基于多源信息融合的结构损伤识别方法研究

摘要

结构健康监测是目前国内外土木工程领域的研究热点，结构损伤识别与状态评估是结构健康监测理论的主要内容之一。多源信息融合技术发轫于军事领域，最近二十年在民用领域有了较多的应用，其性能稳定、覆盖范围广、可靠度高等特点非常适用于故障诊断。本文以大跨斜拉桥结构为研究对象，以润扬长江大桥斜拉桥为背景工程，从理论分析、方法构建、数值模拟、试验验证和应用研究五个方面，系统地开展了基于多源信息融合的结构损伤识别方法研究。本文的主要工作和成果如下:
　　1、提出了基于多源信息融合的结构损伤识别基本原理和方法。主要内容是:①在基于不确定性推理的多源信息融合技术的基础上，建立了面向特征级多源信息融合的结构损伤识别基本原理。②应用多元信息融合技术对传统的结构损伤识别方法进行了改进，提出了两种基于多源信息融合的结构损伤识别基本方法——基于多种方法融合的结构损伤识别方法和基于多模态信息融合的结构损伤识别方法。③开展了简支梁和混凝土组合箱梁桥数值模型损伤分析。分析结果表明:这两种基于多源信息融合的结构损伤识别基本方法具有良好的损伤敏感性和噪声鲁棒性，能够准确识别基本的基于振动的结构损伤识别方法无法识别的结构损伤。
　　2、建立了基于改进证据理论的结构损伤识别方法。主要内容是:①针对证据理论的优缺点，详细分析了证据理论推理悖论的各种情况，介绍了证据冲突的量化评价方法，提出了证据间的加权分配方法。②基于证据间的加权分配方法和修正的合成法则，提出了改进的证据理论，并建立了基于改进证据理论的结构损伤识别方法。③针对基于改进证据理论的结构损伤识别方法进行了数值模型损伤分析。分析结果表明:证据间的加权分配方法可以有效缓解证据间的冲突，基于改进证据理论的结构损伤识别方法比基于传统证据理论的结构损伤识别方法具有更好的损伤敏感性和噪声鲁棒性。
　　3、将本文提出的基于多源信息融合的结构损伤识别基本方法和基于改进证据理论的结构损伤识别方法，应用于钢筋混凝土单向板损伤试验和大跨斜拉桥模型试验，分别针对钢筋混凝土板裂缝和大跨斜拉桥斜拉索损伤进行识别。分析结果表明，与基本的基于振动的结构损伤识别方法相比，基于多源信息融合的结构损伤识别基本方法和基于改进证据理论的结构损伤识别方法对于钢筋混凝土板裂缝和大跨斜拉桥斜拉索损伤有更好的敏感性，能够准确识别试验设计的损伤。同时可以看出，基于改进证据理论的结构损伤识别方法的识别效果明显优于基于传统证据理论的结构损伤识别方法。
　　4、开展了大跨斜拉桥结构损伤识别应用研究。将本文提出的基于多源信息融合的结构损伤识别基本方法和基于改进证据理论的结构损伤识别方法，应用于润扬大桥斜拉桥基准有限元模型，进行斜拉索损伤识别，从损伤敏感性和噪声鲁棒性两个方面进行了分析。分析结果表明:与基本的基于振动的结构损伤识别方法相比，基于多源信息融合的结构损伤识别方法对斜拉索损伤更为敏感，并具有更好的抗噪性。与基于传统证据理论的结构损伤识别方法相比，通过证据间加权分配和修正的合成准则，基于改进证据理论的结构损伤识别方法具有更好的损伤敏感性和噪声鲁棒性。
　　5、针对通过损伤识别指标相对大小来确定损伤位置的损伤识别方法，提出了两个损伤识别效果评价指标，量化评价损伤识别方法的效果。通过分析可以看出，这两个损伤识别效果评价指标物理意义明确、计算简便、效果良好。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 结构健康监测概述

1．2．1 高层建筑结构健康监测

1．2．2 大跨空间结构健康监测

1．2．3 桥梁结构健康监测

1．2．4 结构健康监测理论与技术的主要内容

1．3 基于振动的结构损伤识别方法

1．3．1 动力指纹类方法

1．3．2 模型修正类方法

1．3．3 信号处理类方法

1．3．4 智能算法类方法

1．3．5 亟待解决的问题

1．4 多源信息融合理论与技术概述

1．4．1 多源信息融合理论的定义和特点

1．4．2 多源信息融合的主要方法

1．4．3 多源信息融合理论的主要应用

1．5 本文的研究思路和生要内容

第二章 基于多源信息融合的结构损伤识别基本原理

2．1 引言

2．2 基于不确定性推理的多源信息融合技术

2．2．1 证据理论

2．2．2 贝叶斯推理

2．3 基于多源信息融合的结构损伤识别实用模型

2．3．1 多源信息融合的层次

2．3．2 基于多源信息融合的结构损伤识别实用模型

2．4 基于多源信息融合的结构损伤识别基本理论

2．4．1 面向特征级多源信息融合的证据理论

2．4．2 面向特征级多源信息融合的贝叶斯推理

2．4．3 关于两种理论的讨论

2．5 本章小结

第三章 基于多源信息融合的结构损伤识别基本方法

3．1 引言

3．2 基于多种方法融合的结构损伤识别方法

3．3 基于多模态信息融合的结构损伤识别方法

3．4 结构损伤识别方法评价指标

3．5 数值模型损伤研究

3．5．1 简支梁模型损伤分析

3．5．2 混凝土组合箱梁桥模型损伤分析

3．6 本章小结

第四章 基于改进证据理论的结构损伤识别方法

4．1 引言

4．2 关于证据理论的讨论

4．3 证据理论推理悖论分析

4．4 证据冲突的量化评价方法

4．4．1 证据的一致量、证据的冲突量和证据冲突强度

4．4．2 Jousselme证据距离

4．4．3 修正的Jousselme证据距离

4．5 改进的证据理论

4．5．1 证据间的加权分配

4．5．2 修正的合成规则

4．5．3 改进的证据理论的实现

4．6 基于改进证据理论的结构损伤识别方法

4．7 数值模型损伤研究

4．7．1 简支梁模型损伤分析

4．7．2 混凝土组合箱梁桥模型损伤分析

4．8 本章小结

第五章 结构损伤识别方法试验研究

5．1 引言

5．2 钢筋混凝土板试验研究

5．2．1 钢筋混凝土板试验工况

5．2．2 板的损伤识别分析

5．3 大跨斜拉桥模型试验研究

5．3．1 试验模型概况

5．3．2 大跨斜拉桥模型的动力测试

5．3．3 试验工况

5．3．4 斜拉索损伤识别分析

5．4 本章小结

第六章 大跨斜拉桥结构损伤识别方法应用研究

6．1 引言

6．2 大跨斜拉桥结构基准有限元模型

6．3 斜拉索损伤分析

6．3．1 斜拉索损伤工况

6．3．2 损伤敏感性分析

6．3．3 噪声鲁棒性分析

6．4 本章小结

第七章 全文总结与展望

7．1 全文总结

7．2 研究展望

参考文献

作者在攻读博士学位期间发表的论文

致谢