結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

【結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測】是指對工程結(jié)構(gòu)實施損傷檢測和識別。我們這里所說的損傷包括材料特

性改變或結(jié)構(gòu)體系的幾何特性發(fā)生改變，以及邊界條件和體系的連續(xù)性，體系的整體連續(xù)性

對結(jié)構(gòu)的服役能力有至關(guān)重要的作用。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測涉及到通過分析定期采集的結(jié)構(gòu)布置

的傳感器陣列的動力響應(yīng)數(shù)據(jù)來觀察體系隨時間推移產(chǎn)生的變化，損傷敏感特征值的提取

并通過數(shù)據(jù)分析來確定結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。對于長期結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，通過數(shù)據(jù)定期更新來估

計結(jié)構(gòu)老化和惡劣服役環(huán)境對工程結(jié)構(gòu)是否有能力繼續(xù)實現(xiàn)設(shè)計功能。

監(jiān)測簡介

監(jiān)測起源

長期以來，我們一直使用針對質(zhì)量的不連續(xù)的方法來評估結(jié)構(gòu)是否有能力繼續(xù)服役以實現(xiàn)設(shè)

計目的。從19世紀初開始，列車員借助小錘通過聽錘擊鐵軌的聲音來確定是否存在損傷。

在旋轉(zhuǎn)機械行業(yè)，幾十年來振動監(jiān)測一直作為檢測手段。在過去的十到十五年里，結(jié)構(gòu)健

康監(jiān)測技術(shù)開始興起并產(chǎn)生一個聯(lián)合不同工程學科分支的新的領(lǐng)域，而且專注于這個領(lǐng)域的

學術(shù)會議和科學期刊開始產(chǎn)生。因此這些技術(shù)變得更為常見。

識別算法

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的問題可歸入數(shù)據(jù)模式識別算法的范疇[3-4]o這個算法可分解為四部分：

（1）實用性評估，（2）數(shù)據(jù)采集和提純，（3）特征提取和數(shù)據(jù)壓縮，（4）統(tǒng)計模型的發(fā)展。

當你試圖將此算法應(yīng)用于實際工程結(jié)構(gòu)上獲取的數(shù)據(jù)時，很明顯的是，第2-4部分，即數(shù)據(jù)

提純、壓縮、正規(guī)化和數(shù)據(jù)融合來貼近工程實際服役環(huán)境是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，我們可通過硬

件、軟件以及二者的有機結(jié)合來實現(xiàn)。

實用性評估

對于健康監(jiān)測對結(jié)構(gòu)的損傷識別能力，實用性評估涉及到四個方面：

（1）結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的應(yīng)用對于生命安全和經(jīng)濟效益有什么好處？

（2）怎樣對結(jié)構(gòu)進行損傷定義，多重損傷同時存在的可能性，哪種類型最值得關(guān)注？

（3）什么條件下（不同用途、不同環(huán)境）的體系需要監(jiān)測

（4）使用過程中采集數(shù)據(jù)的局限性

使用環(huán)境對監(jiān)測的體系和監(jiān)測過程的完成形成限制條件。這種評估開始將損傷識別的過程

和損傷的外部特征聯(lián)系起來，當然也用到獨特的損傷特征來完成檢測。

數(shù)據(jù)采集和提純

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集部分涉及到選擇激勵方法、傳感器類型、數(shù)量和布置，以及數(shù)據(jù)采

集、存儲、傳輸設(shè)備。經(jīng)濟效益是選擇方案一個重要的參考因素，采樣周期是另一個不可忽

視的因素。因為數(shù)據(jù)可在變化的環(huán)境中獲取，將這些數(shù)據(jù)正規(guī)化的能力在損傷識別過程中變

得非常重要。當應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測時，數(shù)據(jù)正規(guī)化是一個分離出由于環(huán)境或操作而導致的

傳感器測得的不準確的數(shù)值。最常見的方法是通過測量輸入?yún)?shù)來正規(guī)化測得的響應(yīng)。當環(huán)

境或操作影響比較顯著時，我們需要來對比相似時間段的數(shù)據(jù)或?qū)?yīng)的操作周期。數(shù)據(jù)的不

穩(wěn)定性的來源需要認識到并把它對系統(tǒng)監(jiān)測的影響降到最低。總的來說，不是所有的影響因

素都可以消除，因此，我們有必要才去適當?shù)拇胧﹣泶_保這些無法消除的因素對監(jiān)測系統(tǒng)的

影響作用大小。數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定性會因為變化的環(huán)境因素、測試條件以及測試的不連續(xù)性而加

劇。

數(shù)據(jù)提純是一個篩選部分有價值數(shù)據(jù)以完成傳遞的過程，與特征提取的過程相反。數(shù)據(jù)提純

很大程度上基于個人相關(guān)數(shù)據(jù)采集的經(jīng)驗。舉例來說，通過檢查測試設(shè)備的安裝或許會發(fā)現(xiàn)

某個傳感器的固結(jié)已經(jīng)松動，因此基于個人經(jīng)驗可以在數(shù)據(jù)處理的過程中刪除獲取的這組數(shù)

據(jù)或某個特定傳感器測得的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理技術(shù)，比如濾波和重構(gòu)，也是一種不錯的數(shù)據(jù)提

純方法。

總之，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測過程中的數(shù)據(jù)采集、正規(guī)化和提純技術(shù)在不斷前進。特征提取過程的進

一步認識和數(shù)據(jù)模型的不斷完善都將有助于數(shù)據(jù)采集技術(shù)的進步。

特征提取和數(shù)據(jù)壓縮

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域中根受關(guān)腰的莫過于通過數(shù)據(jù)特征如何辨別出損傷結(jié)構(gòu)與完好結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)

壓縮包含于這個特征選擇過程，最有效的損傷識別的特征還是

基于相關(guān)測試系統(tǒng)的相應(yīng)量（比如現(xiàn)場測得的振動譜或頻率）是最常用的另一

個損傷識別方法是尋找與特定損傷敏感的因素，即某個結(jié)構(gòu)體系在某特定環(huán)境下的損傷與某

種參數(shù)最原始的定義相對應(yīng)。這種模擬損傷的系統(tǒng)是一種非常有效的工具。分析工具的應(yīng)用

也起到非常重要的作用，比如試驗驗證的有限元模型。分析工具通常用來進行數(shù)值模擬試驗,

通過計算機設(shè)置來模擬真實結(jié)構(gòu)的損傷。通過觀測承受荷載的結(jié)構(gòu)體系關(guān)鍵部件的老化得到

的損傷累計測試也可用于識別某些損傷。這個過程涉及到加速損傷測試、疲勞測試、腐蝕、

和溫度循環(huán)對某種類型損傷的積累。上文提到的多種類型的分析和試驗研究或多種研究方法

的有機結(jié)合可加深對某些損傷特征的認識。

統(tǒng)計膜型的發(fā)展

通過統(tǒng)計模型來辨別結(jié)構(gòu)是否存在損傷，是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域文獻中涉及最少的一部分。統(tǒng)

計模型關(guān)注如何評估結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)的算法的使用，統(tǒng)計模型中用到的算法通常分為3種：

當完好結(jié)構(gòu)和有損傷的結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)都可獲取時，模式識別算法通常使用與有參照的研究有關(guān)

的整體分類，整體分類和回歸分析法都屬于有參照研究的范疇；無參照研究指的是缺乏損傷

結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)；新型的檢測技術(shù)（或引用自其他行業(yè)比較成熟的技術(shù)）是一種應(yīng)用于無參照研

究中的基本算法。所有的算法（分析統(tǒng)計或提純優(yōu)化）都推動損傷識別技術(shù)的提升。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測理論基礎(chǔ)

經(jīng)過20年的發(fā)展，可以說本領(lǐng)域已經(jīng)成熟到一個階段，很多基本的理論和原理已經(jīng)成型。

這些原理如下：

公理1：所有的材料都有內(nèi)在損傷；

公理2：損傷的評估需要體系兩種狀態(tài)的對比；

公理3：可通過無參照研究來判定損傷是否存在和定位損傷，但是判定損傷類型和損傷程度

需要有參照研究模式；

公理4a：單靠傳感器不能測定損傷，數(shù)據(jù)處理的特征提取和統(tǒng)計分類才能將傳感器獲取數(shù)

據(jù)轉(zhuǎn)換為損傷信息；

公理4b：在缺乏智能特征提取手段時，測試方法對損傷越敏感，則操作和環(huán)境因素對測試

結(jié)果影響越大；

公理5：損傷的開始和發(fā)展的長度和時間尺度提供結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測傳感系統(tǒng)需要的特征；

公理6：在算法對損傷的敏感度和抗噪聲干擾的能力有一個平衡點；

公理7：可通過體系動力響應(yīng)變化測得的損傷尺寸與可激勵的頻率范圍大小成反比；

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的組成

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)包括：

1）結(jié)構(gòu)

2）傳感器系統(tǒng)

3）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

4）數(shù)據(jù)傳輸和存儲系統(tǒng)

5）數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

6）數(shù)據(jù)解析和診斷

a）系統(tǒng)識別

b）結(jié)構(gòu)模型更新

c）結(jié)構(gòu)狀況評估

d）預測服役年限

這個技術(shù)的一個比較典型的例子，在橋梁或飛機中布置傳感器，這些傳感器為不同的結(jié)構(gòu)變

化提供譬如應(yīng)力或應(yīng)變的實時監(jiān)測信息。在土木工程行業(yè)，傳感器獲取的數(shù)據(jù)通常傳送到遠

端的數(shù)據(jù)采集中心。借助于現(xiàn)代技術(shù)，基于傳感器獲取到的信息使結(jié)構(gòu)的實時控制（主動結(jié)

構(gòu)控制）成為可能。一一來著百度

摘要：在電力系統(tǒng)中，隨著電網(wǎng)容量越來越大，以及智能電網(wǎng)的發(fā)展，對變壓器的運行狀態(tài)

實行有效地監(jiān)測成為了值得研究的課題，而將物聯(lián)網(wǎng)與變壓器狀態(tài)和檢測聯(lián)系起來更成為一

個全新的課題。

物聯(lián)網(wǎng)由感知層，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成，感知層負責信息的獲取，網(wǎng)絡(luò)層負責信息的傳輸，

應(yīng)用層負責對信息的反饋處理。

新型的Zigbee技術(shù)的發(fā)展促進了物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。ZigBee技術(shù)是一種低復雜度、低功耗、低

速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)。各種電子設(shè)備之間進行典型的周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)

和低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。

引言

電力變壓器在線監(jiān)測是一項復雜的工程，目前在線監(jiān)測技術(shù)還不太成熟。傳感器技術(shù)對電力

變壓器的監(jiān)測顯得尤為重要。美國電力研究院開發(fā)出一種直接測量分析變壓器油中的四種氣

體，并檢測其狀態(tài)，現(xiàn)已應(yīng)用于變壓器的狀態(tài)監(jiān)測中。在電力變壓器監(jiān)測過程中，如何提高

監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性及時性，就要解決兩個問題：一是如何獲得有效及時的數(shù)據(jù)，二是怎樣將

這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控人員的手中。

我國直到本世紀初才開始接受并嘗試國外先進的理念和技術(shù),而且，這種嘗試還只是局部的,

沒有形成規(guī)模的嘗試，但是發(fā)展的勢頭是好的，通過多年的努力，也取得了不錯的研究成果,

并得到了實際應(yīng)用。目前電力變壓器在線監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用主要是氣象色譜及局部放電的在線

測試，同事加強了變壓器繞組變形，繞組老化及鐵心接地的測試，止匕外，整棟檢測，噪聲監(jiān)

測，紅外熱像檢測也得到了廣泛的實際應(yīng)用。

關(guān)于電力變壓器運行狀態(tài)的監(jiān)測，大部分的學者都認為，隨著經(jīng)濟條件的發(fā)展，信息技術(shù),

傳感技術(shù)，無線傳輸技術(shù)以及智能電網(wǎng)水平的提高，這將會朝著利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方向發(fā)展。

實際應(yīng)用將會隨著理論的發(fā)展而得到廣泛的應(yīng)用。

1、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是國家新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)中信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心領(lǐng)域，將在國民經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮重要作

用。而將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于電力變壓器檢測，構(gòu)建電力變壓器實時運行數(shù)據(jù)中心，將使智能電網(wǎng)

的發(fā)展邁上新的臺階。本文介紹將物聯(lián)網(wǎng)在電力變壓器中的應(yīng)用，故先對物聯(lián)網(wǎng)進行分析。

L1物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)，英文名"TheInternetOfThings"。顧名思義，即：物物相連的網(wǎng)絡(luò)。這也表明了物聯(lián)

網(wǎng)也是互聯(lián)網(wǎng)，它也是由互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展而來的。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的定義是：通過射頻識別（RFID）、

紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，將任何物品與

互聯(lián)網(wǎng)相連接，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、追蹤、監(jiān)控和管理的一

種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)的主要特征是每一個物件都可以尋址，每一個物件都可以控制,每一

個物件都可以通信。顯然，它作為“穗知、傳輸、應(yīng)用"3項技術(shù)相結(jié)合的一種產(chǎn)物，是一

種全新的信息獲取和處理技術(shù)。

1.1.1頻識別技術(shù).

射頻識別RFID技術(shù)，是一種通過無線電信號對特定的目標進行識別，并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而

無需識別系統(tǒng)與特定目標之間建立機械或光學接觸，它隸屬于非接觸式自動識別技術(shù)。其基

本原理是利用射頻信號和空間電磁場耦合傳輸特性來實現(xiàn)對監(jiān)控物體的信息交換及自動識

別。RFID的設(shè)計就是射頻電路技術(shù)、通信技術(shù)、傳感器技術(shù)等的緊密結(jié)合。

RFID的閱讀器通過天線與RFID電子標簽進行無線通信，可以實現(xiàn)對標簽識別碼和內(nèi)存數(shù)據(jù)

的讀出或?qū)懭氩僮鳌５湫偷拈喿x器包含有高頻模塊（發(fā)送器和接收器）、控制單元以及閱讀

器天線。RFID射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標

對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無需人工干預，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識別

高速運動物體并可同時識別多個標簽，操作快捷方便。比如說，我們在商場見到的電子標簽

就屬于RFID標簽。因此，這種技術(shù)應(yīng)用非常廣泛。

射頻識別系統(tǒng)性能的評斷，閱讀距離（電子閱讀器與電子標簽最大距離能夠識別）的長短最

重要的指標之一。在實際的應(yīng)用中，不同識別系統(tǒng)的的閱讀距離差別很大，這一般是有實際

情況來決定的。

GPS是英文GlobalPositioningSystem的簡稱Zigbee技術(shù)是一種具有統(tǒng)一技術(shù)標準的短距離無

線通信技術(shù)，是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一

種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)協(xié)定層從下到上分別為實體層（PHY）、媒體存取層（MAC）、

網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用層（APL）等。網(wǎng)絡(luò)層由ZigBee聯(lián)盟制定，應(yīng)用層的開發(fā)應(yīng)用根據(jù)用

戶的應(yīng)用需要，對其進行開發(fā)利用，因此該技術(shù)能夠為用戶提供機動、靈活的組網(wǎng)方式。根

據(jù)IEEE802.15.4協(xié)議標準，ZigBee的工作頻段分為3個頻段，這3個工作頻段相距較大，而

且在各頻段上的信道數(shù)據(jù)不同，因而，在該項技術(shù)標準中，各頻段上的調(diào)制方式和傳輸速率

不同。在組網(wǎng)性能上，ZigBee可以構(gòu)造為星形網(wǎng)絡(luò)或者點對點對等網(wǎng)絡(luò)，，具有較大的網(wǎng)絡(luò)

容量。在無線通信技術(shù)上，采用CSMA—CA方式，有效地避免了無線電載波之間的沖突，此

外，為保證傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，建立了完整的應(yīng)答通信協(xié)議。數(shù)據(jù)傳輸速率低只有10?250Kb

/s,專注于低傳輸速率應(yīng)用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不傳輸語音、視頻之類的大數(shù)據(jù)量的采集數(shù)

據(jù)，僅僅傳輸一些采集到的溫度、濕度之類的簡單數(shù)據(jù)。功耗低工作模式情況下，ZigBee

技術(shù)傳輸速率低，傳輸數(shù)據(jù)量很小，因此信號的收發(fā)時間很短，其次在非工作模式時，ZigBee

節(jié)點處于休眠模式，耗電量僅僅只有l(wèi)nWo設(shè)各搜索時延一般為30ms,休眠激活時延為

15ms,活動設(shè)備信道接人時延為15ms。數(shù)據(jù)傳輸可靠ZigBee的介質(zhì)鏈路層（以MAC層）

采用CSMA—CA碰撞避免機制。在這種完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制下，當有數(shù)據(jù)傳送需求時則

立刻傳送，發(fā)送的每個數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息，并進行確認信息回復，若沒有

得到確認信息的回復就表示發(fā)生了碰撞，將再傳一次網(wǎng)絡(luò)容量大ZigBee定義了兩種器

件：全功能器件（FFD）和簡化功能器件（RFD）。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（coordinator）是一種全功能

器件，而網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通常為簡化功能器件。如果通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，整個網(wǎng)

絡(luò)最多可以支持超過65000個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，再加上各個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可互相連接，整個

ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)目將十分可觀。（）實現(xiàn)成本低模塊的初始成本估計在6美元左右,

很快就能降到1.5?2.5美元，且ZigBee協(xié)議免專利費用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中可以具有成千

上萬的節(jié)點，如果不能嚴格地控制節(jié)點的成本，那么網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模必將受到嚴重的制約，從而

將嚴重地制約無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的強大功能。（6）兼容性ZigBee技術(shù)與現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡(luò)標

準無縫集成。通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器自動建立網(wǎng)絡(luò)，采用CSMA-CA方式進行信道接入。

隨著社會的不斷發(fā)展，信息產(chǎn)業(yè)已經(jīng)逐漸成為了國民經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱，而物聯(lián)網(wǎng)作為新一

代信息技術(shù)的重要組成部分成為推動人類文明向智能化方向發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)

據(jù)挖掘是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中重要的一環(huán)，是未來物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用數(shù)量大規(guī)模增長后對物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的強

力補充，本文分析了物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的特點以及物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)挖掘存在的困難,以及云計算的出現(xiàn)為

物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)挖掘提供了重要思路，文中論斷云計算為物聯(lián)網(wǎng)提供了最具計算力和存儲力的平

臺,并創(chuàng)新性的提出物聯(lián)網(wǎng)云的概念。另外，在對平臺可行性及性能進行分析的過程中,本文提

出了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、開放平臺接口等思路,使整個平臺有更好的擴展性，方便第三方開發(fā)和測試。

目前,物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的整體生態(tài)系統(tǒng)面臨很多挑戰(zhàn)，產(chǎn)業(yè)鏈中的不同人群也面臨著不同問題，本

文也給物聯(lián)網(wǎng)中這些問題的解決提供了很好的思路。

信息采集與處理系編-結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測設(shè)計專題

2014-12-14結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

信息采集與處理系統(tǒng)

4.1信號的采集和調(diào)理

4.1.1信號采集時，數(shù)據(jù)采集站位置明確，滿足采集站之安全、環(huán)境、電力、通訊路徑等要

求，建議設(shè)置在結(jié)構(gòu)物的計算機或消防控制中心；宜采用穩(wěn)定的工控機。

4.1.2傳感器系統(tǒng)空間分布較分散時宜考慮設(shè)置多個采集站,各采集站與中心信號采集儀相

連，傳感器與采集站，采集站與中心采集儀的連接須可靠、穩(wěn)定。

4.1.3采集站和中心采集儀都應(yīng)能滿足數(shù)據(jù)的幅值、分辨率和容量的要求；

4.1.4監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)做到防雷擊、防滲水；機箱應(yīng)有接地措施；當所測光、電等信號微弱以致

不易獲得時，宜選擇能滿足采集系統(tǒng)要求的信號放大器；信號放大前應(yīng)進行合理濾波以提高

信噪比；信號放大器的安裝位置應(yīng)滿足其所需的環(huán)境要求。

4.2數(shù)據(jù)的時間間隔與同步

4.2.1對于動力信號，數(shù)據(jù)的采樣頻率應(yīng)在被測物理量預估最高頻率的5倍以上；

4.2.2建議大型復雜結(jié)構(gòu)采用一級監(jiān)測，中型結(jié)構(gòu)采用二級，小型結(jié)構(gòu)采用三級。

4.3數(shù)據(jù)的標準化

4.3.1建議長度單位為米，時間單位為秒，溫度單位為攝氏度。

4.3.2建議同時輸出以"公元1年1月1日1分1秒"為"1",每隔一秒增量為"1"的時間碼體

系；如有必要則采用更高精度，時間碼精度同時提高。

4.5數(shù)據(jù)的凈化

4.5.2剔除粗差，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確可靠；對于觀測值中的系統(tǒng)誤差，應(yīng)該盡可能按其產(chǎn)

生的原因和規(guī)律加以改正、抵消或削弱；增加測量次數(shù)，減小偶然誤差。

4.6數(shù)據(jù)的取舍

4.6.1對短時間內(nèi)頻繁發(fā)生的異常數(shù)據(jù)進行報警，要求現(xiàn)場技術(shù)人員查看現(xiàn)場狀況、檢查傳

感器的工作狀態(tài)以及相應(yīng)傳輸線路和數(shù)據(jù)采集硬件的工作狀態(tài)，但采集系統(tǒng)仍正常工作。在

此過程中，對偶然的，瞬時的異常數(shù)據(jù)一般不作處理和存儲。

4.6.2在所有經(jīng)判斷無異常的數(shù)據(jù)存儲之前還需經(jīng)過數(shù)據(jù)存儲準則的判斷，滿足一定要求,

具有分析價值的數(shù)據(jù)將被存入數(shù)據(jù)庫，以減小數(shù)據(jù)存儲量，閾值的設(shè)定需視具體情況而定。

數(shù)據(jù)通信與傳輸系統(tǒng)-結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測設(shè)計專題

2014-12-16結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

數(shù)據(jù)通信與傳輸系統(tǒng)

5.1一般規(guī)定

5.1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)能從傳感器和其它待測設(shè)備等模擬和數(shù)字被測單元中自動采集信息。

5.1.2數(shù)據(jù)通信與傳輸系統(tǒng)應(yīng)將系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街付ǖ攸c，以便進行存儲、分析及

發(fā)布等。

5.1.3數(shù)據(jù)通信與傳輸系統(tǒng)應(yīng)具有對來自結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)外的各種信息予以接收、存

貯、處理、交換和傳輸?shù)哪芰Α?/p>

5.1.4數(shù)據(jù)通信與傳輸系統(tǒng)提供的各類接口，應(yīng)通過系統(tǒng)布線引至各個數(shù)據(jù)采集終端。

5.1.5數(shù)據(jù)通信與傳輸系統(tǒng)設(shè)計，必須保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、高效性及?shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。

5.2數(shù)據(jù)通信及傳輸方案

5.2.1基于信號的同步技術(shù)

采用基于時鐘同步模塊的時鐘頻率共享技術(shù)，每個采集設(shè)備中裝有時鐘同步模塊，再用

同軸電纜將各個設(shè)備相連，以其中之一作為主模塊，其余的作為從模塊。主模塊內(nèi)部的時鐘

信號通過同軸電纜同步從模塊內(nèi)部的時鐘信號。時間戳同步可以采用網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)器。

5.2.2基于時間的同步技術(shù)

系統(tǒng)各部分具有一個公共的時間基準參考，可以基于該基準時間生成事件、觸發(fā)和時鐘。

對于跨度較大的長距離傳輸，可以利用包括GPS、NTP、IEEE1588和IRIG-B等各種時間參考，

借助絕對定時實現(xiàn)測量結(jié)果的關(guān)聯(lián)與同步。

5.2.3有線傳輸

兩個通信設(shè)備之間使用物理連接，將信號從一方傳到另一方。常用的介質(zhì)有雙絞線、同

軸電纜和光纜等，常用的接口有RS232、RS422、RS485和RJ45等。

5.2.4無線傳輸

兩個通信設(shè)備之間不使用任何物理連接，將信號通過空間傳輸?shù)囊环N技術(shù)。通?？煞譃?/p>

無線廣域通信網(wǎng)（無線公網(wǎng)）和無線局域通信網(wǎng)兩種方式。常用的無線廣域通信網(wǎng)絡(luò)有GPRS

和CDMA兩種制式；常用的無線局域通信網(wǎng)有無線網(wǎng)橋和部門行業(yè)專用頻率通信等。

5.3設(shè)計要求

5.3.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計，必須保證系統(tǒng)的采集準確度。

1.系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的有效位數(shù)應(yīng)與歷史數(shù)據(jù)平均值的有效位數(shù)一致。

2.系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)的差值應(yīng)在合理范圍內(nèi)。

5.3.2數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)在設(shè)計，按照傳輸速度不同，選擇同步傳輸或異步傳輸。

1.低速數(shù)據(jù)傳輸宜采用異步傳輸；

2.高速數(shù)據(jù)傳輸宜采用同步傳輸。

5.3.3當數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)選擇同步傳輸時，需要結(jié)合現(xiàn)場實際情況，綜合考慮傳感器間距離、

工程各階段特征及工程現(xiàn)場地形條件等因素，選擇合適的同步技術(shù)。

1.對于小范圍的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，宜采用基于信號的同步技術(shù)。采用該技術(shù)，在設(shè)計時

還需考慮路線最優(yōu)化，增加最少的信號放大設(shè)備。同時注意外部的突發(fā)事件對信號可能造成

的干擾。

2.對于大范圍的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，宜采用基于時間的同步技術(shù)。

3.根據(jù)工程實際需要，可選取一種或兩種同步技術(shù)組合使用。

5.3.4數(shù)據(jù)通信與傳輸系統(tǒng)的設(shè)計必須堅持因地制宜的原則，綜合考慮數(shù)據(jù)通信傳輸距離、

工程各階段特征及工程現(xiàn)場地形條件、網(wǎng)絡(luò)覆蓋狀況、已有的通信設(shè)施等因素，靈活選取合

適的通信傳輸方式。

1.當工程現(xiàn)場存在無線發(fā)射設(shè)備，通信信號受干擾的情況下，應(yīng)采用有線傳輸方式。

2.工程現(xiàn)場有強電磁場的環(huán)境下，應(yīng)采取有效的電磁屏蔽措施，如無法實施電磁屏蔽，應(yīng)

采用有線傳輸方式。

3.對于交通不便的深山峽谷、復雜地形、物理線路布設(shè)和維護困難的環(huán)境下，宜采用無線

傳輸方式。

4.需要構(gòu)建臨時通信網(wǎng)絡(luò)的工程現(xiàn)場，宜采用無線傳輸方式。

5.根據(jù)工程實際需要，可選擇一種通信傳輸方式或多種通信傳輸方式進行組合使用。

5.3.5采用有線傳輸數(shù)據(jù),設(shè)計時應(yīng)優(yōu)先考慮利用監(jiān)測系統(tǒng)已有的光纖通信網(wǎng)或部門局域互

聯(lián)網(wǎng)等數(shù)據(jù)傳輸線路，增加最少的中繼器或轉(zhuǎn)發(fā)器，選取適當?shù)膫鬏斀橘|(zhì)；同時應(yīng)以現(xiàn)場數(shù)

據(jù)采集器的接口為基礎(chǔ)，以增加最少的接口轉(zhuǎn)換器為原則，選取適當?shù)慕涌陬愋汀?/p>

5.3.6采用無線傳輸數(shù)據(jù)，應(yīng)根據(jù)工程現(xiàn)場營運的網(wǎng)絡(luò)、成本及現(xiàn)場實際情況選擇合適的無

線傳輸方式。

5.3.7數(shù)據(jù)通信與傳輸系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)計數(shù)據(jù)備份機制，以保證在通信傳輸線路故障時數(shù)據(jù)的完

整性和可靠性。

1.數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)送端應(yīng)至少保存最近7天的監(jiān)測數(shù)據(jù)做備份。

2.常用的數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)為硬盤、磁帶、CF卡、SD卡等，宜設(shè)置雙卡槽以滿足連續(xù)觀測

需要，其容量選取應(yīng)以結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)每天接收的數(shù)據(jù)量為依據(jù)。

5.3.8數(shù)據(jù)通信與傳輸系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)具備以下基本資料：

1.工程場地與環(huán)境條件的有關(guān)資料

⑴工程場地的現(xiàn)狀平面圖，包括交通設(shè)施、高壓架空線、地下管線和地下構(gòu)筑物的分布;

⑵水、電及有關(guān)建筑材料的供應(yīng)條件；

(3)周圍建筑物的防振、防噪聲等要求。

2.建筑工程的有關(guān)資料

(1)工程總平面布置圖

(2)工程基礎(chǔ)平面圖和剖面圖

5.4質(zhì)量控制

監(jiān)測數(shù)據(jù)是決策部門做出評判的基礎(chǔ)資料，因而作為聯(lián)系監(jiān)測現(xiàn)場與遠程控制中心的數(shù)據(jù)通

道要確保高效、準確無誤地傳輸。為實現(xiàn)該目標，制定以下質(zhì)量控制措施。

5.4.1數(shù)據(jù)通信與傳輸系統(tǒng)中應(yīng)采用握手協(xié)議進行流量控制，保證通信線路暢通。握手分為

硬件握手和軟件握手。

1.硬件握手通過握手線的交互作用進行主控端和被控端的數(shù)據(jù)交流，在通信數(shù)據(jù)將要傳輸

時，通過握手線的高低電位變化控制數(shù)據(jù)傳送與否。

2.軟件握手以數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)信號代替實際的硬件線路。常用的軟件握手是XON/XOFF協(xié)

議。

5.4.2為了提高海量數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，必須根?jù)系統(tǒng)前端傳感器單位時間采集的數(shù)據(jù)，結(jié)

合設(shè)計的傳輸實際通信能力，對數(shù)據(jù)進行分包處理，以包為單位實施傳輸。開發(fā)的相應(yīng)數(shù)據(jù)

傳輸軟件在設(shè)計中必須采用應(yīng)答模式，并引入檢校-重發(fā)-補發(fā)機制進行誤碼控制，以保證數(shù)

據(jù)的可靠性及完整性。數(shù)據(jù)包設(shè)計必須按照以下規(guī)定要求，格式見圖5.4.1.

開始位

控制參數(shù)

標識信息

數(shù)據(jù)段

校驗段

結(jié)束位

圖5.4.1數(shù)據(jù)包設(shè)計要求

1.將海量數(shù)據(jù)文件根據(jù)設(shè)計的傳輸速率，劃分若干數(shù)據(jù)段。

2.為了區(qū)分不同傳感器、不同數(shù)據(jù)采集終端發(fā)送數(shù)據(jù)，必須在每個數(shù)據(jù)段前加入標識

信息，標識信息位數(shù)應(yīng)能區(qū)分各不同傳感器、不同數(shù)據(jù)采集終端，以便接收端可以根據(jù)標識

信息加以區(qū)分。

3.為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，必須對傳輸?shù)據(jù)進行校驗，可采用奇偶校驗或循環(huán)冗余

校驗(CRC),并將校驗碼加入數(shù)據(jù)段后。

4.為區(qū)分每個數(shù)據(jù)段，按圖5.4.1加入開始位及結(jié)束位。

5.為區(qū)分不同傳輸文件，在文件的開頭和結(jié)束位置，加入包標識信息，定義請求發(fā)送包和

文件結(jié)束包。

5.4.3數(shù)據(jù)通信與傳輸系統(tǒng)中必須設(shè)計校驗機制，在傳送和接收兩方對數(shù)據(jù)進行確認以降低

誤碼率。常用的校驗方法有奇偶校驗和（CRC）兩種。

1.奇偶校驗是在傳送字符的各位之外，再傳送1位奇校驗位或偶校驗位，分別為奇校驗

方式或偶校驗方式。奇偶校驗不能糾錯，但發(fā)現(xiàn)錯誤后可以要求重發(fā)。

2.循環(huán)冗余校驗（CRC）采用除法及余數(shù)的原理進行錯誤偵測。對數(shù)據(jù)質(zhì)量要求較高或

數(shù)據(jù)傳輸量較大的場合，宜采用CRC校驗。常用的CRC位數(shù)有8、16、32位，大型工程結(jié)

構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信設(shè)計時宜采用16位的CRC校驗。

3.接收端將計算得到的奇偶校驗或CRC校驗碼與數(shù)據(jù)包包含的校驗碼進行比較，二者

一致，接收端給發(fā)送端確認信息，繼續(xù)發(fā)送下一數(shù)據(jù)包。若校驗不合格，接收端發(fā)送相應(yīng)信

息，要求發(fā)送端重新發(fā)送該數(shù)據(jù)包。

5.4.4數(shù)據(jù)開始發(fā)送時，發(fā)送端應(yīng)發(fā)送請求包，并等待接收端響應(yīng)，以確保數(shù)據(jù)通道暢通。

在文件結(jié)束時，發(fā)送端發(fā)送結(jié)束包，并等待接收端響應(yīng)。

5.4.5當數(shù)據(jù)通道發(fā)生故障而中斷，在故障排除后，數(shù)據(jù)通信與傳輸系統(tǒng)應(yīng)具有補發(fā)功能，

將中斷時間段內(nèi)所有數(shù)據(jù)發(fā)送到接收端。

5.4.6對于數(shù)據(jù)通信與傳輸系統(tǒng)的應(yīng)答、重發(fā)和補發(fā)模塊應(yīng)設(shè)置時限，避免因應(yīng)答等待、重

發(fā)及補發(fā)影響正常數(shù)據(jù)發(fā)送。建議利用數(shù)據(jù)通道空閑時段完成補發(fā)數(shù)據(jù)傳輸。

5.5其他問題

5.5.1工程現(xiàn)場應(yīng)有安置通信設(shè)備的專有或公用的觀測房，觀測房應(yīng)符合以下要求：

1.電力比較穩(wěn)定可靠，交通方便，自然環(huán)境比較清潔。

2.遠離產(chǎn)生粉塵、油煙、有害氣體以及生產(chǎn)或貯存具有腐蝕性、易燃、易爆物品的工

廠、倉庫、堆場等。

3.遠離強振源和強噪聲源。

4.避開強電磁場干擾，無法避開時應(yīng)采取有效的電磁屏蔽措施。

5.應(yīng)有必要的防雷、防火設(shè)施。

6.觀測房內(nèi)部溫度、濕度等條件應(yīng)滿足通信及其他設(shè)備的工作環(huán)境要求，不能滿足的

應(yīng)采取有效的調(diào)節(jié)措施。

5.5.2數(shù)據(jù)通信與傳輸系統(tǒng)的線路應(yīng)采取一定的防護措施，對有線傳輸線路應(yīng)采用PVC或

鋼管等加以保護。

5.5.3工程施工及運營階段應(yīng)根據(jù)實際情況制定應(yīng)對特殊突發(fā)情況的緊急預案。

5.5.4本標準如有未盡事宜，應(yīng)依照實際情況遵循國家現(xiàn)行的其他有關(guān)標準規(guī)定執(zhí)行。

損傷識別與安全評估方法-結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測設(shè)計專題

2014-12-17結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

損傷識別與安全評估方法

6.1模態(tài)參數(shù)識別方法

6.1.1結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識別的定義

在系統(tǒng)模型已知的情況下，用實測的輸入與輸出數(shù)據(jù)來識別描述系統(tǒng)特性的各種物理參

數(shù)，如系統(tǒng)的質(zhì)量、剛度及阻尼，稱之為"參數(shù)識別”。

如果實際結(jié)構(gòu)可以運用所謂的"模態(tài)模型”來描述其動態(tài)響應(yīng)，則通過實驗數(shù)據(jù)的處理和

分析，尋求其"模態(tài)參數(shù)"的過程，稱之為模態(tài)參數(shù)識別。

6.1.2結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識別的目的

1通過模態(tài)試驗，一般情況下可獲取結(jié)構(gòu)自振頻率、振型、模態(tài)阻尼比，如有特殊要求,

可獲取模態(tài)剛度、模態(tài)質(zhì)量等結(jié)構(gòu)動力特性參數(shù)。

2獲取的結(jié)構(gòu)動力特性參數(shù)，可為結(jié)構(gòu)計算模型修正提供依據(jù)，并為結(jié)構(gòu)損傷識別提供

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

6.1.3模態(tài)試驗的基本要求

1結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗前，應(yīng)根據(jù)試驗?zāi)康闹贫ǚ舷嚓P(guān)技術(shù)要求的試驗方案，并進行必要的

計算。

2模態(tài)試驗應(yīng)符合下列要求：

(1)傳感器宜選擇高靈敏度的低頻傳感器；

⑵測點布置應(yīng)盡量避開振型節(jié)點和反節(jié)點處，所布測點數(shù)不應(yīng)少于所測模態(tài)階數(shù)的2

倍，宜對稱布置同時采集；

⑶試驗時應(yīng)避免環(huán)境及系統(tǒng)干擾；

(4)采樣頻率應(yīng)滿足采樣定理的基本要求；

⑸采樣時間要保證數(shù)據(jù)有足夠的長度；

(6)當測點較多而傳感器數(shù)量不足時，可以分批測量，每批測試應(yīng)至少保留一個共同的

參考點。

6.1.4數(shù)據(jù)處理方法

大跨橋梁、大型建筑等土木工程結(jié)構(gòu)，通常難以對其實施人工激勵，可以采用隨機振動

識別理論，通過測量"環(huán)境激勵"下的輸出響應(yīng)來識別結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。

環(huán)境激勵下的工程結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識別方法可以分為三大類：頻域識別方法、時域識別方

法和時頻域方法。

6.1.5在線識別技術(shù)

"在線"強調(diào)的是模態(tài)參數(shù)識別的實時性和自動性。相對于普通的基于現(xiàn)場測試的模態(tài)試

驗而言，在線模態(tài)參數(shù)識別具有全天候、快速、實時的優(yōu)點，由于實際結(jié)構(gòu)在不同環(huán)境下其

動力特性會有所不同，如邊界條件、溫度的變化，臺風、運營荷載等，只有實時分析才能獲

取整個結(jié)構(gòu)的動力特性變化情況。

6.2損傷識別方法

6.2.1總體要求

1工作目標

結(jié)構(gòu)的損傷識別是指利用結(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，進而識別結(jié)構(gòu)的

損傷。

2深度要求

⑴損傷識別根據(jù)工作深度可以由淺入深逐次分為損傷預警、損傷定位、損傷定量、

損傷評估；

⑵損傷預警應(yīng)給出結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷的明確判斷，并對相應(yīng)的判斷閾值進行說明；

⑶損傷定位應(yīng)給出結(jié)構(gòu)發(fā)生的損傷位置，可給出損傷位置的幾何坐標，也可給出損

傷單元或者構(gòu)件的編號；

(4)損傷定量應(yīng)以百分比的形式給出發(fā)生損傷的單元或者構(gòu)件的損傷程度；

⑸損傷評估應(yīng)對結(jié)構(gòu)的損傷后的性能退化做出綜合評估，對結(jié)構(gòu)損傷后的殘余壽命

進行科學預測。

6.2.2動力指紋法

可選用固有頻率、固有振型等模態(tài)參數(shù)及其各種導出量來構(gòu)建結(jié)構(gòu)的動力指紋，根據(jù)動

力指紋的變化來辨識結(jié)構(gòu)的損傷。

常見的結(jié)構(gòu)動力指紋包括固有頻率比、固有振型變化、振型曲率、應(yīng)變模態(tài)振型、MAC、

COMAC、柔度曲率、模態(tài)應(yīng)變能、里茲向量等，結(jié)構(gòu)損傷識別時，可根據(jù)實際需要選用其

中的一種或者多種。

6.2.3模型修正法

若有高精度的有限元基準模型可供利用時，可采用模型修正的方法進行結(jié)構(gòu)物理參數(shù)辨

識進而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷識別的目的。

模型修正是利用結(jié)構(gòu)實測數(shù)據(jù)（一般是模態(tài)參數(shù)）來修正結(jié)構(gòu)的初始理論模型，使修正

后的結(jié)構(gòu)模型的響應(yīng)與結(jié)構(gòu)的實測響應(yīng)相一致。用模型修正法進行損傷識別時，應(yīng)把有限元

基準模型作為結(jié)構(gòu)的初始理論模型，把損傷后的結(jié)構(gòu)響應(yīng)作為結(jié)構(gòu)實測數(shù)據(jù)。

用于損傷識別的常用的模型修正方法可分為：矩陣型修正方法、元素型修正方法、誤差

因子修正方法（子矩陣修正方法）、設(shè)計參數(shù)修正方法。

6.2.4神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種基于數(shù)據(jù)的非參數(shù)化非線性建模方法，其用于損傷識別的基本步驟，是

構(gòu)建結(jié)構(gòu)的損傷數(shù)據(jù)集合，對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓練，校驗神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的有效性，利用訓練得到的

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進行損傷識別。

結(jié)構(gòu)的損傷數(shù)據(jù)應(yīng)根據(jù)用途劃分為訓練集、校驗集、測試集。為了得到較好的結(jié)果，訓練集

一般應(yīng)進行歸一化。

可供選用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型有：BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自組織神

經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)所解決的問題來選擇，也可采用試錯法或遺傳算法以及其他

優(yōu)化方法確定。

6.2.5其他方法

結(jié)構(gòu)損傷識別也可采用有文獻報道證明可行的其他方法。如小波包能量譜方法、支持向量機

方法、ARMA模型方法、響應(yīng)面法、奇異值檢驗方法、考慮不確定性的統(tǒng)計方法等。

6.3安全評估方法

6.3,1一般原則

1結(jié)構(gòu)在規(guī)定的設(shè)計使用年限內(nèi)應(yīng)具有足夠的可靠度。結(jié)構(gòu)可靠度可采用以概率理論為

基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計方法分析確定。

2結(jié)構(gòu)在規(guī)定的設(shè)計使用年限內(nèi)應(yīng)滿足下列功能要求：

⑴在正常施工和正常使用時，能承受可能出現(xiàn)的各種作用；

⑵在正常使用時具有良好的工作性能；

⑶在正常維護下具有足夠的耐久性能；

（4）在設(shè)計規(guī)定的偶然事件發(fā)生時及發(fā)生后，仍能保持必須的整體穩(wěn)定性。

3施加在結(jié)構(gòu)上的荷載宜采用隨機過程概率模型描述。

4結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠指標宜采用考慮基本變量概率分析類型的一次二階矩方法進行計算。

6.3.2確定性方法

結(jié)構(gòu)安全評估的確定性方法可以采用層次分析法和極限分析法。

6.3.3可靠度方法

1構(gòu)件可靠度分析法

結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度分析方法主要分為兩大類。一類是解析算法,包括改進的一次二階矩法、

二次二階矩法、JC法等；另一類是隨機模擬法，包括蒙特卡羅法、隨機有限元法等。

2體系可靠度分析法

結(jié)構(gòu)體系可靠度分析法可以采用界限估算法、串聯(lián)及并聯(lián)和混聯(lián)體系可靠度計算法、概

率網(wǎng)絡(luò)估算技術(shù)方法、蒙特卡羅法、分枝界限法等。

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)及其運行管理-結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測設(shè)計專題

2014-12-18結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)及其運行管理

7.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的目標與設(shè)計原則

7.1.1結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是一個實時運行的存儲、維護和為應(yīng)用提供數(shù)據(jù)管理與分析

的軟件系統(tǒng)，是存儲介質(zhì)、處理對象和管理系統(tǒng)的集合體。系統(tǒng)由軟件、數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)管理

員等組成。其軟件主要包括操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序以及數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫由數(shù)據(jù)庫管理

系統(tǒng)統(tǒng)一管理，數(shù)據(jù)的插入、修改和檢索均要通過數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進行操作。數(shù)據(jù)管理員負

責創(chuàng)建、監(jiān)控和維護整個數(shù)據(jù)庫，使數(shù)據(jù)能被授權(quán)用戶有效使用。

7.1.2數(shù)據(jù)庫設(shè)計是建立數(shù)據(jù)庫及其應(yīng)用系統(tǒng)的核心技術(shù),它是指利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫管理系

統(tǒng)，構(gòu)造最優(yōu)的數(shù)據(jù)模式，建立可用的數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用系統(tǒng)，以便能夠更為有效地存儲數(shù)據(jù)，

滿足用戶的應(yīng)用需求，包括數(shù)據(jù)需求和處理需求。

1.數(shù)據(jù)共享是指系統(tǒng)所有用戶可同時訪問數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。同文件系統(tǒng)相比，由于數(shù)

據(jù)庫實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享，避免了用戶各自建立應(yīng)用文件而帶來的數(shù)據(jù)冗余問題，同時數(shù)據(jù)共享

有利于維護數(shù)據(jù)的一致性。

2.進行系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計時需要根據(jù)傳感器數(shù)量、采樣頻率、監(jiān)測時間等因素估計數(shù)據(jù)

庫的容量，保證數(shù)據(jù)有效的存儲和使用。

3.各種軟硬件平臺日趨多樣化，為了滿足各種不同平臺系統(tǒng)的要求，應(yīng)用軟件的設(shè)計

必須遵循開放系統(tǒng)的原則，與平臺無關(guān)。

4.遵循公關(guān)的國際標準，以方便今后的升級維護。

7.3數(shù)據(jù)庫設(shè)計基礎(chǔ)要求

7.3.1在線實時數(shù)據(jù)處理分析包括對實時采集的數(shù)據(jù)進行處理分析，用戶處于在線工作狀

態(tài)。離線數(shù)據(jù)處理分析則主要是對某一時段以前的存檔數(shù)據(jù)進行處理和分析。

7.3.2

1.傳感器一般包括對環(huán)境信息、、荷載信息、結(jié)構(gòu)響應(yīng)信息和結(jié)構(gòu)形態(tài)信息進行監(jiān)測的

設(shè)備，常用的傳感器類型詳見第3章。故障檢測包括定時輪詢監(jiān)測報警，用戶根據(jù)實際設(shè)定

失效報警時間。

2.監(jiān)測信息的自動導入指的是將觀測數(shù)據(jù)通過傳輸模塊進行預處理后導入到數(shù)據(jù)庫

中。數(shù)據(jù)導出的目的是便于為專業(yè)分析軟件工具進行進一步的數(shù)據(jù)分楣。預案處理包括監(jiān)測

信息預警機制以及相應(yīng)處理措施的描述信息等。

3.結(jié)構(gòu)評估分析要依據(jù)結(jié)構(gòu)分析模型進行定量分析，如果分析模型有改進，系統(tǒng)要支

持利用新的評估模型進行分析的機制。

4.結(jié)構(gòu)模型信息描述了進行評估分析時使用的評估規(guī)則和所需要的模型，評估規(guī)則本

身可以添加、刪除，需要描述參數(shù)的數(shù)據(jù)類型、返回的數(shù)據(jù)類型等。

5.數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲主要利用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)自身提供的歸檔功能進行數(shù)據(jù)歸檔，歸檔使用的

大容量存儲設(shè)備包括大容量磁盤、光盤、磁帶等二級存儲設(shè)備，系統(tǒng)元數(shù)據(jù)記錄歸檔數(shù)據(jù)基

本信息。

6.用戶管理內(nèi)容涉及：

（1）用戶屬性定義。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)安全功能應(yīng)給出每個用戶與標識相關(guān)的安全屬性，

如標識符、組等。如果數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)安全功能維護自己的標識與鑒別數(shù)據(jù)，那么它應(yīng)保證

每個用戶個體在數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和其他系統(tǒng)安全功能中信息一致。

⑵用戶標識。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的安全功能應(yīng)預先設(shè)定數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)代表用戶執(zhí)行

的、與安全功能相關(guān)的動作；在標識之前，安全功能允許數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)執(zhí)行這些預設(shè)動作。

在其他的安全功能引起的操作動作之前，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的安全功能要成功地標識每個用

戶。應(yīng)對注冊到數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中的用戶進行標識。用戶標識信息是公開信息，一般以用戶

名和用戶ID實現(xiàn)。為了管理方便，可將用戶分組，也可使用別名。無論用戶名、用戶ID、

用戶組還是用戶別名，都要遵守標識的唯一性原則。用戶標識分為：

1）基本標識：應(yīng)在數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)安全子系統(tǒng)的安全功能實施所要求的動作之前，對提

出該動作要求的用戶進行標識；

2）唯一性標識：應(yīng)確保所標識用戶在信息系統(tǒng)生存周期內(nèi)的唯一性，并將用戶標識與

審計相關(guān)聯(lián)。

⑶標識信息管理。應(yīng)對用戶標識信息進行管理、維護，確保其不被非授權(quán)地訪問、修

改或刪除。

（4）用戶鑒別。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的安全功能應(yīng)預先設(shè)定數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)代表用戶執(zhí)行

的、與安全功能相關(guān)的動作，在用戶被鑒別之前，允許數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)執(zhí)行這些預設(shè)動作。

在其他的安全功能引起的操作動作之前，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的安全功能應(yīng)成功地鑒別每個用

戶。應(yīng)對登錄的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的用戶進行身份真實性鑒別。通過對用戶所提供的"鑒別信

息"的驗證，證明該用戶確有所聲稱的某種身份，這些“鑒別信息”必須是保密的，不易偽造

的。用戶鑒別分為：

1）基本鑒別：應(yīng)對數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)安全子系統(tǒng)的安全功能實施所要求地動作之前，先

對提出該動作要求的用戶成功地進行鑒別。

2）不可偽造鑒別：應(yīng)檢測并防止使用偽造或復制的鑒別數(shù)據(jù)。一方面，要求數(shù)據(jù)庫管

理系統(tǒng)安全子系統(tǒng)的安全功能應(yīng)檢測或防止由任何別的用戶偽造的鑒別數(shù)據(jù)；另一方面，要

求數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)安全子系統(tǒng)應(yīng)檢測或防止當前用戶從任何其他用戶處復制的鑒別數(shù)據(jù)的

使用。

3）一次性使用鑒別：應(yīng)能提供一次性使用鑒別數(shù)據(jù)操作的鑒別機制，即對數(shù)據(jù)庫管理

系統(tǒng)安全子系統(tǒng)的安全功能應(yīng)防止與已標識過的鑒別機制有關(guān)的鑒別數(shù)據(jù)的重用。

4）多機制鑒別：應(yīng)能提供不同的鑒別機制，用于鑒別特定事件的用戶身份，并且對數(shù)

據(jù)庫管理系統(tǒng)安全子系統(tǒng)的安全功能應(yīng)根據(jù)所描述的多種鑒別機制如何提供鑒別的規(guī)則，來

鑒別任何用戶所聲稱的身份。

5）重新鑒別：應(yīng)有能力規(guī)定需要重新鑒別用戶的事件，即對數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)安全子系

統(tǒng)的安全功能應(yīng)在需要重鑒別條件所指示的條件下，重新鑒別用戶。

⑸鑒別失敗處理。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的安全功能應(yīng)檢測到與鑒別事件相關(guān)的不成功的鑒

別嘗試，當不成功鑒別嘗試的次數(shù)達到或超過了定義的界限時，安全功能應(yīng)終止會話建立的

進程。

（6）訪問歷史。在會話成功建立的基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的安全功能應(yīng)顯示用戶上一

次成功會話建立的日期、時間、方法、位置等。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的安全功能應(yīng)顯示用戶上一

次不成功的會話嘗試的日期、時間、方法、位置等，以及從上一次成功的會話建立以來的不

成功的嘗試的次數(shù)。

7.數(shù)據(jù)庫的安全包含兩層含義：第一層是指系統(tǒng)運行安全，系統(tǒng)運行安全通常受到的

威脅包括一些網(wǎng)絡(luò)不法分子通過網(wǎng)絡(luò)、局域網(wǎng)等途徑通過入侵電腦使系統(tǒng)無法正常啟動，或

讓系統(tǒng)超負荷運行大量算法，并關(guān)閉CPU風扇，使CPU過熱燒壞等破壞性活動；第二層是

指系統(tǒng)信息安全,系統(tǒng)信息安全通常受到的威脅包括黑客對數(shù)據(jù)庫入侵,盜取系統(tǒng)內(nèi)的資料。

因此數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的安全既要考慮對數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的安全保護，也要考慮對數(shù)據(jù)庫管理

系統(tǒng)中所存儲、傳輸和處理的數(shù)據(jù)信息的保護（包括以庫結(jié)構(gòu)形式存儲的用戶數(shù)據(jù)信息和以

其他形式存儲的由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)信息）。所以對數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的安全保護的

功能要求，要從系統(tǒng)安全運行和信息安全保護兩方面綜合進行考慮。

（1）網(wǎng)絡(luò)安全管理與安全保護：主要指的是系統(tǒng)運行的外部安全環(huán)境，一般包括網(wǎng)絡(luò)管

理軟件和安全保護系統(tǒng)。前者用于防止外部用戶入侵系統(tǒng)所在的網(wǎng)絡(luò)，后者則主要是各種防

病毒軟件。

⑵數(shù)據(jù)庫容災(zāi)備份主要防止系統(tǒng)因一些不可抗因素導致硬件設(shè)備的損壞而采取的備

份策略。

⑶敏感信息標記用于標識數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中需要特別保護的數(shù)據(jù)或?qū)ο?，依?jù)使用方式的

不同可以標識為公開、秘密、機密和絕密四個等級。敏感信息的安全設(shè)置一般由系統(tǒng)安全員

進行設(shè)置。對于支持有效期的各種安全屬性，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的安全功能應(yīng)限制授權(quán)管理員

規(guī)定有效期的能力。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的安全功能應(yīng)支持授權(quán)管理員對有效期后所采取的活動

做出規(guī)定。

（4）系統(tǒng)使用日志審計：一般由系統(tǒng)審計員進行審計，審計內(nèi)容涉及一般信息與敏感信

息操作使用的歷史，以便追蹤信息被破壞、泄漏的原因。

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)宜采取以下措施抵御威脅：

1）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中，主體對客體的訪問受系統(tǒng)安全功能的限制和裁定，特定客體的

訪問權(quán)限由主、客體安全屬性、用戶身份和環(huán)境等條件所決定，這些條件應(yīng)在對應(yīng)的安全策

略中規(guī)定。

2）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)應(yīng)對系統(tǒng)用戶進行標識和鑒別，并通過系統(tǒng)審計來記錄用戶的操作

和所造成的影響，使用監(jiān)督和事后評判等機制，保證用戶的責任可追溯、行為得到控制。

3）在物理上分離的部件之間傳遞信息流應(yīng)遵從數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中所確定的信息流策

略。

4）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)所保護的資源僅限于需要了解該資源的授權(quán)用戶知曉并進行訪問和

修改。

5）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)應(yīng)維護主體及客體的敏感標記（安全級別），以此作為實施訪問控制

的基礎(chǔ)。

6）在數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的空閑存儲客體空間中，對客體初始指定、分配或再分配前，需

要撤銷客體所含信息的所有授權(quán)。

7）當主體獲得對一個已被釋放的客體的訪問權(quán)時，當前主體不能獲得原主體活動所產(chǎn)

生的任何信息。

7.4數(shù)據(jù)庫的組成

7.4.1數(shù)據(jù)庫的組成與數(shù)據(jù)庫的功能相對應(yīng)。

2.風速和風向?qū)儆诃h(huán)境信息，而風壓是直接作用在結(jié)構(gòu)上的風荷載；同樣地，環(huán)境溫

度屬于環(huán)境信息，構(gòu)件的實際溫度與溫度荷載直接相關(guān)。各類原始信息和附加信息的記錄存

儲依監(jiān)測內(nèi)容而異。比如，風速一般要記錄三秒鐘極值風速、十分鐘平均風速、每小時平均

風速、風玫瑰圖、風譜圖。地面脈動加速度要記錄時程曲線、功率譜；車輛荷載一般要記錄

輪軸重量、總重、數(shù)量、車輛類型；環(huán)境溫度和太陽輻射強度要記錄每小時信息，統(tǒng)計日月

年的最高溫度、最低溫度、及溫差；結(jié)構(gòu)加速度要記錄存儲時程曲線、功率譜；靜態(tài)應(yīng)變、

位移、傾角宜與環(huán)境溫度同步記錄，混凝土應(yīng)變應(yīng)記錄徐變和收縮；結(jié)構(gòu)坐標包括三個方向

的大地坐標。

4.評估結(jié)果包括分析結(jié)果以及數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性等。評估結(jié)果以定期和以專題事件為

單位的方式記錄；定期記錄為單位指每個月、季度或年的結(jié)果；專題事件記錄指突發(fā)事件(地

震或臺風)發(fā)生后的專題分析結(jié)果。

7.4.2轉(zhuǎn)儲數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)信息中，本地信息庫中要記錄轉(zhuǎn)儲數(shù)據(jù)的定位、識別信息等，轉(zhuǎn)儲

到外部的數(shù)據(jù)可提供所轉(zhuǎn)儲信息的概要描述信息。

7.4.3信息分類是根據(jù)信息內(nèi)容屬性的排列順序，將信息按一定的原則和方法進行區(qū)分和歸

類，并建立起一定的分類系統(tǒng)和排列順序，以便管理和使用信息。信息編碼是在信息分類的

基礎(chǔ)上，將信息對象賦予有一定規(guī)律的、易于計算機和人識別與處理的符號。

傳感器信息宜根據(jù)傳感器的類型分類并根據(jù)所在空間位置或所屬子站編碼