基于無(wú)線智能傳感器Imote2的橋梁健康監(jiān)測(cè)的分布式算法研究.pdf

1、近年來(lái)，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的重要性和必要性已在業(yè)界形成共識(shí)。但大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的研究和實(shí)踐仍處于起步階段。B.F.Spencer 教授已證明損傷是一個(gè)局部現(xiàn)象，從而提出密集布置傳感器的思想，這對(duì)傳統(tǒng)的有線傳感器系統(tǒng)形成了挑戰(zhàn)。因此，有利于降低成本，密集布置的無(wú)線智能傳感器就成為大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的最佳選擇。
　　 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的算法可以分類(lèi)為集中處理和分布式處理。傳統(tǒng)的集中處理算法要求所有測(cè)量數(shù)據(jù)都要同步送到中央處理器。若傳感器數(shù)量

2、大量增加，則很難實(shí)施。
　　 Spencer 教授新提出的分布式算法本質(zhì)上是分區(qū)、分級(jí)處理，允許傳感節(jié)點(diǎn)之間的交流和合作，并計(jì)及所測(cè)量的空間信息和局部信息。這種算法能最好地配合密集布排的智能傳感網(wǎng)絡(luò)，充分發(fā)揮其效能，真正實(shí)現(xiàn)足尺結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代健康監(jiān)測(cè)。
　　 本論文的目標(biāo)是針對(duì)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，基于最先進(jìn)的智能傳感器Imote2，構(gòu)建一個(gè)采用分布式策略的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。以汕頭市光華橋?yàn)樵停趯?shí)驗(yàn)室按縮尺比例建成了一個(gè)鋼管混凝土拱

3、橋。這是同類(lèi)研究中采用的最復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。文中采用了計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，有線系統(tǒng)和無(wú)線系統(tǒng)，集中處理和分布式處理等多種方法進(jìn)行分析、對(duì)比，主要完成了如下工作：
　　 完成了Imote2 智能傳感器的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。解決了數(shù)據(jù)采集，無(wú)線傳輸，應(yīng)用軟件植入等問(wèn)題，特別是數(shù)據(jù)采集的時(shí)間同步問(wèn)題。按照Tinyos 組件要求采用nesC 語(yǔ)言編寫(xiě)了各種控制軟件和隨機(jī)子空間法等應(yīng)用程序。并通過(guò)了一系列實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了測(cè)試系統(tǒng)的可用性，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)研究做

4、好了準(zhǔn)備。
　　 著重研究了分布式模態(tài)識(shí)別方法。這是采用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分布式計(jì)算的基礎(chǔ)。首先，討論了子結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的識(shí)別方法-隨機(jī)子空間法。提出利用頻率穩(wěn)定圖結(jié)合奇異值熵導(dǎo)數(shù)，進(jìn)行子結(jié)構(gòu)系統(tǒng)模態(tài)識(shí)別的方法。并以一簡(jiǎn)支梁為例，通過(guò)仿真模擬振動(dòng)測(cè)試，對(duì)比分析了集中式和分布式的識(shí)別結(jié)果。表明所提出的方法用于子結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識(shí)別是成功的。然后研究了一種新的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下整體振型的求解方法。提出了在子結(jié)構(gòu)模態(tài)識(shí)別后，通過(guò)粒子

5、群優(yōu)化算法求解振型調(diào)整因子，以調(diào)整子結(jié)構(gòu)振型，從而獲得整體振型的方法。通過(guò)對(duì)一個(gè)平面板的數(shù)值模擬，分析了不同子結(jié)構(gòu)劃分情況下，整體振型的識(shí)別結(jié)果。最后，針對(duì)鋼管拱橋模型，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。在多種種工況下，用分布式算法計(jì)算了拱橋的豎彎振型，并與集中式算法進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果是令人滿(mǎn)意的。
　　 鋼管拱橋吊桿的損傷識(shí)別是本文的最終目標(biāo)，也是將分布式識(shí)別方法用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的一次全新的嘗試。首先建立了鋼管拱橋的有限元模型，并將結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)子結(jié)構(gòu)