基於熵理論的在役橋梁安全預警方法
2023-09-22 15:09:35 3
專利名稱：基於熵理論的在役橋梁安全預警方法
技術領域：
本發明涉及一種橋梁結構安全監測技術，尤其涉及一種基於熵理論的在役橋梁安
全預警方法。
背景技術：
近年來隨著橋梁建設事業的迅猛發展，橋梁結構形式與功能日趨複雜，工程的規模也越來越大，然而在世界各國都相繼發生了一些橋梁突然性的破壞事件，這些災難性的事件使得各國科研人員認為:對橋梁在運營狀態下的健康監測問題的研究是刻不容緩的；通過對橋梁結構狀態的監控與評估，可以達到保證橋梁安全運營，避免橋梁安全事故發生的目的；同時監測信息可為橋梁維護、維修與管理決策提供依據和指導。然而，目前針對大體量、多自由度、荷載激勵未知的橋梁結構，只是單純得到各個結構截面的應力、應變、撓度、加速的等結構響應信息，在產生了海量的監測數據的情況下卻無法完成對結構整體或構件準確、可靠的安全狀態評估信息。結構健康監測所獲取的結構響應信息來源於結構各部位在隨機荷載激勵下的振動響應，其本質是振動系統的在外部激勵下的系統耗散過程。由此，將各部位監測的振動響應與結構系統統一起來，實現對橋梁結構健康監測及安全評估本質的認識是目前國內外研究的熱點。如何從監測到的海量橋梁結構實時響應信息提取結構安全狀態參數卻是國內外亟需解決的重大難題。
發明內容
針對背景技術中的問題，本發明提出了一種基於熵理論的在役橋梁安全預警方法，該方法步驟為:I)在橋梁上布設多個加速度傳感器，採集橋梁零損傷條件下正常運營時的加速度傳感器讀數；根據加速度傳感器讀數，計算每個加速度傳感器對應的初始結構信息熵，以初始結構信息熵中的熵值最大者的數值為敏感熵指標；2)搭建橋梁仿真模型，在橋梁仿真模型上與布設在實際橋梁上的加速度傳感器位置對應的位置處布設仿真用傳感器；3)向橋梁仿真模型施加仿真荷載激勵以模擬橋梁在零損傷條件下的正常運營情況，採集橋梁仿真模型在零損傷條件下正常運營時的仿真用傳感器讀數；根據仿真用傳感器讀數，計算每個仿真用傳感器對應的仿真初始結構信息熵，並以仿真初始結構信息熵中的熵值最大者的數值為仿真敏感熵指標；4)對橋梁仿真模型進行多次不同形式的破壞，每次破壞後都向橋梁仿真模型施加仿真荷載激勵，以模擬橋梁在各種損傷條件下的運營情況；在每種損傷條件下，分別採集仿真用傳感器的讀數，根據仿真用傳感器讀數，計算每種損傷條件下每個仿真用傳感器對應的仿真結構信息熵；每種損傷條件下，單個仿真用傳感器對應的仿真結構信息熵中的最小者記為熵值A，多個仿真用傳感器則有多個熵值A，以熵值A中的最大者的數值為仿真預警熵指標；
5)根據每種損傷條件下對應的仿真預警熵指標與仿真敏感熵指標之間的數值差異，設定各種損傷條件對應的預警等級:仿真預警熵指標與仿真敏感熵指標之間的數值差異越大，說明橋梁結構越不穩定，則此仿真預警熵指標對應的損傷條件的預警等級越高；6)計算敏感熵指標和仿真敏感熵指標之間的差值，根據差值對仿真預警熵指標進行修正，獲得預警熵指標；7)對加速度傳感器讀數進行定期採集，並計算出各個加速度傳感器對應的結構信息熵，將結構信息熵中最大者與預警熵指標進行數值比較，當某一採樣周期內結構信息熵中的最大者小於某一預警熵指標時，則作與該預警熵指標所對應的預警等級相匹配的預警處理。前述方案中所涉及的各種熵值可按如下方法計算:一個採樣周期內，通過加速度傳感器或仿真用傳感器能獲得包含多個加速度數值的一組讀數；針對同一加速度傳感器或仿真用傳感器，在相同時長的不同採樣周期內，可分別獲得多組讀數；則有:
權利要求
1.一種基於熵理論的在役橋梁安全預警方法，其特徵在於: 1)在橋梁上布設多個加速度傳感器，採集橋梁零損傷條件下正常運營時的加速度傳感器讀數；根據加速度傳感器讀數，計算每個加速度傳感器對應的初始結構信息熵，以初始結構信息熵中的熵值最大者的數值為敏感熵指標； 2)搭建橋梁仿真模型，在橋梁仿真模型上與布設在實際橋梁上的加速度傳感器位置對應的位置處布設仿真用傳感器； 3)向橋梁仿真模型施加仿真荷載激勵以模擬橋梁在零損傷條件下的正常運營情況，採集橋梁仿真模型在零損傷條件下正常運營時的仿真用傳感器讀數；根據仿真用傳感器讀數，計算每個仿真用傳感器對應的仿真初始結構信息熵，並以仿真初始結構信息熵中的熵值最大者的數值為仿真敏感熵指標； 4)對橋梁仿真模型進行多次不同形式的破壞，每次破壞後都向橋梁仿真模型施加仿真荷載激勵，以模擬橋梁在各種損傷條件下的運營情況；在每種損傷條件下，分別採集仿真用傳感器的讀數，根據仿真用傳感器讀數，計算每種損傷條件下每個仿真用傳感器對應的仿真結構信息熵； 每種損傷條件下，單個仿真用傳感器對應的仿真結構信息熵中的最小者記為熵值A，多個仿真用傳感器則有多個熵值A，以熵值A中的最大者的數值為仿真預警熵指標； 5)根據每種損傷條件下對應的仿真預警熵指標與仿真敏感熵指標之間的數值差異，設定各種損傷條件對應的預警等級:仿真預警熵指標與仿真敏感熵指標之間的數值差異越大，說明橋梁結構越不穩定，則此仿真預警熵指標對應的損傷條件的預警等級越高； 6)計算敏感熵指標和仿真敏感熵指標之間的差值，根據差值對仿真預警熵指標進行修正，獲得預警熵指標； 7)對加速度傳感器讀數進 行定期採集，並計算出各個加速度傳感器對應的結構信息熵，將結構信息熵中最大者與預警熵指標進行數值比較，當某一採樣周期內結構信息熵中的最大者小於某一預警熵指標時，則作與該預警熵指標所對應的預警等級相匹配的預警處理。
2.根據權利要求1所述的基於熵理論的在役橋梁安全預警方法，其特徵在於:根據如下方法計算信息熵: 一個採樣周期內，通過加速度傳感器或仿真用傳感器能獲得包含多個加速度數值的一組讀數；針對同一加速度傳感器或仿真用傳感器，在相同時長的不同採樣周期內，可分別獲得多組讀數； 則有: Aaji = o;J — O0i 其中，a!為第j個採樣周期內、第i次採樣獲得的加速度數值；考為第一個採樣周期內、第i次採樣獲得的加速度數值；為第j個採樣周期與第一個採樣周期中、第i次採樣時獲得的兩個加速度數值之間的差值； 按下式對進行歸一化處理:
全文摘要
本發明公開了一種基於熵理論的在役橋梁安全預警方法，該方法根據仿真敏感熵指標和仿真結構信息熵建立仿真預警熵指標，再根據敏感熵指標對仿真預警熵指標進行修正，獲得預警熵指標，實時計算出各個加速度傳感器對應的結構信息熵，將結構信息熵與預警熵指標進行數值比較，當某一採樣周期內結構信息熵中的最大者小於某一預警熵指標時，則作與該預警熵指標所對應的預警等級相匹配的預警處理。本發明的有益技術效果是從宏觀上將橋梁結構作為整體系統考慮，通過對系統熵特性的監測實現對橋梁安全的監測，突破了傳統監測信息的局部性與橋梁結構的整體性無法統一的矛盾，使得局部與局部、局部與整體的關聯性更密切，提升了橋梁結構健康監測系統在實際工程實踐中的應用價值。
文檔編號G01M99/00GK103162984SQ20131009696
公開日2013年6月19日 申請日期2013年3月25日 優先權日2013年3月25日
發明者楊建喜, 周應新, 張汝文, 錢理章, 孫繼赫, 宋乾坤, 嶽銳強, 方紹林 申請人:重慶交通大學, 雲南蒙新高速公路建設指揮部