基于遺傳算法的渡槽傳感器優(yōu)化布置

顧培英， 王嵐嵐， 鄧昌， 王建

(1.南京水利科學(xué)研究院 材料結(jié)構(gòu)研究所，江蘇 南京210029; 2.水利部 水科學(xué)與水工程重點實驗室，江蘇 南京 210029)

基于遺傳算法的渡槽傳感器優(yōu)化布置

顧培英1,2， 王嵐嵐1,2， 鄧昌1,2， 王建1,2

(1.南京水利科學(xué)研究院 材料結(jié)構(gòu)研究所，江蘇 南京210029; 2.水利部 水科學(xué)與水工程重點實驗室，江蘇 南京 210029)

對于老舊渡槽，科學(xué)的損傷診斷有助于及時發(fā)現(xiàn)隱患并進行處理，其中傳感器的優(yōu)化布置是損傷診斷的關(guān)鍵。分別闡述了渡槽動力特性研究現(xiàn)狀、傳感器優(yōu)化布置的方法以及基于遺傳算法的橋梁傳感器優(yōu)化布置，最后分析了渡槽與橋梁的異同?；谶z傳算法的渡槽傳感器優(yōu)化布置，可以借鑒遺傳算法在橋梁傳感器優(yōu)化布置中的改性方法，綜合考慮渡槽槽身底板、側(cè)壁、支撐結(jié)構(gòu)的動力特性，優(yōu)化傳感器的數(shù)目和布置位置。闡述和分析結(jié)果為基于遺傳算法的渡槽傳感器布置位置、遺傳算法的改進提供參考。

渡槽;損傷診斷;傳感器優(yōu)化布置;遺傳算法;動力特性;橋梁

渡槽是南水北調(diào)等大型水利工程中的重要建筑物，在跨流域調(diào)水過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[1]。實際運行過程中，由于槽內(nèi)水體和環(huán)境因素的影響，造成了渡槽結(jié)構(gòu)不同程度的破壞[2]。渡槽產(chǎn)生的病害癥狀主要有:表層混凝土剝蝕、蜂窩、鋼筋外露、各種原因的裂縫、滲漏、地基不均勻沉降、整體或局部失穩(wěn)、倒塌、結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形、撓度過大以及各種材料老化等[3-5]。科學(xué)的損傷診斷及安全評價有助于發(fā)現(xiàn)渡槽的早期病害，從而及時維修加固，以保證渡槽的結(jié)構(gòu)性能，延長渡槽的使用年限，避免發(fā)生災(zāi)難性事故[6]。

目前，結(jié)構(gòu)損傷診斷技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空航天、海洋工程、機械電子等領(lǐng)域，由于渡槽的損傷診斷是近年來遇到的新問題，所以結(jié)構(gòu)的損傷診斷技術(shù)暫未在渡槽領(lǐng)域應(yīng)用。目前，老舊渡槽不斷增多，實際渡槽維護工程急需相關(guān)標(biāo)準和規(guī)范及渡槽損傷診斷方面的研究成果[7]。

結(jié)構(gòu)損傷診斷的各種方法中無損檢測法具有準確、快捷和無破損等特點，在結(jié)構(gòu)損傷診斷中具有重要意義[8]。傳統(tǒng)的無損檢測技術(shù)如超聲波法、沖擊回波法、聲發(fā)射法、紅外線法和雷達法等均屬于局部損傷診斷方面的技術(shù)方法[9]，此類方法在應(yīng)用時工作量大、費用高，而且難以完整、準確地評價整個結(jié)構(gòu)體系。

結(jié)構(gòu)動力特性只與結(jié)構(gòu)本身有關(guān)，與荷載等外部條件無關(guān)，一旦損傷，必然引起動力特性的改變[10]。損傷動力診斷依據(jù)動力測試信號分析結(jié)構(gòu)的固有頻率、阻尼和模態(tài)振型等動力特性，進而診斷結(jié)構(gòu)損傷位置和程度，最終做出準確的安全評定，因而具有全局性[11]的特點。

分析實際渡槽結(jié)構(gòu)的動力特性時要依賴傳感器的測量結(jié)果，所以，離不開傳感器的布置?？紤]到經(jīng)濟性和可行性，一般應(yīng)盡量布置較少的傳感器，故需對傳感器的數(shù)目及布置位置進行優(yōu)化，即傳感器的優(yōu)化布置[12-13]。目前，尚未見到渡槽傳感器優(yōu)化布置的國內(nèi)外相關(guān)文獻。

渡槽又稱輸水橋，具有和橋梁相似的受力和傳力特點，所以，可以借鑒橋梁結(jié)構(gòu)方面的損傷診斷方法。但渡槽槽內(nèi)有大量水體，結(jié)構(gòu)頭重腳輕，與橋梁結(jié)構(gòu)存在一定差異，因此，若根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的傳感器布置來進行基于遺傳算法的渡槽傳感器優(yōu)化布置，需要分析渡槽結(jié)構(gòu)的動力特性，改進遺傳算法，使得該算法更加適用于渡槽的結(jié)構(gòu)特點，以提高運算效率和準確度，為損傷診斷和安全評價提供基礎(chǔ)。

1 渡槽動力特性

渡槽頂部大質(zhì)量的水體以及環(huán)境激勵下水體的晃動將影響渡槽結(jié)構(gòu)的動力特性，即流固耦合作用[14]。建立有限元模型是分析槽內(nèi)水體對渡槽動力特性影響的重要方法。徐建國等[15]為了研究大型雙槽渡槽的動力特性，根據(jù)Housner理論，即采用多質(zhì)量塊和多彈簧振子模擬槽內(nèi)水體，分析渡槽空槽和設(shè)計水位2種工況下前12階的頻率和振型。結(jié)果表明：水體的存在并未改變結(jié)構(gòu)的整體振動形態(tài)，有水工況比對應(yīng)各階無水工況的振動頻率小。董葒、蘇小鳳等[16-17]采用附加質(zhì)量法考慮矩形渡槽內(nèi)不同水深的作用，得出相同的結(jié)論。BAI B等分析了設(shè)計水位和1/2水位時渡槽結(jié)構(gòu)的動力特性，結(jié)果表明，頻率隨水深的增加而減小[18]。BAI X L等認為水對渡槽結(jié)構(gòu)的模態(tài)形狀無影響,即有水、無水工況的模態(tài)形狀外觀相似[19]。季日臣等[20]進一步分析了是否考慮水體晃動對渡槽振動頻率的影響，指出了不考慮水體晃動、僅將水當(dāng)作剛體施加于槽身時，將夸大水對渡槽自振頻率的影響，同時槽內(nèi)是否有水也將影響渡槽結(jié)構(gòu)的振型：槽內(nèi)無水時，該結(jié)構(gòu)的第一階振型為順槽方向，第二階振型為橫槽方向;槽內(nèi)有水時，第一階振型為橫槽方向，第二階振型為順槽方向，方向相反。馬文亮等[21]認為，隨著水深的增加，渡槽的自振頻率減小，這是由于水的存在增加了整體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，且渡槽自振頻率變化趨于平緩，因此，水體對渡槽自振頻率的影響不大。張成江[22]分析了拱式渡槽無水工況和有水工況(槽內(nèi)水體以水荷載的方式施加于渡槽槽身)模型提取的振型圖，證明槽中水體對渡槽結(jié)構(gòu)振型有較大影響：前7階振型特征大致相同，幅度不同，出現(xiàn)的順序一致，從第8到第15階，振型的特征出現(xiàn)順序發(fā)生了變化。

渡槽動力特性研究除了涉及槽內(nèi)水體影響，還包括如下因素：截面形式、樁-土相互作用、槽墩高度等。張銀芳等[23]針對底部加厚和不加厚兩種“U”形截面渡槽結(jié)構(gòu)，進行了渡槽結(jié)構(gòu)的動力特性計算和對比分析。吳澤玉等[24]分析了有肋和無肋的矩形渡槽和“U”形渡槽不同預(yù)應(yīng)力筋配置方式的動力特性，以此選擇合適的截面形式。

渡槽的抗震計算常假設(shè)地基為剛性，進而直接將渡槽固結(jié)于地面上；而實際情況是，在地震荷載作用下，由樁和土間的相互作用引起上部結(jié)構(gòu)振動。王博等[25]為了分析樁-土相互作用對渡槽的動力特性的影響，建立了同時考慮流固耦合和樁-土相互作用的樁-土-渡槽-水三維仿真力學(xué)模型。周振綱[26]、李正農(nóng)等[27]分析了槽墩高度變化對渡槽結(jié)構(gòu)基頻的影響。

渡槽結(jié)構(gòu)本身的復(fù)雜性使得其動力特性研究多借助軟件模擬，但試驗方法更直觀，是不可或缺的研究手段。顧培英等[8，28]應(yīng)用應(yīng)變模態(tài)試驗技術(shù)對簡支渡槽模型進行結(jié)構(gòu)損傷診斷研究，分析槽身裂縫損傷程度與應(yīng)變模態(tài)之間的關(guān)系。

現(xiàn)場采集渡槽的振動響應(yīng)受水流因素影響較大，有效信息易被低頻水流噪聲淹沒，據(jù)此，張建偉等[29]提出環(huán)境激勵下基于二次濾波的希爾伯特-黃變換(Hilbert-Huang Transform,HHT)模態(tài)參數(shù)辨識方法，并將該方法應(yīng)用于景泰川二期3泵站輸水“U”型渡槽工程中，證明了HHT模態(tài)參數(shù)辨識方法能夠濾除運行環(huán)境中強噪聲的干擾，準確辨識渡槽頻率，且識別精度高，但并未分析該方法對結(jié)構(gòu)振型識別的精確性。

渡槽動力特性多通過有限元方法進行模擬研究，采用不同方法考慮槽身與水作用的有限元模型模擬計算結(jié)果差別較大，依據(jù)模型試驗結(jié)果的分析較少,對槽內(nèi)水體對渡槽結(jié)構(gòu)頻率變化影響的研究較多，針對振型的研究較少，鮮有關(guān)于渡槽傳感器優(yōu)化布置的研究。渡槽動力特性受截面形式、樁-土相互作用、槽墩高度等因素的影響，現(xiàn)有的研究中并未得出渡槽動力特性的統(tǒng)一規(guī)律，難以為渡槽結(jié)構(gòu)的損傷診斷提供有用的參考資料。

2 傳感器優(yōu)化布置

2.1 傳感器優(yōu)化布置方法

渡槽損傷診斷的結(jié)果很大程度依賴于傳感器的優(yōu)化布置[30]，目的是在考慮經(jīng)濟基礎(chǔ)的條件下最大限度地采集監(jiān)測信息，并通過采集到的信息分析渡槽的動力特性[13]。常用的傳感器優(yōu)化布置方法有：模態(tài)動能法、有效獨立法、Guyan模型縮減法、模擬退火算法、遺傳算法等。模態(tài)動能法[31-32]計算結(jié)果受有限元網(wǎng)格劃分的影響；有效獨立法[33]選擇的測點應(yīng)變能不高，易造成信息冗余；Guyan模型縮減法[34-35]能較好地保留低階模態(tài)，但對高階模態(tài)的計算結(jié)果誤差較大。模擬退火算法[36]需要選擇初始溫度、退火速度等參數(shù)，這些參數(shù)隨具體問題而變化，較難選擇，因此不能控制搜索效率，易導(dǎo)致搜索時間過長。

遺傳算法[37]起源于達爾文的生物進化理論，模擬自然界“適者生存”的機制。與上述算法相比具有以下特點：①自組織、自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)能力，即可根據(jù)環(huán)境變化自動發(fā)現(xiàn)環(huán)境特性和規(guī)律，因此，可以解決復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化問題;②本質(zhì)并行性，適合大規(guī)模并行運算;③搜索范圍廣，大大減少了陷入局部最優(yōu)解的可能性;④求解各類問題時只需要定義目標(biāo)函數(shù)，無需梯度等其他信息[38]。因此，采用遺傳算法進行結(jié)構(gòu)動力特性傳感器優(yōu)化布置相比于其他算法更具可行性。遺傳算法解決問題的一般過程如圖1所示，其中參數(shù)編碼、初始群體的產(chǎn)生、適應(yīng)度函數(shù)的設(shè)計、遺傳操作的設(shè)計、控制參數(shù)的設(shè)定[39]是遺傳算法的5要素，遺傳操作包括選擇、交叉、變異3個基本遺傳算子。

圖1 遺傳算法流程圖

2.2 基于遺傳算法的橋梁傳感器優(yōu)化布置

遺傳算法不依賴于問題具體的領(lǐng)域，具有很強的魯棒性，廣泛應(yīng)用于許多學(xué)科。大批學(xué)者采用遺傳算法以及改進的遺傳算法進行橋梁傳感器的優(yōu)化布置。

繆長青等[40]在有限元分析的基礎(chǔ)上，采用遺傳算法布置了潤揚大橋的振動傳感器，根據(jù)大橋前30階模態(tài)，選擇基于變形能的適應(yīng)度，優(yōu)化振動測點布置。左云[41]用遺傳算法進行了茅草街大橋的傳感器優(yōu)化布置。但是，傳統(tǒng)遺傳算法應(yīng)用于上述橋梁結(jié)構(gòu)的傳感器優(yōu)化布置計算時存在如下缺點：收斂速度慢，結(jié)果的可靠性不高，易陷入局部最優(yōu)等。

孫曉丹等[30]以高效、準確地找到最優(yōu)值為原則，改進傳統(tǒng)遺傳算法。具體操作如下：①采用有條件的2點交叉，并采用不同基因值對換位置的方式變異，使得傳感器數(shù)目在交叉、變異過程中不變；②采用自適應(yīng)選擇變異，防止不成熟收斂，當(dāng)搜索沿著較快的尋優(yōu)方向發(fā)展時，采用較小變異率，當(dāng)連續(xù)若干代為恒定值時，則采用較大的變異率多次變異；③適應(yīng)度最大的個體直接進入下一代以保持增長的趨勢。通過哈爾濱四方臺大橋模型的仿真分析，證明了改進的遺傳算法在搜索能力、計算效率、可靠性等方面相比傳統(tǒng)遺傳算法有較大改善，搜索能力明顯優(yōu)于經(jīng)典的序列法。

黃民水等[42]為解決橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的傳感器優(yōu)化布置問題，針對遺傳算法的上述缺陷，提出如下改進：①采用二重結(jié)構(gòu)編碼遺傳算法時，與上述采用二進制編碼的遺傳算法相比提高了搜索效率；②采用最優(yōu)保存策略時，保證優(yōu)良個體不會被交叉、變異等遺傳運算破壞，并改進了最差個體，提高了種群整體素質(zhì)，有效保證了算法的收斂性；③采用部分匹配交叉的方法時，避免了由于交叉操作使得二重編碼的上行附加碼重復(fù)；④采用逆位變異時，確保新產(chǎn)生個體均為可行解；⑤采用自適應(yīng)的交叉和變異方法時，在保持群體多樣性的同時，又保證了遺傳算法的收斂性。單德山等[43]選用不同的適應(yīng)度函數(shù)采用相似的方法解決了大跨度鐵路橋梁健康監(jiān)測中的傳感器優(yōu)化布置問題。劉來君等[12]采用與文獻[24]相似的方法處理了連續(xù)剛構(gòu)橋的傳感器優(yōu)化布置問題，將部分匹配交叉改為多段交叉，隨著交叉段數(shù)的增加，模態(tài)置信度矩陣的最大非對角元呈下降的趨勢，從而防止傳統(tǒng)遺傳算法收斂過早、陷入局部最優(yōu)解等現(xiàn)象，能更好地利用初始種群的多樣性。

廣義遺傳算法[44]、混合遺傳算法[45]、嵌套層迭遺傳算法[46]等應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)傳感器的優(yōu)化布置時，均能改進傳統(tǒng)遺傳算法優(yōu)化時的缺陷，提高運算效率。

基于遺傳算法的橋梁結(jié)構(gòu)的傳感器優(yōu)化布置時，為了提高收斂速度，增強可靠性，避免產(chǎn)生局部最優(yōu)解，進行了相關(guān)調(diào)整，改進主要體現(xiàn)在以下幾個方面：編碼方式、適應(yīng)度函數(shù)、遺傳操作、保存策略、和其他算法相結(jié)合等。

3 基于遺傳算法的渡槽傳感器優(yōu)化布置

渡槽結(jié)構(gòu)從功能角度可以稱為輸水橋，是跨越山川、河谷、道路的架空輸水建筑物，具有與橋梁結(jié)構(gòu)相似的受力、傳力特點[47-48]。橋梁傳感器優(yōu)化布置研究已較成熟，基于各種改進遺傳算法的傳感器優(yōu)化布置也在橋梁結(jié)構(gòu)中得到了很好的應(yīng)用，對傳感器在渡槽結(jié)構(gòu)中的優(yōu)化布置具有借鑒意義。

進行傳感器優(yōu)化布置研究的橋梁單跨跨度一般大于50 m，而渡槽的單跨跨度較小，一般小于50 m，支撐結(jié)構(gòu)高度相對較高，如南水北調(diào)某渡槽單跨長40 m、墩高9.50～9.66 m[49]；雙洎河大型渡槽的一個典型跨，單跨長40 m、槽墩高度18 m[50]。

渡槽動力特性的傳感器優(yōu)化布置研究選擇梁式渡槽模型，主要是由于梁式渡槽結(jié)構(gòu)簡單，施工和吊裝方便，應(yīng)用最多[51]；但梁式渡槽的槽身具有承重作用，所以自重較重，跨中彎矩也比較大。這些原因?qū)е铝肆菏蕉刹鄣目缍容^小，適用跨度一般為20 m以內(nèi)，即使使用預(yù)應(yīng)力技術(shù)，跨度仍局限在50 m內(nèi)[52]。圖2為某簡支梁橋的動力特性振型圖[53]，其中該段橋跨度為11.5 m。圖3為簡支梁式渡槽某跨的動力特性振型圖[54]，其中該渡槽跨長12 m，基礎(chǔ)底部到槽頂高18.5 m，槽內(nèi)為設(shè)計水位。

圖2 簡支梁橋某跨的動力特性振型圖

圖3 簡支梁式渡槽某跨的動力特性振型圖

對比分析圖2和圖3中的振型圖得出如下結(jié)論：在跨度相差不大的前提下，簡支梁橋的振型較簡支梁式渡槽的振型簡單，渡槽側(cè)壁易產(chǎn)生變形；渡槽中的排架結(jié)構(gòu)在已列出的前5階振型中均易產(chǎn)生較大變形。

渡槽和橋梁結(jié)構(gòu)相比有很大的區(qū)別[55]。渡槽中水體的重量相當(dāng)或甚至超過結(jié)構(gòu)重量[47]，環(huán)境激勵下，水體會產(chǎn)生較大的晃動甚至飛濺；而渡槽槽壁相應(yīng)較薄，在外載和水體晃動的雙重作用下，易產(chǎn)生較大變形[56]，動力特性遠比橋梁復(fù)雜[57]。渡槽結(jié)構(gòu)設(shè)計裂縫控制等級高，考慮到渡槽結(jié)構(gòu)長期處于水環(huán)境中，防蝕、防滲、防漏是渡槽設(shè)計研究的突出問題[58]，傳感器布置既要考慮損傷對整體結(jié)構(gòu)的影響，又必須易于判斷局部損傷的程度?；谶z傳算法的橋梁傳感器布設(shè)位置大多只考慮橋面，少有將橋面和支撐結(jié)構(gòu)作為整體來分析橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性，進而在結(jié)構(gòu)中布置傳感器的。

因此，基于遺傳算法的渡槽傳感器優(yōu)化布置可以借鑒遺傳算法在橋梁傳感器優(yōu)化布置中的改進方法，但布置位置需要結(jié)合渡槽本身的動力特性，不能僅布置在槽身底板處，還需要考慮槽壁和支撐結(jié)構(gòu)的動力特性、槽內(nèi)水體的作用等情況。

4 結(jié)語

渡槽動力特性受槽內(nèi)水體的影響顯著，基于遺傳算法的渡槽傳感器優(yōu)化布置必須考慮不同水深的作用，使得傳感器布設(shè)在不改變位置、經(jīng)濟允許的條件下，準確分析出不同工況下渡槽的動力特性，為其損傷診斷提供依據(jù)。

采用模型試驗和數(shù)值仿真計算相結(jié)合的方式進行綜合研究，以提高傳感器優(yōu)化布置結(jié)果的可靠性。

橋梁傳感器多布置在橋面，考慮到渡槽與橋梁的差異及動力特性的不同，渡槽傳感器優(yōu)化布置時應(yīng)綜合考慮槽身底板、側(cè)壁、支撐結(jié)構(gòu)的動力特性，通過改進遺傳算法的編碼、適應(yīng)度函數(shù)、遺傳操作、最優(yōu)保存策略等，提高渡槽傳感器優(yōu)化布置的運行效率，避免陷入局部最優(yōu)解。

[1] 陳厚群．南水北調(diào)工程抗震安全性問題[J]．中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報，2003，1(1)：17-22．

[2] 陳武,劉德仁,董元宏，等．寒區(qū)封閉引水渡槽中水溫變化預(yù)測分析[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28(4)：69-75．

[3] 單旭輝．放水河渡槽混凝土凍脹裂縫處理技術(shù)[J]．南水北調(diào)與水利科技，2010，8(1)：133-135．

[4] ZHENG C,PENG H,LIU S,et al.Application research on the temperature control and crack prevention of the large-scale aqueduct in China's South-to-North Water Diversion Project[J].Yellow River,2012,28:635-639.

[5] 許曉會,劉斌．黑河引水工程灃峪渡槽混凝土結(jié)構(gòu)病害治理[J]．水利與建筑工程學(xué)報，2010，8(5)：63-65．

[6] 王鵬．模態(tài)識別在渡槽結(jié)構(gòu)損傷檢測中的應(yīng)用研究[D]．保定：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2005：3-7．

[7] 張鋒．寧夏引黃灌區(qū)輸水渡槽安全鑒定與評價研究[J]．人民黃河，2016，38(7)：134-137,145．

[8] 顧培英．基于應(yīng)變模態(tài)技術(shù)的結(jié)構(gòu)損傷診斷直接指標(biāo)法研究[D]．南京：河海大學(xué)，2006：13-15．

[9] 王志堅,韓西,鐘厲，等．基于結(jié)構(gòu)動力參數(shù)的土木工程結(jié)構(gòu)損傷識別方法[J]．重慶建筑大學(xué)學(xué)報，2003，25(4)：128-132．

[10] 吳澤玉,王東煒．基于特征參量控制的渡槽預(yù)應(yīng)力張拉順序研究[J]．長江科學(xué)院院報，2015，32(12)：125-128．

[11] 呂泳．碳纖維智能束的功能特性及其應(yīng)用研究[D]．武漢：武漢理工大學(xué)，2011：18-23．

[12] 劉來君,倪富陶,孫維剛，等．多段交叉遺傳算法在連續(xù)剛構(gòu)橋測點優(yōu)化中的應(yīng)用[J]．重慶交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2016，35(2)：6-8,88．

[13] 徐峰,孟光,彭海闊，等．沉管隧道健康監(jiān)測試驗中傳感器位置的優(yōu)選[J]．振動與沖擊，2008，27(2)：87-90．

[14] 丁曉唐,周逸仁,顏云燕．高阻尼橡膠隔震渡槽的設(shè)計和動力性能研究[J]．水資源與水工程學(xué)報，2013，24(1)：119-122,126．

[15] 徐建國,張威,王博，等．南水北調(diào)雙槽渡槽結(jié)構(gòu)動力特性有限元分析[J]．水電能源科學(xué)，2011，29(3)：74-76．

[16] 董葒,魏克倫,宋春草．大型預(yù)應(yīng)力梁式渡槽動力特性分析[J]．華北水利水電大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2014，35(3)：32-35．

[17] 蘇小鳳．考慮水體質(zhì)量雙槽式渡槽結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)研究[D]．蘭州：蘭州交通大學(xué)，2014．

[18] BAI B,LI Y H,DENG X S. Dynamic characteristics analysis of a large aqueduct[J].Advanced Materials Research,2011,255-260:1130-1133.

[19] BAI X L,SU H L,PAN Q.Influence of supports and water depths on dynamic characteristics of aqueduct structure[J].Advanced Materials Research,2011,243-249:4592-4595.

[20] 季日臣,許濤,蘇小鳳，等．考慮水體晃動的多槽式渡槽結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)研究[J]．中國安全科學(xué)學(xué)報，2012(10)：94-100．

[21] 馬文亮,張建華,白新理．大型預(yù)應(yīng)力矩形薄壁梁式渡槽靜動力分析[J]．人民黃河，2012，34(8)：122-124．

[22] 張成江．大跨度鋼筋混凝土拱式渡槽動力特性及地震響應(yīng)分析[D]．重慶：重慶交通大學(xué)，2015：4-25．

[23] 張銀芳,喬俊蕾,白新理．基于勢流理論的渡槽結(jié)構(gòu)動力特性對比分析[J]．華北水利水電大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2014，35(2)：51-55．

[24] 吳澤玉,王東煒．預(yù)應(yīng)力效應(yīng)對渡槽動力特性影響分析[J]．人民黃河，2012，34(10)：131-133．

[25] 王博,申金虎,徐建國．樁-土-渡槽-水相互作用動力特性分析[J]．水電能源科學(xué)，2012(11)：101-103．

[26] 周振綱．樁-土-渡槽結(jié)構(gòu)相互作用的擬動力試驗及計算研究[D]．長沙：湖南大學(xué)，2014：142-151．

[27] 李正農(nóng),周振綱,朱旭鵬．槽墩高度對渡槽結(jié)構(gòu)水平地震響應(yīng)的影響[J]．地震工程與工程振動，2013，33(3)：245-257．

[28] 顧培英,陳厚群,李同春，等．應(yīng)變模態(tài)試驗技術(shù)在渡槽結(jié)構(gòu)損傷診斷中的應(yīng)用[J]．河海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2006，34(4)：422-425．

[29] 張建偉,江琦,曹克磊，等．基于二次濾波的HHT渡槽模態(tài)參數(shù)辨識方法[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015(15)：65-71．

[30] 孫曉丹,李宏偉,歐進萍．大型橋梁動力檢測測點優(yōu)化的改進遺傳算法及其應(yīng)用[J]．西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2006，38(5)：624-628．

[31] UDWADIA F E.Methodology for optimum sensor locations for parameter-identification in dynamic-systems[J].Journal of Engineering Mechanics-ASCE,1994,120(2):368-390.

[32] KAMMER D C.Sensor placement for on-orbit modal identification and correlation of large space structures[J].Journal of Guidance Control & Dynamics,1991,14(2):251-259.

[33] GAWRONSKI W,LIM K B.Balanced actuator and sensor placement for flexible structures[J].International Journal of Control,1996,65(1):131-145.

[34] 顧榮榮,童忠鈁,程耀東．撓性結(jié)構(gòu)主動減振中傳感器和激振器的優(yōu)化布置[J]．振動與沖擊，1995(3)：12-18．

[35] CHEN S T,FAN Y H,LEE A C.Effective active damping design for suppression of vibration in flexible systems via dislocated sensor actuator positioning[J].JSME International Journal Series C-Dynamics Control Robotics Design and Manufacturing,1994,37(2):252-259.

[36] KIRKPATRICK S,JR G C,VECCHI M P.Optimization by simulated annealing[J].Science,1983,220(4598):671.

[37] HOLLAND J.Adaptation in natural and artificial systems:an introductory analysis with applications to biology,control and artificial intelligence[J].Quarterly Review of Biology,1975,6(2):126-137.

[38] 朱宏平,余璟,張俊兵．結(jié)構(gòu)損傷動力檢測與健康監(jiān)測研究現(xiàn)狀與展望[J]．工程力學(xué)，2011,28(2)：1-11．

[39] 王衛(wèi)爭．高層建筑結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)觀測臺陣優(yōu)化布設(shè)方法研究[D]．大連：大連理工大學(xué)，2007：32-37．

[40] 繆長青,李愛群,韓曉林，等．潤揚大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測策略[J]．東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2005，35(5)：780-785．

[41] 左云．茅草街大橋健康監(jiān)測方案以及傳感器優(yōu)化布置的研究[D]．長沙：湖南大學(xué)，2005：48-52．

[42] 黃民水,朱宏平,李煒明．基于改進遺傳算法的橋梁結(jié)構(gòu)傳感器優(yōu)化布置[J]．振動與沖擊，2008，27(3)：82-86．

[43] 單德山,王振華,李喬．大跨度鐵路鋼桁斜拉橋傳感器優(yōu)化布置[J]．土木建筑與環(huán)境工程，2011，33(增刊1)：156-160．

[44] 李戈,秦權(quán),董聰．用遺傳算法選擇懸索橋監(jiān)測系統(tǒng)中傳感器的最優(yōu)布點[J]．工程力學(xué)，2000，17(1)：25．

[45] 馬廣,黃方林,王學(xué)敏．基于混合遺傳算法的橋梁監(jiān)測傳感器優(yōu)化布置[J]．振動工程學(xué)報，2008，21(2)：191-196．

[46] 張倍陽,張謝東,陳衛(wèi)東，等．基于嵌套層迭遺傳算法的大跨橋梁傳感器優(yōu)化布置[J]．武漢理工大學(xué)學(xué)報(交通科學(xué)與工程版)，2016，40(4)：745-749．

[47] 季日臣,夏修身,陳堯?。w晃蕩作用對渡槽橫向抗震影響的研究[J]．水力發(fā)電學(xué)報，2007，26(6)：30-34．

[48] 楊立信．國外調(diào)水工程[M]．北京：中國水利水電出版社，2003：10-14．

[49] 楊世浩,李正農(nóng),宋一樂，等．大型渡槽支座隔震研究[J]．振動工程學(xué)報，2009，22(2)：188-192．

[50] 彭云楓．渡槽抗震與抗風(fēng)研究[D]．武漢：武漢大學(xué)，2005：36-44．

[51] 趙文華．渡槽[M]．北京：水利電力出版社，1989：21-23．

[52] 傅志敏．斜拉式大型渡槽槽身優(yōu)化設(shè)計研究[D]．南京：河海大學(xué)，2003．

[53] 褚福鵬．基于動力特性試驗的某簡支梁橋有限元模型修正[J]．公路與汽運，2014(3)：168-170, 171．

[54] 張建偉,曹克磊,趙瑜，等．基于流固耦合模型的U型渡槽模態(tài)分析及驗證[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32(18)：98-104．

[55] 季日臣,蘇小鳳,嚴娟．水體質(zhì)量對大型梁式渡槽橫向抗震性能影響研究[J]．地震工程學(xué)報，2013，35(3)：569-574．

[56] 趙堃,王春青,張旸，等．基于ADINA的重力壩流固耦合動力特性分析[J]．科學(xué)技術(shù)與工程，2012，12(32)：8788-8792．

[57] 劉云賀,陳厚群．大型渡槽鉛銷橡膠支座減震機理的數(shù)值模擬[J]．水利學(xué)報，2003(12)：98-103．

[58] 劉東常,吳長征，岳中明，等．大型預(yù)應(yīng)力混凝土梁式渡槽結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計研究[J]．華北水利水電學(xué)院學(xué)報，1999,20(4)：16-20．

OptimalArrangementofAqueductSensorBasedonGeneticAlgorithm

GU Peiying1,2， WANG Lanlan1,2， DENG Chang1,2， WANG Jian1,2

(1.Materials and Structural Engineering Department, Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China;2.Key Laboratory of Water Science and Engineering, Ministry of Water Resources, Nanjing 210029, China)

In recent years, the old aqueducts have been increasing, and the scientific damage diagnosis can help to find out the hidden trouble and to deal with them.The optimal arrangement of sensors is critical for damage diagnosis.At present, there are many literatures about optimal arrangement of bridge sensors, but there are not any relevant literatures on optimal placement of aqueduct sensors based on genetic algorithm.In order to fill in the blank, we expound the current situation of the research on the dynamic characteristics of aqueduct, the methods of optimal placement of sensors and the optimal arrangement of bridge sensors based on genetic algorithm. Finally, we analyze the similarities and differences among all the characteristics ofaqueduct and bridge, the analytical results will provide a reference for the placement of aqueduct sensors and the improvement of genetic algorithm.

aqueduct; damage diagnosis; optimal arrangement of sensor; genetic algorithm; dynamic characteristics; bridge

杜明俠)

TV312

A

1002-5634(2017)06-0054-06

2017-04-24

國家重點研發(fā)計劃課題(2016YFC0401807)；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目(Y417012)。

顧培英(1968—),女,江蘇如東人,教授級高級工程師,博士,從事結(jié)構(gòu)健康診斷和安全評估方面的研究。wglaln@sina.com。

王嵐嵐(1993—),女,江蘇連云港人,碩士研究生,從事結(jié)構(gòu)健康診斷方面的研究。E-mail:1774853053@qq.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.06.008