多傳感數(shù)據(jù)融合技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別中的應(yīng)用

吳玲娜

摘 要：為了提高結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的準(zhǔn)確率，在大型復(fù)雜土木工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)中引入多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，分析了常用的數(shù)據(jù)融合方法——Bayes方法和D-S證據(jù)理論的有效性，并將試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)運(yùn)用數(shù)據(jù)融合技術(shù)進(jìn)行損傷的識(shí)別。指出了將試驗(yàn)?zāi)B(tài)所得的含有損傷信息的信號(hào)運(yùn)用數(shù)據(jù)融合技術(shù)識(shí)別的可能性，揭示了數(shù)據(jù)融合技術(shù)在結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別領(lǐng)域中廣闊的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：損傷識(shí)別；數(shù)據(jù)融合；實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

1.引言

近年來，不斷發(fā)展起來的多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)以其強(qiáng)大的時(shí)空覆蓋能力和對(duì)多源不確定性信息的綜合處理能力，可以有效地進(jìn)行結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和診斷。多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)從多源信號(hào)中獲取信息，減小了信息的不確定度，有助于幫助制定決策。無損檢測(cè)數(shù)據(jù)融合近幾年發(fā)展很快。來自不同國家的很多人對(duì)它表現(xiàn)出極大的興趣，他們已經(jīng)提出了多種適用于無損檢測(cè)數(shù)據(jù)融合的模型。本文將從多傳感器數(shù)據(jù)融合的概念、基本原理、基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的健康監(jiān)測(cè)與診斷方法及其應(yīng)用等方面進(jìn)行了研究。

2.數(shù)據(jù)融合技術(shù)

多傳感器數(shù)據(jù)融合是人類模仿自身信息處理能力的結(jié)果，多傳感器數(shù)據(jù)融合又稱信息融合，即充分利用不同時(shí)間與空間的多傳感器信息資源，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)按時(shí)序獲得的多傳感器信息，在一定準(zhǔn)則下加以自動(dòng)分析、綜合和使用，獲得被測(cè)對(duì)象的一致性解釋或描述，以完成所需的決策和估計(jì)任務(wù)，使系統(tǒng)獲得更優(yōu)越的性能。作為一種數(shù)據(jù)綜合和處理技術(shù)，數(shù)據(jù)融合實(shí)際上是許多傳統(tǒng)學(xué)科和新技術(shù)的集成和應(yīng)用，涉及模式識(shí)別、決策論、不確定性推理、估計(jì)理論、最優(yōu)化技術(shù)等，它最早用于軍事，目前在工業(yè)控制、交通管制、海洋監(jiān)視和管理領(lǐng)域的應(yīng)用日漸增多。

多傳感器數(shù)據(jù)融合就像人腦綜合處理信息一樣，其基本原理就是充分利用多傳感器資源，通過對(duì)這些傳感器及觀測(cè)信息的合理支配和使用，把多傳感器在空間或時(shí)間上的冗余或互補(bǔ)信息依據(jù)某種準(zhǔn)則進(jìn)行組合，以獲得被測(cè)對(duì)象的一致性解釋或描述。

3.試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

模態(tài)分析與參數(shù)識(shí)別是在振動(dòng)理論、信號(hào)分析、數(shù)據(jù)處理、概率統(tǒng)計(jì)、自動(dòng)控制、測(cè)試技術(shù)與計(jì)算機(jī)等學(xué)科基礎(chǔ)上發(fā)展起來的邊緣新興學(xué)科。一般地，以振動(dòng)理論為基礎(chǔ)，以模態(tài)參數(shù)為目標(biāo)的分析方法稱為模態(tài)分析。更確切地說，模態(tài)分析是研究系統(tǒng)的物理參數(shù)模型、模態(tài)參數(shù)模型和非參數(shù)模型的關(guān)系，并通過一定手段確定這些模型的理論及其應(yīng)用的一門學(xué)科。實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析（ EMA） 又稱模態(tài)分析的實(shí)驗(yàn)過程，首先，實(shí)驗(yàn)得到激勵(lì)和響應(yīng)的時(shí)間歷程，應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)求得頻響函數(shù)（傳遞函數(shù)） 。

或脈沖響應(yīng)函數(shù)，得到系統(tǒng)的非參數(shù)模型；其次，應(yīng)用參數(shù)識(shí)別方法，求得系統(tǒng)的物理參數(shù)；最后，如果有必要，進(jìn)一步確定系統(tǒng)的物理參數(shù)模型。因此，實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析是綜合應(yīng)用線性振動(dòng)理論、動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理和參數(shù)識(shí)別等手段進(jìn)行系統(tǒng)識(shí)別的過程。

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的第一步是獲得被測(cè)結(jié)構(gòu)激勵(lì)和響應(yīng)的時(shí)域信號(hào)和頻域信號(hào)，如果采用頻域法做參數(shù)識(shí)別，則必須獲得上述兩種時(shí)間歷程信號(hào)，如果是采用時(shí)域法作參數(shù)識(shí)別，有時(shí)只需獲得響應(yīng)的時(shí)間歷程信號(hào)。我們所研究的結(jié)構(gòu)是線性、定常以及穩(wěn)定的系統(tǒng)。在簡(jiǎn)諧激勵(lì)下，定義系統(tǒng)位移頻響函數(shù)為穩(wěn)態(tài)位移響應(yīng)與激勵(lì)幅值之比。

單自由度有阻尼約束系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程為：

振動(dòng)系統(tǒng)在單位脈沖力作用下的自由響應(yīng)稱為單位脈沖響應(yīng)函數(shù)，簡(jiǎn)稱脈沖響應(yīng)函數(shù)，易證脈沖響應(yīng)函數(shù)與頻響函數(shù)是一傅氏變換對(duì)。可見，脈沖響應(yīng)函數(shù)與頻響函數(shù)一樣是反映振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的量。只不過頻響函數(shù)在頻域內(nèi)描述系統(tǒng)固有特性，而脈沖響應(yīng)函數(shù)在時(shí)域內(nèi)描述系統(tǒng)固有特性。因此，頻響函數(shù)與脈沖響應(yīng)函數(shù)都構(gòu)成了系統(tǒng)的非參數(shù)模型，它們是進(jìn)行系統(tǒng)識(shí)別的基礎(chǔ)。

多自由度系統(tǒng)頻響函數(shù)可以表示為矩陣形式，Hef （s） 表示僅在第f 個(gè)物理坐標(biāo)上施加單位激勵(lì)，引起第e 個(gè)物理坐標(biāo)的位移響應(yīng)。

忽略阻尼后頻響函數(shù)矩陣的模態(tài)展式為

式中 為模態(tài)剛度； 為模態(tài)質(zhì)量。

頻響函數(shù)的模態(tài)展式中顯含各種模態(tài)參數(shù)，它是頻域法參數(shù)識(shí)別的基礎(chǔ)。

4.橋面板損傷識(shí)別算例

運(yùn)用圖2的實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的動(dòng)力方程反算可以獲得位置2損傷前后剛度變化，將剛度變化對(duì)應(yīng)的固有頻率進(jìn)行歸一處理就可以作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入?yún)?shù)了。

5.結(jié)論

數(shù)據(jù)融合技術(shù)在結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)中的應(yīng)用研究是目前一個(gè)非常熱門的研究課題。數(shù)據(jù)融合技術(shù)的應(yīng)用將結(jié)構(gòu)振動(dòng)損傷的信號(hào)能較好的識(shí)別出來，而且具有較好的魯棒性，對(duì)于早期損傷的信號(hào)也具有較好的識(shí)別能力。

數(shù)據(jù)融合是一門新興學(xué)科，目前尚存在這樣的問題： （1） 未形成基本的理論框架和廣義融合算法； （2） 關(guān)聯(lián)的二義性是數(shù)據(jù)融合的主要障礙，傳感器測(cè)量的不精確性和干擾等都是引起關(guān)聯(lián)二義性的因素； （3） 大多數(shù)數(shù)據(jù)融合是經(jīng)一種簡(jiǎn)單的方法合成信息，并未充分有效地利用多傳感器所提供的冗余信息，很多研究亦是仿真性工作。隨著科學(xué)的發(fā)展，數(shù)據(jù)融合技術(shù)必將成為橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)最有效的信息處理工具并獲得廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳今培、肖建華.智能故障診斷與專家系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社，1997；5-15

[2] 馬宏偉、楊桂通.結(jié)構(gòu)損傷探測(cè)的基本方法和研究進(jìn)展[J]力學(xué)進(jìn)展，1999.29（4）：513-527

[3] 林循泓.振動(dòng)模態(tài)參數(shù)識(shí)別及其應(yīng)用[M]1 南京：東南大學(xué)出版社，1990.10

[4] 胡海昌.多自由度結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)理論[M]1 北京：科學(xué)出版社，1987.5

[5] Mina M， Yim J ，Udpa S S ，Udpa L ，Lord W and Sun K. Two Dimensional Multi2frequency Eddy Current Data Fusion. Review of Progress in QNDE ，1996 ， （15） ：2125-2132

摘 要：為了提高結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的準(zhǔn)確率，在大型復(fù)雜土木工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)中引入多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，分析了常用的數(shù)據(jù)融合方法——Bayes方法和D-S證據(jù)理論的有效性，并將試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)運(yùn)用數(shù)據(jù)融合技術(shù)進(jìn)行損傷的識(shí)別。指出了將試驗(yàn)?zāi)B(tài)所得的含有損傷信息的信號(hào)運(yùn)用數(shù)據(jù)融合技術(shù)識(shí)別的可能性，揭示了數(shù)據(jù)融合技術(shù)在結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別領(lǐng)域中廣闊的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：損傷識(shí)別；數(shù)據(jù)融合；實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

1.引言

近年來，不斷發(fā)展起來的多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)以其強(qiáng)大的時(shí)空覆蓋能力和對(duì)多源不確定性信息的綜合處理能力，可以有效地進(jìn)行結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和診斷。多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)從多源信號(hào)中獲取信息，減小了信息的不確定度，有助于幫助制定決策。無損檢測(cè)數(shù)據(jù)融合近幾年發(fā)展很快。來自不同國家的很多人對(duì)它表現(xiàn)出極大的興趣，他們已經(jīng)提出了多種適用于無損檢測(cè)數(shù)據(jù)融合的模型。本文將從多傳感器數(shù)據(jù)融合的概念、基本原理、基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的健康監(jiān)測(cè)與診斷方法及其應(yīng)用等方面進(jìn)行了研究。

2.數(shù)據(jù)融合技術(shù)

多傳感器數(shù)據(jù)融合是人類模仿自身信息處理能力的結(jié)果，多傳感器數(shù)據(jù)融合又稱信息融合，即充分利用不同時(shí)間與空間的多傳感器信息資源，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)按時(shí)序獲得的多傳感器信息，在一定準(zhǔn)則下加以自動(dòng)分析、綜合和使用，獲得被測(cè)對(duì)象的一致性解釋或描述，以完成所需的決策和估計(jì)任務(wù)，使系統(tǒng)獲得更優(yōu)越的性能。作為一種數(shù)據(jù)綜合和處理技術(shù)，數(shù)據(jù)融合實(shí)際上是許多傳統(tǒng)學(xué)科和新技術(shù)的集成和應(yīng)用，涉及模式識(shí)別、決策論、不確定性推理、估計(jì)理論、最優(yōu)化技術(shù)等，它最早用于軍事，目前在工業(yè)控制、交通管制、海洋監(jiān)視和管理領(lǐng)域的應(yīng)用日漸增多。

多傳感器數(shù)據(jù)融合就像人腦綜合處理信息一樣，其基本原理就是充分利用多傳感器資源，通過對(duì)這些傳感器及觀測(cè)信息的合理支配和使用，把多傳感器在空間或時(shí)間上的冗余或互補(bǔ)信息依據(jù)某種準(zhǔn)則進(jìn)行組合，以獲得被測(cè)對(duì)象的一致性解釋或描述。

3.試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

模態(tài)分析與參數(shù)識(shí)別是在振動(dòng)理論、信號(hào)分析、數(shù)據(jù)處理、概率統(tǒng)計(jì)、自動(dòng)控制、測(cè)試技術(shù)與計(jì)算機(jī)等學(xué)科基礎(chǔ)上發(fā)展起來的邊緣新興學(xué)科。一般地，以振動(dòng)理論為基礎(chǔ)，以模態(tài)參數(shù)為目標(biāo)的分析方法稱為模態(tài)分析。更確切地說，模態(tài)分析是研究系統(tǒng)的物理參數(shù)模型、模態(tài)參數(shù)模型和非參數(shù)模型的關(guān)系，并通過一定手段確定這些模型的理論及其應(yīng)用的一門學(xué)科。實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析（ EMA） 又稱模態(tài)分析的實(shí)驗(yàn)過程，首先，實(shí)驗(yàn)得到激勵(lì)和響應(yīng)的時(shí)間歷程，應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)求得頻響函數(shù)（傳遞函數(shù)） 。

或脈沖響應(yīng)函數(shù)，得到系統(tǒng)的非參數(shù)模型；其次，應(yīng)用參數(shù)識(shí)別方法，求得系統(tǒng)的物理參數(shù)；最后，如果有必要，進(jìn)一步確定系統(tǒng)的物理參數(shù)模型。因此，實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析是綜合應(yīng)用線性振動(dòng)理論、動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理和參數(shù)識(shí)別等手段進(jìn)行系統(tǒng)識(shí)別的過程。

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的第一步是獲得被測(cè)結(jié)構(gòu)激勵(lì)和響應(yīng)的時(shí)域信號(hào)和頻域信號(hào)，如果采用頻域法做參數(shù)識(shí)別，則必須獲得上述兩種時(shí)間歷程信號(hào)，如果是采用時(shí)域法作參數(shù)識(shí)別，有時(shí)只需獲得響應(yīng)的時(shí)間歷程信號(hào)。我們所研究的結(jié)構(gòu)是線性、定常以及穩(wěn)定的系統(tǒng)。在簡(jiǎn)諧激勵(lì)下，定義系統(tǒng)位移頻響函數(shù)為穩(wěn)態(tài)位移響應(yīng)與激勵(lì)幅值之比。

單自由度有阻尼約束系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程為：

振動(dòng)系統(tǒng)在單位脈沖力作用下的自由響應(yīng)稱為單位脈沖響應(yīng)函數(shù)，簡(jiǎn)稱脈沖響應(yīng)函數(shù)，易證脈沖響應(yīng)函數(shù)與頻響函數(shù)是一傅氏變換對(duì)?？梢?，脈沖響應(yīng)函數(shù)與頻響函數(shù)一樣是反映振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的量。只不過頻響函數(shù)在頻域內(nèi)描述系統(tǒng)固有特性，而脈沖響應(yīng)函數(shù)在時(shí)域內(nèi)描述系統(tǒng)固有特性。因此，頻響函數(shù)與脈沖響應(yīng)函數(shù)都構(gòu)成了系統(tǒng)的非參數(shù)模型，它們是進(jìn)行系統(tǒng)識(shí)別的基礎(chǔ)。

多自由度系統(tǒng)頻響函數(shù)可以表示為矩陣形式，Hef （s） 表示僅在第f 個(gè)物理坐標(biāo)上施加單位激勵(lì)，引起第e 個(gè)物理坐標(biāo)的位移響應(yīng)。

忽略阻尼后頻響函數(shù)矩陣的模態(tài)展式為

式中 為模態(tài)剛度； 為模態(tài)質(zhì)量。

頻響函數(shù)的模態(tài)展式中顯含各種模態(tài)參數(shù)，它是頻域法參數(shù)識(shí)別的基礎(chǔ)。

4.橋面板損傷識(shí)別算例

運(yùn)用圖2的實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的動(dòng)力方程反算可以獲得位置2損傷前后剛度變化，將剛度變化對(duì)應(yīng)的固有頻率進(jìn)行歸一處理就可以作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入?yún)?shù)了。

5.結(jié)論

數(shù)據(jù)融合技術(shù)在結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)中的應(yīng)用研究是目前一個(gè)非常熱門的研究課題。數(shù)據(jù)融合技術(shù)的應(yīng)用將結(jié)構(gòu)振動(dòng)損傷的信號(hào)能較好的識(shí)別出來，而且具有較好的魯棒性，對(duì)于早期損傷的信號(hào)也具有較好的識(shí)別能力。

數(shù)據(jù)融合是一門新興學(xué)科，目前尚存在這樣的問題： （1） 未形成基本的理論框架和廣義融合算法； （2） 關(guān)聯(lián)的二義性是數(shù)據(jù)融合的主要障礙，傳感器測(cè)量的不精確性和干擾等都是引起關(guān)聯(lián)二義性的因素； （3） 大多數(shù)數(shù)據(jù)融合是經(jīng)一種簡(jiǎn)單的方法合成信息，并未充分有效地利用多傳感器所提供的冗余信息，很多研究亦是仿真性工作。隨著科學(xué)的發(fā)展，數(shù)據(jù)融合技術(shù)必將成為橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)最有效的信息處理工具并獲得廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳今培、肖建華.智能故障診斷與專家系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社，1997；5-15

[2] 馬宏偉、楊桂通.結(jié)構(gòu)損傷探測(cè)的基本方法和研究進(jìn)展[J]力學(xué)進(jìn)展，1999.29（4）：513-527

[3] 林循泓.振動(dòng)模態(tài)參數(shù)識(shí)別及其應(yīng)用[M]1 南京：東南大學(xué)出版社，1990.10

[4] 胡海昌.多自由度結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)理論[M]1 北京：科學(xué)出版社，1987.5

[5] Mina M， Yim J ，Udpa S S ，Udpa L ，Lord W and Sun K. Two Dimensional Multi2frequency Eddy Current Data Fusion. Review of Progress in QNDE ，1996 ， （15） ：2125-2132

摘 要：為了提高結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的準(zhǔn)確率，在大型復(fù)雜土木工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)中引入多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，分析了常用的數(shù)據(jù)融合方法——Bayes方法和D-S證據(jù)理論的有效性，并將試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)運(yùn)用數(shù)據(jù)融合技術(shù)進(jìn)行損傷的識(shí)別。指出了將試驗(yàn)?zāi)B(tài)所得的含有損傷信息的信號(hào)運(yùn)用數(shù)據(jù)融合技術(shù)識(shí)別的可能性，揭示了數(shù)據(jù)融合技術(shù)在結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別領(lǐng)域中廣闊的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：損傷識(shí)別；數(shù)據(jù)融合；實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

1.引言

近年來，不斷發(fā)展起來的多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)以其強(qiáng)大的時(shí)空覆蓋能力和對(duì)多源不確定性信息的綜合處理能力，可以有效地進(jìn)行結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和診斷。多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)從多源信號(hào)中獲取信息，減小了信息的不確定度，有助于幫助制定決策。無損檢測(cè)數(shù)據(jù)融合近幾年發(fā)展很快。來自不同國家的很多人對(duì)它表現(xiàn)出極大的興趣，他們已經(jīng)提出了多種適用于無損檢測(cè)數(shù)據(jù)融合的模型。本文將從多傳感器數(shù)據(jù)融合的概念、基本原理、基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的健康監(jiān)測(cè)與診斷方法及其應(yīng)用等方面進(jìn)行了研究。

2.數(shù)據(jù)融合技術(shù)

多傳感器數(shù)據(jù)融合是人類模仿自身信息處理能力的結(jié)果，多傳感器數(shù)據(jù)融合又稱信息融合，即充分利用不同時(shí)間與空間的多傳感器信息資源，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)按時(shí)序獲得的多傳感器信息，在一定準(zhǔn)則下加以自動(dòng)分析、綜合和使用，獲得被測(cè)對(duì)象的一致性解釋或描述，以完成所需的決策和估計(jì)任務(wù)，使系統(tǒng)獲得更優(yōu)越的性能。作為一種數(shù)據(jù)綜合和處理技術(shù)，數(shù)據(jù)融合實(shí)際上是許多傳統(tǒng)學(xué)科和新技術(shù)的集成和應(yīng)用，涉及模式識(shí)別、決策論、不確定性推理、估計(jì)理論、最優(yōu)化技術(shù)等，它最早用于軍事，目前在工業(yè)控制、交通管制、海洋監(jiān)視和管理領(lǐng)域的應(yīng)用日漸增多。

多傳感器數(shù)據(jù)融合就像人腦綜合處理信息一樣，其基本原理就是充分利用多傳感器資源，通過對(duì)這些傳感器及觀測(cè)信息的合理支配和使用，把多傳感器在空間或時(shí)間上的冗余或互補(bǔ)信息依據(jù)某種準(zhǔn)則進(jìn)行組合，以獲得被測(cè)對(duì)象的一致性解釋或描述。

3.試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

模態(tài)分析與參數(shù)識(shí)別是在振動(dòng)理論、信號(hào)分析、數(shù)據(jù)處理、概率統(tǒng)計(jì)、自動(dòng)控制、測(cè)試技術(shù)與計(jì)算機(jī)等學(xué)科基礎(chǔ)上發(fā)展起來的邊緣新興學(xué)科。一般地，以振動(dòng)理論為基礎(chǔ)，以模態(tài)參數(shù)為目標(biāo)的分析方法稱為模態(tài)分析。更確切地說，模態(tài)分析是研究系統(tǒng)的物理參數(shù)模型、模態(tài)參數(shù)模型和非參數(shù)模型的關(guān)系，并通過一定手段確定這些模型的理論及其應(yīng)用的一門學(xué)科。實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析（ EMA） 又稱模態(tài)分析的實(shí)驗(yàn)過程，首先，實(shí)驗(yàn)得到激勵(lì)和響應(yīng)的時(shí)間歷程，應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)求得頻響函數(shù)（傳遞函數(shù)） 。

或脈沖響應(yīng)函數(shù)，得到系統(tǒng)的非參數(shù)模型；其次，應(yīng)用參數(shù)識(shí)別方法，求得系統(tǒng)的物理參數(shù)；最后，如果有必要，進(jìn)一步確定系統(tǒng)的物理參數(shù)模型。因此，實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析是綜合應(yīng)用線性振動(dòng)理論、動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理和參數(shù)識(shí)別等手段進(jìn)行系統(tǒng)識(shí)別的過程。

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的第一步是獲得被測(cè)結(jié)構(gòu)激勵(lì)和響應(yīng)的時(shí)域信號(hào)和頻域信號(hào)，如果采用頻域法做參數(shù)識(shí)別，則必須獲得上述兩種時(shí)間歷程信號(hào)，如果是采用時(shí)域法作參數(shù)識(shí)別，有時(shí)只需獲得響應(yīng)的時(shí)間歷程信號(hào)。我們所研究的結(jié)構(gòu)是線性、定常以及穩(wěn)定的系統(tǒng)。在簡(jiǎn)諧激勵(lì)下，定義系統(tǒng)位移頻響函數(shù)為穩(wěn)態(tài)位移響應(yīng)與激勵(lì)幅值之比。

單自由度有阻尼約束系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程為：

振動(dòng)系統(tǒng)在單位脈沖力作用下的自由響應(yīng)稱為單位脈沖響應(yīng)函數(shù)，簡(jiǎn)稱脈沖響應(yīng)函數(shù)，易證脈沖響應(yīng)函數(shù)與頻響函數(shù)是一傅氏變換對(duì)。可見，脈沖響應(yīng)函數(shù)與頻響函數(shù)一樣是反映振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的量。只不過頻響函數(shù)在頻域內(nèi)描述系統(tǒng)固有特性，而脈沖響應(yīng)函數(shù)在時(shí)域內(nèi)描述系統(tǒng)固有特性。因此，頻響函數(shù)與脈沖響應(yīng)函數(shù)都構(gòu)成了系統(tǒng)的非參數(shù)模型，它們是進(jìn)行系統(tǒng)識(shí)別的基礎(chǔ)。

多自由度系統(tǒng)頻響函數(shù)可以表示為矩陣形式，Hef （s） 表示僅在第f 個(gè)物理坐標(biāo)上施加單位激勵(lì)，引起第e 個(gè)物理坐標(biāo)的位移響應(yīng)。

忽略阻尼后頻響函數(shù)矩陣的模態(tài)展式為

式中 為模態(tài)剛度； 為模態(tài)質(zhì)量。

頻響函數(shù)的模態(tài)展式中顯含各種模態(tài)參數(shù)，它是頻域法參數(shù)識(shí)別的基礎(chǔ)。

4.橋面板損傷識(shí)別算例

運(yùn)用圖2的實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的動(dòng)力方程反算可以獲得位置2損傷前后剛度變化，將剛度變化對(duì)應(yīng)的固有頻率進(jìn)行歸一處理就可以作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入?yún)?shù)了。

5.結(jié)論

數(shù)據(jù)融合技術(shù)在結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)中的應(yīng)用研究是目前一個(gè)非常熱門的研究課題。數(shù)據(jù)融合技術(shù)的應(yīng)用將結(jié)構(gòu)振動(dòng)損傷的信號(hào)能較好的識(shí)別出來，而且具有較好的魯棒性，對(duì)于早期損傷的信號(hào)也具有較好的識(shí)別能力。

數(shù)據(jù)融合是一門新興學(xué)科，目前尚存在這樣的問題： （1） 未形成基本的理論框架和廣義融合算法； （2） 關(guān)聯(lián)的二義性是數(shù)據(jù)融合的主要障礙，傳感器測(cè)量的不精確性和干擾等都是引起關(guān)聯(lián)二義性的因素； （3） 大多數(shù)數(shù)據(jù)融合是經(jīng)一種簡(jiǎn)單的方法合成信息，并未充分有效地利用多傳感器所提供的冗余信息，很多研究亦是仿真性工作。隨著科學(xué)的發(fā)展，數(shù)據(jù)融合技術(shù)必將成為橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)最有效的信息處理工具并獲得廣泛應(yīng)用。

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