橋梁健康監(jiān)測(cè)信號(hào)的遞歸特性分析.pdf

1、近年來，隨著橋梁健康監(jiān)測(cè)理論研究的深入和發(fā)展，應(yīng)用采集的環(huán)境振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別、荷載識(shí)別等方面研究迅速成為學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。然而，在應(yīng)用信號(hào)處理的方法對(duì)環(huán)境振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析的過程中，特別是大型橋梁結(jié)構(gòu)環(huán)境振動(dòng)信號(hào)的分析和處理，信號(hào)的非平穩(wěn)特征和不確定性等因素制約了許多傳統(tǒng)方法的應(yīng)用，往往使分析結(jié)果不穩(wěn)定，從而造成識(shí)別過程中出現(xiàn)偏差甚至錯(cuò)誤的結(jié)果。因此，研究一些新的針對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)的分析方法和技術(shù)以及相應(yīng)的特征提取手段成為本文研究的

2、目的。
　　首先，本文綜述了國(guó)內(nèi)外關(guān)于遞歸圖理論分析方法的大量文獻(xiàn)，以及以此為基礎(chǔ)的遞歸量化分析等方面的相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)其理論意義、研究應(yīng)用背景、已有的成果和存在的問題作了較全面的論述。同時(shí)概述了遞歸圖以及遞歸量化分析的基本理論和算法。遞歸圖以信號(hào)通過相空間重構(gòu)得到的相軌跡為基礎(chǔ)建立信號(hào)的遞歸矩陣，并將矩陣以圖形的形式表現(xiàn)出來，作為分析研究的對(duì)象。遞歸量化分析則是利用遞歸圖上各種反映信號(hào)中不同特征模式的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行計(jì)算、分析，以達(dá)到對(duì)

3、信號(hào)進(jìn)行定性、定量分析的目的。
　　本文采用基于離散二進(jìn)小波變換的相空間重構(gòu)理論，作為選擇環(huán)境振動(dòng)信號(hào)遞歸圖分析中重構(gòu)參數(shù)的方法，并闡述了離散二進(jìn)小波變換與相空間重構(gòu)兩者之間的關(guān)聯(lián)之處在于離散二進(jìn)小波變換也可以理解為信號(hào)重構(gòu)之后再分別對(duì)高通和低通濾波器向量的投影，這樣便從物理意義上統(tǒng)一了離散二進(jìn)小波變換與Packard等人提出的相空間重構(gòu)，也就是說兩種方法的物理本質(zhì)是相同的。由于在土木工程振動(dòng)信號(hào)分析處理過程中，小波分析是一種非常

4、常見并且具有顯著效果的分析方法，與此同時(shí)相空間重構(gòu)理論與之也是統(tǒng)一的，那么也就從另外一個(gè)角度說明了在相空間重構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的遞歸圖理論用于進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)分析處理也是具有可行性的。
　　本文首次提出了基于替代數(shù)據(jù)法和質(zhì)量損失函數(shù)的最優(yōu)遞歸閾值選取方法。由于不同類型信號(hào)在構(gòu)造遞歸矩陣時(shí)需采用不同的遞歸閾值才能得到最佳的遞歸圖，因此為了使遞歸圖適用于環(huán)境振動(dòng)信號(hào)分析，使之包含合適的遞歸點(diǎn)數(shù)量以及足夠的系統(tǒng)信息，本文將替代數(shù)據(jù)法和質(zhì)量損失

5、函數(shù)引入到遞歸分析的閾值選取中，其分別用于產(chǎn)生可靠的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)和尋找最優(yōu)的量化分析辨別能力點(diǎn)，也就是最優(yōu)的遞歸閾值點(diǎn)。算例證明所提出的最優(yōu)遞歸閾值選取方法是適用的，其不僅適合一般信號(hào)的遞歸圖分析，對(duì)環(huán)境振動(dòng)信號(hào)這類常見的最佳閾值不適用的信號(hào)也能夠起到很好的效果，使遞歸圖能夠適應(yīng)環(huán)境振動(dòng)信號(hào)的特點(diǎn)，提高分析精度及結(jié)果的穩(wěn)定性。
　　考慮到環(huán)境振動(dòng)信號(hào)中具有非平穩(wěn)特征的特點(diǎn)，本文在現(xiàn)有遞歸量化分析理論的基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)新的評(píng)價(jià)信號(hào)中非

6、平穩(wěn)程度的測(cè)度——RLV(Recurrence Loss Value)，并將其與先前已有的遞歸量化分析中的非平穩(wěn)評(píng)價(jià)的測(cè)度——遞歸趨勢(shì)(Trend)進(jìn)行了對(duì)比。兩個(gè)測(cè)度都是在遞歸圖上采用圖形和統(tǒng)計(jì)的方法描述信號(hào)的非平穩(wěn)特征，進(jìn)而區(qū)分不同信號(hào)的非平穩(wěn)程度。但算例說明傳統(tǒng)的測(cè)度遞歸趨勢(shì)只適合于某類特殊的、具有明顯變化趨勢(shì)的信號(hào)，而RLV則更加適合于遞歸圖上出現(xiàn)了突變模式的信號(hào)，且其對(duì)具有明顯變化趨勢(shì)的信號(hào)同樣也具有辨別、評(píng)價(jià)的能力。結(jié)果表明

7、RLV能夠有效地體現(xiàn)環(huán)境振動(dòng)信號(hào)的非平穩(wěn)程度，并應(yīng)用到結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，評(píng)估信號(hào)的平穩(wěn)性特性，從而選擇合適的參數(shù)識(shí)別和健康診斷的分析方法，提高橋梁健康監(jiān)測(cè)及狀態(tài)評(píng)估結(jié)果的客觀性和有效性。
　　為了對(duì)海量的環(huán)境振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行非平穩(wěn)程度評(píng)價(jià)，本文在“局部平穩(wěn)性”概念的基礎(chǔ)上，提出了一套實(shí)用(operational)的環(huán)境振動(dòng)信號(hào)非平穩(wěn)程度評(píng)價(jià)方法。以遞歸圖中兩種反應(yīng)非平穩(wěn)特征模式的測(cè)度建立多變量樣本矩陣，并用主成分分析對(duì)其降維，降

8、為一維向量。然后，以白噪聲為參考基準(zhǔn)，以同樣方法獲取一維向量，在這兩個(gè)一維向量的基礎(chǔ)上，用聚類分析的方法構(gòu)造非平穩(wěn)程度特征指標(biāo)——DNS(Degree of Non-stationary)，以此對(duì)環(huán)境振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確及全面的非平穩(wěn)程度評(píng)價(jià)。數(shù)值模擬算例及實(shí)測(cè)的斜拉索環(huán)境振動(dòng)信號(hào)驗(yàn)證了此方法的有效性。
　　將上述提出的環(huán)境振動(dòng)信號(hào)非平穩(wěn)評(píng)價(jià)實(shí)用方法應(yīng)用于湛江海灣大橋的環(huán)境振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)中，對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行非平穩(wěn)程度的評(píng)價(jià)以檢驗(yàn)采

9、集的信號(hào)是否滿足“平穩(wěn)性”假定。在數(shù)據(jù)分析過程中，對(duì)部分經(jīng)過濾波、加窗以及重采樣等一系列處理以后還是不能得到滿意識(shí)別結(jié)果的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行非平穩(wěn)程度評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果表明，確實(shí)有一部分信號(hào)不能滿足“平穩(wěn)性”假定的要求，采用以此假定為基礎(chǔ)的模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法是不合適的，進(jìn)而需要對(duì)此類信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，或采取其他合適的分析方法，甚至剔除一些質(zhì)量較差的信號(hào)，避免無法識(shí)別或者誤識(shí)別的情況出現(xiàn)，以減少工作量，提高識(shí)別精度。
　　最后，本文在無閾