)警的效果?；贖HT的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)在該案例中展現(xiàn)出了強大的功能和優(yōu)勢，能夠有效地實現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)的損傷識別和安全預(yù)警，為橋梁的安全運營提供了有力的技術(shù)支持。然而，該系統(tǒng)也存在一些不足之處，如對傳感器的精度和穩(wěn)定性要求較高，傳感器的故障可能會影響監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性；HHT算法中的模態(tài)混疊問題在一定程度上仍然存在，需要進一步改進算法來提高分析結(jié)果的可靠性。未來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，基于HHT的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)有望在實際工程中得到更廣泛的應(yīng)用，為保障橋梁結(jié)構(gòu)的安全發(fā)揮更大的作用。4.2建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測案例4.2.1項目介紹與監(jiān)測重點本案例選取某超高層寫字樓作為研究對象，該寫字樓位于城市核心商務(wù)區(qū)，總高度達(dá)[X]米，共[X]層，采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜，使用功能多樣，內(nèi)部設(shè)有商業(yè)區(qū)域、辦公區(qū)域和酒店區(qū)域等。由于其地處繁華地段，周邊交通流量大，且建筑自身高度較高，在長期使用過程中，結(jié)構(gòu)受到風(fēng)荷載、溫度變化、建筑材料老化以及不均勻沉降等多種因素的影響，其結(jié)構(gòu)安全狀況面臨較大挑戰(zhàn)。為了全面監(jiān)測該超高層寫字樓的結(jié)構(gòu)健康狀況，制定了詳細(xì)的監(jiān)測方案。在監(jiān)測部位選擇上，重點關(guān)注了以下幾個關(guān)鍵部位：核心筒墻體，作為主要的豎向承重結(jié)構(gòu)和抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，核心筒墻體的健康狀況直接影響到整個建筑的穩(wěn)定性，在核心筒墻體的不同高度位置布置了應(yīng)變片和位移傳感器，用于監(jiān)測墻體的應(yīng)力應(yīng)變和水平位移情況；框架柱，在框架柱的底部、中部和頂部等關(guān)鍵截面布置應(yīng)變片和加速度傳感器，以監(jiān)測框架柱在豎向荷載和水平荷載作用下的應(yīng)力應(yīng)變和振動響應(yīng)；連接核心筒與框架柱的鋼梁，在鋼梁的跨中、支座等部位布置應(yīng)變片和撓度傳感器，監(jiān)測鋼梁的受力變形情況；建筑的基礎(chǔ)，在基礎(chǔ)的不同位置布置了沉降觀測點和傾斜傳感器，實時監(jiān)測基礎(chǔ)的沉降和傾斜情況。監(jiān)測參數(shù)主要包括結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、位移、加速度以及溫度等。應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)能夠直接反映結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，通過監(jiān)測應(yīng)力應(yīng)變的變化可以判斷結(jié)構(gòu)是否處于安全的受力范圍。位移參數(shù)包括水平位移和豎向位移，水平位移反映了結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的變形情況，豎向位移則與基礎(chǔ)的沉降和結(jié)構(gòu)的豎向變形相關(guān)。加速度參數(shù)用于監(jiān)測結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)，通過分析加速度信號可以了解結(jié)構(gòu)的振動特性，判斷是否存在異常振動。溫度參數(shù)對于分析結(jié)構(gòu)的熱脹冷縮效應(yīng)以及溫度應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的影響至關(guān)重要。在建筑的不同樓層和不同朝向位置布置了溫度傳感器，以獲取結(jié)構(gòu)在不同部位和不同時間的溫度變化情況。4.2.2HHT分析在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用在獲取建筑結(jié)構(gòu)的監(jiān)測數(shù)據(jù)后，運用HHT技術(shù)對數(shù)據(jù)進行深入分析。以結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)信號為例，首先對其進行經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（EMD）。由于建筑結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載、交通振動等環(huán)境激勵下的加速度響應(yīng)信號呈現(xiàn)出明顯的非線性和非平穩(wěn)特性，傳統(tǒng)的信號處理方法難以準(zhǔn)確分析。而EMD能夠根據(jù)信號的局部特征尺度進行自適應(yīng)分解，將加速度響應(yīng)信號分解為多個固有模態(tài)函數(shù)（IMF）。通過分析這些IMF分量的頻率和幅值特性，可以了解到信號中不同頻率成分的振動信息。高頻IMF分量可能反映了結(jié)構(gòu)在局部受到的微小擾動或高頻振動，如人員活動、設(shè)備振動等引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)；低頻IMF分量則更多地反映了結(jié)構(gòu)的整體振動特性，與結(jié)構(gòu)的基本振動模態(tài)相關(guān)。對每個IMF分量進行希爾伯特變換（HT），得到其瞬時頻率和瞬時幅值隨時間的變化關(guān)系。通過繪制希爾伯特譜，可以清晰地展示信號在不同時刻的頻率和能量分布情況。在希爾伯特譜中，可以觀察到不同頻率成分在不同時間段內(nèi)的能量變化情況。在強風(fēng)天氣下，希爾伯特譜顯示某些與結(jié)構(gòu)基本振動模態(tài)相關(guān)的頻率成分的能量明顯增加，這表明結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的振動響應(yīng)加劇。利用HHT分析結(jié)果提取反映建筑結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的特征參數(shù)。通過對比不同時期提取的特征參數(shù)，可以判斷結(jié)構(gòu)是否存在損傷或性能劣化。當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷時，其剛度和阻尼會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的固有頻率、阻尼比等特征參數(shù)發(fā)生改變。在連續(xù)監(jiān)測過程中，發(fā)現(xiàn)某一區(qū)域的框架柱對應(yīng)的固有頻率出現(xiàn)了下降趨勢，同時阻尼比有所增大。固有頻率的下降可能意味著框架柱的剛度降低，這可能是由于柱體混凝土出現(xiàn)裂縫、鋼筋銹蝕等損傷原因?qū)е碌模蛔枘岜鹊脑龃髣t表明結(jié)構(gòu)在振動過程中的能量耗散增加，進一步驗證了結(jié)構(gòu)可能存在損傷。結(jié)合該區(qū)域應(yīng)變片監(jiān)測到的應(yīng)力異常變化情況，可以初步判斷該框架柱存在局部損傷。4.2.3實際應(yīng)用價值分析HHT技術(shù)在該超高層寫字樓結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用帶來了顯著的實際價值和社會效益。從結(jié)構(gòu)安全保障方面來看，HHT技術(shù)能夠準(zhǔn)確地識別出結(jié)構(gòu)的損傷位置和損傷程度，為結(jié)構(gòu)的維護和加固提供了科學(xué)依據(jù)。通過對HHT分析得到的特征參數(shù)進行深入分析，及時發(fā)現(xiàn)了框架柱的局部損傷，避免了損傷進一步發(fā)展導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)安全事故。與傳統(tǒng)的人工巡檢和簡單的儀器測量方法相比，HHT技術(shù)能夠?qū)崟r、全面地監(jiān)測結(jié)構(gòu)的健康狀況，大大提高了結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測的準(zhǔn)確性和及時性。傳統(tǒng)方法往往難以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的潛在損傷，且監(jiān)測周期較長，容易錯過最佳的維護時機；而HHT技術(shù)能夠?qū)崟r捕捉到結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號的細(xì)微變化，及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的異常情況，為結(jié)構(gòu)的安全運行提供了有力保障。在經(jīng)濟效益方面，基于HHT的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)可以提前預(yù)測結(jié)構(gòu)的性能劣化趨勢，合理安排維護計劃，避免不必要的維修和更換，從而降低結(jié)構(gòu)的維護成本。通過對結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的實時監(jiān)測和分析，能夠準(zhǔn)確判斷結(jié)構(gòu)的剩余使用壽命，根據(jù)實際情況制定針對性的維護措施。在結(jié)構(gòu)損傷初期，及時采取修復(fù)措施可以避免損傷擴大，減少大規(guī)模維修或更換結(jié)構(gòu)部件的費用。對于建筑的基礎(chǔ)沉降問題，通過HHT技術(shù)對沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，可以預(yù)測基礎(chǔ)沉降的發(fā)展趨勢，提前采取加固措施，避免因基礎(chǔ)沉降過大導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)整體破壞，從而節(jié)約了大量的維修資金。從社會效益角度來看，HHT技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用有助于保障人民生命財產(chǎn)安全，維護社會穩(wěn)定。該超高層寫字樓作為城市的重要地標(biāo)建筑，人員密集，一旦發(fā)生結(jié)構(gòu)安全事故，將造成嚴(yán)重的人員傷亡和社會影響。通過HHT技術(shù)實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的實時監(jiān)測和預(yù)警，能夠及時疏散人員，采取應(yīng)急措施，最大限度地減少事故損失。在發(fā)現(xiàn)框架柱損傷后，及時通知相關(guān)部門和人員，采取了相應(yīng)的加固措施，避免了可能發(fā)生的倒塌事故，保障了樓內(nèi)人員的生命安全。此外，HHT技術(shù)的應(yīng)用也為其他類似建筑結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測提供了借鑒和參考，推動了建筑行業(yè)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展和進步。五、HHT應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)與解決方案5.1端點效應(yīng)問題及解決措施5.1.1端點效應(yīng)產(chǎn)生原因在HHT技術(shù)的經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（EMD）過程中，端點效應(yīng)是一個不可忽視的問題，它嚴(yán)重影響著分解結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。端點效應(yīng)是指在對信號進行EMD分解時，由于信號兩端的邊界條件不確定性，導(dǎo)致分解結(jié)果在信號端點處出現(xiàn)異常波動和失真的現(xiàn)象。這種異常波動會隨著分解的進行，從信號端點逐漸向內(nèi)部傳播，進而影響整個分解結(jié)果的質(zhì)量，使得到的固有模態(tài)函數(shù)（IMF）不能準(zhǔn)確反映信號的真實特征。端點效應(yīng)產(chǎn)生的原因主要有以下幾個方面：首先，EMD分解依賴于對信號極值點的處理。在確定信號的上下包絡(luò)線時，需要通過三次樣條函數(shù)對信號的極大值點和極小值點進行插值。然而，在信號的端點處，由于缺乏足夠的鄰域信息，極值點的確定存在較大的不確定性。當(dāng)信號在端點處的變化趨勢不明顯時，很難準(zhǔn)確判斷該點是否為極值點，這就導(dǎo)致了在端點處插值得到的包絡(luò)線不準(zhǔn)確。如果端點處的一個點被誤判為極值點，那么基于這個錯誤極值點構(gòu)建的包絡(luò)線就會偏離信號的真實趨勢，從而使分解得到的IMF在端點處出現(xiàn)異常。這種不確定性隨著分解的迭代過程不斷累積，使得端點效應(yīng)越來越明顯。其次，三次樣條插值本身的特性也會加劇端點效應(yīng)。三次樣條函數(shù)在端點處的擬合誤差較大，容易出現(xiàn)過沖或欠沖現(xiàn)象。當(dāng)對信號端點處的極值點進行三次樣條插值時，由于端點處的數(shù)據(jù)有限，樣條函數(shù)為了滿足插值條件，可能會在端點附近產(chǎn)生較大的波動。這種波動會直接反映在包絡(luò)線的擬合結(jié)果上，進而影響到IMF的分解。在實際信號處理中，經(jīng)常可以觀察到在信號端點處，由三次樣條插值得到的包絡(luò)線與信號的真實變化趨勢存在明顯偏差，導(dǎo)致分解得到的IMF在端點處出現(xiàn)尖峰或平坦等異常現(xiàn)象。此外，信號本身的特性也與端點效應(yīng)的產(chǎn)生密切相關(guān)。當(dāng)信號在端點處的頻率成分復(fù)雜或存在突變時，EMD分解更容易受到影響。因為EMD是基于信號的局部特征尺度進行分解的，端點處復(fù)雜的頻率成分或突變會使局部特征尺度難以準(zhǔn)確確定，從而導(dǎo)致分解結(jié)果在端點處出現(xiàn)混亂。在處理含有高頻噪聲的信號時，噪聲在端點處的干擾可能會使EMD誤將噪聲的波動當(dāng)作信號的真實特征，從而在端點處產(chǎn)生錯誤的IMF分量。當(dāng)信號在端點處發(fā)生突變時，EMD很難在短時間內(nèi)適應(yīng)這種變化，導(dǎo)致端點處的分解結(jié)果出現(xiàn)異常。端點效應(yīng)的存在對HHT分析結(jié)果的影響是多方面的。它會使IMF分量在端點處的瞬時頻率和瞬時幅值計算出現(xiàn)偏差，從而影響對信號時頻特性的準(zhǔn)確分析。在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中，準(zhǔn)確的時頻特性分析對于判斷結(jié)構(gòu)的振動狀態(tài)和損傷情況至關(guān)重要。如果由于端點效應(yīng)導(dǎo)致時頻特性分析錯誤，就可能會對結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)做出錯誤的判斷。端點效應(yīng)還會影響基于IMF分量進行的特征提取和參數(shù)計算。例如，在提取結(jié)構(gòu)的固有頻率和阻尼比等特征參數(shù)時，如果IMF分量受到端點效應(yīng)的干擾，那么計算得到的特征參數(shù)就會不準(zhǔn)確，進而影響對結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的評估和診斷。5.1.2現(xiàn)有解決方法探討針對EMD分解中存在的端點效應(yīng)問題，眾多學(xué)者進行了深入研究，提出了多種解決方法，每種方法都有其獨特的原理和優(yōu)缺點。鏡像延拓法：鏡像延拓法是一種較為常用的解決端點效應(yīng)的方法。其基本原理是在信號的兩端添加與原始信號鏡像對稱的信號。具體來說，就是將信號的端點部分進行翻轉(zhuǎn)，然后將翻轉(zhuǎn)后的信號添加到原始信號的兩端。這樣做的目的是為了在端點處提供更多的信息，使得在確定極值點和擬合包絡(luò)線時能夠更加準(zhǔn)確。對于一個長度為N的信號x(n)，在信號的起始端添加M個鏡像對稱的信號值x_{left}(n)，在信號的末尾端添加M個鏡像對稱的信號值x_{right}(n)，得到延拓后的信號x_{extended}(n)。通過這種方式，在進行EMD分解時，端點處的極值點確定和包絡(luò)線擬合可以利用延拓后的信號信息，從而減少端點效應(yīng)的影響。鏡像延拓法的優(yōu)點是算法簡單，易于實現(xiàn)。它不需要復(fù)雜的計算和模型訓(xùn)練，只需要對原始信號進行簡單的鏡像處理即可。在一些對計算效率要求較高的實時監(jiān)測場景中，鏡像延拓法能夠快速地對信號進行處理，滿足實時性要求。鏡像延拓法在一定程度上能夠有效地抑制端點效應(yīng)。通過添加鏡像信號，為端