工程結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的信息融合方法研究.pdf

1、信息融合是適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)需要并隨著現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展而興起的多源信息處理技術(shù),在目標(biāo)識(shí)別、戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視、戰(zhàn)略預(yù)警、態(tài)勢(shì)評(píng)估等方面發(fā)揮了重要作用。與單源數(shù)據(jù)相比,信息融合可以提高信息的可信度,增加目標(biāo)特征矢量的維數(shù),信息獲取時(shí)間短,處理速度快,提高了系統(tǒng)的容錯(cuò)能力,因此在工程結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別領(lǐng)域具有很好的發(fā)展前景。本文以土木工程結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的主要特點(diǎn)和研究及應(yīng)用現(xiàn)狀為基礎(chǔ),圍繞工程結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別融合模型的建立、融合算法的實(shí)現(xiàn)以及損傷融合證據(jù)源的選取等問

2、題進(jìn)行了研究,主要研究工作如下：
　?、艦榱烁玫剡M(jìn)行土木工程結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別和健康監(jiān)測(cè),確保結(jié)構(gòu)的安全可靠,本文首先將具有軍事應(yīng)用特點(diǎn)的信息融合JDL功能模型推廣應(yīng)用到土木工程領(lǐng)域,為進(jìn)一步深入研究工程結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別提供了一個(gè)新的平臺(tái)。其次,以此研究平臺(tái)為基礎(chǔ),建立了基于決策層融合土木工程結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的一般模型和方法,分析了融合模型的體系結(jié)構(gòu)、形式框架以及相應(yīng)的融合算法等,為信息融合技術(shù)在土木工程結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別領(lǐng)域的研究與應(yīng)用提供了

3、一個(gè)新途徑。
　　⑵結(jié)合信息融合技術(shù)和土木工程結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的應(yīng)用背景,提出了一種新的證據(jù)理論組合方法。該方法通過引入證據(jù)損耗的觀點(diǎn),深入分析了證據(jù)理論在處理沖突證據(jù)和兼容證據(jù)時(shí)產(chǎn)生悖論的原因,并以此為基礎(chǔ),對(duì)原Dempster組合規(guī)則進(jìn)行了擴(kuò)展和提升,建立了損耗函數(shù)和傾向因子兩個(gè)重要參數(shù)的計(jì)算公式。新的組合規(guī)則不僅克服了絕大多數(shù)修正方法不能同時(shí)有效處理證據(jù)沖突和證據(jù)兼容等缺點(diǎn),保證了組合結(jié)果的可靠性和有效性,而且還涵蓋了Demps

4、ter-Shafer方法,完全拋棄了傳統(tǒng)的在原組合規(guī)則基礎(chǔ)上打補(bǔ)丁的修正方式,具有較好的通用性。更重要的是,新的組合規(guī)則不含待定參數(shù),具有很好的工程適用性。
　　⑶Dempster-Shafer方法假定證據(jù)源100％可靠,但是對(duì)于土木工程結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別問題而言,由于噪聲影響,錯(cuò)誤信號(hào)干擾以及不同識(shí)別方法自身的適用性等,各損傷識(shí)別證據(jù)源卻具有不同程度的可信度。因此,為了在融合過程中能夠反映證據(jù)源可信度的差異,文中提出了應(yīng)綜合考慮先驗(yàn)

5、和后驗(yàn)信息證據(jù)源可信度的評(píng)估方法。在此基礎(chǔ)上，又提出了將證據(jù)源可信度的處理方式設(shè)置為可調(diào)控“開/關(guān)”的融合策略。接著,綜合上述兩種融合策略,提出了本文研究的整體融合模型,解決了傳統(tǒng)的采用證據(jù)距離考慮證據(jù)可信度所帶來的證據(jù)相關(guān)問題,組合機(jī)制方便靈活,具有較好的開放性和通用性,又不過分依賴先驗(yàn)信息,能夠較好地適用于土木工程結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的研究和應(yīng)用。
　　⑷研究了證據(jù)理論的評(píng)價(jià)體系,根據(jù)文中提出的融合方法,采用計(jì)算機(jī)模擬,對(duì)大量的典型算

6、例進(jìn)行了相應(yīng)的計(jì)算和分析,并對(duì)其交換性、結(jié)合性、同一性、極化性、抗高沖突性、聚焦性、魯棒性、便利性和復(fù)雜性等性能進(jìn)行了綜合分析和評(píng)價(jià)。結(jié)果表明,與常用的改進(jìn)證據(jù)組合方法相比,文中提出的融合方法能夠滿足對(duì)證據(jù)理論的絕大多數(shù)期望性質(zhì),在工程結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別和健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有較強(qiáng)的應(yīng)用前景。
　?、梢酝聊竟こ探Y(jié)構(gòu)損傷融合識(shí)別證據(jù)源的選取為目標(biāo),系統(tǒng)研究了土木工程結(jié)構(gòu)對(duì)損傷敏感的動(dòng)力參數(shù)和損傷指標(biāo),分析了各種參數(shù)和指標(biāo)的適用條件與適用范圍。接

7、著,以工程結(jié)構(gòu)的多損傷識(shí)別為背景,選取了基于頻率的MDLAC、基于振型的MDLAC和MSECR等方法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)結(jié)構(gòu)單元級(jí)多損傷定位。通過對(duì)一個(gè)31桿桁架模型結(jié)構(gòu)的有限元損傷模擬和數(shù)值計(jì)算,分析比較了不同損傷位置、不同損傷程度等情況下,上述3種方法的識(shí)別效果和可信度差異。對(duì)于單損傷識(shí)別,上述上述3種方法均具有較高的可靠性;但對(duì)于多損傷位置判別,則容易出現(xiàn)漏判和誤判現(xiàn)象。與之相比,文中提出的融合方法能夠很好地剔除誤判,并能夠有效地補(bǔ)充漏判,

8、提高了多損傷位置判別的準(zhǔn)確度。
　?、试O(shè)計(jì)并制作了1個(gè)3層單跨的空間桿系模型結(jié)構(gòu),考慮了6種試驗(yàn)工況,采用單輸入多輸出的錘擊法,對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了各種工況下的損傷識(shí)別試驗(yàn),測(cè)試了模型結(jié)構(gòu)損傷前后和不同損傷工況下模態(tài)參數(shù)的變化,分析了各種影響因素,并與計(jì)算機(jī)分析結(jié)果進(jìn)行了比較,兩者吻合較好。在此基礎(chǔ)上，采用MSECR、基于頻率的MDLAC以及基于模態(tài)振型向量的MDLAC方法,對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)的各種工況進(jìn)行了初步損傷識(shí)別,檢驗(yàn)了上述3種方

9、法的識(shí)別效果,并將每種識(shí)別方法獲得的判別結(jié)果作為損傷融合證據(jù)源,采用文中提出的融合模型和融合實(shí)現(xiàn)算法,對(duì)該模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了損傷融合識(shí)別研究,取得了較好的識(shí)別效果。
　　⑺試驗(yàn)和理論研究結(jié)果表明,文中提出的基于兩種融合策略的證據(jù)融合算法,不僅擴(kuò)展了Dempster組合規(guī)則,能夠有效地消除證據(jù)理論的悖論,而且可通過設(shè)置調(diào)控“開/關(guān)”,方便地融入證據(jù)的可信度,使融合結(jié)果更切實(shí)際,文中的評(píng)價(jià)體系也驗(yàn)證了該融合方法應(yīng)滿足的期望性質(zhì)。同時(shí),文中