基于改进单亲遗传算法的桥梁监测传感器优化布置研究

摘要

大型桥梁工程投资大、设计周期和使用年限长、工作环境恶劣，因此有必要对其进行实时健康监测及状态评估，以避免或减小在运营期间由于各种原因出现损伤、破坏而造成的损失。其中，传感器优化布置作为桥梁健康监测系统的关键问题之一，对结构信息的采集起着至关重要的作用。在保证所获取的桥梁健康状况信息可靠且全面的基础上，如何通过布置尽可能少的传感器数量是传感器优化布置的难点所在。
　　本文首先概括了国内、外桥梁健康监测研究的发展现况以及传感器优化布置的常用准则与方法;再从已有单亲遗传算法出发，引入自适应遗传算子和多目标函数的概念对其进行改进，同时使用MATLAB编写改进单亲遗传算法的运行程序;最后以杭州市跨造桥港桥为背景，利用改进单亲遗传算法对桥梁传感器进行优化布置。通过上述研究，得到以下主要成果：⑴单亲遗传算法由于取消了传统遗传算法中的交叉算子，使得所有的遗传操作都只在单个个体上进行，可以确保传感器数目随着进化历程保持不变，通过具体的旅行商问题算例，证明了单亲遗传算法的可行性与高效性。⑵引入自适应遗传算子和多目标函数的概念对单亲遗传算法进行改进，不仅可以提高算法本身的运算性能，防止其过早局部收敛，而且还可以对不同的目标函数进行优化计算，相较于改进前的单亲遗传算法，能更好地满足桥梁传感器优化布置的需求。⑶基于Fisher信息矩阵与引入逐步累积思想后的模态置信度准则，可以实现对目标模态的选取以及传感器最优数目的预估，避免了以往传感器优化布置研究中目标模态与传感器数量的选取主要依靠研究者的经验判断这一现象。⑷利用改进单亲遗传算法分别对杭州市跨造桥港桥主梁的竖向位移、纵向应变及索塔的纵向倾角传感器进行了优化布置分析，结果表明，改进单亲遗传算法可以很好地满足传感器系统对于经济性和功能性的要求，具有一定的实用价值。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 桥梁健康监测概述

1．1．1 桥梁健康监测的概念及组成

1．1．2 桥梁健康监测的发展简介与现状

1．1．3 桥梁健康监测的意义

1．2 传感器优化概述

1．2．1 传感器优化布置准则

1．2．2 传感器优化布置方法

1．2．3 传感器优化布置研究现状

1．3 遗传算法概述

1．3．1 遗传算法的概念及组成

1．3．2 遗传算法的特点

1．3．3 遗传算法的应用

1．4 单亲遗传算法

1．5 本文主要研究内容

第二章 单亲遗传算法理论介绍

2．1 单亲遗传算法的基本原理

2．2 单亲遗传算法的组成

2．2．1 编码方式

2．2．2 遗传算子

2．2．3 选择方式

2．2．4 适应度函数

2．3 单亲遗传算法的理论分析

2．3．1 单亲遗传算法的模式定理

2．3．2 单亲遗传算法的收敛性分析

2．3．3 单亲遗传算法的计算效率分析

2．3．4 单亲遗传算法的“准早熟收敛”问题

2．4 单亲遗传算法MATLAB程序及算例

2．4．1 TSP问题的数学模型

2．4．2 单亲遗传算法算例

2．5 本章小结

第三章 改进单亲遗传算法及其传感器优化布置应用

3．1 传感器优化布置的模态理论分析

3．2 单亲遗传算法的改进

3．2．1 自适应遗传算子

3．2．2 多目标函数

3．3 改进单亲遗传算法的传感器优化布置应用

3．3．1 基于Fisher信息矩阵的目标模态确定

3．3．2 基于MAC矩阵的传感器数目预估

3．3．3 传感器优化布置应用的计算流程

3．4 本章小结

第四章 改进单亲遗传算法的工程算例

4．1 工程背景

4．2 计算模型

4．2．1 模态分析

4．2．2 传感器候选测点的选取

4．3 利用改进单亲遗传算法寻求传感器最优布置

4．3．1 主粱竖向位移传感器的优化布置

4．3．2 主粱纵向应变传感器的优化布置

4．3．3 索塔纵向倾角传感器的优化布置

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 本文创新点

5．3 展望

参考文献

一、作者教育经历

二、作者攻读学位期间发表的相关论文