第07章 橋梁結(jié)構(gòu)智慧監(jiān)測系統(tǒng)標準設(shè)計方法

第7章橋梁結(jié)構(gòu)智慧監(jiān)測系統(tǒng)標準設(shè)計方法橋梁工程結(jié)構(gòu)智慧監(jiān)測——理論與實踐CONTENTS17.1總體設(shè)計27.2橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)概念設(shè)計37.3橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)方案設(shè)計長期以來，對橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計，多是站在傳感器系統(tǒng)、IT技術(shù)的角度進行的，包括近年來陸續(xù)出臺的各種規(guī)范指南，多數(shù)并沒有考慮橋梁結(jié)構(gòu)的監(jiān)測需求和特點，因此，這些規(guī)范只能起到指導(dǎo)監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取功能的實現(xiàn)，并不能發(fā)揮進一步的數(shù)據(jù)分析處理和利用功能的設(shè)計、開發(fā)和實施，不能指導(dǎo)智慧化的工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計。7.1總體設(shè)計7.1.1橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)目標和服務(wù)對象1橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)的總體目標橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)的目標可以分成四個層次：

以保證橋梁正常運行期內(nèi)的整體性能狀態(tài)的正確偵測、判斷為目的；以偵測、監(jiān)控、判斷結(jié)構(gòu)預(yù)測區(qū)域的病害的發(fā)生、發(fā)展及其對結(jié)構(gòu)整體健康狀態(tài)的危害程度為目的；以監(jiān)控結(jié)構(gòu)整體或重要部件是否發(fā)生極端安全性事件為目的；以掌握結(jié)構(gòu)某些特定方面的行為規(guī)律為目的；結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)不應(yīng)以結(jié)構(gòu)局部損傷的識別為目的，而是應(yīng)該以識別結(jié)構(gòu)整體性能、病害、安全事故、特定行為規(guī)律為目的。力學(xué)特性上易損的部位不一定是實際病害易發(fā)的部位，只有同時滿足力學(xué)上和使用荷載模式下在概率意義上易于發(fā)生的損傷才可稱之為病害，才具有監(jiān)測的必要性和實際意義。2健康監(jiān)測目標體系針對所設(shè)定的總體目標，結(jié)合監(jiān)測對象的具體結(jié)構(gòu)特點、荷載特點等因素，對總體目標進行細化設(shè)計，每個細化的監(jiān)測目標反映結(jié)構(gòu)的某方面的工作性能，某種病害程度，某種極端安全事件的程度發(fā)生可能性，或者某種特定探索性監(jiān)測目的。一個定義良好的健康監(jiān)測目標，應(yīng)該被有物理意義的函數(shù)所描述和度量，稱其為功能函數(shù)。功能函數(shù)的自變量應(yīng)該是具體的、有意義的指標量和對應(yīng)的指標閥值，這些量應(yīng)與結(jié)構(gòu)的荷載、響應(yīng)、物理力學(xué)特性和幾何構(gòu)型有關(guān)。不論該函數(shù)本身是否能被測量，指標應(yīng)該是能被直接或間接測量的。對于結(jié)構(gòu)監(jiān)測目標的發(fā)展演變過程中的特定狀態(tài)，應(yīng)該有唯一的功能函數(shù)取值與之對應(yīng)，這些與特定狀態(tài)對應(yīng)的功能函數(shù)值唯一劃分了該結(jié)構(gòu)監(jiān)測目標的演變空間。不同的結(jié)構(gòu)監(jiān)測目標對結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的描述能力是不同的，可以用加權(quán)和的方式匯總單個監(jiān)測目標的函數(shù)值，得到反映結(jié)構(gòu)最終的健康狀態(tài)，以供決策。不同的結(jié)構(gòu)監(jiān)測目標之間可以不考慮信息冗余各自獨立存在。3結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)對象橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)的服務(wù)對象：首先應(yīng)該是橋梁管養(yǎng)部門，即應(yīng)為橋梁管養(yǎng)維護決策提供數(shù)據(jù)和信息支持，為橋梁管養(yǎng)及維護的效果提供客觀科學(xué)的評價數(shù)據(jù)。其次的服務(wù)對象才是具有探索和研究目的的設(shè)計者和研究者。結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)通過對整體性能的監(jiān)測與診斷，為管養(yǎng)部門制定總體管養(yǎng)維護方案提供依據(jù)；對于病害的監(jiān)測，為橋梁的大、中、小修決策、方案和效果評判提供依據(jù)；對于結(jié)構(gòu)安全性或使用條件下某些性能狀態(tài)超越極限值事件的監(jiān)測及監(jiān)控，可以為橋梁的交通管理、日常管理、災(zāi)害時的快速評估提供依據(jù)。7.1.2一般設(shè)計流程橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)一般化設(shè)計流程包括三大步驟，即橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)概念設(shè)計、橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)方案設(shè)計、橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)實施方案設(shè)計。橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)一般化設(shè)計流程橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)概念設(shè)計的主要目標是解決系統(tǒng)建設(shè)的必要性、主要工作方向和基本技術(shù)路線問題。根據(jù)橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)目標，概念設(shè)計需要回答為什么監(jiān)測（why）、監(jiān)測什么（what）、如何監(jiān)測（how）的問題。Why?What?How?1橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)概念設(shè)計流程（1）監(jiān)測需求分析根據(jù)結(jié)構(gòu)特點、荷載和作用特點，對運營期橋梁的管養(yǎng)決策過程和依據(jù)進行梳理和了解，總結(jié)出其對所需信息的需求，對這些信息的可監(jiān)測性進行論證分析，總結(jié)、設(shè)計出合理的結(jié)構(gòu)監(jiān)測目標體系；（2）結(jié)構(gòu)損傷（病害）及性能演變分析

根據(jù)合理設(shè)計的結(jié)構(gòu)監(jiān)測目標體系，對服役期結(jié)構(gòu)可能的損傷（病害）演變過程、整體性能退化過程進行仿真分析，預(yù)測特定結(jié)構(gòu)監(jiān)測目標的結(jié)構(gòu)行為變化規(guī)律；（3）

監(jiān)測信息特征和指標體系的設(shè)計

根據(jù)結(jié)構(gòu)損傷（病害）及性能演變分析所揭示的結(jié)構(gòu)行為規(guī)律，在既定的結(jié)構(gòu)效應(yīng)、指標中比選表征結(jié)構(gòu)監(jiān)測目標演變過程的最佳指標，必要時可從結(jié)構(gòu)監(jiān)測目標演變過程中計算出的力學(xué)效應(yīng)場中構(gòu)造、設(shè)計出最佳表征指標。將對應(yīng)于不同監(jiān)測目標的指標體系進行集成，形成完備的指標體系；（4）監(jiān)測模式的設(shè)計：根據(jù)3）中形成的每一個指標，設(shè)計最佳監(jiān)測模式，包括確定指標與可測量的數(shù)學(xué)關(guān)系，確定監(jiān)測內(nèi)容和測點布置方案，確定監(jiān)測技術(shù)類型和傳感設(shè)備的技術(shù)參數(shù)，確定從監(jiān)測數(shù)據(jù)中抽取識別指標的方法，以及根據(jù)指標進行結(jié)構(gòu)健康診斷和狀態(tài)判別的方法；內(nèi)容和順序1橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)概念設(shè)計流程（5）多監(jiān)測模式的集約與優(yōu)化：結(jié)構(gòu)通常需要多個監(jiān)測目標，每個監(jiān)測目標有一個監(jiān)測模式，當結(jié)構(gòu)需要同時設(shè)置多個監(jiān)測模式時，還需要將他們進行將集約化再設(shè)計。這包括：使從屬于不同監(jiān)測模式的測點最大程度共用互聯(lián)；采用'最大公約數(shù)'的方式選擇監(jiān)測技術(shù)和設(shè)定設(shè)備參數(shù)技術(shù)參數(shù)；采用數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一，以便同一測點為不同監(jiān)測模式使用；嘗試對指標抽取識別和結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)判別的算法加以通用化處理，以便采用同一種程序來處理不同的監(jiān)測模式；1橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)概念設(shè)計流程內(nèi)容和順序橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)的概念設(shè)計的承擔(dān)者需要此階段作為一信息收集、集成、分析的角色，這包括：與橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計方協(xié)同工作，了解結(jié)構(gòu)的特點和設(shè)計者的關(guān)切；與橋梁施工單位協(xié)同工作，收集橋梁施工工藝過程、施工材料、施工細節(jié)的處理等關(guān)乎成橋運營期結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)的信息；與橋梁管養(yǎng)單位及檢測單位協(xié)同工作，了解橋梁管養(yǎng)決策對支持信息的需求、了解檢測技術(shù)的難點和短板等信息。根據(jù)上述信息，概念設(shè)計者需要確定健康監(jiān)測系統(tǒng)的確切目標，合理分解總體目標并設(shè)計具體化的目標體系，然后根據(jù)具體化的目標體系，組織進行結(jié)構(gòu)損傷（病害）和性能演變分析，根據(jù)分析成果進行如下工作:設(shè)計并建立監(jiān)測指標體系、指標的閥值體系和預(yù)警評估體系；根據(jù)監(jiān)測指標體系，設(shè)計監(jiān)測內(nèi)容、測點布置，確定傳感設(shè)備的技術(shù)參數(shù)需求；確定監(jiān)測系統(tǒng)硬件方案和軟件方案的總體框架。1橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)概念設(shè)計流程2橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)方案設(shè)計流程橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)方案設(shè)計是概念設(shè)計的具體化，主要解決詳細技術(shù)路線的問題。工作內(nèi)容和設(shè)計流程如下：硬件系統(tǒng)設(shè)計

主要針對設(shè)計好的監(jiān)測模式或集約化的監(jiān)測模式群，統(tǒng)一設(shè)計監(jiān)測所需的硬件系統(tǒng)，包括傳感設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、通訊傳輸設(shè)備、數(shù)據(jù)存儲管理設(shè)備、數(shù)據(jù)分析處理設(shè)備、數(shù)據(jù)展示發(fā)布媒介設(shè)備等一系列的內(nèi)容；軟件系統(tǒng)設(shè)計

針對設(shè)計好的監(jiān)測模式或集約化的監(jiān)測模式群，統(tǒng)一設(shè)計監(jiān)測所需的軟件系統(tǒng)，包括監(jiān)測系統(tǒng)軟件平臺、采集驅(qū)動程序或模塊，數(shù)據(jù)傳輸、通訊控制軟件，數(shù)據(jù)信號調(diào)理和預(yù)處理軟件、應(yīng)用分析軟件模塊等；計算方案及算法設(shè)計

針對設(shè)計好的監(jiān)測模式或集約化的監(jiān)測模式群，研究合理的數(shù)據(jù)調(diào)理算法、數(shù)據(jù)初步處理和常規(guī)數(shù)據(jù)挖掘算法、基于力學(xué)分析模型的特征指標抽取和識別算法、數(shù)據(jù)驅(qū)動的在線預(yù)警算法、數(shù)據(jù)驅(qū)動的健康狀態(tài)評估診斷算法、模型驅(qū)動的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評估診斷算法。此外，對于監(jiān)測數(shù)據(jù)的科學(xué)顯示和發(fā)布算法也是一個重要的設(shè)計內(nèi)容；專項監(jiān)測設(shè)計

系統(tǒng)對于一些特殊的單個監(jiān)測目的，要進行單項、獨立、自治的監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計；2橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)方案設(shè)計流程施工期監(jiān)測的納入

對于某些要求包括施工監(jiān)測和成橋期監(jiān)測在內(nèi)的全壽面期監(jiān)測的系統(tǒng)，還需要專門對施工期監(jiān)測設(shè)計和實施方案進行特殊設(shè)計，以便實現(xiàn)監(jiān)測設(shè)備的共用和監(jiān)測數(shù)據(jù)的歷史延續(xù)；系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)接入

對于網(wǎng)絡(luò)化或區(qū)域集中管理需求的多個橋梁監(jiān)測系統(tǒng)，還需要設(shè)計單個橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接入和整合方案。3橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)實施方案設(shè)計流程橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)實施方案是對橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計方案的實施過程進行詳細規(guī)劃的重要環(huán)節(jié)，工作內(nèi)容和設(shè)計流程如下：硬件系統(tǒng)的安裝與保護

對傳感器、設(shè)備的安裝、電磁保護、氣溫控制、防水防雷、防盜、安全供電等環(huán)節(jié)進行設(shè)計；軟件系統(tǒng)開發(fā)、部署和聯(lián)調(diào)

對軟件開發(fā)工程中的質(zhì)量控制、文檔管理、代碼編制與調(diào)試，多學(xué)科聯(lián)合開發(fā)辦法等加以規(guī)劃，對軟件的部署方案、軟硬件聯(lián)調(diào)方案進行設(shè)計；系統(tǒng)運行參數(shù)的優(yōu)化與校驗

包括試運行期硬件、軟件的運行參數(shù)的優(yōu)化設(shè)置辦法，系統(tǒng)運行狀況的認定辦法，監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性校驗方案；監(jiān)測系統(tǒng)的成果輸出與發(fā)布方案

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀況、系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)及其分析結(jié)果等，應(yīng)該以定期或非定期報告的形式予以輸出和發(fā)布，系統(tǒng)設(shè)計者或?qū)嵤﹩挝粦?yīng)該給出報告的標準模版；在試運行期內(nèi)，對于關(guān)鍵監(jiān)測模式，還應(yīng)該給出數(shù)據(jù)的范式分析報告，以供業(yè)主和相關(guān)主管使用。7.2橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)概念設(shè)計7.2.1監(jiān)測需求分析根據(jù)結(jié)構(gòu)特點、荷載和作用特點，對運營期橋梁的管養(yǎng)決策過程和依據(jù)進行梳理和了解，總結(jié)出其對所需測量信息的需求，對這些信息的可監(jiān)測性進行論證分析，總結(jié)、設(shè)計出合理的結(jié)構(gòu)監(jiān)測目標體系?！啊?監(jiān)測對象的結(jié)構(gòu)特點分析對于待監(jiān)測的結(jié)構(gòu)對象，通過咨詢結(jié)構(gòu)設(shè)計單位或自行分析的方式，對該對象的結(jié)構(gòu)特點和行為特點進行分析，這包括：明確結(jié)構(gòu)主要傳力路線，找出關(guān)鍵受力位置和關(guān)鍵構(gòu)件，了解主要受力行為規(guī)律；通過力學(xué)分析計算，對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置的效應(yīng)做大致了解，對結(jié)構(gòu)動力特性做出預(yù)先計算；對結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特點進行分析，了解關(guān)鍵的附屬元件或構(gòu)造措施；根據(jù)同類橋梁的經(jīng)驗，判斷結(jié)構(gòu)主要病害類型、發(fā)生部位和演變規(guī)律；根據(jù)結(jié)構(gòu)的材料力學(xué)性能，判斷結(jié)構(gòu)可能得性能演變規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，初步給出所有感興趣的、可能的結(jié)構(gòu)的監(jiān)測目標，框定所需測量信息范圍。2監(jiān)測對象的荷載和作用橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)除了與結(jié)構(gòu)本身特點息息相關(guān)之外，還與結(jié)構(gòu)遭受的荷載、作用緊密相關(guān)。監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計者該對監(jiān)測對象在不同階段承受的荷載進行分析：根據(jù)地區(qū)或城市規(guī)劃，預(yù)測橋梁交通荷載趨勢；根據(jù)歷史氣象資料，總結(jié)、預(yù)測結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載和溫度效應(yīng)；根據(jù)橋址地質(zhì)水文資料，總結(jié)和預(yù)測結(jié)構(gòu)不均勻沉降趨勢和規(guī)律，以及沖刷趨勢；根據(jù)溫度、周圍水體酸堿度資料，研判結(jié)構(gòu)材質(zhì)和力學(xué)性能退化的趨勢和規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，對所有羅列的可能的監(jiān)測目標進行篩選，適當調(diào)整量測范圍，增加與荷載和作用有關(guān)的監(jiān)測信息。3橋梁的管養(yǎng)決策過程和依據(jù)不同種類、不同用途、不同地區(qū)，甚至于不同業(yè)主，對橋梁的管養(yǎng)方式均有差異。橋梁管養(yǎng)決策過程和決策依據(jù)是因橋而異、具有相當程度個性化的過程。橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)的最終目的是為管養(yǎng)決策服務(wù)的，因此，了解監(jiān)測對象未來可能的管養(yǎng)決策習(xí)慣、過程，了解決策的依據(jù)，可以進一步篩選監(jiān)測目標，并依據(jù)其決策過程的支持程度，對監(jiān)測目標進行排序。一般地，可以從如下幾個方面考察管養(yǎng)決策對監(jiān)測的需求：（1）根據(jù)監(jiān)測、檢測得到橋梁的局部運行性能數(shù)據(jù)，如主梁振動幅值數(shù)據(jù)、伸縮縫跨度、兩端轉(zhuǎn)角等，可以對日常維護制度作出科學(xué)及時地調(diào)整；（2）根據(jù)監(jiān)測、檢測得到橋梁的局部運行性能數(shù)據(jù)，對結(jié)構(gòu)日常安全狀態(tài)及長期性能趨勢的評估及維修決策；（3）橋梁營運期管理決策：根據(jù)對大霧天氣中能見度程度的不同情況，及時采取相應(yīng)的交通管制(限速、限制通行等)措施；根據(jù)路面交通車輛的通行監(jiān)測，在出現(xiàn)交通違規(guī)及其它緊急情況及時處理；根據(jù)河道水位的不同，設(shè)置引導(dǎo)通航的不同標志防止有關(guān)與通航凈空有關(guān)的險情發(fā)生；（4）橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)所得的監(jiān)測數(shù)據(jù)可用于建立可靠的橋梁結(jié)構(gòu)基準模型，不斷更新的響應(yīng)數(shù)據(jù)用來更新基準模型的各種參數(shù)，從而對橋梁結(jié)構(gòu)的時變可靠度進行評估，對某一階段的各種維修養(yǎng)護方案的實施進行比較分析，挑選出滿足橋梁生命周期成本管理原則的當前最佳實施方案。4信息的可監(jiān)測性分析對前文得到的所需偵測的信息進行評估，首先從信息的測量方式、技術(shù)手段方面將這些信息加以分類（檢測類、監(jiān)測類），對于檢測類信息，不在本規(guī)程范圍內(nèi)。對于監(jiān)測類信息，繼續(xù)根據(jù)可監(jiān)測性（包括監(jiān)測技術(shù)的成熟度、難易度和經(jīng)濟性)，將這些信息建議排序。應(yīng)該優(yōu)先采用可監(jiān)測型號的監(jiān)測信息和目標。5結(jié)構(gòu)監(jiān)測目標體系設(shè)計綜合前文給出的所有監(jiān)測目標和信息，進一步設(shè)計完善這些監(jiān)測目標，包括：判斷每一個具體監(jiān)測目標的歸屬類型；確定與每一個具體監(jiān)測目標所關(guān)聯(lián)且需要偵測信息，給出其可監(jiān)測性判斷；為每一個具體監(jiān)測目標確定一個表征量，初步建立描述其發(fā)展演變過程的完整描述，依據(jù)該表征量，序列化該監(jiān)測目標；初步確定描述該監(jiān)測目標發(fā)展演變的功能方程形式。7.2.2結(jié)構(gòu)損傷（病害）及性能演變分析結(jié)構(gòu)損傷（病害）及性能演變分析的主要目的是為橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)的合理設(shè)計和運營服務(wù)的，是通過對運營期結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型的仿真分析，尋找、發(fā)現(xiàn)或設(shè)計與結(jié)構(gòu)整體性能、局部病害、極端安全事件的發(fā)生或者結(jié)構(gòu)特定行為有關(guān)的最佳信息監(jiān)測模式，包括監(jiān)測指標、內(nèi)容、測點、測量方式、信息處理和利用方式。其核心工作內(nèi)容包括三部分：一是面向運營期橋梁的數(shù)值建模；二是損傷（病害）及性能演變的仿真分析；三是監(jiān)測模式設(shè)計。監(jiān)測模式是指為了揭示結(jié)構(gòu)的某項性能或為了監(jiān)測某項關(guān)切的目標而組織起來的一整套監(jiān)測方案。一個完整的監(jiān)測模式應(yīng)首先包括：監(jiān)測目標，監(jiān)測指標，支撐監(jiān)測指標信息測量的基本物理力學(xué)量測量網(wǎng)絡(luò)（邏輯組），指標識別或抽取計算方案、基于功能函數(shù)的狀態(tài)識別方案（預(yù)警和評估）和趨勢跟蹤預(yù)測方案。1面向運營期橋梁的數(shù)值建模首先根據(jù)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)定的目標體系，建立目標結(jié)構(gòu)的合理的力學(xué)分析模型，然后針對結(jié)構(gòu)運營期的各種荷載和作用，建立合理的預(yù)測模型；并針對結(jié)構(gòu)的材質(zhì)退化、合理的損傷和病害，這部分工作可以總結(jié)為三種建模：結(jié)構(gòu)建模、荷載/作用建模、損傷/性能退化建模。接著，根據(jù)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)定的目標，對上述三種模型進行合理耦合，形成初始模型；然后，通過合理的信息反饋，對初始模型進行模型確認或修正，使其能夠正確描述結(jié)構(gòu)使用現(xiàn)狀。2損傷（病害）及性能演變的仿真分析先根據(jù)橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)的目標體系，選擇適宜的結(jié)構(gòu)性能退化模式、損傷（病害）演變模式，將退化演變過程系列化；選擇合理的荷載或作用組合，將荷載或作用劃分為多個等級；然后將指定的荷載或作用水平加載在結(jié)構(gòu)模型上，依次將系列化的退化會演變模型應(yīng)用在結(jié)構(gòu)模型上；進行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，計算結(jié)構(gòu)指定點或區(qū)域的動靜力特性、動力響應(yīng)水平、靜力效應(yīng)水平，以及反映結(jié)構(gòu)行為的有關(guān)指標量。7.2.3監(jiān)測信息特征和指標體系的設(shè)計1特征指標的確定原則評估指標的確定一般應(yīng)遵循以下原則：客觀性原則

評估指標要求不同橋梁之間具有可比性和通用性，避免因各方利益沖突而造成評估結(jié)果的差異；代表性原則

在具體對某一對象進行評估時，既要全面分析其相關(guān)因素，又要抓住主要矛盾選擇最能反映對象水平的因素，使評估指標具有代表性；完備性原則

評估指標應(yīng)盡可能完整地、全面地反映和度量橋梁的安全性與耐久性；相對獨立性原則

在設(shè)計評估指標時，有些指標之間往往具有一定程度的相關(guān)性，因此要采用科學(xué)的方法處理指標體系中彼此相關(guān)程度較大的因素，盡可能使各指標之間應(yīng)相互獨立，避免相互包容；簡潔性原則

在滿足完備性原則的前提下，應(yīng)盡可能減少指標數(shù)。次級指標應(yīng)能夠量化，評估指標的取得應(yīng)簡單易行，便于操作，技術(shù)上可行，經(jīng)濟上合理。2特征指標設(shè)計方法根據(jù)結(jié)構(gòu)損傷和性能演變分析的計算結(jié)果，提煉、總結(jié)和發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的如下規(guī)律：特定結(jié)構(gòu)性能退化模式、損傷（病害）演變模式下的結(jié)構(gòu)動靜力特性發(fā)展規(guī)律、關(guān)鍵效應(yīng)的發(fā)展規(guī)律、反映結(jié)構(gòu)行為的有關(guān)指標量的發(fā)展規(guī)律，尋找最佳的指標量來表征對結(jié)構(gòu)性能退化模式、損傷（病害）演變模式，并根據(jù)結(jié)構(gòu)退化演變的關(guān)鍵狀態(tài)，決定這些指標的狀態(tài)空間劃分和閥值體系；根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)退化演變水平下的結(jié)構(gòu)效應(yīng)計算結(jié)果，探索和設(shè)計新型指標（指不包含在已有知識知識體系內(nèi)的量）來表征結(jié)構(gòu)退化演變過程，并根據(jù)結(jié)構(gòu)退化演變的關(guān)鍵狀態(tài)，決定這些指標的狀態(tài)空間劃分和閥值體系；不同荷載水平下結(jié)構(gòu)關(guān)鍵效應(yīng)、反映結(jié)構(gòu)行為的有關(guān)指標量的發(fā)展規(guī)律，尋找或設(shè)計最佳的指標量來表征結(jié)構(gòu)整體或局部的安全性，并根據(jù)一些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)荷載水平來決定這些指標的狀態(tài)空間劃分和閥值體系。7.2.4監(jiān)測模式的設(shè)計根據(jù)前文形成的每一個指標，設(shè)計最佳監(jiān)測模式，一般化過程如下：首先確定指標與可測量的數(shù)學(xué)關(guān)系，然后再確定監(jiān)測內(nèi)容和測點布置方案，以及監(jiān)測技術(shù)類型和傳感設(shè)備的技術(shù)參數(shù)；最后，確定從監(jiān)測數(shù)據(jù)中抽取識別指標的方法，以及根據(jù)指標進行結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)判別的方法。指標與可測量的數(shù)學(xué)關(guān)系監(jiān)測內(nèi)容和測點布置方案監(jiān)測技術(shù)類型和傳感設(shè)備的技術(shù)參數(shù)識別指標的方法結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)判別的方法1特征指標與可測量的數(shù)學(xué)關(guān)系建模一般而言，描述結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)指標不可直接測量，或者直接測量的代價要遠大于其它間接方式，這時就需要建立指標和可測量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，以便可測的物理力學(xué)量來間接地得到這些指標的估計。已知的描述結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)指標與有關(guān)可測量的數(shù)學(xué)關(guān)系已經(jīng)明確建立了，可以分為如下幾種類型：指標是一些可測量的顯式函數(shù)，則可直接組織對這些可測量進行監(jiān)測，間接得到待測指標；指標與一些可測量存在復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系，很難顯式地給出其關(guān)系式，則可嘗試通過數(shù)值試驗或?qū)嶋H模型試驗的方式生成指標與可測量的數(shù)據(jù)模式對比，嘗試用簡化的替代函數(shù)或其它數(shù)學(xué)模型來替代建立其關(guān)系，這包括曲線擬合、響應(yīng)面函數(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊推理系統(tǒng)、支持向量機等；指標與一些可測量不存在函數(shù)關(guān)系，但卻與可測量的某種變換形式存在聯(lián)系，比如結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率，是通過結(jié)構(gòu)的加速度的時域測量信息的轉(zhuǎn)換成頻域形式，然后通過極值定位得到的。對于這些指標，也可以以某種適當?shù)姆绞浇M織對相關(guān)可測量的監(jiān)測，通過一套計算方案來得到；還有一些指標量兼顧上述三種情形，比如復(fù)雜纜索體系的索力識別，也可按類似的方式建立其數(shù)學(xué)關(guān)系。2監(jiān)測內(nèi)容及測點布置方案每一種待監(jiān)測的指標都和若干可測量相聯(lián)系的。每一個監(jiān)測指標所需的監(jiān)測內(nèi)容就因此可以確定下來。如何得到利用盡可能少的監(jiān)測資源得到盡可能高質(zhì)量的指標，還必須通過測點的最優(yōu)化布置得到。常用的測點優(yōu)化布置方案是遵循如下原則取得的：（1）識別(傳遞)誤差最小準則

該方法的要點是連續(xù)對傳感網(wǎng)絡(luò)進行調(diào)整，直至識別(傳遞)目標的誤差達到最小值為止。Kammer

有效獨立法(EffectiveIndependenceMethods)：其基本思想是逐步消除那些對目標參量的獨立性貢獻最小的自由度，以使目標的空問分辯率達到最佳程度；Liu&Tasker

采用擾動分析法推導(dǎo)了傳感器位置與識別誤差的關(guān)系，從而使配置的傳感器網(wǎng)絡(luò)所獲得的目標識別誤差最小。該準則即適于靜力作用下的結(jié)構(gòu)參數(shù)識別也適于動力作用下橋梁的模態(tài)識別。2監(jiān)測內(nèi)容及測點布置方案（2）模型縮減準則

在模型縮減中常常將系統(tǒng)自由度區(qū)分為主要和次要自由度，縮減以后的模型應(yīng)保留主要自由度而去掉次要自由度。將傳感器配置于這些主要自由度上測得的結(jié)構(gòu)效應(yīng)或響應(yīng)，應(yīng)能較好的反映結(jié)構(gòu)的動、靜力特性。用于模型縮聚常用方法有Guyan縮聚法、改進縮聚法(ImprovedReducedSystem)等。（3）插值擬合準則

有時傳感器優(yōu)化配置的目的是為了利用有限測點的效應(yīng)(對動力而言為響應(yīng))來獲得未測量點的響應(yīng)。這時可采用插值擬合的方法獲得目標點(未測量點)的響應(yīng)，為了得到最佳效果，可采用插值擬合的誤差最小原則來配置傳感器。（4）模態(tài)應(yīng)變能準則

其基本思想是具有較大模態(tài)應(yīng)變能的自由度上的響應(yīng)也比較大，將傳感器配置于這些自由度所對應(yīng)的位置上將有利于參數(shù)識別。這一方法需要借助有限元分析法。3監(jiān)測技術(shù)及其參數(shù)選型橋梁智慧監(jiān)測技術(shù)選型應(yīng)該遵循如下原則：（1）傳感技術(shù)應(yīng)該首先以滿足對監(jiān)測指標的測量需求，其次要兼顧技術(shù)成熟度、經(jīng)濟性、實施難易程度等方面的要求；（2）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通訊、存儲及處理系統(tǒng)的技術(shù)選型應(yīng)該與監(jiān)測目標、監(jiān)測模式和指標匹配，同時要兼顧同一個監(jiān)測系統(tǒng)中的多種傳感設(shè)備，盡可能實現(xiàn)采集設(shè)備公用，以節(jié)省成本；（3）傳感設(shè)備的技術(shù)參數(shù)選擇應(yīng)該根據(jù)結(jié)構(gòu)損傷和性能演變分析的計算結(jié)果，合理選擇傳感設(shè)備的量程、分辨率、精度等參數(shù)；應(yīng)該根據(jù)指標的識別算法，來合理選擇傳感設(shè)備的采樣頻率、動態(tài)性能等參數(shù)。在前文規(guī)定的損傷（病害）及性能演變的仿真分析中，一個重要的分析內(nèi)容即為結(jié)構(gòu)在極端設(shè)計荷載下的效應(yīng)分析，通過這些分析結(jié)果的范圍、變化規(guī)律，可以為傳感器的最大量程、分辨率等的設(shè)定提供依據(jù)；根據(jù)前文規(guī)定的指標情況，以及前文規(guī)定的指標抽取識別算法的具體設(shè)計原則，可以為傳感設(shè)備采樣頻率、動態(tài)性能等參數(shù)的設(shè)定提出依據(jù)。4狀態(tài)空間的屬性劃分——指標閾值設(shè)計結(jié)構(gòu)狀態(tài)空間屬性劃分方法的關(guān)鍵是指標臨界值或閾值。由結(jié)構(gòu)損傷（病害）及性能演變分析的計算結(jié)果，設(shè)計得到指標的閾值，這些閾值可作為結(jié)構(gòu)狀態(tài)屬性判斷的依據(jù)。每一個具體的監(jiān)測目標均代表了橋梁結(jié)構(gòu)的某一方面性能，因此對該方面的性能狀態(tài)的描述可以用對應(yīng)的功能函數(shù)來進行。這種描述方式可以分為確定性描述、概率性描述和可靠度描述三種形式。4狀態(tài)空間的屬性劃分——指標閥值設(shè)計確定性描述方式通常將與監(jiān)測目標的特定狀態(tài)（臨界狀態(tài)）相對應(yīng)的功能函數(shù)取值來判斷。對于單臨界狀態(tài)的監(jiān)測目標，通常將其臨界狀態(tài)對應(yīng)于功能函數(shù)等于零的狀態(tài)，并定義功能函數(shù)大于零的狀態(tài)為健康狀態(tài)，小于零的狀態(tài)為不健康狀態(tài)。對于多臨界狀態(tài)的監(jiān)測目標，可以通過與這些臨界狀態(tài)對應(yīng)的功能函數(shù)的取值大小，將結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)進行多級評定；概率性描述方式是將構(gòu)成功能函數(shù)的指標及其閥值視作隨機變量，并將臨界狀態(tài)與功能函數(shù)的特定取值相關(guān)聯(lián)，從概率的角度，來表達結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。對于單極限狀態(tài)的監(jiān)測目標，可以定義一個臨界概率PH，當功能函數(shù)的大于零的概率大于PH時，結(jié)構(gòu)為健康狀態(tài)，否則為不健康狀態(tài)。對于多臨界狀態(tài)的監(jiān)測目標，也可以定義出系列概率PI，PII，PIII，……，根據(jù)概率大小來劃定結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)等級；可靠度描述方式與概率性方式基本過程類似，不同的是用可靠性指標來取代概率，來描述結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)。5狀態(tài)演變過程的參照系統(tǒng)由結(jié)構(gòu)損傷（病害）及性能演變分析，可計算得到與狀態(tài)演變過程相對應(yīng)的指標趨勢，可用做實際監(jiān)測得到指標趨勢線的參照，做出趨勢變化健康與否的判斷。依照指標的趨勢規(guī)律也可對結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)做出判斷。這可以通過如下幾種途徑達到：判斷實測趨勢線與參照趨勢線的匹配程度，可以據(jù)此得出指標的演變是否受某種已知規(guī)律的支配的結(jié)論；依據(jù)實測趨勢線與參照趨勢線融合模型，比較當前或未來時刻的指標預(yù)測值和實測值，可以給出結(jié)構(gòu)狀態(tài)健康與否的判斷或預(yù)警；比較參照趨勢線的變化速度（時間導(dǎo)數(shù)或?qū)δ骋蛩氐膶?dǎo)數(shù)）和實測趨勢線的變化速度，可以給出結(jié)構(gòu)狀態(tài)健康與否的判斷或預(yù)警。7.2.5多監(jiān)測模式的集約與優(yōu)化1測點網(wǎng)絡(luò)的集約與測點邏輯組結(jié)構(gòu)通常需要多個監(jiān)測目標，每個監(jiān)測目標有一個監(jiān)測模式，每個監(jiān)測模式均有一個獨立設(shè)計的測點組。設(shè)計者需要將這些各自獨立的測點組進行歸并處理，并進行集約化再設(shè)計，使從屬于不同監(jiān)測模式的測點最大程度共用互聯(lián)。這包括：對位置相近且使用同種傳感器的情況，盡管每一個測點都在其從屬的測點組內(nèi)是最優(yōu)化位置，但考慮到經(jīng)濟節(jié)約的因素，應(yīng)該將這些測點歸并成一個測點，使其一兼多職；可以使用傳感器邏輯組的概念，使分屬于不同測點組的傳感器可以組成邏輯上的新的測點組，形成新的監(jiān)測模式；將所有經(jīng)過歸并化的測點組，組成總體測點網(wǎng)絡(luò)。建立總體的測點布置原則，然后依據(jù)該原則在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)進行測點的重新設(shè)計，取舍冗余測點，移動測點位置到總體最佳程度。2監(jiān)測技術(shù)及其參數(shù)的集約化從屬與不同測點組的測點，在測量相同物理量的情形下，應(yīng)該盡可能采用同種監(jiān)測技術(shù)，包括采用同樣的傳感器、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、數(shù)據(jù)控制通訊技術(shù)等，并且應(yīng)該盡可能采用相同的技術(shù)參數(shù)，如采樣頻率、量程、分辨率等。3數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一大型結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)動則擁有數(shù)十甚至上百的數(shù)據(jù)通道。這些數(shù)據(jù)的采集、傳輸和存儲過程中應(yīng)該遵循統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，包括統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標簽規(guī)則、統(tǒng)一的時間戳、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)計數(shù)法、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)有效位和小數(shù)點位數(shù)。磁盤介質(zhì)記錄時也應(yīng)該采用相同的格式（推薦二進制格式）；對于原始監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)任何加工處理得到的二次數(shù)據(jù)，如統(tǒng)計量、特征指標量等，也應(yīng)該遵循統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式。4算法的通用化設(shè)計對于原始數(shù)據(jù)的處理算法，能夠通用的盡可能采用通用算法。一般而言，無論是靜力效應(yīng)的測量數(shù)據(jù)還是動力響應(yīng)的測量數(shù)據(jù)，在進行一般意義上的統(tǒng)計處理和例行數(shù)據(jù)規(guī)律挖掘時，其算法可以通用；對于一些指標抽取識別算法，如譜估計、模態(tài)參數(shù)識別等，應(yīng)該盡可能設(shè)計成通用模式，便于處理不同監(jiān)測模式下的計算；對于利用監(jiān)測數(shù)據(jù)形成的在線預(yù)警、在線評估功能的，其算法設(shè)計應(yīng)盡可能通用化，即應(yīng)該盡可能采用同一個算法框架實現(xiàn)預(yù)警、評估等信息加工利用過程。7.3橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)方案設(shè)計7.3.1軟件系統(tǒng)設(shè)計軟件技術(shù)選擇原則

大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)是一個橫跨橋梁結(jié)構(gòu)、工業(yè)傳感器、工業(yè)自動控制、網(wǎng)絡(luò)傳輸、信息實時采集、橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)分析、信息發(fā)布顯示、軟件集成領(lǐng)域的一個系統(tǒng)集成項目，因此在整個系統(tǒng)的技術(shù)實現(xiàn)手段的選擇上必須遵循以下原則：采用的技術(shù)實現(xiàn)手段必須保證其可靠性、實時性要求；選擇成熟的專業(yè)軟件、并在此基礎(chǔ)上進行定制開發(fā)；采用的技術(shù)實現(xiàn)手段必須有一定的擴展性和移植能力。1設(shè)計原則與總體設(shè)計1設(shè)計原則與總體設(shè)計軟件使用、設(shè)計和開發(fā)的總體要求

橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)軟件使用、設(shè)計和開發(fā)應(yīng)遵循如下一些基本要求：對于受版權(quán)保護軟件，應(yīng)嚴格按照供應(yīng)商許可協(xié)議使用。在使用過程中，應(yīng)驗證其可靠性，以及提供當前使用該軟件模塊的實際用戶數(shù)量、軟件的使用期限；軟件應(yīng)采用模塊化形式。所有自行開發(fā)的各個軟件模塊要達到所要求的功能，具有良好的界面；對于自行開發(fā)軟件，應(yīng)具有可維修性、可追蹤性、編程適應(yīng)性和擴展可能性等功能，并提供詳細的研發(fā)文檔及用戶操作軟件；應(yīng)為各個已開發(fā)的軟件模塊和整個系統(tǒng)定義一個軟件測試驗收計劃，以此作為軟件質(zhì)量評估和最終接受的基礎(chǔ)；軟件在應(yīng)用于現(xiàn)場之前，還須進行全面的測試。軟件系統(tǒng)應(yīng)具有完備的安全保障體系，應(yīng)確定該軟件系統(tǒng)崩潰的危險性，并在該系統(tǒng)的設(shè)計中采用適當?shù)谋Ｗo措施；大橋監(jiān)測系統(tǒng)建成后，軟件系統(tǒng)的開發(fā)方應(yīng)提供若干（待定）年的系統(tǒng)維護和優(yōu)化服務(wù)。1設(shè)計原則與總體設(shè)計軟件系統(tǒng)一般化結(jié)構(gòu)

軟件系統(tǒng)設(shè)計，可以包括如下內(nèi)容：數(shù)據(jù)采集及傳輸控制系統(tǒng)；數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)；以集約化特征抽取為目標的數(shù)據(jù)分析及處理系統(tǒng)；在線預(yù)警及評估系統(tǒng)；在線監(jiān)測反演仿真系統(tǒng)（運行以獲取未測部位結(jié)構(gòu)狀態(tài)量為目標的在線混合計算方案）。在進行軟件系統(tǒng)總體設(shè)計時，可遵循如下原則進行：數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)，應(yīng)以集成設(shè)備供應(yīng)商為主，設(shè)計者需要給出各種不同傳感設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、傳輸軟件的集成軟件解決方案，制定好數(shù)據(jù)接口、通信協(xié)議；制定好統(tǒng)一、高效的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，保證數(shù)據(jù)的快捷存取和長期保存；構(gòu)建適用性強、效率高的分析軟件集成平臺，盡可能利用已有的工程分析軟件和數(shù)據(jù)分析軟件，并注重網(wǎng)絡(luò)化云計算等新的計算模式；工程數(shù)據(jù)的可視化表示方式，利用BIM技術(shù)、GIS技術(shù)，實現(xiàn)對橋梁監(jiān)測信息的有效分析和表達，最大程度地支撐橋梁管養(yǎng)決策。1設(shè)計原則與總體設(shè)計軟件部署方案

結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)通常由多個復(fù)雜的模塊或多個獨立的軟件系統(tǒng)構(gòu)成，設(shè)計者應(yīng)該給出個構(gòu)成部分在計算機網(wǎng)絡(luò)中的部署方案。部署原則包括：功能相近的構(gòu)成要素部署在同一個運算節(jié)點上；根據(jù)數(shù)據(jù)通訊負荷大小，決定各運算節(jié)點的聯(lián)通方式，依次可供選擇的方式包括：內(nèi)部總線方式、外部總線方式、局域網(wǎng)方式、互聯(lián)網(wǎng)方式等。數(shù)據(jù)采集軟件（模塊）。1設(shè)計原則與總體設(shè)計軟件部署方案

其中數(shù)據(jù)采集軟件（模塊）功能要求如下：數(shù)據(jù)采集軟件應(yīng)具有數(shù)據(jù)采集和緩存管理功能，并能對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行基本的統(tǒng)計運算，以便顯示相應(yīng)信息；對每個傳感器信號提供在線預(yù)覽、濾波、變換和同步統(tǒng)計處理功能，以便根據(jù)實際傳感器信號的時域、頻域性質(zhì)合理設(shè)置采樣參數(shù)；所有用于數(shù)據(jù)采集的參數(shù)應(yīng)該是可存儲、可編輯的、可預(yù)先定義的、可熱切換；系統(tǒng)具有實時自診斷功能，能夠識別傳感器失效、信號異常、子系統(tǒng)功能失效或系統(tǒng)異常等。出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)應(yīng)能立即自動地將故障信息上傳至數(shù)據(jù)處理與控制服務(wù)器(DPC)，并激活警報信息，與此同時，隔離故障傳感器或子系統(tǒng)以保障其余部分正常工作；當系統(tǒng)的一個或多個部分暫時斷電時，系統(tǒng)的各個部分應(yīng)無需人為干涉即可自動重新啟動、同步校準和繼續(xù)正確運行，并保留斷點信息；數(shù)據(jù)采集軟件應(yīng)界面友好，便于操作，具有數(shù)據(jù)捕獲、篩選和檔案處理功能。2數(shù)據(jù)傳輸與通訊軟件（模塊）數(shù)據(jù)傳輸與通信軟件模塊控制負責(zé)各信息節(jié)點之間的數(shù)據(jù)交換，交換的數(shù)據(jù)主要有三類：類別號傳輸數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)特點及傳輸要求1傳感器實時采集的原始數(shù)據(jù)傳輸實時性要求高2傳感器實時采集的歷史數(shù)據(jù)即正點保存的歷史數(shù)據(jù)，該類數(shù)據(jù)的傳輸要求可靠性高3其他數(shù)據(jù)如DAU配置參數(shù)、各種策略信息、控制信息、自檢信息，該類數(shù)據(jù)的傳輸實時性要求高3數(shù)據(jù)存儲管理軟件（模塊）需要存儲管理的數(shù)據(jù)類型及存儲對策

序號數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)特點及存儲對策1傳感器采集的實時原始數(shù)據(jù)該類數(shù)據(jù)的特點是數(shù)據(jù)量大，可靠性要求高，并且必須保持一段時間。因此在存儲上必須特殊考慮，建議文件方式存儲。需要給出明確的文件命名規(guī)則。2原始監(jiān)測數(shù)據(jù)的加工后的導(dǎo)出數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)量大大減小，但仍與時間相關(guān)，建議以數(shù)據(jù)庫方式存儲。構(gòu)建好數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)。3系統(tǒng)參數(shù)與時間無關(guān)，該類數(shù)據(jù)如DAU配置參數(shù)、各種策略信息、DAU工作狀態(tài)信息等，特點是該類數(shù)據(jù)量小，主要是一些控制信息，存儲上可不作特殊考慮。3數(shù)據(jù)存儲管理軟件（模塊）數(shù)據(jù)存儲的基本原則數(shù)據(jù)存儲分為兩個操作模式：系統(tǒng)自動保存和人為選擇保存；原始采樣數(shù)據(jù)以二進制文件存儲，文件名中包含工作站、傳感器、采樣時間和長度等檢索信息。公開文件格式，為用戶在結(jié)構(gòu)評估服務(wù)器上擴展自定義分析、轉(zhuǎn)換和存儲工具提供方便；用戶可以在結(jié)構(gòu)評估服務(wù)器上通過數(shù)據(jù)管理與評估軟件觀察原始數(shù)據(jù)，并選擇參數(shù)進行各種實時處理，并保存感興趣的處理結(jié)果。另外可以考慮將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并存儲成其它格式的文件。3數(shù)據(jù)存儲管理軟件（模塊）數(shù)據(jù)存儲的基本原則橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)中需要高采樣頻率進行測量的傳感器，如加速度傳感器和光纖光柵應(yīng)變計，其采集的數(shù)據(jù)約占整個原始數(shù)據(jù)的70~80％，考慮到實施實時采集致使數(shù)據(jù)量太多，以至于沒有足夠的人力資源進行處理分析，而且得到的信息中有很多是重復(fù)的冗余信息。因此針對加速度傳感器將制定采集制度，按照一定的條件定期采集數(shù)據(jù)，大量地降低無用信息的冗余。

第二章中的FBG加速度傳感器和FBG陣列應(yīng)變傳感器3數(shù)據(jù)存儲管理軟件（模塊）數(shù)據(jù)管理方式由于數(shù)據(jù)來源多樣，形式復(fù)雜，格式不一，因此對數(shù)據(jù)管理必須統(tǒng)一規(guī)劃、分步實施。主要可有三種形式。直接以數(shù)據(jù)文件形式存儲原始數(shù)據(jù)，構(gòu)造能夠記錄采集設(shè)備、采集時間等必要信息的文件名，以便根據(jù)時間，部位檢索原始數(shù)據(jù)；根據(jù)系統(tǒng)對海量數(shù)據(jù)以及不同形式數(shù)據(jù)的存儲與管理需求，應(yīng)該選擇用合適的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對橋梁幾何數(shù)據(jù)、監(jiān)測時間序列數(shù)據(jù)、圖像監(jiān)測信息和文本信息的統(tǒng)一存儲；信息查詢子系統(tǒng)應(yīng)該能為用戶提供各種有關(guān)橋梁狀態(tài)的各種歷史信息、實時信息的查詢。應(yīng)該提供多線索查詢手段，比如時段、結(jié)構(gòu)區(qū)域、傳感器類別、檢查維修記錄等。監(jiān)測系統(tǒng)可設(shè)八個數(shù)據(jù)庫：系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)庫、結(jié)構(gòu)信息數(shù)據(jù)庫、結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)庫、長期監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、健康狀態(tài)數(shù)據(jù)庫、超域值事件數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)維護數(shù)據(jù)庫、管養(yǎng)檢查信息庫。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的運用大大提高了系統(tǒng)的效率，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫具有友好的、可視化程度高的人機交互界面，方便多用戶的訪問。

系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)庫由系統(tǒng)參數(shù)模塊生成，包括基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)構(gòu)與傳感器關(guān)系參數(shù)，以及傳感器采樣頻率、數(shù)據(jù)預(yù)處理參數(shù)等各類可設(shè)置參數(shù)。橋梁設(shè)計、施工、監(jiān)理信息等存入結(jié)構(gòu)信息數(shù)據(jù)庫。橋梁結(jié)構(gòu)的各監(jiān)測項目的初始值以及隨時間的趨勢進化存入結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)庫。健康監(jiān)測系統(tǒng)的定期自檢以及事故維修記錄存入系統(tǒng)維護記錄庫。各種傳感器的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和定期采樣數(shù)據(jù)、直接加入到長期監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，以便今后對數(shù)據(jù)進行精確分析、查詢及校核。圖像監(jiān)測信息經(jīng)刪選后以圖幅方式也存入長期監(jiān)測數(shù)據(jù)庫。對于經(jīng)過預(yù)處理的各個監(jiān)測內(nèi)容的統(tǒng)計數(shù)據(jù)的直接加入健康狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，以便專家系統(tǒng)對橋梁的健康狀態(tài)進行快速而高效的分析和評估。對于超過閥值的各監(jiān)測內(nèi)容的原始數(shù)據(jù)存儲在超域值事件數(shù)據(jù)庫，以便對超域值事件進行重點分析和評估。事件(損傷、維修記錄等)信息存入管養(yǎng)檢查信息庫。3數(shù)據(jù)存儲管理軟件（模塊）數(shù)據(jù)管理方式4應(yīng)用分析軟件（模塊）應(yīng)用分析軟件主要的功能主要數(shù)據(jù)分析與處理計算方案及算法設(shè)計，可以包括如下內(nèi)容：基本數(shù)據(jù)的校驗；基本數(shù)據(jù)的凈化、野點去除、濾波處理；數(shù)據(jù)的基本統(tǒng)計分析及基本數(shù)據(jù)挖掘；特征提?。ɑ跀?shù)據(jù)本身的特征提取和結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)模型定義的特征的提?。?；結(jié)構(gòu)預(yù)警計算方案及算法；結(jié)構(gòu)評估評估方案及算法；在線混合計算方案及算法（以獲取未測部位結(jié)構(gòu)狀態(tài)量為目標的，定期以監(jiān)測量為基準校準模型，然后以監(jiān)測信息驅(qū)動校準后的數(shù)值模型，進行在線分析計算，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)未測部位的行為的合理推斷，進而獲得更加全面的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)信息）。計算方案及算法設(shè)計的總體原則應(yīng)該以結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)概念設(shè)計階段形成的目標體系、基于監(jiān)測信息的指標抽取、指標閥值的獲取、以及基于指標的評估預(yù)警為主要工作內(nèi)容，應(yīng)該做到計算目的的明確性，節(jié)約寶貴計算資源，保證每次計算的結(jié)果都應(yīng)能夠用于對結(jié)構(gòu)狀態(tài)的了解和判斷上，都應(yīng)該能對結(jié)構(gòu)行為的解釋有幫助。缺乏明確用途的、難于解釋或者純粹數(shù)學(xué)上的數(shù)據(jù)加工和處理、為了計算而計算的計算不應(yīng)成為占用監(jiān)測系統(tǒng)寶貴計算資源的主要負擔(dān)。4應(yīng)用分析軟件（模塊）應(yīng)用分析軟件設(shè)計和開發(fā)策略由于橋梁監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用軟件是實現(xiàn)智能監(jiān)測診斷目標的最重要一環(huán)，因此對這部分的研究、設(shè)計和開發(fā)還處于初步探索階段。根據(jù)以往的實踐經(jīng)驗，建議如下軟件設(shè)計和開發(fā)策略：數(shù)據(jù)初步處理，包括基本數(shù)據(jù)的校驗，基本數(shù)據(jù)的凈化、野點去除、濾波處理，以及數(shù)據(jù)的基本統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)規(guī)律挖掘等，建議首先做出篩選，不是非常必要的計算任務(wù)，可以不進行軟件實現(xiàn)，以節(jié)省寶貴計算機CPU資源；特征提取，是應(yīng)用分析的核心部分之一，建議針對每一個監(jiān)測模式的具體特點，遵循特征指標與可測量的數(shù)學(xué)關(guān)系，給出詳細的流程設(shè)計，進而給出其程序?qū)崿F(xiàn)；結(jié)構(gòu)預(yù)警和評估，同樣是應(yīng)用分析的核心部分之一，應(yīng)該根據(jù)7.2節(jié)的方法，給出每一種監(jiān)測模式下的預(yù)警和評估方案，選擇適宜的技術(shù)予以程序?qū)崿F(xiàn)；在線混合計算，應(yīng)結(jié)合成熟商用有限元軟件及成熟數(shù)據(jù)分析軟件，實際開發(fā)這些軟件的統(tǒng)一調(diào)度平臺。7.3.2計算方案及算法設(shè)計1數(shù)據(jù)調(diào)理和凈化一般的，原始監(jiān)測數(shù)據(jù)在正式進行處理前還須進行必要的調(diào)理和凈化處理。主要的目的在于：野值剔除，消除噪聲和趨勢項。

野值本質(zhì)上是一種粗大誤差，需要在監(jiān)測系統(tǒng)中予以剔除。目測法只能用于人工進行。目前有很多種自動剔除方法主要是依靠一些準則來自動判斷某次測量數(shù)據(jù)是否為野值，包括：萊以特法（準則）、羅曼諾夫斯基準則（t檢驗準則）、格羅布斯準則、狄克松準則等。注：野值剔除準則中，以萊以特準則最為常用，但是利用萊以特準則剔除野值，需要殘差滿足正態(tài)分布，這在測量數(shù)據(jù)中經(jīng)常得不到滿足。如果將測量數(shù)據(jù)中的特征變化項作為趨勢項提取出來，然后對剩余部分依據(jù)萊以特準則進行野值剔除，則會有很好的效果。1數(shù)據(jù)調(diào)理和凈化測量隨機誤差，反映在動態(tài)數(shù)據(jù)上就是一種噪聲，噪聲水平過高時，常常需要對其降噪。除了在采集板卡電路上進行硬件降噪外，還可以進行測量后數(shù)據(jù)的軟降噪。軟降噪有兩種工作方式，一種是準實時的數(shù)據(jù)幀降噪，一種是實時降噪，均多種方法可供選擇。

數(shù)據(jù)幀式降噪，是指將多次連續(xù)采集的數(shù)據(jù)集組成數(shù)據(jù)幀，然后利用各種降噪方法進行數(shù)字降噪，包括有限脈沖和無限脈沖類的傳統(tǒng)降噪法，以及自適應(yīng)最小二乘濾波、小波變換、EMD降噪法等新近出現(xiàn)的方法。降噪時，通常需要進行加窗處理。

實時降噪法是指一類通過對數(shù)據(jù)歷史的學(xué)習(xí)而掌握其基本規(guī)律而建立的實時數(shù)據(jù)濾波算法，包括自適應(yīng)最小二乘濾波、卡爾曼濾波、粒子濾波等。1數(shù)據(jù)調(diào)理和凈化

趨勢項的本質(zhì)是系統(tǒng)誤差，可以在測量后對數(shù)據(jù)修正，達到對趨勢項進行減小和消除的效果。和降噪類似，也有兩種方式，準實時的數(shù)據(jù)幀方式和實時方式。

準實時的數(shù)據(jù)幀方式去除趨勢項的具體實現(xiàn)方法包括：高通濾波法、平均傾斜法和最小二乘法。當趨勢項為低頻信號，且頻率低于感興趣的頻率時，可采用高通濾波法將趨勢項予以剔除；當趨勢項是隨時間線性變化時，可采用平均傾斜法；當趨勢項呈高階多項式態(tài)勢時，采用最小二乘法。2數(shù)據(jù)的初步處理主要目的：是對結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行一些進行必要的統(tǒng)計運算、頻譜計算或特殊變換，以從總體上了解監(jiān)測所得的荷載、作用或結(jié)構(gòu)響應(yīng)的數(shù)據(jù)特征，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)隱蔽結(jié)構(gòu)，進而為監(jiān)測數(shù)據(jù)規(guī)律的進一步挖掘、特征抽取和識別來服務(wù)。

時域統(tǒng)計處理

比如，在設(shè)定時段內(nèi)的計算數(shù)據(jù)的最值、均值、方差、標準差、變化幅值、自相關(guān)、峭度、平坦度等，計算結(jié)果可作為初級預(yù)警的輸入，并用以判定信號是否正常；

頻域譜估計

包括傅立葉功率譜、幅值譜、相位譜等，計算結(jié)果可以用于發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)潛在規(guī)律、能量分布等，進而據(jù)此找到結(jié)構(gòu)行為的”模態(tài)“；

特殊變換處理

通過某些數(shù)學(xué)映射變換，將數(shù)據(jù)進行變形、投射、篩選和成分分解和重構(gòu)，即所謂的”換個角度看數(shù)據(jù)“。常用的有除了傅立葉變換之外的各種變換、小波變換、希爾伯特變換、希黃變換、梅林變換、頻率阻尼二維變換等。由于是換個角度看問題，因此這類數(shù)據(jù)處理方案通常會起到奇效，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中一些特殊規(guī)律。建議在進行監(jiān)測數(shù)據(jù)的初步處理時一定要秉承實事求是原則，明確監(jiān)測目標，摒棄一切雕飾，實現(xiàn)真正有意義的計算任務(wù)。3數(shù)據(jù)挖掘任務(wù)描述和數(shù)據(jù)初步處理任務(wù)一樣，數(shù)據(jù)挖掘主要也是用來從監(jiān)測數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)行為規(guī)律的一種處理任務(wù)，不同的是，數(shù)據(jù)挖掘更加關(guān)注利用數(shù)據(jù)挖掘的基本數(shù)學(xué)工具來發(fā)現(xiàn)監(jiān)測對象的不同物理量、不同指標量內(nèi)部規(guī)律和之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，進而發(fā)現(xiàn)隱藏地結(jié)構(gòu)行為規(guī)律。挖掘的最主要目標就是利用數(shù)據(jù)的概化、相關(guān)性/相干性分析，找出數(shù)據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)規(guī)律，以及不同數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系、關(guān)聯(lián)強度，利用簡單的數(shù)學(xué)模型來逼近這些關(guān)聯(lián)關(guān)系和建立規(guī)則，找出結(jié)構(gòu)性能退化過程的數(shù)值表述方式。3數(shù)據(jù)挖掘橋梁監(jiān)測系統(tǒng)中的重要數(shù)據(jù)挖掘任務(wù)

1)動態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)的疲勞應(yīng)力/應(yīng)變譜估計，雨流分析；2)從動態(tài)稱重系統(tǒng)中分析疲勞荷載譜規(guī)律，發(fā)現(xiàn)和建立交通流荷載模型及其參數(shù)；3)從風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測數(shù)據(jù)中估計風(fēng)譜，從風(fēng)壓監(jiān)測數(shù)據(jù)中估計結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓系數(shù)等參數(shù)；4)通過結(jié)構(gòu)效應(yīng)監(jiān)測值與結(jié)構(gòu)溫度、濕度等監(jiān)測信息的相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)、評估結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)，或從結(jié)構(gòu)總體效應(yīng)中剔除溫度效應(yīng)和濕度影響；5)通過結(jié)構(gòu)效應(yīng)監(jiān)測值與風(fēng)監(jiān)測信息的相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載下的行為規(guī)律；非常必要和有意義的工作3數(shù)據(jù)挖掘常用數(shù)學(xué)工具

數(shù)據(jù)挖掘工作僅限于數(shù)學(xué)概念上的運算，主要的數(shù)學(xué)工具包括：1)因子分析（FactorAnalysis）和主成分分析(PrincipleComponentAnalysis)；2)多元回歸分析(MultiplierRegression)；3)統(tǒng)計模式識別（StatisticalPatternRecognition）和判別分析(DiscriminantAnalysis)；4)聚類分析（ClusteringAnalysis）5)幸存分析（SurvivalAnalysis）利用監(jiān)測數(shù)據(jù)進行深度的挖掘工作，有助于掌握已有工程學(xué)和已有經(jīng)驗中所不曾掌握的結(jié)構(gòu)、荷載、效應(yīng)的發(fā)展演變規(guī)律。4特征/指標的抽取和識別特征/指標

以監(jiān)測模式為核心的結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計體系統(tǒng)，特征或者指標通常是以力學(xué)、結(jié)構(gòu)為背景的監(jiān)測量的導(dǎo)出量，其定義方法已在概念設(shè)計階段（7.2節(jié)）解決了。設(shè)計者需要在基本的定義基礎(chǔ)上，設(shè)計出具體的從直接監(jiān)測信息到特征/指標抽取算法。特征/指標抽取算法通常是以指標的定義為基礎(chǔ)，對從屬于同一個監(jiān)測模式規(guī)定的傳感器邏輯組的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行各種建工處理運算。4特征/指標的抽取和識別指標的分類

依據(jù)指標的用途不同，可以區(qū)分為預(yù)警指標和評估指標兩類。預(yù)警指標用于結(jié)構(gòu)的預(yù)警，對它的抽取算法必須具有一定的實時性，抽取計算的計算量應(yīng)該控制在一定程度內(nèi)，單次計算CPU耗時應(yīng)該小于數(shù)據(jù)幀的實際持續(xù)時間。評估指標可以不受此限制。預(yù)警和結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估的內(nèi)在機制類似，不同之處就是預(yù)警的判別更注重時效性。這些預(yù)警指標可以與評估用的狀態(tài)指標相同，也可以另行定義。選擇預(yù)警指標的原則是：1)物理意義明確；2)可以從實時監(jiān)測信息中抽取，算法相對簡單，識別或抽取的耗時小，便于實現(xiàn)實時過濾機制；3)能夠?qū)Ξ惓５牟课?、程度給出大致的判斷；4)預(yù)警判別算法擬采用統(tǒng)計模式識別算法、模糊推理系統(tǒng)或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。4特征/指標的抽取和識別指標的分類

預(yù)警是一種實時化的在線評估，它和普通的評估過程的最大區(qū)別就是注重預(yù)警過程的時效性。盡管從原始監(jiān)測信息到最終的預(yù)警指標體系是經(jīng)過特征抽取和選擇的，數(shù)據(jù)的維數(shù)大大降低，但由于計算的復(fù)雜性和大的數(shù)據(jù)量，預(yù)警指標的抽取和選擇的時效性依然占整個預(yù)警時效的大部分。需要研究實時化的預(yù)警指標的抽取算法4特征/指標的抽取和識別指標抽取算法設(shè)計內(nèi)容

按照7.2.4規(guī)定的特征指標與可測量的數(shù)學(xué)關(guān)系建模方法，可以給出指標識別算法基本的框架，在此基礎(chǔ)上，還須進一步設(shè)計如下連續(xù)化的指標識別算法或計算方案，其要點包括：1)確定可測量之間的時間同步關(guān)系；2)確定各可測量的代表值，是選用采用時刻的實測值，還是固定時間區(qū)間內(nèi)的測量值的均值；3)確定指標抽取計算的時間頻度，以及相關(guān)聯(lián)的可測量時間序列的每一幀長度、幀重疊方案；4)確定測量誤差的傳遞方式，優(yōu)化算法基本參數(shù)，使得指標識別的質(zhì)量最佳化（偏最小化，方差最小化）；5)已提出的時域、時序模型參數(shù)及常規(guī)頻譜特征參數(shù)等以外，還可以進行基于時-頻分布分析、小波變換、高階統(tǒng)計量分析及非線性動力學(xué)特征量（如Lyapunov譜、關(guān)聯(lián)維數(shù)等）的特征參數(shù)生成；6)對于生成的眾多特征參數(shù)，采用模式識別理論的有關(guān)類別可分性判據(jù)并結(jié)合損傷模式分析選擇獨立、有效的特征；7)對選擇的特征，通過線性映射和非線性映射進行特征提取，獲取最敏感的特征，并進一步進行敏感特征的最優(yōu)組合。4特征/指標的抽取和識別常用指標

對結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)進行掌控，首先要建議一套能夠真正反映結(jié)構(gòu)當前工作狀態(tài)的指標體系，其當前值需要從已有的實時監(jiān)測信息和巡檢信息中抽取或識別，然后將該指標體系的當前值與其對應(yīng)的閥值進行比較，從而給出當前狀態(tài)的判斷和掌控。其中，反映結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)的量將成為指標體系中的重要組成部分，如，拉索索力，主梁軸力和彎矩，主塔軸力及彎矩、主纜的張力等，這些力學(xué)量大多不能夠直接進行測量，需要從其它物理量中進行抽取計算。除了反映內(nèi)力狀態(tài)的指標外，反映結(jié)構(gòu)動力特性的指標，如橋梁的模態(tài)參數(shù)及其他各種動力學(xué)指標，也是反映結(jié)構(gòu)剛度、質(zhì)量和阻尼特性的重要標志，他們和反映內(nèi)力狀態(tài)的指標同等重要。反映結(jié)構(gòu)耐久性狀態(tài)的指標，如混凝體碳化狀態(tài)、氯離子濃度、PH值、腐蝕電位等，以及反映大橋使用性狀態(tài)的參數(shù)，也都應(yīng)該稱為評估指標的一部分。5結(jié)構(gòu)自動預(yù)警方案預(yù)警概念

第一類預(yù)警，即通代表某具體監(jiān)測目標的指標的歷史觀測值，對未來的某一時刻的值做出預(yù)測，并根據(jù)指標預(yù)測值，依照某種判別法則對預(yù)警事件進行判斷。第二類預(yù)警的實質(zhì)是一種實時化的在線評估，即根據(jù)結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生的狀態(tài)記錄，在盡可能短的時間滯后內(nèi)，完成對橋梁狀態(tài)的評估，并將評估結(jié)果及時通知橋梁的管理者。幾點說明如下：1)有些結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)的預(yù)警系統(tǒng)分為初級預(yù)警及結(jié)構(gòu)預(yù)警兩部分，其中初級預(yù)警程序能識別判斷并排除結(jié)構(gòu)受損以外的其他因素，包括傳感器、采集設(shè)備、傳輸設(shè)備等異常的報警；2)通俗地講，所謂橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)中第一類預(yù)警，是在橋梁結(jié)構(gòu)可能發(fā)生的危及結(jié)構(gòu)安全或改變橋梁結(jié)構(gòu)當前健康狀態(tài)的異常事件之前，對表征該狀態(tài)的預(yù)警指標體系進行預(yù)測和判斷，并對預(yù)測結(jié)果進行報警和定級；5結(jié)構(gòu)自動預(yù)警方案預(yù)警概念

3)以上定義的兩類預(yù)警有本質(zhì)的不同，第一類預(yù)警的對象是橋梁，目的是防止未來橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生不安全事件或橋梁的使用功能上的受損狀態(tài)。第二類預(yù)警的對象則是橋梁的管理者，目的是使管理者在最短時間內(nèi)了解橋梁已經(jīng)發(fā)生的結(jié)構(gòu)不安全狀態(tài)和使用功能受損狀態(tài)。對橋梁而言，有意義的第一類預(yù)警實例主要是：1）通過對風(fēng)速的連續(xù)觀測，預(yù)測未來一段時間內(nèi)橋梁的可能遭受的風(fēng)荷載，并據(jù)此判斷結(jié)構(gòu)的某種響應(yīng)是否超限；2）通過對橋下通航的目標船只位置、航速、航向的連續(xù)觀測，預(yù)測船通過橋梁下方航道時的路線和姿態(tài)，判斷是否有船撞可能。在現(xiàn)階段，裝置了風(fēng)速風(fēng)向觀測系統(tǒng)，而對橋下船只進行定位的裝置（如雷達）則很少?？梢詫︼L(fēng)荷載展開第一類預(yù)警。欲做到準確的第一類預(yù)警，尚需進行大量研究。目前實現(xiàn)第二類預(yù)警更具有技術(shù)上的可操作性和現(xiàn)實意義。本文將集中討論的是第二類預(yù)警技術(shù)，即針對橋梁管理者的預(yù)警。5結(jié)構(gòu)自動預(yù)警方案預(yù)警指標的抽取算法的實時化

如前文所述，為了實現(xiàn)工程意義上的預(yù)警實時性和對預(yù)警事件的時間定位的準確性，需要研究實時化的預(yù)警指標的抽取算法。對一個實時監(jiān)測系統(tǒng)而言，預(yù)警指標的抽取過程往往需要經(jīng)過如圖所示的過程：上圖中，數(shù)據(jù)流的時間參量即t_i,i=0,1,2,…，數(shù)據(jù)幀的時間特征有幀長度l、幀結(jié)束時間t_(i+l-1)，即T_i=[t_i,t_(i+1),…,t_(i+l-1)]，預(yù)警指標的時間特征與數(shù)據(jù)幀相同。5結(jié)構(gòu)自動預(yù)警方案預(yù)警指標的抽取算法的實時化

影響預(yù)警指標計算耗時的主要因素有：1)數(shù)據(jù)幀長度數(shù)據(jù)幀的長度直接影響指標抽取的質(zhì)量：過短的幀會丟失數(shù)據(jù)信息和原有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而且由于窗口效應(yīng)和邊界效應(yīng)，抽取得到的指標在頻域和時域均受到污染；過長的幀則不利于預(yù)警的時間分辨率，易于掩蓋或遺漏結(jié)構(gòu)的瞬時異常。因此，需要在幀長度和預(yù)警時間分辨率之間進行平衡；2)指標抽取算法的復(fù)雜程度預(yù)警指標要做到對時間的準確定位和快速響應(yīng)，必須對指標的抽取算法的復(fù)雜程度進行控制。一般而言，直接對振動信號進行的時域變換和計算，其算法相對簡單但易于受噪聲干擾；而進行頻域計算或時頻域變換得算法則復(fù)雜一些，但由此抽取得到得預(yù)警指標得質(zhì)量好。因此，需要在指標質(zhì)量和算法簡單性之間進行取舍；3)指標抽取算法的運算方式不管何種指標抽取運算都有兩種運算方式，即單次運算和實時運算。單次運算是算法的原始狀態(tài)，往往不能顧及計算耗時的要求；實時運算是將算法加以改造，以實現(xiàn)連續(xù)實時計算的要求。5結(jié)構(gòu)自動預(yù)警方案預(yù)警方法（預(yù)警引擎）

預(yù)警的實質(zhì)就是一種注重時效的在線評估（第一類預(yù)警是未來時刻的狀態(tài)；第二類預(yù)警是當前時刻的狀態(tài)評估），評估的實質(zhì)是指標和其對應(yīng)的閥值進行比較。根據(jù)比較的方式不同，可有如下幾種預(yù)警方法：1)簡單的比較法：將預(yù)警指標與其閥值進行簡單意義的比較；2)統(tǒng)計量評判法：考慮預(yù)警指標的隨機性，用指標的某種統(tǒng)計量來替代指標本身來進行比較；3)概率評判法：用概率的的大小來評判事件的發(fā)生可能；4)指標趨勢判別法：根據(jù)指標趨勢線的特征來做出預(yù)警判斷；5)統(tǒng)計模式識別法：將各測量值集組成模式，利用模式識別理論給出指標和其屬性的判別結(jié)論；6)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法：網(wǎng)絡(luò)的輸入層節(jié)點為測量值，輸出層為指標和其屬性的判別結(jié)論；7)模糊推理法：推理機的輸入為測量值，輸出為指標和其屬性的判別結(jié)論；8)其它映射替代法（響應(yīng)面、支持向量機等）：映射的原像為測量值，像為指標和其屬性的判別結(jié)論。5結(jié)構(gòu)自動預(yù)警方案預(yù)警方法（預(yù)警引擎）

預(yù)警和評估的方法有：1)簡單的比較法即將預(yù)警指標與其閥值進行簡單意義的比較。通常，可以對每一個預(yù)警指標的取值空間進行先驗分析，劃定符合工程意義上的多級別閥值，然后比較實測指標落入哪個區(qū)間?；驹u判規(guī)則如下：上述簡單意義上的比較法只適于確定性強的指標。由于測量的原因，以及系統(tǒng)本身的不確定性，實測得到的指標通常表現(xiàn)為相當程度上的不確定性或隨機性，尤其是在預(yù)警評估的情形下，預(yù)警指標是源源不斷地得到的，因此其隨機性表現(xiàn)更為明顯，在此情形下，需要用考慮信息不確定性的方法來進行評估。5結(jié)構(gòu)自動預(yù)警方案預(yù)警方法（預(yù)警引擎）

2)統(tǒng)計評判法考慮預(yù)警指標的隨機性，用指標的某種統(tǒng)計量來替代指標本身來進行比較，常用的是指標的期望點估計或指標的置信區(qū)間估計來進行比較，指標閥值依然采用確定性方法予以確定?；九袆e規(guī)則如下：這種方法的缺點依然是對指標的隨機性考慮不到位。5結(jié)構(gòu)自動預(yù)警方案預(yù)警方法（預(yù)警引擎）

3)概率評判法既考慮到指標的隨機性，也考慮到閥值的不確定性，建立指標的功能函數(shù)，然后用概率的大小來評判。稱指標以概率P進入i級預(yù)警狀態(tài)?？煽慷戎笜似鋵嵕褪且环N特殊的概率指標。也可以說，這種指標的概率判別法是一種泛化的可靠度評估法。5結(jié)構(gòu)自動預(yù)警方案預(yù)警方法（預(yù)警引擎）

4)統(tǒng)計模式識別法該方法的主要思想是將多個預(yù)警指標合成為模式，然后根據(jù)實測模式在整個模式空間的位置來判別結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。5結(jié)構(gòu)自動預(yù)警方案預(yù)警方法（預(yù)警引擎）

5)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法利用已知的模式、結(jié)構(gòu)狀態(tài)對的集合數(shù)據(jù)來尋兩神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使其具有相當?shù)姆夯芰?，然后在線應(yīng)用，來判別當前狀態(tài)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ArtificialNeuralNetwork，ANN）是由大量僅具有簡單行為的神經(jīng)元廣泛互連組成的，可表現(xiàn)出大量復(fù)雜行為的巨系統(tǒng)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于土工結(jié)構(gòu)損傷識別具有以下優(yōu)點：可處理帶噪聲的或不完備的測試數(shù)據(jù)；結(jié)構(gòu)的損傷機理非常復(fù)雜，損傷方式不可預(yù)期，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并不要求事先知道損傷機理和控制方程，只借助樣本數(shù)據(jù)的訓(xùn)練即可表達輸入到輸出空間的映射，適合于任意非線性問題；實際工程往往會遇到“意外”，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)能力可以滿足這一要求。采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，針對永和大橋進行典型損傷的仿真研究，力求較為準確地辨別出損傷位置。5結(jié)構(gòu)自動預(yù)警方案預(yù)警方法（預(yù)警引擎）

5)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的橋梁結(jié)構(gòu)損傷識別可以分為三個環(huán)節(jié)：訓(xùn)練樣本準備環(huán)節(jié)；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)造環(huán)節(jié)；損傷識別環(huán)節(jié)。i.在訓(xùn)練樣本準備環(huán)節(jié)，首先根據(jù)工程實際經(jīng)驗，分析橋梁結(jié)構(gòu)典型的損傷模式，并根據(jù)典型損傷模式，利用修正后的橋梁有限元模型進行有限元模擬以獲取仿真損傷數(shù)據(jù)集，然后結(jié)合歷史實測損傷數(shù)據(jù)構(gòu)成完整的訓(xùn)練樣本集；ii.在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)造環(huán)節(jié)，首先確定模型的拓撲結(jié)構(gòu)，然后利用訓(xùn)練樣本集進行訓(xùn)練，并對訓(xùn)練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行檢驗。在精度檢驗合格后輸出模型；iii.在損傷識別環(huán)節(jié)，可將當前實測的數(shù)據(jù)輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，判斷當前損傷狀況。5結(jié)構(gòu)自動預(yù)警方案預(yù)警方法（預(yù)警引擎）

6)模糊推理法方法類似神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。首先基于ANFIS的橋梁體系安全性耐久性評估系統(tǒng)的基本框架以及該系統(tǒng)的評估流程、評估輸入項目等；然后對本系統(tǒng)的評估輸入項與評估結(jié)果之間的模糊準則如何確定進行了深入的分析討論；最終建立了基于ANFIS的橋梁纜索體系安全性耐久性狀態(tài)的評估系統(tǒng)。5結(jié)構(gòu)自動預(yù)警方案預(yù)警模式/線程管理

用于預(yù)警的監(jiān)測模式及預(yù)警模式，每一個預(yù)警模式就是一個值更個體，可以通過合理的調(diào)度安排，對擁有多個預(yù)警模式的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)進行值更/輪休管理。通常，系統(tǒng)擁有多個預(yù)警模式時，可以對指定其中之一為主預(yù)警模式（更夫長）。建議的橋梁常用預(yù)警模式

可以根據(jù)需要，在系統(tǒng)中設(shè)置如下預(yù)警模式：環(huán)境臺風(fēng)、環(huán)境高溫、拉索激振、塔體極端變位、塔體激振、地震、梁體激振、橋梁超重車、梁體振動模態(tài)頻率、塔體振動模態(tài)頻率、梁豎向模態(tài)柔度、梁豎向模態(tài)保證因子、橋梁索纜體系內(nèi)力狀態(tài)。6監(jiān)測信息驅(qū)動的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)診斷基本概念

1)結(jié)構(gòu)健康診斷：每一個待監(jiān)測對象的監(jiān)測目標體系是一個與時間相關(guān)的動態(tài)演變過程，對這個過程的認識把握可以從兩個方面來進行，一是通過狀態(tài)評估，了解對象當前時刻的各監(jiān)測目標的取值和（健康與否）屬性；再就是通過對狀態(tài)的歷史演變，了解過去、現(xiàn)在，并預(yù)測未來，即趨勢跟蹤與預(yù)測，這兩種手段構(gòu)成了結(jié)構(gòu)健康診斷的主要內(nèi)容。2)狀態(tài)空間的表征：監(jiān)測對象的多監(jiān)測目標體系構(gòu)成了多維狀態(tài)空間，每一個監(jiān)測目標成為狀態(tài)空間的一個維度。其進一步的數(shù)據(jù)表征形式就是一個時變的多維指標向量，其元素就是與每一個具體監(jiān)測目標和監(jiān)測模式對應(yīng)的監(jiān)測指標。3)狀態(tài)空間的屬性劃分：可以根據(jù)結(jié)構(gòu)完成預(yù)定工作性能（即待監(jiān)測的目標性能）的能力將結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)進行屬性劃分（健康與否，或者健康程度等級的歸屬）。狀態(tài)空間的屬性劃分是進行狀態(tài)評估的前提和關(guān)鍵，良好的狀態(tài)空間屬性劃分是健康診斷和狀態(tài)評估正確與否的關(guān)鍵?？梢杂妹枋霰O(jiān)測目標的功能方程來對整個狀態(tài)空間屬性進行合理劃分。6監(jiān)測信息驅(qū)動的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)診斷基本概念

4)狀態(tài)評估：經(jīng)過對上述幾個概念的梳理和定義后，狀態(tài)評估的實質(zhì)就可以歸結(jié)為一個指標和指標閥值的比較過程，即，依據(jù)當前時刻的狀態(tài)向量的各元素測量值（——監(jiān)測指標），依次或者用某種特殊組織方式與其相應(yīng)的指標閥值做出某種形式的比較，進而做出結(jié)構(gòu)當前工作狀態(tài)的屬性判斷的過程。5)趨勢跟蹤與預(yù)測：同樣的，經(jīng)概念澄清和梳理后，趨勢跟蹤與預(yù)測的實質(zhì)也可描述為通過狀態(tài)向量歷史演變規(guī)律來判斷當前和未來的結(jié)構(gòu)狀態(tài)屬性。具體地說，就是利用求導(dǎo)、統(tǒng)計、擬合、建模等數(shù)學(xué)手段，對監(jiān)測指標歷史連續(xù)監(jiān)測值進行處理，得到指標隨時間或隨某可變因素的變化規(guī)律，通過與7.2.4中建立的指標趨勢的參照系統(tǒng)進而比較，可得出結(jié)構(gòu)狀態(tài)演變的判斷和預(yù)測。6監(jiān)測信息驅(qū)動的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)診斷狀態(tài)評估的技術(shù)路線