DG∕TJ 08-2194-2016 橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程

上海市工程建設(shè)規(guī)范橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程DG/TJ08一2194一2016J13534一2016主編單位:上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院同濟(jì)大學(xué)批準(zhǔn)部門:上海市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)管理委員會施行日期:2016年12月1日2016上海上海市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)管理委員會文件滬建標(biāo)定[2016]591號上海市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)管理委員會關(guān)于批準(zhǔn)《橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》為上海市工程建設(shè)規(guī)范的通知各有關(guān)單位:由上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院、同濟(jì)大學(xué)主編的《橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》,經(jīng)審核,現(xiàn)批準(zhǔn)為上海市工程建設(shè)規(guī)范,統(tǒng)一編號為DG/TJ08—2194—2016,自2016年12月1日起實施。本規(guī)范由上海市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)管理委員會負(fù)責(zé)管理,上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院負(fù)責(zé)解釋。特此通知。上海市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)管理委員會二。一六年七月二十七日—1—本規(guī)程根據(jù)上海市城鄉(xiāng)建設(shè)和交通委員會《關(guān)于印發(fā)〈2012年上海市工程建設(shè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計編制計劃〉的通知》(滬建交[2012]第281號)的要求,由上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院、同濟(jì)大學(xué)等會同各有關(guān)單位共同編寫完成。在本規(guī)程編寫過程中,編制組在開展專題研究,調(diào)研總結(jié)近年來的研究和工程設(shè)計經(jīng)驗,參考國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的規(guī)范和國際標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)內(nèi)容,并以各種方式廣泛征求各方意見的基礎(chǔ)上,制定本規(guī)程。本規(guī)程的主要內(nèi)容包括:總則,術(shù)語和符號,基本規(guī)定,系統(tǒng)設(shè)計,系統(tǒng)實施,系統(tǒng)管理與維護(hù)。內(nèi)容涵蓋了橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計、實施和運營管理的全過程。各單位及相關(guān)人員在執(zhí)行本規(guī)程過程中,注意總結(jié)經(jīng)驗,積累資料,并將意見或建議反饋至上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院(地址:上海市東方路3447號;郵編:200125;E-mail:yanxingfei@sucdri.com),或上海市建筑建材業(yè)市場管理總站(地址:小木橋路683號5樓;郵政編碼:200032;E-mail:shgcjsgf@sina.com),以供今后修訂時參考。主編單位:上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院同濟(jì)大學(xué)參編單位:上海市路政局上海市建筑科學(xué)研究院(集團(tuán))有限公司上海同濟(jì)建設(shè)工程質(zhì)量檢測站上海建工集團(tuán)工程研究總院株洲時代新材料科技股份有限公司柳州歐維姆結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)有限公司—2—上海波匯通訊科技有限公司上海啟鵬工程材料科技有限公司上海青浦公路工程有限公司主要起草人:周良淡丹輝閆興非傅搏峰趙榮欣蔣洪新趙一鳴張凱龍吳華勇李俊葛瑋明夏燁孫偉峰陸紹輝桂長忍湯樹成李雪峰伍小平何波興王曉琳張焰輝譚長建余飛主要審查人:黃興安董曉勇馬廣德周正茂李邵暉上海市建筑建材業(yè)市場管理總站2016年7月—1—1總則 12術(shù)語和符號 22.1術(shù)語 22.2符號 43基本規(guī)定 63.1橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)的基本原則 63.2監(jiān)測系統(tǒng)分類 74系統(tǒng)設(shè)計 84.1一般規(guī)定 84.2概念設(shè)計 84.3技術(shù)方案設(shè)計 144.4實施方案設(shè)計 215系統(tǒng)實施 225.1系統(tǒng)施工組織 225.2項目質(zhì)量管理 245.3項目工程管理 266系統(tǒng)管理與維護(hù) 276.1系統(tǒng)管理 276.2系統(tǒng)維護(hù) 28附錄A結(jié)構(gòu)監(jiān)測基本理論 30附錄B橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)硬件實施技術(shù)要點 46本規(guī)程用詞說明 52引用標(biāo)準(zhǔn)名錄 53條文說明 55—2—contents1Generalprovisions 12Termsandsymbols 22.1Terms 22.2symbols 43Basicrequirement 63.1Fundamentalprinciples 63.2classifaction 74systemdesign 84.1Generalrequirement 84.2conceptualdesign 84.3Technicaldesign 144.4Implementationdesign 215construction&qualitycontrol 225.1constructionorganization 225.2Qualitymanagement 245.3projectmanagement 266systemmanagement&maintenance 276.1systemmanagement 276.2systemmaintenance 28AppendixAFundamentalofstructuralmonitoring 30 46Explanationofwordinginthisstandard 52Listofquotedstandards 53Explanationofprovisions 551總則1●0●1為規(guī)范橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測,確保橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計、實施和運行管理的科學(xué)性和合理性,特制定本規(guī)程。1●0●2本規(guī)程適用于上海地區(qū)各類橋梁施工期和運營期的監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計、實施和運行管理。1●0●3橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)綜合考慮監(jiān)測目的、結(jié)構(gòu)特點、周圍環(huán)境及荷載條件等因素,制定設(shè)計方案,組織實施,規(guī)范運行管理,以穩(wěn)定可靠、簡潔實用、經(jīng)濟(jì)合理為主要原則,并應(yīng)具備兼容1●0●4橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計、實施和運行管理,除應(yīng)符合本規(guī)程外,尚應(yīng)符合國家現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。—1—2術(shù)語和符號2.1術(shù)語2.1.1結(jié)構(gòu)監(jiān)測structuralhealthmonitoring利用特定設(shè)備,對工程結(jié)構(gòu)的某些不確定且具有潛在變動的行為或性能進(jìn)行無損的、實時的偵測,以實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的了解和把控。2.1.2結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)structuralhealthmonitoringsystem由安裝在工程結(jié)構(gòu)上的傳感器以及數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)處理與管理等軟硬件構(gòu)成,對工程結(jié)構(gòu)的荷載、效應(yīng)及結(jié)構(gòu)性能參數(shù)進(jìn)行測量、收集、處理、分析,實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的正常使用狀態(tài)和安全狀態(tài)的評估和預(yù)警的系統(tǒng)。2.1.3監(jiān)測目標(biāo)healthmonitoringtarget針對結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)而設(shè)定的目標(biāo),包括工作性能,局部損傷或病害,引起結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)重大損失的結(jié)構(gòu)安全事件,以及其他目標(biāo)。2.1.4監(jiān)測指標(biāo)monitoringindicators是描述結(jié)構(gòu)監(jiān)測目標(biāo)演變過程的可偵測量(直接或間接),是監(jiān)測目標(biāo)的一種數(shù)值本征。2.1.5監(jiān)測模式healthmonitoringmode針對監(jiān)測目標(biāo)的整套監(jiān)測方案,包括監(jiān)測指標(biāo),支撐監(jiān)測指標(biāo)信息測量的基本物理力學(xué)量測量網(wǎng)絡(luò)(邏輯組),指標(biāo)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。2.1.6結(jié)構(gòu)損傷和性能演變分析evolutionanalysisofstruc-—2—turaldamageandperformance一類針對服役結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析,它通過對結(jié)構(gòu)運營期可能的損傷(病害)產(chǎn)生、發(fā)展過程及結(jié)構(gòu)性能退化過程的模擬計算來發(fā)現(xiàn)和設(shè)計最佳信息監(jiān)測模式,以實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)特定監(jiān)測目標(biāo)的偵測目的。2.1.7傳感器邏輯組sensorlogicalgroup針對偵測某特定監(jiān)測指標(biāo)而組織起來的、在邏輯上劃定的傳感器群。2.1.8健康功能函數(shù)healthperformancefunction針對描述結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)而建立的函數(shù),其自變量為監(jiān)測指標(biāo)和其對應(yīng)的閾值。2.1.9結(jié)構(gòu)預(yù)警structuralearlierwarning對結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)屬性轉(zhuǎn)變事件的一種提早判斷和警告。2.1.10結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估structuralstatusevaluation對結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)屬性的定性和定量判斷,是結(jié)構(gòu)健康診斷的重要內(nèi)容。2.1.11損傷識別damageidentification利用結(jié)構(gòu)的響應(yīng)數(shù)據(jù)來分析結(jié)構(gòu)物理參數(shù)的變化,進(jìn)而識別結(jié)構(gòu)的損傷的過程。2.1.12趨勢跟蹤和預(yù)測trendtrackingandforecasting通過對監(jiān)測指標(biāo)的連續(xù)偵測,總結(jié)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的演變規(guī)律,做出對當(dāng)前和未來狀態(tài)的健康屬性的判斷和預(yù)測。2.1.13模型驅(qū)動健康診斷modeldrivenhealthdiagnosis以結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型的計算結(jié)果為主要判斷依據(jù)的健康狀態(tài)診斷方法,用于此目的的結(jié)構(gòu)力學(xué)模型需要定期被監(jiān)測數(shù)據(jù)所修正。2.1.14監(jiān)測信息驅(qū)動健康診斷datadrivenhealthdiagnosis以監(jiān)測數(shù)據(jù)中抽取的指標(biāo)體系來進(jìn)行的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的診斷方法,用于此目的指標(biāo)體系或參考趨勢需要通過結(jié)構(gòu)損傷和性—3—能演變分析來給出。2.1.15動態(tài)車輛稱重系統(tǒng)weigh-in-motion,WIM對行駛中車輛進(jìn)行稱重的測量系統(tǒng),用以動態(tài)監(jiān)測交通荷載,得到特定情況下行駛車輛的出現(xiàn)及車輛的重量、車速、軸距、車輛類型以及有關(guān)車輛的其他參數(shù)。2.1.16傳感器優(yōu)化布置optimalsensorplacement利用盡可能少的傳感器,將其布置在結(jié)構(gòu)的適當(dāng)位置,使其能夠達(dá)到某一特定目標(biāo)的過程。2.1.17模態(tài)參數(shù)識別modalparameteridentification通過對測量得到的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)信息的分析處理,獲得結(jié)構(gòu)模態(tài)特性參數(shù)的過程。2.2符號A(x)—關(guān)于原始數(shù)據(jù)的線性或非線性組合;C—有損傷結(jié)構(gòu)的曲率模態(tài)矩陣;DSM—應(yīng)變模態(tài)振型差;ETR—能量傳遞比;F—柔度矩陣;F(Θ|Θr)—預(yù)警判別函數(shù);FFCi—第i階固有頻率相對變化比;F.S.—滿量程,FullScale的英文縮寫;J—最優(yōu)化的準(zhǔn)則函數(shù);H—損傷前后曲率模態(tài)差;g—重力加速度;MACij—模態(tài)保證準(zhǔn)則矩陣的第(i,j)個元素;NFCRi—歸一化后的第i階固有頻率相對變化比;Z—可靠度指標(biāo);Φ—歸一化后的模態(tài)矩陣,其每一列為結(jié)構(gòu)的一個模態(tài);—4—θi—預(yù)警指標(biāo);βij—結(jié)構(gòu)在j位置第i階模態(tài)應(yīng)變能?！?—3基本規(guī)定3.1橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)的基本原則3.1.1符合下列條件之一的橋梁,宜設(shè)置橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng):1特大跨度橋梁(主跨跨度不小于150m)。2橋梁采用特殊結(jié)構(gòu)、特殊材料、特殊施工工藝,或具有特殊要求的新建橋梁。3高速公路、一級公路及城市快速路上的大跨徑橋梁(不小于40m),或具有特殊要求的橋梁。4荷載等級提高或經(jīng)結(jié)構(gòu)加固的重要橋梁。5技術(shù)狀況等級為D級、E級的城市橋梁或4類、5類的公路橋梁,且尚需繼續(xù)服役的橋梁。6施工質(zhì)量不佳或存在疑問的橋梁。7對結(jié)構(gòu)隨時間因素變化需進(jìn)行研究的橋梁。3.1.2橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)的總體目標(biāo)可以在下述條目中選擇:1為掌握在建或服役橋梁的技術(shù)狀況提供準(zhǔn)確和及時的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料。2為掌握橋梁結(jié)構(gòu)整體或部分的工作性能提供狀態(tài)評估和診斷服務(wù)。3為橋梁運營期的日常運維決策服務(wù)。4為特定的待監(jiān)控目標(biāo)事件的出現(xiàn)與否提供觀測、預(yù)測或預(yù)警服務(wù)。5考慮設(shè)計驗證和科學(xué)研究的需求?！?—3.2監(jiān)測系統(tǒng)分類3●2●1橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)其規(guī)模和復(fù)雜程度可分為如下幾類:1多監(jiān)測模式集成監(jiān)測系統(tǒng)。2單監(jiān)測模式監(jiān)測系統(tǒng)。3單項監(jiān)測系統(tǒng)。1多監(jiān)測模式集成監(jiān)測系統(tǒng)適用于同時具有多個監(jiān)測目標(biāo)的大型橋梁。2單監(jiān)測模式監(jiān)測系統(tǒng)適用于中小型橋梁的監(jiān)測,或者只有單個監(jiān)測目標(biāo)的大型橋梁。3單項監(jiān)測系統(tǒng)適用于具有特殊監(jiān)測目的或臨時監(jiān)測任務(wù)的橋梁?！?—4系統(tǒng)設(shè)計4.1一般規(guī)定4.1.1針對本規(guī)程第3.1.2條所設(shè)定的總體目標(biāo),結(jié)合具體結(jié)構(gòu)特點、荷載條件等因素,對總體目標(biāo)進(jìn)行細(xì)化設(shè)計,形成監(jiān)測目標(biāo)體系。4.1.2橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計流程宜包括三大步驟,即概念設(shè)計、技術(shù)方案設(shè)計和實施方案設(shè)計。4.2概念設(shè)計4.2.1橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)概念設(shè)計應(yīng)以解決系統(tǒng)建設(shè)的必要性、主要工作方向和基本技術(shù)路線為主要目標(biāo),其工作內(nèi)容和順序宜按圖4.2.1所示步驟展開。4.2.2監(jiān)測需求分析應(yīng)從監(jiān)測對象的結(jié)構(gòu)特點、荷載和作用特點、橋梁管養(yǎng)決策特點等方面進(jìn)行,框定監(jiān)測范圍,完成結(jié)構(gòu)監(jiān)測目標(biāo)體系設(shè)計,其工作內(nèi)容和順序宜按圖4.2.2所示步驟展開。4.2.3應(yīng)根據(jù)監(jiān)測目標(biāo)體系和監(jiān)測需求范圍,進(jìn)行橋梁數(shù)值建模和損傷(病害)及性能演變仿真分析,并提取相應(yīng)成果。其工作內(nèi)容和順序宜按圖4.2.3所示步驟展開。4.2.4根據(jù)結(jié)構(gòu)損傷(病害)及性能演變分析成果,按照客觀、代表4.2.5針對本規(guī)程第4.2.2、4.2.3和4.2.4條形成的監(jiān)測目標(biāo)、結(jié)構(gòu)行為規(guī)律和監(jiān)測指標(biāo),宜按圖4.2.5所示步驟設(shè)計各監(jiān)測模式?！?—圖4.2.1橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)概念設(shè)計流程圖4.2.2監(jiān)測需求分析流程4.2.6具有多個監(jiān)測模式的監(jiān)測系統(tǒng),可依照下述原則,將從屬每一個監(jiān)測模式的測點網(wǎng)絡(luò)和邏輯組進(jìn)行歸并化處理,并宜加以優(yōu)化。1在同一監(jiān)測模式中采用的監(jiān)測技術(shù)及其技術(shù)參數(shù)應(yīng)一致,以實現(xiàn)監(jiān)測技術(shù)及其參數(shù)的集約化?！?—圖4.2.3結(jié)構(gòu)損傷和性能演變分析流程圖4.2.5監(jiān)測模式流程2同一監(jiān)測模式中采集得到的原始數(shù)據(jù)、加工得到的數(shù)據(jù)應(yīng)遵循一致的數(shù)據(jù)格式,以實現(xiàn)數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一化。3同一個監(jiān)測模式中,對于原始數(shù)據(jù)的處理算法,宜采用通用算法,以實現(xiàn)算法的通用化設(shè)計。4.2.7不同橋型的主要監(jiān)測模式宜按表4.2.7設(shè)計?！?0—表4.2.7不同橋型的主要監(jiān)測模式主要橋型主要監(jiān)測目標(biāo)主要監(jiān)測指標(biāo)可選監(jiān)測量裝配式梁橋●各梁橫向分布;●各跨縱向剛度分布;●局部病害監(jiān)測●反映各梁橫向分布變化的指標(biāo);●縱向影響線及其相關(guān)量;●動力效應(yīng)系數(shù);●結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)及相關(guān)量;指標(biāo)●梁底動應(yīng)變;●梁底加速度;●關(guān)鍵截面撓度;●鉸縫相對位移;●關(guān)鍵截面轉(zhuǎn)角;●支座反力箱型梁橋特性;特性;●梁整體靜力變形;●預(yù)應(yīng)力退化狀態(tài);●局部病害監(jiān)測●反映箱梁截面受彎性能的指標(biāo);●反映箱梁截面受剪性能的指標(biāo);關(guān)量;●動力效應(yīng)系數(shù);●結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)及相關(guān)量;指標(biāo)●沿截面分布的縱向動應(yīng)變;應(yīng)變;●關(guān)鍵截面撓度;●梁端相對位移;●關(guān)鍵截面轉(zhuǎn)角;●結(jié)構(gòu)溫度剛構(gòu)橋特性;●負(fù)彎矩區(qū)截面內(nèi)受●墩柱受力狀態(tài);變形;●預(yù)應(yīng)力退化狀態(tài);●局部病害監(jiān)測;●抗震性能●截面受彎性能指標(biāo);●彎剪區(qū)梁體截面受力性能指標(biāo);●剛構(gòu)整體縱向影響線及相關(guān)量;●動力效應(yīng)系數(shù);●結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)及相關(guān)量;指標(biāo)●沿截面分布的縱向動應(yīng)變;應(yīng)變;響線下?lián)?●梁端相對位移;●關(guān)鍵截面轉(zhuǎn)角;●結(jié)構(gòu)溫度—11—主要橋型主要監(jiān)測目標(biāo)主要監(jiān)測指標(biāo)可選監(jiān)測量拱橋●拱構(gòu)件受力穩(wěn)定性;●拱構(gòu)件動力性能;●拱腳局部受力性能;●吊桿內(nèi)力狀態(tài);●結(jié)構(gòu)總體使用性能;●局部病害監(jiān)測;●吊桿和鋼構(gòu)件疲勞;●抗震性能●拱構(gòu)件關(guān)鍵截面偏心距;●主梁縱向影響線及相關(guān)量;●動力效應(yīng)系數(shù);●拱構(gòu)件模態(tài)參數(shù)及相關(guān)量;●結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)及相關(guān)量;指標(biāo)●拱構(gòu)件關(guān)鍵截面動應(yīng)變;●主梁整體線形;●拱構(gòu)件線形;●梁端相對位移;●關(guān)鍵截面轉(zhuǎn)角斜拉橋●主塔壓彎偏載狀態(tài);局部受力性能;●拉索振動效應(yīng);●主梁振動效應(yīng);分布;●主梁靜力變形性能;●風(fēng)荷載及風(fēng)效應(yīng);●拉索和鋼構(gòu)件疲勞;●局部病害監(jiān)測●主塔偏載狀態(tài)的指標(biāo);●拉索振動效應(yīng)系數(shù);●主梁振動效應(yīng)系數(shù);●行車舒適度;●拉索動索力;●群索索力測度;面撓度或線形;●結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)及相關(guān)量;指標(biāo);●風(fēng)譜及結(jié)構(gòu)風(fēng)特性指標(biāo);●交通荷載譜●主梁加速度;●主梁整體線形;●主塔關(guān)鍵截面轉(zhuǎn)角;●梁端相對位移;●關(guān)鍵截面轉(zhuǎn)角;●交通荷載—12—主要橋型主要監(jiān)測目標(biāo)主要監(jiān)測指標(biāo)可選監(jiān)測量懸索橋●主塔壓彎偏載狀態(tài);部受力狀態(tài);●吊索兩端錨固區(qū)局部受力性能效應(yīng);●主梁振動效應(yīng);群內(nèi)分布;性能;●結(jié)構(gòu)動力特性;●風(fēng)荷載及風(fēng)效應(yīng);件疲勞;●局部病害監(jiān)測指標(biāo);●局部受力狀態(tài)綜合指標(biāo);應(yīng)系數(shù);●主梁振動效應(yīng)系數(shù);●行車舒適度;●群索索力測度;面撓度或線形;●結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)及相關(guān)量;指標(biāo);●風(fēng)譜及結(jié)構(gòu)風(fēng)特性指標(biāo);●交通荷載譜●索纜加速度;●主梁加速度;●主梁整體線形;●主塔關(guān)鍵截面轉(zhuǎn)角;●梁端相對位移;●關(guān)鍵截面轉(zhuǎn)角;●交通荷載重要航道上的橋①●船撞過程●船撞力及結(jié)構(gòu)響應(yīng)●振動加速度;腐蝕區(qū)橋梁②●橋梁結(jié)構(gòu)件及附屬構(gòu)件的金屬銹蝕●金屬構(gòu)件銹蝕概率;●金屬構(gòu)件銹蝕電化學(xué)參數(shù);●混凝土及內(nèi)部鋼筋腐蝕參數(shù)●金屬銹蝕電位;●氯離子含量;注①②:可針對任何結(jié)構(gòu)形式的橋梁。—13—4.3技術(shù)方案設(shè)計4●3●1橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)方案宜包含下列內(nèi)容:1硬件系統(tǒng)設(shè)計。2計算方案及算法設(shè)計。3軟件系統(tǒng)設(shè)計。4專項監(jiān)測設(shè)計。5施工期監(jiān)測及其他數(shù)據(jù)源的納入方案。6系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)接入方案。4●3●2硬件系統(tǒng)設(shè)計可按下列步驟進(jìn)行:1根據(jù)本規(guī)程第4●2節(jié)形成的、經(jīng)集約化設(shè)計的監(jiān)測模式組,詳細(xì)規(guī)劃監(jiān)測內(nèi)容,進(jìn)行測點的優(yōu)化布置方案設(shè)計。2根據(jù)監(jiān)測模式來設(shè)計傳感器子系統(tǒng)技術(shù)方案,同時應(yīng)考慮選用傳感技術(shù)的先進(jìn)性、耐久性、可靠性、易用性、經(jīng)濟(jì)性、易于3依據(jù)傳感器技術(shù)選型,進(jìn)行采集系統(tǒng)的功能設(shè)計和設(shè)備選型。其中,采集系統(tǒng)選型必須具備適應(yīng)戶外惡劣工作環(huán)境條件的能力,數(shù)據(jù)采集過程必須有較好的時間同步功能、自動功能和一定的現(xiàn)場存儲能力,設(shè)計方案應(yīng)符合現(xiàn)行國家和地方有關(guān)通信及電氣工程的規(guī)定。4數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)包括傳感器與工作站之間的底層傳輸網(wǎng)絡(luò)及工作站與服務(wù)器間的上層傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)兩部分,采用光纖千兆以太網(wǎng)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸通信硬件載體,也可采用無線方式實現(xiàn),方案應(yīng)符合國家及地方有關(guān)通信及電氣工程的規(guī)定。5數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)保證外場、監(jiān)控中心均有足夠的存儲能力,可根據(jù)所有監(jiān)測模式下滿負(fù)荷數(shù)據(jù)量的總和來估計其容量,并應(yīng)保證其有足夠富余。6數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)以滿足監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管—14—理、數(shù)據(jù)處理與分析、應(yīng)用程序管理、web門戶發(fā)布等功能的需求,宜設(shè)置功能獨立的服務(wù)器和工作站,并組成網(wǎng)絡(luò),其核心應(yīng)用服務(wù)器技術(shù)參數(shù)應(yīng)能滿足支持最大線程數(shù)的數(shù)據(jù)處理計算的需求。4●3●3計算方案及算法設(shè)計的設(shè)計要點應(yīng)符合下列規(guī)定:1計算方案及算法設(shè)計的主要內(nèi)容可包括:數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)初步處理、數(shù)據(jù)挖掘、特征抽取和指標(biāo)識別、監(jiān)測數(shù)據(jù)和模型驅(qū)動的結(jié)構(gòu)健康診斷、結(jié)構(gòu)預(yù)警等內(nèi)容。2原始監(jiān)測數(shù)據(jù)在正式進(jìn)行處理前必須進(jìn)行預(yù)處理,以消除噪聲和不合理趨勢項。3監(jiān)測數(shù)據(jù)的初步處理可通過時域、頻域和特殊變換等處理方式進(jìn)行。4可通過設(shè)計數(shù)據(jù)挖掘工具算法或計算方案,對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行深層次分析,發(fā)現(xiàn)或量化描述橋梁結(jié)構(gòu)隱藏的行為規(guī)律。5按照特征指標(biāo)與可測量的數(shù)學(xué)關(guān)系,可以給出指標(biāo)識別算法基本的框架,在此基礎(chǔ)上,應(yīng)進(jìn)一步設(shè)計連續(xù)化的指標(biāo)識別算法或計算方案。6可根據(jù)本條第5款的指標(biāo)識別算法和本規(guī)程規(guī)定的監(jiān)測模式,設(shè)計進(jìn)一步的預(yù)警線程或預(yù)警方案,其預(yù)警算法可在如下范圍內(nèi)酌情選取:簡單的比較法、統(tǒng)計評判法、可靠度(概率)評判法、統(tǒng)計模式識別法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊推理法等。7對于有完備數(shù)據(jù)處理分析能力的結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng),可設(shè)置基于監(jiān)測信息的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)診斷功能模塊,實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)狀態(tài)的在線評估及性能趨勢跟蹤和預(yù)測。8對具備必要軟硬件計算環(huán)境的橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng),宜設(shè)置模型驅(qū)動的結(jié)構(gòu)健康診斷計算功能,其計算方案可包括模型修正、模型仿真計算、基于仿真計算結(jié)果的結(jié)構(gòu)健康診斷。4●3●4軟件系統(tǒng)設(shè)計要點應(yīng)符合下列規(guī)定:1擬采用的軟件技術(shù)應(yīng)以保證系統(tǒng)的可靠性和實時性為基—15—本要求,且應(yīng)具有一定的擴(kuò)展性和移植能力。2軟件系統(tǒng)設(shè)計可包括下列內(nèi)容:1)數(shù)據(jù)采集及傳輸控制系統(tǒng)。2)數(shù)據(jù)存儲及數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。3)數(shù)據(jù)分析及處理系統(tǒng)。4)在線預(yù)警及評估系統(tǒng)。5)在線監(jiān)測反演模擬系統(tǒng)。6)系統(tǒng)權(quán)限及日志管理系統(tǒng)。3結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)宜根據(jù)各模塊功能的不同,設(shè)計軟件系統(tǒng)在監(jiān)測系統(tǒng)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的部署方案。4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,宜提供在線預(yù)覽、濾波、變換和同步統(tǒng)計處理等基本計算功能。5數(shù)據(jù)傳輸軟件應(yīng)能實現(xiàn)三類數(shù)據(jù)的傳輸通信:實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù),及系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)。6數(shù)據(jù)存儲管理軟件應(yīng)能實現(xiàn)對原始數(shù)據(jù)、處理后的導(dǎo)出數(shù)據(jù)和系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)實現(xiàn)便捷高效的讀寫檢索管理。7應(yīng)用分析軟件可選擇實現(xiàn)如下內(nèi)容:1)基本數(shù)據(jù)的校驗和預(yù)處理功能。2)數(shù)據(jù)的基本統(tǒng)計分析及基本數(shù)據(jù)挖掘功能。3)基于數(shù)據(jù)本身和結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的特征提取功能。4)結(jié)構(gòu)預(yù)警計算功能。5)結(jié)構(gòu)評估功能。6)在線監(jiān)測反演模擬功能。4●3●5幾類常用的專項監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)符合下列規(guī)定:1交通荷載監(jiān)測設(shè)計要點:1)對于承受繁重交通任務(wù)的橋梁,設(shè)置結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)時,宜設(shè)置交通荷載監(jiān)測子系統(tǒng);交通荷載監(jiān)測子系統(tǒng)可獨立于其他監(jiān)測內(nèi)容,作為專項系統(tǒng)而存在。2)動態(tài)交通荷載監(jiān)測系統(tǒng)在使用前應(yīng)進(jìn)行校準(zhǔn)。—16—3)以橋梁主橋監(jiān)測為目的的動態(tài)稱重系統(tǒng),其測點宜布置在盡可能靠近主橋的位置的路面上,具體位置應(yīng)該避開坡度和曲線段,且測點和主橋之間沒有岔道對交通流進(jìn)行分流的地方。4)當(dāng)需要布置在橋面上時,應(yīng)避開伸縮縫,以減少因振動對測量信號的影響。2基于衛(wèi)星定位技術(shù)的幾何變位監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計要點:1)對于需要監(jiān)測關(guān)鍵部位幾何變位的大型橋梁,在其他幾何線形測量手段受到限制時,宜采用衛(wèi)星定位技術(shù)進(jìn)行關(guān)鍵點的幾何變位監(jiān)測。該衛(wèi)星定位系統(tǒng)可以獨立于其他監(jiān)測內(nèi)容,作為專項系統(tǒng)而存在。2)應(yīng)選擇結(jié)構(gòu)整體線形監(jiān)測的關(guān)鍵位置。3)衛(wèi)星定位系統(tǒng)基站和監(jiān)測站均要求安裝位置沒有遮擋,便于信號的接收?；緫?yīng)選擇在地基牢固、高度相對周圍場地突出的地點設(shè)置。3鋼筋銹蝕監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計要點:1)對于重污染區(qū)、工業(yè)區(qū)、沿海地帶的橋梁,宜設(shè)置銹蝕監(jiān)測系統(tǒng)。2)銹蝕監(jiān)測系統(tǒng)的測點布置應(yīng)考慮以下要點:a)傳感器應(yīng)安裝在結(jié)構(gòu)容易銹蝕的關(guān)鍵部位;b)埋入部分的具體位置選擇不應(yīng)影響配筋的布置;c)在積水或鹽分較多的區(qū)域以及腐蝕條件較苛刻的位置,宜增設(shè)埋入探頭。4防船撞主動預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計要點:1)對跨越重要航道上的橋梁,宜設(shè)置防船撞主動預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)。2)系統(tǒng)方案應(yīng)根據(jù)大橋水文、地質(zhì)、通航條件、橋梁結(jié)構(gòu)及防撞預(yù)警要求進(jìn)行設(shè)計,系統(tǒng)宜具備目標(biāo)搜索、跟蹤、報警和方位指示功能,宜布置在橋墩或主梁外側(cè)?！?7—3)系統(tǒng)宜采用智能視頻監(jiān)控方式。4●3●6與施工期監(jiān)控、成橋試驗信息的整合可按下列各款規(guī)定進(jìn)行:1在下述情況下,可考慮將橋梁施工監(jiān)控信息、橋梁成橋荷載試驗信息整合進(jìn)服役期橋梁結(jié)構(gòu)的監(jiān)測系統(tǒng)之中:1)施工階段、竣工時的結(jié)構(gòu)信息在結(jié)構(gòu)服役期可繼續(xù)沿用的。2)施工階段、竣工時的監(jiān)控設(shè)備在結(jié)構(gòu)服役期可繼續(xù)沿用的。3)需要結(jié)構(gòu)一期恒載和二期恒載下的效應(yīng)信息的。2在與其他監(jiān)控系統(tǒng)信息整合前,應(yīng)注意以下內(nèi)容的異同:1)結(jié)構(gòu)絕對效應(yīng)與相對效應(yīng)。2)動力效應(yīng)與靜力效應(yīng)。3)結(jié)構(gòu)不同受力工況下的效應(yīng)。4)結(jié)構(gòu)長期效應(yīng)與短期效應(yīng)。3與其他監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備整合時,應(yīng)注意以下要點:1)對計劃沿用的其他監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備,應(yīng)對其加以額外的保護(hù),確保施工結(jié)束后傳感器的存活和工作狀態(tài)良好。2)對計劃沿用的其他監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備,應(yīng)同時滿足沿用和被沿用系統(tǒng)的監(jiān)測需求。4應(yīng)在技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析與評價基礎(chǔ)上確定最優(yōu)整合方案。5應(yīng)將施工監(jiān)控期的監(jiān)測數(shù)據(jù)和成橋荷載試驗的測量數(shù)據(jù)長久保存,作為橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫。4●3●7橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)可作為信息節(jié)點接入物聯(lián)網(wǎng)中,實現(xiàn)全局管理。其物聯(lián)網(wǎng)接入方案的設(shè)計要點是:1橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)接入方案應(yīng)分為上下兩個層次的管理體系加以設(shè)計并納入管理。2對于有將管轄區(qū)域內(nèi)的橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)納入物聯(lián)網(wǎng)中進(jìn)行統(tǒng)一管控需求的業(yè)主或地方主管部門,應(yīng)建立一套功能完—18—備、科學(xué)合理的物聯(lián)網(wǎng)上層管理體系,其設(shè)計要點是:1)任何單體橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)在接入物聯(lián)網(wǎng)之前,應(yīng)設(shè)計一個全局性物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識體系,應(yīng)包括對象標(biāo)識、通信標(biāo)識和應(yīng)用標(biāo)識:a)監(jiān)測系統(tǒng)的對象標(biāo)識可包括物理的、邏輯的或數(shù)字的,其對象標(biāo)識可包括:傳感器、采集設(shè)備、監(jiān)測模b)每一個橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)主接入點都應(yīng)該具有一個唯一的通信標(biāo)識;c)對于需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程展開的橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)業(yè)務(wù)應(yīng)用,可以為其賦予唯一的應(yīng)用標(biāo)識。標(biāo)識的形式可采用統(tǒng)一資源標(biāo)識符(URI),應(yīng)用標(biāo)識層面宜體現(xiàn)分級情形。2)上層管理體系應(yīng)建立針對接入物聯(lián)網(wǎng)的橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)中的每一個具有標(biāo)識的對象的完全解析規(guī)則,承擔(dān)全局標(biāo)識解析職責(zé);網(wǎng)絡(luò)可通過三類方法解析并獲取橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)的各種對象標(biāo)識:a)硬件設(shè)備方式;b)通過圖像識別程序;c)基于標(biāo)識符數(shù)據(jù)庫的解析程序。3)上層管理體系應(yīng)建立完善、全局性的物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識管理制度。4)上層管理體系應(yīng)建立完善、全局性的監(jiān)測數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化組織體系,規(guī)范數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化組織體系,規(guī)范數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)交易行為。5)上層管理體系應(yīng)建立完善的、全局化的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)化組織體系,規(guī)范服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化組織體系及網(wǎng)絡(luò)交易行為。3對于有將管轄區(qū)域內(nèi)的橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)納入物聯(lián)網(wǎng)中進(jìn)行統(tǒng)一管控需求的業(yè)主或地方主管部門,應(yīng)按照上層管理體系—19—的要求,建立標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的物聯(lián)網(wǎng)下層管理體系,其設(shè)計要點是:1)單體橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)接入物聯(lián)網(wǎng)的方式有以下幾種形式:a)傳感器層接入:在傳感器端直接配置網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備,并賦予其唯一通信標(biāo)識。此時,該傳感器就同時擁有通信標(biāo)識和對象標(biāo)識;b)采集設(shè)備層接入,利用采集設(shè)備的網(wǎng)卡或無線通信模塊直接入網(wǎng),并賦予其唯一通信標(biāo)識;c)監(jiān)測模式層接入方式,將每一個監(jiān)測模式映射到一個入網(wǎng)硬件設(shè)備,賦予其唯一通信標(biāo)識;d)結(jié)構(gòu)數(shù)值模型層接入方式,將結(jié)構(gòu)數(shù)值模型映射到一個獨立的入網(wǎng)硬件設(shè)備,賦予其唯一通信標(biāo)識;e)監(jiān)測系統(tǒng)層接入方式,利用系統(tǒng)的監(jiān)控中心的入網(wǎng)硬件設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò),賦予其唯一通信標(biāo)識。2)接入物聯(lián)網(wǎng)的橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)中的每一個具有標(biāo)識的對象,其標(biāo)識的賦予都應(yīng)符合上層管理體系的規(guī)范,確保解析的全局唯一性。3)接入物聯(lián)網(wǎng)的橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)中的每一個具有標(biāo)識的對象,應(yīng)遵循上層管理體系的關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識管理制度。4)接入物聯(lián)網(wǎng)的橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)中的每一個具有標(biāo)識的對象,應(yīng)遵循上層管理體系的監(jiān)測數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化組織體系,規(guī)范個體的數(shù)據(jù)交換行為。5)接入物聯(lián)網(wǎng)的橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)中的每一個具有標(biāo)識的對象,應(yīng)遵循上層管理體系的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)化組織體系,規(guī)范個體的服務(wù)交易行為。4對于有將單體橋梁監(jiān)測系統(tǒng)接入物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)主,應(yīng)遵照上層管理體系和下層管理體系的要求,設(shè)計并管理本系統(tǒng)的具體—20—網(wǎng)絡(luò)接入方案、標(biāo)識信息維護(hù)、數(shù)據(jù)接入與發(fā)售方案、服務(wù)的接入與提供方案等。4.4實施方案設(shè)計設(shè)計:1硬件系統(tǒng)的安裝與保護(hù)方案。2軟件系統(tǒng)開發(fā)、部署和聯(lián)調(diào)方案。3系統(tǒng)運行參數(shù)的優(yōu)化與校驗方案。4監(jiān)測系統(tǒng)的成果輸出與發(fā)布方案。4●4●2硬件系統(tǒng)的安裝與保護(hù)方案設(shè)計應(yīng)包括:傳感器及相關(guān)設(shè)備的安裝方法,設(shè)備系統(tǒng)的防磁、防電、防水、防雷、防盜和溫控等保護(hù)措施,以及系統(tǒng)安全供電措施。4●4●3軟件系統(tǒng)開發(fā)、部署和聯(lián)調(diào)方案設(shè)計宜包括:軟件開發(fā)工程中的質(zhì)量控制措施,軟件的部署方案,以及軟硬件聯(lián)調(diào)預(yù)案。4●4●4系統(tǒng)運行參數(shù)的優(yōu)化與校驗方案設(shè)計內(nèi)容宜包括:系統(tǒng)試運行參數(shù)的優(yōu)化設(shè)置辦法,系統(tǒng)運行狀況的認(rèn)定辦法,以及監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性校驗方案。4●4●5監(jiān)測系統(tǒng)的成果輸出與發(fā)布方案設(shè)計內(nèi)容宜包括:監(jiān)測系統(tǒng)成果發(fā)布范圍控制預(yù)案,監(jiān)測系統(tǒng)成果發(fā)布的內(nèi)容、數(shù)據(jù)形式,以及發(fā)布媒介?！?1—5系統(tǒng)實施5.1系統(tǒng)施工組織5.1.1橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)施工組織應(yīng)遵循本規(guī)程第4.4節(jié)的實施方案設(shè)計進(jìn)行。5.1.2硬件系統(tǒng)的安裝與保護(hù)應(yīng)符合下列規(guī)定:1傳感器應(yīng)遵循合理的工序和保護(hù)措施進(jìn)行安裝,并必須對鋼結(jié)構(gòu)表面涂裝進(jìn)行恢復(fù)。2采集及傳輸設(shè)備實施要點:1)數(shù)據(jù)采集工作站由數(shù)據(jù)采集機(jī)柜、數(shù)據(jù)采集計算機(jī)、避雷隔離器、UPS不間斷電源、光纖網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、制冷空調(diào)等組成。2)數(shù)據(jù)采集機(jī)柜應(yīng)具有良好通風(fēng)、防塵作用;線纜應(yīng)配備防護(hù)套,接頭應(yīng)連接可靠,線扎整齊、美觀。3對于已完成施工的儀器設(shè)備,應(yīng)采取防水防塵措施,其要點包括:1)防水處理:對可能受空氣濕度影響的傳感器位置采用防水膠進(jìn)行表面涂覆處理,防水等級達(dá)到設(shè)計要求。2)防塵處理:對保護(hù)盒鉆孔內(nèi)充滿環(huán)氧樹脂并安裝膨脹螺栓,同時在保護(hù)盒邊緣涂環(huán)氧樹脂后擰緊螺栓,保證保護(hù)盒與結(jié)構(gòu)面具有很好的黏結(jié)接觸。5.1.3軟件系統(tǒng)的部署與軟硬件集成聯(lián)調(diào)應(yīng)符合下列規(guī)定:1橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)的軟件運行環(huán)境,包括操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫,應(yīng)該冗余部署,系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備有熱備份,設(shè)備切換時應(yīng)有提示或告警信息?！?2—2數(shù)據(jù)采集與傳輸軟件的實施宜注意如下要點:1)實時采集的數(shù)據(jù)宜同時放在本地數(shù)據(jù)采集單元和監(jiān)測中心的數(shù)據(jù)處理及管理系統(tǒng)服務(wù)器內(nèi)。方式。3)數(shù)據(jù)傳輸過程宜采用實時傳輸和整點傳輸技術(shù)。3應(yīng)用軟件聯(lián)試階段的故障情況應(yīng)有記錄,所有應(yīng)用軟件和數(shù)據(jù)應(yīng)有備份。系統(tǒng)應(yīng)具備自我保護(hù)功能,重要文件、數(shù)據(jù)的刪改應(yīng)有確認(rèn)步驟,不致因軟件故障或誤操作而導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。5●1●4系統(tǒng)運行參數(shù)的優(yōu)化與校驗應(yīng)符合下列規(guī)定:1系統(tǒng)在試運行并進(jìn)行運行優(yōu)化調(diào)試之前,應(yīng)該確保監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定。校驗時應(yīng)該采用移動采集站獨立地進(jìn)行采集,比較相同條件下各傳感器測量數(shù)據(jù)。標(biāo)定應(yīng)該在傳感器進(jìn)場安裝前進(jìn)行,標(biāo)定用的傳感器應(yīng)該和被標(biāo)定傳感器具有相同的技術(shù)參數(shù)。2系統(tǒng)調(diào)試期間可采用參數(shù)過載法。3試運行期間,應(yīng)該對系統(tǒng)的硬件、軟件運行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)試,并保留調(diào)試記錄,試運行期不宜少于1年。5●1●5監(jiān)測系統(tǒng)的成果輸出與發(fā)布方案的組織實施應(yīng)符合下列規(guī)定:1監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測成果應(yīng)該以固定內(nèi)容、固定格式、固定時間間隔的方式,形成監(jiān)測報告。2報告的內(nèi)容宜包括:監(jiān)測數(shù)據(jù)的曲線及統(tǒng)計、指標(biāo)的曲線及統(tǒng)計、與預(yù)警事件有關(guān)的數(shù)據(jù)曲線、與評估相關(guān)的數(shù)據(jù)曲線、預(yù)警及評估結(jié)論以及系統(tǒng)自身運行狀況等。3監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)、加工結(jié)果、診斷結(jié)論等,宜對指定人群范圍進(jìn)行定向發(fā)布。發(fā)布的方式和途徑可采用:網(wǎng)絡(luò)下載、電子郵件、短信、微博和自媒體等?！?3—5.2項目質(zhì)量管理5●2●1橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測項目招標(biāo)文件的技術(shù)需求文件應(yīng)明確下列1工程范圍、工期要求。2擬建系統(tǒng)的主要構(gòu)成、預(yù)期功能設(shè)計。3主要監(jiān)測模式的監(jiān)測技術(shù)選型和技術(shù)參數(shù)。4系統(tǒng)的工程數(shù)量。5提供系統(tǒng)設(shè)計圖紙等技術(shù)資料。標(biāo)準(zhǔn)。5●2●2系統(tǒng)實施單位應(yīng)貫徹有關(guān)質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn),建立有效的質(zhì)量保證體系,保證產(chǎn)品及工程項目的研制、開發(fā)、設(shè)計、采購、生控制。5●2●3橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)實施過程中,監(jiān)理工作要點如下:1監(jiān)理工作的主要工作依據(jù):實施項目合同、實施單位投標(biāo)方案、實施單位提交并得到批準(zhǔn)的系統(tǒng)實施方案、上級批準(zhǔn)文件、系統(tǒng)設(shè)計方案。2監(jiān)理工作的主要工作內(nèi)容:1)制定監(jiān)理方案,明確監(jiān)理目標(biāo),細(xì)化監(jiān)理質(zhì)量控制點,給出各質(zhì)量控制點的量化標(biāo)準(zhǔn)。2)咨詢科研設(shè)計單位,制定系統(tǒng)各階段驗收標(biāo)準(zhǔn)。3)按照監(jiān)理方案,對實施過程進(jìn)行監(jiān)理。5●2●4橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)驗收過程中,工作要點如下:1驗收可分兩階段進(jìn)行,第一階段,在完成硬件安裝、軟件部署和軟硬件聯(lián)調(diào)校準(zhǔn)后進(jìn)行竣工驗收;第二階段,在完成試運行期的系統(tǒng)測試報告后進(jìn)行交付驗收。—24—2驗收階段主要工程資料應(yīng)包括:1)竣工圖。2)竣工驗收報告及工程決算書。3)圖紙會審記錄,設(shè)計變更洽商記錄。4)材料、設(shè)備的質(zhì)量合格證明。5)施工記錄。包括必要的試驗檢驗記錄。6)系統(tǒng)說明書、系統(tǒng)操作說明。7)系統(tǒng)設(shè)備清單、系統(tǒng)內(nèi)部接線圖、系統(tǒng)審批資料、系統(tǒng)設(shè)計圖紙等。8)系統(tǒng)項目合同書及有關(guān)變更文件。9)其他有關(guān)該項工程的技術(shù)決定和技術(shù)資料。3驗收項目應(yīng)包括:1)硬件a)傳感器設(shè)備成活率、安裝及保護(hù)情況;b)測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量;c)采集設(shè)備、通信、存儲、計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的設(shè)計參數(shù)是否達(dá)標(biāo);d)采購、安裝、調(diào)試過程的實施記錄、照片文字是否齊全;e)與硬件相關(guān)的其他資料。2)軟件a)系統(tǒng)功能實現(xiàn)情況;b)開發(fā)過程的記錄、文檔、說明等是否齊全規(guī)范;c)軟件代碼是否有效、齊全;d)軟件各項運行性能參數(shù)是否達(dá)標(biāo);e)軟件第三方評測是否規(guī)范有效;f)與軟件相關(guān)的其他資料。—25—5.3項目工程管理5●3●1橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測項目的組織流程應(yīng)符合下列規(guī)定:1工程可行性研究階段,論證工程可行性,形成需求意向,劃定大致范圍和功能,制定項目路線圖。2立項階段,由上級主管部門報批。3設(shè)計階段,進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)概念性設(shè)計,形成集成的監(jiān)測模式;進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)方案設(shè)計。設(shè)計完成后,宜組織針對設(shè)計和科研成果的驗收。4招投標(biāo)階段,形成招標(biāo)文件需求,組織實施項目的招投標(biāo)。5實施階段,中標(biāo)單位組織設(shè)備采購、開發(fā)及實施。監(jiān)理單位對工程的實施全過程進(jìn)行監(jiān)理。6試運行階段,進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)試、優(yōu)化,評判系統(tǒng)的運行情況,評價實施單位的工作效果。7驗收階段,由相關(guān)單位組織驗收。8運營階段,由相關(guān)管理團(tuán)隊,對系統(tǒng)進(jìn)行正常維護(hù)及異常事故的分析評估,并定期對系統(tǒng)進(jìn)行深度數(shù)據(jù)處理分析,提供評估報告。5●3●2系統(tǒng)實施過程中主要的技術(shù)攻關(guān)內(nèi)容:1橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)的概念設(shè)計及研究,包括:1)監(jiān)測需求分析。2)結(jié)構(gòu)損傷及性能演變分析。3)監(jiān)測指標(biāo)體系設(shè)計及研究。4)監(jiān)測模式設(shè)計及集成優(yōu)化。2橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)方案設(shè)計。3實施過程中的關(guān)鍵技術(shù)研究。4系統(tǒng)試運行和正式運行階段的深度數(shù)據(jù)分析處理,突發(fā)事件的分析評估,系統(tǒng)本身的校驗與評價?！?6—6系統(tǒng)管理與維護(hù)6.1系統(tǒng)管理6.1.1橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置完善、長期穩(wěn)定的維護(hù)管理機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)可由業(yè)主組織,由管理單位、科研單位、專家顧問等組成。6.1.2主要職責(zé)應(yīng)包括:1管理表6.1.2管理職責(zé)序號崗位工作內(nèi)容1管理負(fù)責(zé)人審核日常使用報表;預(yù)警事件初判;編制在線預(yù)警報告;編制在線評估報告2日常使用系統(tǒng)本身工作狀態(tài)監(jiān)控;數(shù)據(jù)通道查看;值更預(yù)警模式監(jiān)控3數(shù)據(jù)維護(hù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的維護(hù)和管理;其他數(shù)據(jù)的管理和維護(hù);在線預(yù)警、評估模型的管理4預(yù)警評估在線預(yù)警模型、在線評估模型管理;評估報告管理;預(yù)警事件管理;其他—27—2數(shù)據(jù)分析1)監(jiān)測模式數(shù)據(jù)處理與挖掘、指標(biāo)識別算法、預(yù)警、評估算法優(yōu)化與技術(shù)支持及管理。2)預(yù)警事件、突發(fā)事件、極端條件下的數(shù)據(jù)分析與解釋。3)定期深入的結(jié)構(gòu)診斷與評估。6●1●3系統(tǒng)管理機(jī)構(gòu)應(yīng)配備專業(yè)人員來進(jìn)行系統(tǒng)正常運營管理,人員應(yīng)具備橋梁結(jié)構(gòu)、計算機(jī)軟硬件和監(jiān)測技術(shù)方面的知識和技能。6.2系統(tǒng)維護(hù)6●2●1橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)的管理機(jī)構(gòu)應(yīng)建立并執(zhí)行系統(tǒng)巡查制度,每半年巡檢1次現(xiàn)場設(shè)備的工作狀態(tài),維護(hù)故障設(shè)備,對設(shè)備進(jìn)行更換。6●2●2系統(tǒng)設(shè)備故障分級標(biāo)準(zhǔn)可按表6●2●2所示。表6.2.2系統(tǒng)故障分級標(biāo)準(zhǔn)故障級別定義一級故障主要指系統(tǒng)在運行中出現(xiàn)系統(tǒng)癱瘓或服務(wù)中斷,導(dǎo)致系統(tǒng)的基本功能不能實現(xiàn)或全面退化的故障二級故障主要指系統(tǒng)在運行中出現(xiàn)的故障具有潛在的系統(tǒng)癱瘓或服務(wù)中斷的危險,并可能導(dǎo)致系統(tǒng)的基本功能不能實現(xiàn)或全面退化三級故障主要指系統(tǒng)在運行中出現(xiàn)的直接影響服務(wù),導(dǎo)致系統(tǒng)性能或服務(wù)部分退化的故障四級故障主要指系統(tǒng)在運行中出現(xiàn)的,斷續(xù)或間接地影響系統(tǒng)功能和服務(wù)的故障6●2●3系統(tǒng)運營管理機(jī)構(gòu)在確認(rèn)設(shè)備故障以后,應(yīng)盡快組織對故障設(shè)備進(jìn)行修復(fù)。對于影響系統(tǒng)正常運行的故障設(shè)備,在故障修復(fù)期間,應(yīng)使用臨時代用設(shè)備來恢復(fù)系統(tǒng)的正常運行。對于無—28—法修復(fù)的設(shè)備,應(yīng)進(jìn)行更換。6●2●4橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)的運營管理單位宜每年對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行全面校驗1次,校驗內(nèi)容可包括:1數(shù)據(jù)連續(xù)性檢查。2傳感器技術(shù)參數(shù)檢測。3數(shù)據(jù)定期校驗。4時間同步性檢測與校準(zhǔn)。6●2●5橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集宜預(yù)先制定不同的采集制度方案,需要進(jìn)行采集制度方案切換的情況包括:1系統(tǒng)軟硬件聯(lián)調(diào)期間。2系統(tǒng)試運行期。3極端氣象條件來臨前。4橋梁荷載試驗進(jìn)行前。5突發(fā)事故發(fā)生時,應(yīng)自動喚醒并切換。6事故后的重新排查試驗。6●2●6檢驗與評估可以在如下內(nèi)容范圍內(nèi)展開:1系統(tǒng)巡查。2故障檢測與處置。3系統(tǒng)維護(hù)報告。4監(jiān)測數(shù)據(jù)校驗報告。6●2●7移動比對測試系統(tǒng)的精度不應(yīng)低于監(jiān)測系統(tǒng),并應(yīng)具有以下功能:1定期進(jìn)行與監(jiān)測系統(tǒng)同條件下的實時測量,與監(jiān)測系統(tǒng)相互比對。2利用便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),對某些傳感器進(jìn)行必要的3在出現(xiàn)某些突發(fā)事件后,對有關(guān)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行檢測。4對實時監(jiān)測系統(tǒng)提供補(bǔ)充測量,獲得更詳細(xì)的數(shù)據(jù)。5移動比對測試系統(tǒng)的精度不應(yīng)低于監(jiān)測系統(tǒng)?！?9—附錄A結(jié)構(gòu)監(jiān)測基本理論A.1結(jié)構(gòu)監(jiān)測在線預(yù)警基本理論A.1.1橋梁預(yù)警概念設(shè)Θ(θ1,θ2,…,θn;t)表示表征結(jié)構(gòu)預(yù)警指標(biāo)體系,θl表示第i個指標(biāo),t表示時間。設(shè)F(Θ|Θr)為定義在Θ定義域上的預(yù)警判別函數(shù),Θr為Θ定義域上對應(yīng)于第r類預(yù)警事件的指標(biāo)子空間代表值,可通過先驗知識進(jìn)行估計,Θr=Θr(Θ1,Θ2,…,Θn)其中,r=0,1,…,R,其中,Θi為對應(yīng)于第i個指標(biāo)Θr。發(fā)生第r類異常(預(yù)警)事件定義為maxF(Θ|Θj)=F(Θ|Θr)(A●1●1-2)j正常事件定義為maxF(Θ|Θr)=F(Θ|Θ0)(A●1●1-3)r設(shè)G(Θ)∈[0,1]為定義在Θ定義域上第r類預(yù)警事件的指標(biāo)子空間的類內(nèi)定級函數(shù),表示當(dāng)前指標(biāo)滿足第r類的程度。定義一(第一類預(yù)警):設(shè)EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Θ)EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Θ)EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Θ)EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Θ)為對結(jié)構(gòu)預(yù)警指標(biāo)體系Θ(●)在離散的時刻點ti處的觀測序列,i=0,1,…,k,則,第一類預(yù)警可表示為EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up3(^),Θ)EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up3(^),Θ)EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up3(^),Θ)EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up3(^),Θ);t0,t2,…,ti,…,tk)EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up3(^),Θ)EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up3(^),Θ)EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up3(^),Θ)EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up3(^),Θ)n;tk十l●△T)其中,EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Θ)l表示對未來l●△T時刻后的預(yù)測指標(biāo),l=1,2,—30—min{minF(EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Θ)l|Θr)}≠F(EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Θ)l|Θ0)(A●1●1-6)lr時,即發(fā)生第r類預(yù)警事件。記此時的l=L,則稱L●△T為最短預(yù)警時效,tk為當(dāng)前預(yù)警時刻。定義二(第二類預(yù)警):EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Θ)EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Θ)EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Θ)EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Θ)n;t0,t2,…,ti,…,tk)為對結(jié)構(gòu)預(yù)警指標(biāo)體系Θ(●)在離散的時刻點ti處的觀測序列,i=0,1,…,k,則,第二類預(yù)警直接對當(dāng)前時刻的觀測值EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Θ)(EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Θ)1,EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Θ)2,…,EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Θ)n;tk)進(jìn)行判斷和定級,即在工程可接受的時間T內(nèi),完成如下步驟:1)計算出F(EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Θ)|Θr)和G(Θ)。2)對所有r判斷,當(dāng)minF(EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Θ)|Θr)≠F(EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Θ)|Θ0)(A●1●1-7)r時,稱發(fā)生預(yù)警強(qiáng)度為G(EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Θ)|Θr的第r類預(yù)警事件。3)報警可見,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。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(biāo)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。由于目前監(jiān)測系統(tǒng)普遍安裝了多種記錄結(jié)構(gòu)響應(yīng)的傳感器,—31—如加速度計、應(yīng)變計、位移計等,因此目前實現(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。A.1.2橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)的第二類預(yù)警功能需求欲實現(xiàn)基于監(jiān)測系統(tǒng)平臺上的第二類橋梁結(jié)構(gòu)預(yù)警,必須在功能上做到:①能夠?qū)Y(jié)構(gòu)目前的狀態(tài)作出準(zhǔn)確判斷,盡可能降低對結(jié)構(gòu)異常事件的誤判率;②能夠?qū)蛄航Y(jié)構(gòu)的異常狀態(tài)進(jìn)行定性判別,即能夠?qū)Y(jié)構(gòu)在正常、大風(fēng)、重車、船撞、大的海浪等情形下的響應(yīng)狀態(tài)進(jìn)行區(qū)分能力;③能夠?qū)Ξ惓０l(fā)生的事件進(jìn)行準(zhǔn)確和及時的判斷;④能夠?qū)Ξ惓顟B(tài)進(jìn)行量化和定級。上述功能的實現(xiàn)首先要求對預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行科學(xué)的選擇和抽取,使經(jīng)選擇和優(yōu)化的指標(biāo)體系具有最佳的區(qū)分結(jié)構(gòu)不同狀態(tài)的能力,即:能夠區(qū)分正常、大風(fēng)、重車、船撞、大的海浪等情況;同時,要求有定義在該最佳指標(biāo)體系張成的空間上的最佳的預(yù)警判別函數(shù),使對結(jié)構(gòu)的狀態(tài)的誤判率最小化;指標(biāo)的抽取計算算法應(yīng)盡量簡單,計算量小,耗時短,對時間的定位準(zhǔn)確;還要求有最佳的類內(nèi)定級函數(shù),使得函數(shù)能夠?qū)Σ煌愵A(yù)警事件的異常程度有一個準(zhǔn)確的度量。A.1.3基于先驗監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)警指標(biāo)利用先驗知識設(shè)置預(yù)警指標(biāo)及其閾值可有兩種途徑,一是利用結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)據(jù)或事先用有限元模型計算得到;二是依據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)在運行基準(zhǔn)期內(nèi)(可人為選取時間區(qū)間)的監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)過一定方式抽取得到。前者可以為基準(zhǔn)期內(nèi)結(jié)構(gòu)的預(yù)警服務(wù),但由于事先對預(yù)警指標(biāo)的選取有一定的盲目性,同時,無論是結(jié)構(gòu)設(shè)計還是特定的有限元計算得到的閾值與實際存在很大差距,因此,難以取得理想的預(yù)警效果。理想的預(yù)警模型還得從先驗的監(jiān)測數(shù)據(jù)中得到,因此,這里討論的預(yù)警模型及指標(biāo)均是基于先驗監(jiān)測數(shù)據(jù)的。A.1.4預(yù)警指標(biāo)的一般性準(zhǔn)則易見,直接由傳感器得到的原始數(shù)據(jù)是不能用于預(yù)警的,這—32—是因為,原始數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)量大,受噪聲污染和其他信息干擾,信息冗余,不易發(fā)現(xiàn)隱藏的數(shù)據(jù)固有結(jié)構(gòu)。為了滿足上述預(yù)警功能要求,必須從原始數(shù)據(jù)中進(jìn)行特征指標(biāo)的優(yōu)化選取和選擇,不僅要使最小化的指標(biāo)體系反映盡可能多的原始數(shù)據(jù)的信息,而且要使各指標(biāo)的取值在各先驗類之間盡可能分散開。這就需要進(jìn)行最優(yōu)特征抽取和選擇。基于橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)先驗數(shù)據(jù)的特征抽取和選擇如圖A●1●4所示。圖A●1●4監(jiān)測數(shù)據(jù)的特征抽取和選擇特征提取的任務(wù)是尋找一種變換,即關(guān)于原始數(shù)據(jù)的線形或非線性組合,使初步提取得到的預(yù)警指標(biāo)總體信息最大程度上保留原始數(shù)據(jù)的信息,并使各先驗類的可分離性判據(jù)最大。特征選擇則是忽略一些對分類貢獻(xiàn)不大的指標(biāo),或刪去對類可分離性作用不大的指標(biāo),使指標(biāo)的維數(shù)下降。設(shè)在基準(zhǔn)期內(nèi)獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)總體為X(x1,x2,…,xn),對應(yīng)于第i個傳感器得到的觀察數(shù)據(jù)。特征提取和選擇的最終目標(biāo)都是降維,都要求最優(yōu)化的準(zhǔn)則函數(shù)J。對特征提取,最優(yōu)化是指在所有可能的變換中尋找一種變換EQ\*jc3\*hps19\o\al(\s\up1(~),A)(X),使EQ\*jc3\*hps19\o\al(\s\up2(~),A)(X)=maxJ(A(X))(A●1●4-1)A∈斗斗是允許的變換集。初選預(yù)警指標(biāo)向量就是Θ=EQ\*jc3\*hps19\o\al(\s\up1(~),A)(X)。對進(jìn)一步的特征選擇,是在p維初步提取出的預(yù)警指標(biāo)中所有可能的、大小為d的子集B(Θ)的集合B(Θ)中尋找子集—33—~B(Θ),使EQ\*jc3\*hps19\o\al(\s\up1(~),B)(Θ)=maxJ(B(Θ))(A●1●4-2)準(zhǔn)則函數(shù)J既要兼顧對處理前信息的最大保留,又要兼顧對類分離性的最大化。下面簡要給出準(zhǔn)則函數(shù)的定義?；谙闰灁?shù)據(jù)的依據(jù)先驗的觀察,可將總體X大致地分為五類wi,i=1,2,…,5,分別對應(yīng)于正常(wo)、大風(fēng)(w1)、重車(w2)、船撞(w3)、大浪(w4)等情形下的子集。設(shè)EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Σ),為總體X的協(xié)方差和類wi的協(xié)方差的估計,EQ\*jc3\*hps19\o\al(\s\up2(^),m),EQ\*jc3\*hps19\o\al(\s\up2(^),m)i為總體均值和類均值估計,n,ni為總體樣本數(shù)和擁有第i類標(biāo)簽的類wi內(nèi)的原始監(jiān)測樣本數(shù)。則定義SW和SB分別為類內(nèi)散布陣(樣本協(xié)方差陣)和類間樣本協(xié)方差陣:且有EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Σ)=SW十SB。EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Σ)表示原始數(shù)據(jù)的總體信息。定義α為對總體進(jìn)行先驗類劃分的類分離因子:α?Tr{(SW)—1}●Tr{SB}(A●1●4-5)可見,α越大,類的可分離性越好。同理可定義經(jīng)特征提取后用Θ和類Θ表示的類內(nèi)散布陣(樣本協(xié)方差陣)和類間樣本協(xié)方差陣SEQ\*jc3\*hps10\o\al(\s\up3(*),W)和SEQ\*jc3\*hps10\o\al(\s\up3(*),B),變換后的總協(xié)方差為EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Σ)*。定義β,Y分別為變換(提取)后對總體信息、類內(nèi)散布陣信息的保留因子,則變換后的新的類分離因子可表示為:—34—σ|Θ=A(X)?Tr{(SEQ\*jc3\*hps10\o\al(\s\up4(*),W))—1}Tr{SEQ\*jc3\*hps10\o\al(\s\up4(*),B)}=(β—Y)α十β(A.1.4-8)特征提取的目標(biāo)是同時追求總體信息保留因子和類分離因子的最大化,為此,定義預(yù)警指標(biāo)提取的準(zhǔn)則函數(shù)J1為(A.1.4-9)進(jìn)一步的特征選擇是在p維初步預(yù)警指標(biāo)的組合中進(jìn)行優(yōu)化選擇。同樣,可定義用經(jīng)選擇后的d維指標(biāo)Θd表示的數(shù)據(jù)的類內(nèi)散布陣(樣本協(xié)方差陣)和類間樣本協(xié)方差陣SEQ\*jc3\*hps10\o\al(\s\up3(*),W)*和SEQ\*jc3\*hps10\o\al(\s\up3(*),B)*,和選擇后的總協(xié)方差為EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Σ)**。則預(yù)警指標(biāo)的特征選擇的準(zhǔn)則函數(shù)可定義為(A.1.4-10)(A.1.4-11)η=Tr{(SEQ\*jc3\*hps10\o\al(\s\up4(*),W)*)—1}Tr{SEQ\*jc3\*hps10\o\al(\s\up4(&),B)**}(A.1.4-12)式中,ζ為選擇后的預(yù)警指標(biāo)信息保留因子;η則為選擇后的預(yù)警指標(biāo)對先驗類wi的分離因子。A.1.5預(yù)警指標(biāo)的抽取算法的實時化第二類預(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(biāo)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(biāo)的抽取和選擇的時效性依然占整個預(yù)警時效的大部分。因此,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(zhǔn)確性,需要研究實時化的預(yù)警指標(biāo)的抽取算法?！?5—對一個實時監(jiān)測系統(tǒng)而言,預(yù)警指標(biāo)的抽取過程往往需要經(jīng)過如圖A.1.5-1所示的過程。圖A.1.5-1預(yù)警指標(biāo)在線抽取過程圖A.1.5-1中,數(shù)據(jù)流的時間參量即ti,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ti十l—1,即Ti=[ti,ti十1,…,ti十l—1],預(yù)警指標(biāo)的時間特征與數(shù)據(jù)幀相同。影響預(yù)警指標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(jìn)行平衡。2指標(biāo)抽取算法的復(fù)雜程度預(yù)警指標(biāo)要做到對時間的準(zhǔn)確定位和快速響應(yīng),必須對指標(biāo)的抽取算法的復(fù)雜程度進(jìn)行控制。一般而言,直接對振動信號進(jìn)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(jìn)行頻域計算或時頻域變換的算法則復(fù)雜一些,但由此抽取得到的預(yù)警指標(biāo)的質(zhì)量好。因此,需要在指標(biāo)質(zhì)量和算法簡單性之間進(jìn)行取舍。3指標(biāo)抽取算法的運算方式不管何種指標(biāo)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。將預(yù)警指標(biāo)抽取算法實時化,不僅可以實現(xiàn)較復(fù)雜的指標(biāo)抽取計算,而且還能提高指標(biāo)的時間分辨率。這里將討論的重點放—36—在抽取算法實時化上。通?？梢酝ㄟ^兩種方式進(jìn)行一般算法的實時化:一是將原始數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行重疊,然后將指標(biāo)抽取算法的單次運算方式簡單地加以移植即可,如圖A.1.5-2所示。圖A.1.5-2預(yù)警指標(biāo)實時連續(xù)抽取計算這種方式的預(yù)警指標(biāo)的時間分辨率即幀重疊長度,其缺點是重復(fù)運算,機(jī)時浪費,而且對時間的分辨提高作用有限,適于相對簡單的指標(biāo)抽取算法。第二種實時化方式是采用遞歸算法,即首先將預(yù)警指標(biāo)表示成遞歸形式,然后保持?jǐn)?shù)據(jù)幀長度不變,不斷地移入新采樣時刻的觀測數(shù)據(jù)和退出幀尾部數(shù)據(jù),在上一步抽取得到的預(yù)警指標(biāo)基礎(chǔ)上稍加修正得到新的預(yù)警指標(biāo),如下式:(A.1.5)EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Θ)EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Θ)—37—X(ti,l)為對應(yīng)于ti時刻的數(shù)據(jù)幀觀測值,EQ\*jc3\*hps19\o\al(\s\up2(^),X)(ti,l)則是根據(jù)上一幀的觀測值EQ\*jc3\*hps19\o\al(\s\up2(^),X)(ti—1,l)做出的對ti時刻數(shù)據(jù)估計幀(值)。G(●)為原始監(jiān)測數(shù)據(jù)的估計函數(shù)。K(ti)為增益,反映了當(dāng)前預(yù)測誤差E=X(ti,l)—EQ\*jc3\*hps19\o\al(\s\up2(^),X)(ti,l)對ti時刻預(yù)警指標(biāo)更新的影響程度。通過數(shù)學(xué)形式的改變,遞歸形式的預(yù)警指標(biāo)實時抽取算法可以做到最高與原始傳感器的采樣頻率一樣的時間分辨率,同時由于沒有重復(fù)運算,因此運算量極大地降低,保證了運算的實時性,又可保證預(yù)警指標(biāo)的質(zhì)量,非常適于較復(fù)雜的預(yù)警指標(biāo)抽取算法的實時運算。常用的遞歸形式的預(yù)警指標(biāo)實時抽取算法有卡爾曼濾波算法(kalmanfilteralgorithm)、遺忘因子算法(Forgettingfactoral-gorithm)和正則化、非正則化梯度算法(unnormalizedandnor-malizedgradientalgorithm)。限于篇幅,將不對此展開討論。A.1.6基于先驗監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)警判別函數(shù)(Discriminantfunc-tionforearly-warning)預(yù)警判別函數(shù)F(Θ|Θr)主要作用是將當(dāng)前的預(yù)警指標(biāo)Θ歸類,即給定當(dāng)前預(yù)警指標(biāo)的觀測值,希望將其歸于正常、大風(fēng)、重車、船撞、大浪五類中的一類,其實質(zhì)是將預(yù)警指標(biāo)張成的空間劃分為子空間,使先驗的、帶有類標(biāo)簽的數(shù)據(jù)最大程度上落入相應(yīng)的類子空間中。如前述定義,預(yù)警判別函數(shù)F(Θ|Θr)是預(yù)警指標(biāo)和類代表值的函數(shù),根據(jù)它可以導(dǎo)出預(yù)警條件:maxF(Θ|Θj)=F(Θ|Θr)→Θ∈wr(A.1.6-1)jF(Θ|Θj)對應(yīng)于當(dāng)前預(yù)警指標(biāo)與先驗類的廣義距離,即將當(dāng)前數(shù)據(jù)歸類到距離最近的先驗類中。判別函數(shù)形式的選擇取決于待分類預(yù)警指標(biāo)的先驗知識,即對一種特定的函數(shù)形式,其參數(shù)的調(diào)整是在訓(xùn)練過程中完成。常用的判別函數(shù)是從模式距離的概念上定義的,設(shè)當(dāng)前預(yù)警指標(biāo)和先驗類的代表值的距離表示為—38—ΘΘr2=ΘTΘ—2(ΘTΘr—0.5ΘEQ\*jc3\*hps10\o\al(\s\up4(T),r)Θr)(A.1.6-2)比較C個表達(dá)式ΘTΘr—0.5ΘEQ\*jc3\*hps10\o\al(\s\up4(T),r)Θr并選擇其最大值,即可得到最小距離分類。這時預(yù)警判別函數(shù)可定義為F(Θ|Θr)=wEQ\*jc3\*hps10\o\al(\s\up5(T),r)Θ十wr0=ΘTΘr—0.5ΘEQ\*jc3\*hps10\o\al(\s\up5(T),r)Θr(A.1.6-3)其中,wr=Θrwr0=—0.5|Θr|2(A.1.6-4)式(A.1.6-3)給出了最簡單形式的預(yù)警判別函數(shù),即線性判別函數(shù)(lineardiscriminantfunction)。一般而言,并非所有的模式空間都可以被上述函數(shù)加以線性分離,圖A.1.6(a)中,可以用上述函數(shù)形式將預(yù)警指標(biāo)空間進(jìn)行劃分,而(b)中則無法分離,這是由于線性決策域只能是凸域,而并非所有預(yù)警先驗類都構(gòu)成凸域,這時需要特殊形式的預(yù)警判別函數(shù),分段線性判別函數(shù)和廣義線性判別函數(shù)。圖A.1.6預(yù)警指標(biāo)空間的劃分廣義預(yù)警線性判別函數(shù)具有如下形式:F(Θ|Θr)=wEQ\*jc3\*hps10\o\al(\s\up5(T),r)Φ十wr0(A.1.6-5)Φ是當(dāng)前指標(biāo)Θ的矢量函數(shù),wr、wr0分別為Θr的函數(shù),即Φ={Φ1(Θ),Φ2(Θ),…,ΦD(Θ)}T(A.1.6-6)wr=Φ(Θr)(A.1.6-7)wr0=—0.5Φ(Θr)2(A.1.6-8)即通過對預(yù)警指標(biāo)的變換(也稱為Φ工作機(jī),Φmachine),使得不可線性分離類成為線性可分離類,從而用線性判別函數(shù)予以—39—分離。常用的Φ變換有線性(即式(A.1.6-5))、二次型、多項式、徑向基函數(shù)、多層感知器等。選擇何種形式的預(yù)警判別函數(shù),一是取決于先驗預(yù)警指標(biāo)的對狀態(tài)的代表性,從另一個角度看,也就是先驗指標(biāo)集在特征空間上的分布特點;二是取決于先驗類的劃分情況,通常,物理上有意義的先驗類劃分常常在模式空間中難以區(qū)分,需要設(shè)計特殊的Φ工作機(jī),以實現(xiàn)對先驗預(yù)警指標(biāo)數(shù)據(jù)集按有物理意義的方向進(jìn)行分類。目標(biāo)依然可以用類似于指標(biāo)選擇的準(zhǔn)則函數(shù)的最大化來描述:設(shè)用Φ(Θ)表示的類內(nèi)散布陣和類間散布陣分別為SEQ\*jc3\*hps10\o\al(\s\up3(*),W)和SEQ\*jc3\*hps10\o\al(\s\up3(*),B),變換前后的總協(xié)方差為EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Σ)和EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Σ)*,同樣可以定義的優(yōu)選準(zhǔn)則為可見,橋梁預(yù)警系統(tǒng)的另一個重要設(shè)計任務(wù)就是選擇適當(dāng)?shù)念A(yù)警判別函數(shù),使上述最大化。A.1.7基于先驗監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)警類內(nèi)定級函數(shù)類內(nèi)定級函數(shù)的主要目的就是對橋梁發(fā)生預(yù)警異常的程度進(jìn)行度量。不同類