[發明專利]一種基于時空窗下的PCA結構損傷檢測方法

在審

• 申請號: 202010609916.2
• 申請日: 2020-06-30
• 公開（公告）號: CN111898312A
• 公開（公告）日: 2020-11-06
• 發明（設計）人: 周立成;張舸;陳敬松;劉方剛;劉澤佳;湯立群;周玉鋒;葉晨;劉逸平;蔣震宇;楊帥;彭寅;羅德泉;李杏林
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G06F30/27
• 分類號: G06F30/27;G06K9/62;G06F119/14
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 馮炳輝

1.一種基于時空窗下的PCA結構損傷檢測方法，其特征在于：針對于配有傳感器監測的結構，在限定的時間和空間窗口下對傳感器獲取的數據進行PCA分析，得到結構特征向量的時間序列，通過分析特征向量的模長及方向角兩個識別指標的變化來確定結構損傷，即利用特征向量的模長監測結構是否存在損傷，若存在損傷，進一步利用特征向量與坐標軸的夾角確定結構的損傷位置，最終通過特征向量的模長確定受損程度。

2.根據權利要求1所述的一種基于時空窗下的PCA結構損傷檢測方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)依據結構類型確定PCA分析中所使用的空間窗口，當局部損傷發生后，結構部分空間區域內的傳感器獲取的響應數據會發生變化，將因損傷數據出現變化的傳感器組合定義為空間窗口；

2)依據結構所受的外部荷載的周期確定PCA分析中使用的時間窗口，其中，時間窗口為外部荷載最大周期的整數倍，應大于或等于外部荷載的最大周期；

3)對限定時間窗口和空間窗口內的傳感器測得的響應數據進行PCA分析，得到對應的特征向量；

4)移動時間窗口，每移動一次時間窗口便得到一組特征向量，隨著時間窗口不斷向前移動，則得到特征向量的時間序列ψ_i(k)，其中，為第k個時間步下第m_j號傳感器對應的特征向量分量，S為空間窗口內的傳感器總數；

5)將監測狀態下的特征向量逐一減去結構健康狀態下的特征向量，得到特征向量的相對變化量；

6)計算獲取特征向量的模長和與坐標軸的夾角作為損傷監測指標，通過模長隨時間的變化規律判定結構是否出現損傷及損傷發生的時間，根據夾角確定損傷出現的位置，最后再利用特征向量的模長評估受損程度。

3.根據權利要求2所述的一種基于時空窗下的PCA結構損傷檢測方法，其特征在于，所述步驟3)包括以下步驟：

3.1)將限定時間窗口和空間窗口內的響應數據整理成矩陣的形式，如下所示：

式中：U(t)為響應數據矩陣，m_i為空間窗口內的傳感器編號，S為空間窗口內的傳感器總數；而t為傳感器監測時間，w為時間窗口內的測試時間步；為m_i號傳感器在t_j時刻獲取的響應數據，矩陣中每一列為某一傳感器獲取的響應時間序列，每一行為在某一監測時間點下空間窗口內所有傳感器獲取的響應數據；

3.2)計算所得響應數據矩陣的協方差矩陣C，如下所示：

3.3)依據協方差矩陣求得特征向量：

(C-λ_iI)·ψ_i＝0

依據上述公式，求對應的特征向量ψ_i，其中，I為對應的單位矩陣，λ_i為特征值，并有λ₁＞λ₂＞...＞λ_S，i取值區間為[1 2 .... S]，ψ_i為對應的特征值λ_i下的特征向量。

4.根據權利要求2所述的一種基于時空窗下的PCA結構損傷檢測方法，其特征在于，所述步驟5)包括以下步驟：

5.1)計算結構健康狀態下的特征向量均值其中結構狀態分為健康狀態和監測狀態；h代表結構處于健康狀態，將結構處于健康狀態下所得到的所有特征向量求均值得到

5.2)在第k時間步下，特征向量的相對變化量為：

式中：為健康狀態下第i特征向量的均值；ψ_i(k)為結構監測過程中，第k分析步下的第i特征向量；Δψ_i(k)為監測狀態與健康狀態下特征向量的相對變化量；k的取值范圍為[12 ... N-w]，w為時間窗口內的測試時間步，N為監測過程中的總時間步。

5.根據權利要求2所述的一種基于時空窗下的PCA結構損傷檢測方法，其特征在于，所述步驟6)包括以下步驟：

6.1)計算特征向量的模長，如下：

式中：|Δψ_i(k)|代表第k分析步下第i特征向量的模長，為特征向量差矢量里m_j號傳感器對應的其中一個分量，j取值區間為[1 2 .... S]，S為空間窗口內的傳感器總數；

依據以下判定準則判定有無損傷發生：

式中：β為依據結構特點所確定的某一常數；當上式成立時，則判定發生損傷；

6.2)計算得到特征向量的方向角：首先求得差矢量的方向角，如下：

式中：為m_j號傳感器對應的第i特征向量差矢量的方向角；

再根據以下公式得到特征向量與坐標軸的夾角

6.3)在第k時間步下，特征向量差矢量的相對變化量為：

式中：為健康狀態下為m_j號傳感器對應的第i特征向量與坐標軸的夾角，為第k時間步下，特征向量與坐標軸夾角的相對變化量；

依據以下判定準則判定損傷發生的位置：

求得每個傳感器對應的值，并比較每個值的大小；若最大，則判定損傷出現在第m_j號傳感器附近；最后，依據特征向量的模長與損傷程度之間存在的函數關系式評估受損程度。