[發明專利]一種基于EI和逐步累積法的傳感器優化布設方法

有效

• 申請號: 201410072194.6
• 申請日: 2014-02-28
• 公開（公告）號: CN103793579B
• 公開（公告）日: 2017-08-04
• 發明（設計）人: 梁鵬;賀敏;王曉光;楊國強;魚江英;董向前;孟修建;桂曉華;張立龍;吳向男;馬旭明;李斌
• 申請（專利權）人: 長安大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司61200
• 代理人: 徐文權

技術領域

本發明屬于橋梁結構計算分析技術領域，涉及一種傳感器優化布設方法，尤其是一種基于EI和逐步累積法的傳感器優化布設方法。

背景技術

隨著橋梁結構的跨徑和規模越來越大，對橋梁結構在運營狀態下進行健康監測是一個值得研究的熱點問題。在橋梁健康監測系統中，傳感器是整個系統的“眼睛”。通過傳感器系統，橋梁健康監測系統可以實時地對結構進行監測，并傳回數據，為后續工作打下基礎。傳感器優化布設最為設計結構健康監測系統的關鍵問題之一，是實現橋梁健康監測系統的第一步，對數據采集有著至關重要的影響。而傳感器系統本身是一個“矛盾體”。一方面，為了對結構的健康狀況做出合理的、科學的評價，需要使用盡量多的傳感器，監測盡量多的醒目。另一方面，為了保證監測系統本身的可靠性和經濟性，要求使用的監測設備不能過多。在已實施的橋梁健康監測系統中，有些系統規模過于龐大，系統本身的可靠性都無法保證；而有些結構的監測系統則想反，規模過于精簡，以至于無法對結構的健康狀態做出科學的評估。因此在應用中需要找到合適的方法尋求兩者最佳的平衡點。

目前，傳感器優化布置主流算法主要有2種：有效獨立法（EI）和序列法（MAC）。有效獨立法不計及結構質量分布的不均勻性，可能會出現選取測點能量低導致信息丟失的情況。而序列法在待選測點較多時，計算量較大。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點，提供一種基于EI和逐步累積法的傳感器優化布設方法，其可以計算不同結構類型、不同計算跨徑橋梁。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：

這種基于EI和逐步累積法的傳感器優化布設方法，包括以下步驟：

1）通過有限元計算，得到結構的模態向量矩陣，確定監測振型的數目，確定傳感器的布置數目；

2）利用EI法對模態向量矩陣進行優化，選取初始測點，形成初始模態向量陣；并得到剩余測點矩陣,形成候選添加測點集合；

3）求解初始模態向量陣的置信度矩陣MAC，并求MAC矩陣的最大非對角元max；

4）從步驟2）確定的候選添加測點集合中選擇一個點添加到初始測點中，將第k個自由度添加到測量自由度中，求其模態向量陣的〖(MAC]_tj)_k矩陣，并計算其最大非對角元max_k；其中k為自然數；

5）計算f（k）=max_k-max的值；

6）對所有候選測點重復步驟3）至步驟5），得到數組f（i），（i=1，…，m），并將|f（i）|（f（i）<0）最小值對應的測點加入到已有測點中；其中m為自然數；

7）以添加了測點后的測點集合作為初始測點，再重復步驟4）～步驟6），直到測點數目與傳感器布置數目相同。

進一步的，利用EI法對模態向量矩陣進行優化，產生初始測點集合，然后通過逐步累積法選取測點，具體包括以下步驟：

1）利用設計圖紙，建立橋梁有限元模型并進行分析計算，得到其模態向量矩陣Φ_s；

2）利用Φ_s計算得E矩陣；

將E矩陣的對角元素寫成一個列向量：

E_D={E₁₁,E₂₂,…，E_ss}^T（2）

E是冪等矩陣，其對角線上第i個元素表示第i個自由度或測試點對矩陣Φ_s秩的貢獻，也就是對矩陣A₀的貢獻；如果對角元素E_ii=0，則表示在相應第i個測點上無法識別所關心的模態，如果對角元素E_ii=1，則表示相應測點是關鍵點，不能排除；因此，E代表候選傳感器位置幾何的有效獨立分布，E對角線上的元素代表響應傳感器候選測點對模態矩陣的線性無關的貢獻；

3）獲得矩陣E后，通過對角元素的大小來對各個候選點的優先順序進行排序，用迭代算法每次排除相應對角元素最小的測點，再進行下一次迭代，直至達到初始測點數目，并得到與初始測點位置對應的模態矩陣；