大跨度軌道交通橋梁損傷檢測系統的製作方法

2023-10-20 09:26:17 1

專利名稱：大跨度軌道交通橋梁損傷檢測系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種計量技術領域的橋梁檢測系統，具體是一種大跨度軌道 交通橋梁損傷檢測系統。
背景技術：
伴隨著科技的進步以及交通運輸需求的增長，許多軌道交通橋梁或者公路及 軌道交通兩用的大跨度橋梁(如武漢長江大橋、南京長江大橋、在建的上海市 "閔浦二橋")已經或者即將建成。這些橋梁在使用過程中，不斷受到溫度變化、 強風等外界環境的侵蝕，車輛荷載、車輛衝擊的長期反覆作用以及地震、洪水等 自然災害的影響。隨著使用年限的增加，其結構材料不斷老化、疲勞效應不斷增 加，從而導致橋梁構件出現不同程度的自然累積損傷和突然損傷，不僅會縮短 使用壽命，而且還會嚴重威脅到人民生命和財產安全。長期以來，人們就意識到 了對橋梁進行損傷檢測的重要性，基于振動的橋梁損傷檢測在過去幾年裡得到廣 泛應用和發展。
經對現有技術的文獻檢索發現，宗周紅等人在《福州大學學報》(自然科學
版)2002年第2期128 152頁發表的論文"橋梁健康監測應用與研究現狀"中 闡述了橋梁結構健康監測(損傷檢測)系統的定義和基本構成，總結了健康監測和 損傷識別在橋梁工程中的應用情況。文中指出現有的橋梁損傷檢測系統大多通過 動力指紋和模型修正等方法，根據結構幾何參數(質量、阻尼、剛度)的改變導致 結構模態參數(特徵頻率、模態振型及模態阻尼)的改變來進行損傷診斷的。但是， 由於此類系統大多需要測量系統的輸入，並且，在試驗中測點的數量有限，模態 數據不完備；再加上忽略了損傷的時變性和環境不確定性因素等影響，會造成很 大誤差。因此，國內外投入使用的橋梁損傷檢測系統大部分僅限於數據採集、保 存，而對於監測數據進行科學管理、建立合理橋梁評估指標和應用監測數據進行 損傷檢測方面的應用明顯不足。

發明內容
本發明的目的在於針對上述現有技術的不足，採用軌道交通車輛作為激勵， 建立一種大跨度軌道交通橋梁損傷檢測系統，以滿足實際需要。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括數據採集子系統和數據處 理子系統兩個子系統，其中
數據採集子系統負責檢測軌道交通車輛通過大跨度橋梁時的振動情況，並採 集動力響應信號傳輸給數據處理子系統；
數據處理子系統讀取數據採集子系統檢測到的橋梁動力響應信號，結合動力 學分析計算得到的橋梁模擬動載響應信號，實現橋梁的損傷識別；通過圖形界面 和資料庫技術，實現用戶對系統的操作和數據管理；另外，通過網絡技術，實現 本地計算機與遠程計算機的通訊。
所述的數據採集子系統，包括傳感器模塊、信號調理模塊、信號採集模塊， 糾
傳感器模塊採用加速度傳感器，用於測量軌道車輛通過時橋梁的垂向振動加
速度，其布設方式為沿橋梁縱向中心軸線均布n個，n為大於l的自然數，這樣
橋面將被劃分為n-1個標準損傷識別區域；
信號調理模塊負責將傳感器上信號進行放大、隔離、濾波等處理。 信號採集模塊通過數模轉換等功能連接信號調理模塊與計算機，並最終組成
本地檢測系統。
所述的數據處理子系統，包括輔助動力學分析模塊、本地信息處理模塊和遠 程信息處理模塊，其中
輔助動力學分析模塊為本地信息處理模塊提供損傷分析時模擬動載響應信
號；
本地信息處理模塊通過採用客戶機/伺服器(C/S)構建的網絡模式與遠程信 息處理模塊之間進行數據傳輸；
遠程信息處理模塊，採用客戶機/伺服器(C/S)的網絡模式與本地信息處理 模塊構建了數據遠程傳輸及存儲方案。
所述的輔助動力學分析模塊，是由基準橋梁數值模型與軌道車輛數值模型組成的耦合振動的動力學分析系統。基準橋梁數值模型根據橋梁的實際尺寸及材料 參數建立，經過模態分析驗證後，符合所檢測橋梁的振動特性。車輛的數值模型 是車體、轉向架和輪對等多剛體組成的多自由度的動力學系統，具有兩級懸掛和 浮沉、橫擺、搖頭、點頭、測滾共有27個自由度。車輪與軌道之間的耦合作用 採用三維動態接觸的方法建模，能夠模擬軌道車輛的跳軌、脫軌等現象，更加符 合輪軌之間的實際接觸狀態。通過顯示積分求解，可以得到模擬橋梁動載響應信 號，為橋梁損傷分析提供初始數據。
所述的遠程信息處理模塊，由遠程計算機與遠程資料庫組成，遠程計算機負 責與本地信息處理模塊進行通訊，而遠程資料庫則用於存儲時間信息、車速信息、 損傷診斷信息等靜態數據，以及橋梁檢測動載響應信號和模擬動載響應信號等動 態數據。
所述的本地信息處理模塊由數據顯示模塊、信號讀取模塊、數據管理模塊、 模擬信號讀取與解析模塊、損傷分析模塊和遠程通訊模塊組成，其中
數據顯示模塊，為系統的圖形界面，用於顯示監測數據和損傷識別結果；另 外，通過該界面可以實現用戶與系統其它模塊的交互操作；
信號採集模塊通過緩衝和採樣率等初始化的設定，完成對硬體子系統中橋梁 動載響應信號的採集功能；
數據管理模塊，主要負責軟體子系統的資料庫操作，並對檢測到的橋梁動載 響應信號和輔助動力學分析模塊計算得到的模擬橋梁動載響應信號等數據進行 記錄的功能。同時，根據用戶發送的請求進行數據査詢、添加、以及刪除等操作， 並將操作的結果返回到數據顯示模塊；
模擬信號讀取與解析模塊，提供了本地信息處理模塊與輔助動力學分析模塊 的數據交換接口，通過解析與讀取輔助分析軟體的計算結果，形成模擬橋梁動載 響應信號，作為信號讀取模塊中採集到的動載響應信號的比較信號，為損傷分析 模塊提供初始數據支持；
損傷分析模塊，採用多尺度小波包分解法，分別對採集到的動載響應信號和 輔助動力學分析模塊計算得到的模擬動載響應信號在多頻段進行分解，並計算各 分解頻段下各監測點的小波包能量譜和橋梁損傷定位指標，如果損傷指標為0，則橋梁未出現損傷，否則，判定橋梁出現損傷，發出警報，並確定損傷部位。所 述的損傷定位指標為
Damage,由=mox,v |甲卜^ —2Y^ +T,+U 式中，/為出現損傷的監測位置，乂為信號分解的頻段；義,,力對 應第/監測點，第y頻段的能量比；￡,.(/,/)為橋梁模擬動載響應信號在第/監測
點、第,頻段的小波包能量；Aay)為橋梁檢測動載響應信號在第/監測點、第
y頻段的小波包能量；
遠程通訊模塊，是本地信息處理模塊與遠程信息處理模塊的通訊接口，實現 了按照實時發送、定時發送和按需索取的數據傳輸機制。為了不佔用檢測計算機
CPU的工作時間，從而使應用程式可以運行得更快，其中的靜態數據(時間信息、
車速信息、損傷識別信息等)和實時監測數據(橋梁檢測動載響應信號和模擬動 載響應信號)分別採用不同傳輸協議來實現。
與現有技術相比，本發明具有如下有益效果
(1) 本發明考慮了在移動軌道車輛荷載作用下，車輛慣性及自身振動對車-
橋耦合作用的影響，更符合實際情況，減少了數值計算的誤差；
(2) 進行橋梁損傷分析時，考慮了橋梁結構中部分損傷在車輛載荷下張開、 閉合的時變性的特點，提高了損傷識別的精度；
(3) 系統具有模塊化、層次化的特點，應用程式可以運行得更快，其中的 信息類型數據和動載響應測數據分別採用不同傳輸協議來實現，降低了系統CPU 的佔用率，具有較好的數據傳輸特性；
(4) 同時，由於無需測量輸入(激勵)信號，監測點相對傳統方法較少， 只要測量橋梁在移動軌道車輛激勵下振動響應數據，就可以進行損傷定位，振動 響應數據測量時不影響橋梁結構的正常使用，在工程中較容易實現。


圖1是本發明實施例總體框圖2是本發明實施例的數據採集子系統結構示意圖； 圖3軌道車輛與橋梁耦合動力分析模型；圖4損傷分析模塊的工作原理圖； 圖5數據遠程通訊模型示意其中Dl:時間信息，D2:車速信息，D3:探傷識別信息，D4:橋梁檢測及 模擬動載響應信號。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案 為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護 範圍不限於下述的實施例。
本實施例主要針對鐵路、鐵路及公路兩用等帶有軌道交通的大跨度橋梁建立 的損傷檢測及識別系統。
如圖1所示，本實施例包括數據採集子系統及數據處理子系統兩個部分， 其中，數據採集子系統搭建如圖2所示，沿橋梁縱向中心軸線均布n個加速度傳 感器，傳感器用於測量橋梁在車輛通過時的垂向振動的加速度，這樣橋面將被劃 分為n-1個標準損傷識別區域；利用NI公司的自定義的信號調理總線SCXI作為
數據採集子系統的信號調理模塊，能很好地完成多路傳感器信號同時輸入和信號 調理，通過對傳感器的輸出信號進行放大、隔離、濾波，使之適應數模轉換。通
過NI公司的PXI模塊作為數據採集子系統的信號採集模塊，對SCXI的輸出信號 進行數模轉換，結合軟體子系統完成數據採集、記錄以及分析等功能。
如圖l所示，本系統的數據處理子系統由包括輔助動力學分析模塊、本地信 息處理模塊和遠程信息處理模塊組成。其中的輔助動力學分析模塊為本地信息處 理模塊提供損傷分析時模擬動載響應信號；遠程信息處理模塊，採用客戶機/服 務器(C/S)的網絡模式與本地信息處理模塊構建了數據遠程傳輸及存儲方案。 下面詳細介紹數據處理子系統中的各功能模塊
(1)數據處理子系統的輔助動力學分析模塊，是由基準橋梁數值模型與軌 道車輛數值模型組成的耦合振動的動力學分析系統。其耦合動力分析模型如圖3 所示，基準橋梁數值模型和軌道車輛模型根據構件空間位置、幾何尺寸、材料特 性、連接形式建立，其中的基準橋梁數值模型經過模態分析與修正，符合所檢測 橋梁的振動特性；車輛的數值模型是車體l、轉向架2和輪對3等多剛體組成的多自由度的動力學系統， 一系懸掛裝置4和二系懸掛裝置5的阻尼均作為線性粘 滯阻尼來處理，各剛體之間的連接為彈性連接，這樣整車車輛就具有了浮沉、橫 擺、搖頭、點頭、測滾，共有27個自由度。車輪與軌道之間的耦合作用採用三 維動態接觸的方法建模，能夠模擬軌道車輛的跳軌、脫軌等現象，更加符合輪軌 之間的實際接觸狀態。通過顯示積分求解，可以得到模擬橋梁動載響應信號，為 橋梁損傷分析提供初始數據。
(2) 數據處理子系統的遠程信息處理模塊，由遠程計算機與遠程資料庫組 成。遠程計算機負責與本地信息處理模塊採用客戶機/伺服器(C/S)的模式進行通 訊。而遠程資料庫則用於存儲時間信息、車速信息、損傷識別信息等靜態數據， 以及橋梁檢測動載響應信號和模擬動載響應信號等動態數據。
(3) 本地信息處理模塊由包括數據顯示模塊、信號讀取模塊、數據管理模 塊、模擬信號讀取與解析模塊、損傷分析模塊和遠程通訊模塊-
a) 通過信號讀取模塊在計算機的內存裡設定一個區域(不是數據採集卡上 的FIF0緩衝)，用來臨時存放數據，解決由於採集樣本的樣本眾多，數據來不及 顯示的問題。在完成採樣率的初始化的設定以後，可以實現對硬體子系統中橋梁 動載響應信號的採集功能；
b) 數據顯示模塊為系統提供圖形界面，用於顯示監測數據和損傷識別結 果；另外，通過本模塊可以實現用戶與系統其它模塊的交互操作；
c) 模擬信號讀取與解析模塊，作為數據處理子系統與動力學輔助分析模塊 的數據交換接口，可以讀取基準橋梁數值模型與軌道車輛數值模型組成的耦合振 動的動力學分析系統的計算結果，並將結果解析為符合損傷識別模塊計算需求的 橋梁模擬動載響應信號。
d) 損傷分析模塊按照圖4所示的方法實現橋梁損傷的判定和識別。來自數 據採集模塊的橋梁動載響應信號和來自輔助分析軟體數據交換模塊的模擬動載 響應信號將被讀入損傷分析模塊，按如下原理進行處理
首先對橋梁模擬動載響應信號乂和檢測動載響應信號厶進行多尺度小波 包分解formula see original document page 11
其中，Cl"(,)、 C2)》(0為小波包係數，\(/),4(0 = 2《V'(2^ —A:)為小波包函數， /、y、 A分別為頻程參數、尺度參數和平移參數；
小波包分解樹的每一個節點(y,/)上，小波包係數Cl;.、 C2;.和信號成分S1)、
S2;.能夠表現原信號在_/尺度/頻程的信號特性；可以通過小波包函數《,"0重構 得到每個節點上的分解信號
、 A:
相應的節點(y,/)上的信號成分能量為
formula see original document page 11
formula see original document page 11
可以看出信號成分節點能量給出了不同尺度和頻帶上信號能量的分布特徵。根據 各測點的小波包能量譜計算損傷定位指標Damage,^x，如果指標為0，則橋梁未
出現損傷，否則，發出警報，並確定損傷部位。
e) 數據管理模塊，採用資料庫技術進行編程實現，可以存儲來自信號採 集模塊的檢測信號和來自輔助分析軟體數據交換模塊的模擬信號。同時，根據用 戶發送的請求進行數據查詢、添加、以及刪除等操作，並將操作的結果返回到數 據顯示模塊。
f) 遠程通訊模塊，是本地信息處理模塊與遠程信息處理模塊的通訊接口， 採用客戶機/伺服器(C/S)的模式構建，並按照實時發送、定時發送和按需索取的 機制進行數據傳輸。系統的數據分為靜態數據(時間信息、車速信息、損傷識別 信息等)和動態數據(橋梁檢測動載響應信號和模擬動載響應信號)，為了不佔 用檢測計算機CPU的工作時間，從而使應用程式可以運行得更快，數據傳輸時，建立如圖5所示的數據通訊模型。靜態數據採用TCP/IP協議的套接字技術實現， 傳輸過程中，採用統一的數據包格式如下#@ [數據1]鵬[數據2][數據n]鵬[發送方]鵬[接收 方]，其中的"鵬"為數據包的分割符。
為了保證很好的實時性和更高的數據交換率，加上具有訪問控制管理等安全 措施，系統動載響應數據採用NI公司的DataSocket傳輸協議實現。
由上可以看出，本實施例數據處理子系統採用VC++平臺開發和集成，通過 讀取數據採集子系統檢測到的橋梁動載響應信號，結合動力學分析模塊計算得到 的橋梁模擬動載響應信號，實現橋梁的損傷識別；通過圖形界面和資料庫技術， 實現用戶對系統的操作和數據管理；另外，通過網絡技術，實現本地計算機與遠 程計算機的通訊。本實施例具有模塊化、層次化的特點，各功能模塊間可互通訊。 損傷識別系統考慮了慣性及車輛自身振動對車-橋耦合作用的影響以及在移動車 輛荷載作用下橋梁損傷的時變性，提高了橋梁損傷識別的精度；信號採集時，不 影響橋梁結構的正常使用，在工程中較容易實現。
權利要求
1. 一種大跨度軌道交通橋梁損傷檢測系統，其特徵在於，包括數據採集子系統和數據處理子系統兩個子系統，其中數據採集子系統負責檢測軌道交通車輛通過大跨度橋梁時的振動情況，並採集動力響應信號傳輸給數據處理子系統；數據處理子系統讀取數據採集子系統檢測到的橋梁動力響應信號，結合動力學分析計算得到的橋梁模擬動載響應信號實現橋梁的損傷識別，通過圖形界面和資料庫技術實現用戶對系統的操作和數據管理，並通過網絡技術實現本地計算機與遠程計算機的通訊。
2、 根據權利要求1所述的大跨度軌道交通橋梁損傷檢測系統，其特徵是， 所述的數據採集子系統，包括傳感器模塊、信號調理模塊、信號採集模塊，其 中傳感器模塊採用加速度傳感器，用於測量軌道車輛通過時橋梁的垂向振動加 速度，其布設方式為沿橋梁縱向中心軸線均布n個，這樣橋面將被劃分為n-l個標準損傷識別區域；信號調理模塊負責將傳感器上信號進行放大、隔離、濾波處理； 信號採集模塊通過數模轉換連接信號調理模塊與計算機，並最終組成本地檢測系統。
3、 根據權利要求1所述的大跨度軌道交通橋梁損傷檢測系統，其特徵是， 所述的數據處理子系統，包括輔助動力學分析模塊、本地信息處理模塊和遠程信 息處理模塊，其中輔助動力學分析模塊為本地信息處理模塊提供損傷分析時模擬動載響應信號；本地信息處理模塊通過採用客戶機/伺服器構建的網絡模式與遠程信息處理 模塊之間進行數據傳輸；遠程信息處理模塊，採用客戶機/伺服器的網絡模式與本地信息處理模塊構 建了數據遠程傳輸及存儲方案。
4、 根據權利要求3所述的大跨度軌道交通橋梁損傷檢測系統，其特徵是， 所述的輔助動力學分析模塊，是由基準橋梁數值模型與軌道車輛數值模型組成的 耦合振動的動力學分析系統，基準橋梁數值模型根據橋梁的實際尺寸及材料參數 建立，經過模態分析驗證後，符合所檢測橋梁的振動特性；車輛的數值模型是車 體、轉向架和輪對這些多剛體組成的多自由度的動力學系統，具有兩級懸掛和浮 沉、橫擺、搖頭、點頭、測滾共有27個自由度，車輪與軌道之間的耦合作用採 用三維動態接觸的方法建模，通過顯示積分求解得到模擬橋梁動載響應信號，為 橋梁損傷分析提供初始數據。
5、 根據權利要求3所述的大跨度軌道交通橋梁損傷檢測系統，其特徵是， 所述的遠程信息處理模塊，由遠程計算機與遠程資料庫組成，遠程計算機負責與 本地信息處理模塊進行通訊，而遠程資料庫則用於存儲包括時間信息、車速信息、 損傷診斷信息的靜態數據，以及包括橋梁檢測動載響應信號和模擬動載響應信號 的動態數據。
6、 根據權利要求3所述的大跨度軌道交通橋梁損傷檢測系統，其特徵是， 所述的本地信息處理模塊由數據顯示模塊、信號讀取模塊、數據管理模塊、模 擬信號讀取與解析模塊、損傷分析模塊和遠程通訊模塊組成，其中數據顯示模塊，為系統的圖形界面，用於顯示監測數據和損傷識別結果；另 外，通過該界面實現用戶與系統其它模塊的交互操作；信號採集模塊通過緩衝和採樣率初始化的設定，完成對硬體子系統中橋梁動 載響應信號的採集功能；數據管理模塊，負責軟體子系統的資料庫操作，並對檢測到的橋梁動載響應 信號和輔助動力學分析模塊計算得到的模擬橋梁動載響應信號數據進行記錄，同 時，根據用戶發送的請求進行數據査詢、添加、以及刪除操作，並將操作的結果 返回到數據顯示模塊；模擬信號讀取與解析模塊，提供了本地信息處理模塊與輔助動力學分析模塊 的數據交換接口，通過解析與讀取輔助分析軟體的計算結果，形成模擬橋梁動載 響應信號，作為信號讀取模塊中採集到的動載響應信號的比較信號，為損傷分析 模塊提供初始數據支持；損傷分析模塊，採用多尺度小波包分解法，分別對採集到的動載響應信號和 輔助動力學分析模塊計算得到的模擬動載響應信號在多頻段進行分解，並計算各 分解頻段下各監測點的小波包能量譜和橋梁損傷定位指標，如果損傷指標為0， 則橋梁未出現損傷，否則，判定橋梁出現損傷，發出警報，並確定損傷部位；遠程通訊模塊，是本地信息處理模塊與遠程信息處理模塊的通訊接口，實現 了按照實時發送、定時發送和按需索取的數據傳輸機制。
7、 根據權利要求6所述的大跨度軌道交通橋梁損傷檢測系統，其特徵是， 所述的損傷分析模塊，其中的損傷定位指標為-Damage由=匿^ 1; - 2甲,力式中，/為出現損傷的監測位置，y'為信號分解的頻段；j')對 應第/監測點，第y頻段的能量比；&(/,/)為橋梁模擬動載響應信號在第/監測 點、第y頻段的小波包能量；^(/，力為橋梁檢測動載響應信號在第/監測點、第J'頻段的小波包能量。
8、 根據權利要求6所述的大跨度軌道交通橋梁損傷檢測系統，其特徵是， 所述遠程通訊模塊，其中的靜態數據和實時監測的動態數據分別採用不同傳輸協 議來實現傳輸靜態數據採用TCP/IP協議的套接字技術實現，傳輸過程中，採用統一的數 據包格式如[命令號]#@ [數據l]鵬[數據2]鵬...[數據n] tt@ [發送方]鵬 [接收方]，其中的"鵬"為數據包的分割符；動態檢測數據採用DSTP協議實現。
全文摘要
本發明公開一種計算機應用技術領域的大跨度軌道交通損傷檢測系統，由數據採集子系統和數據處理子系統組成。數據採集子系統負責檢測軌道交通車輛通過大跨度橋梁時的振動情況，並採集動力響應信號傳輸給數據處理子系統；數據處理子系統讀取數據採集子系統檢測到的橋梁動力響應信號，結合動力學分析計算得到的橋梁模擬動載響應信號實現橋梁的損傷識別，通過圖形界面和資料庫技術實現用戶對系統的操作和數據管理，並通過網絡技術實現本地計算機與遠程計算機的通訊；本發明具有模塊化、層次化的特點，各功能模塊間可互通訊，提高了橋梁損傷識別的精度，不影響橋梁結構的正常使用。
文檔編號G06F19/00GK101281116SQ20081003819
公開日2008年10月8日 申請日期2008年5月29日 優先權日2008年5月29日
發明者李淵印, 杜新光, 鄧榮兵, 金先龍, 陳向東 申請人:上海交通大學