基于加速度動(dòng)態(tài)響應(yīng)的平臺(tái)梁板結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)

張 寧，韋灼彬，董 琪

(1.海軍工程大學(xué)勤務(wù)學(xué)院，天津 300450；2.海軍潛艇學(xué)院動(dòng)力操縱系，山東青島266199)

基于加速度動(dòng)態(tài)響應(yīng)的平臺(tái)梁板結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)

張 寧1，2，韋灼彬1，董 琪1

(1.海軍工程大學(xué)勤務(wù)學(xué)院，天津 300450；2.海軍潛艇學(xué)院動(dòng)力操縱系，山東青島266199)

為保障某工程梁板式鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)服役期間的安全，本文引入了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行全壽命在線監(jiān)測(cè)和診斷。在合理的有工程針對(duì)性的損傷識(shí)別方法的基礎(chǔ)上研發(fā)結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別軟件，通過(guò)對(duì)提取的損傷指標(biāo)變化進(jìn)行不間斷分析和評(píng)估，能夠及時(shí)發(fā)出損傷預(yù)警，判斷可能出現(xiàn)損傷的位置和程度，預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的性能變化。從方案設(shè)計(jì)、硬件施工和軟件開(kāi)發(fā)等方面介紹了該系統(tǒng)的研發(fā)和建設(shè)過(guò)程。

空間梁板；沖擊荷載；動(dòng)態(tài)響應(yīng)；健康監(jiān)測(cè)；系統(tǒng)研發(fā)

為保障某工程梁板式鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)服役期間的安全，引入結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行全壽命在線監(jiān)測(cè)和診斷。該系統(tǒng)已穩(wěn)定運(yùn)行了一段時(shí)間，傳感器實(shí)時(shí)采集反映結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位狀態(tài)的大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，與模型數(shù)據(jù)的趨勢(shì)匹配良好。因此，基于實(shí)時(shí)加速度數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別軟件，能夠及時(shí)發(fā)出損傷預(yù)警，判斷可能出現(xiàn)損傷的位置和程度，預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的性能變化。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能

圖1 平臺(tái)梁板結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)遵循適用、經(jīng)濟(jì)、長(zhǎng)期、高效的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，為該工程的安全使用決策提供技術(shù)支持。(1)對(duì)結(jié)構(gòu)的受力和振動(dòng)進(jìn)行高精度測(cè)量，實(shí)現(xiàn)荷載和結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)的同步自動(dòng)采集；(2)對(duì)結(jié)構(gòu)的服役狀態(tài)做出實(shí)時(shí)判斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)重要構(gòu)件應(yīng)力超界的多級(jí)報(bào)警和評(píng)估；(3)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)突發(fā)和累積損傷，對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)的損傷進(jìn)行識(shí)別、評(píng)估，對(duì)結(jié)構(gòu)安全性、耐久性進(jìn)行評(píng)定與預(yù)測(cè)；(4)數(shù)據(jù)庫(kù)與應(yīng)用程序自動(dòng)接口功能以及與其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)自動(dòng)交互功能。

1.2 系統(tǒng)組成

依據(jù)《結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(CECS333:212)，系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

平臺(tái)梁板結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括硬件和軟件兩個(gè)部分，融合后包括4個(gè)子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)間通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)連接運(yùn)行。(1)傳感器子系統(tǒng)：滿(mǎn)足長(zhǎng)期耐久性、絕對(duì)測(cè)量、分布式等特征，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和理論分析選擇適宜的傳感器類(lèi)型和數(shù)量，通過(guò)數(shù)值分析實(shí)現(xiàn)優(yōu)化布置。(2)數(shù)據(jù)采集、傳輸與存儲(chǔ)子系統(tǒng)：能夠?qū)铀俣?、?yīng)變、溫度及位移等多物理量的響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)同步采集、判斷、預(yù)處理和觸發(fā)式自動(dòng)儲(chǔ)存。(3)數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)：可實(shí)時(shí)自診斷，判別系統(tǒng)工作狀態(tài)，控制數(shù)據(jù)采集模式和數(shù)據(jù)同步性，實(shí)現(xiàn)傳感器失效、信號(hào)異常等實(shí)時(shí)狀態(tài)的告警。(4)健康安全評(píng)定子系統(tǒng)：根據(jù)損傷識(shí)別理論成果，在各種結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)信息的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的異常狀態(tài)預(yù)警和安全評(píng)定。

2 系統(tǒng)硬件的技術(shù)實(shí)施

2.1 傳感器和采集設(shè)備

結(jié)合工程實(shí)際情況，本項(xiàng)目主要采用DH202-005型加速度傳感器。此外還采用AWC-8B-11-3LT型應(yīng)變傳感器、FTM-50S激光位移傳感器和DH801拉線式電位位移傳感器作為輔助。

采集系統(tǒng)采用PC104工業(yè)級(jí)計(jì)算機(jī)，與上位機(jī)通訊采用以太網(wǎng)模式，實(shí)現(xiàn)采集、傳輸、存儲(chǔ)、顯示的同步,數(shù)據(jù)可同步緩存至下位機(jī)32G固態(tài)硬盤(pán)中?？紤]現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境影響，選擇有線傳輸?shù)腄H5929動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng),如圖2所示。

圖2 DH5929動(dòng)態(tài)信號(hào)采集與分析設(shè)備工作圖

2.2 配置與施工

基于數(shù)值仿真結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)施工的可靠性和安全性，將傳感器盡量布置在結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大和最接近容易發(fā)生損傷的區(qū)域。除布設(shè)若干個(gè)傳感器外，配置采集設(shè)備1臺(tái)、工控機(jī)1臺(tái)、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜1個(gè)。

傳感器布設(shè)要求既不能改變結(jié)構(gòu)的外層保護(hù)功能，也不能破壞結(jié)構(gòu)，加速度傳感器通過(guò)高強(qiáng)耐久性航空膠粘貼配置高強(qiáng)磁力座與結(jié)構(gòu)連接，其它傳感器布設(shè)采用膠粘結(jié)合點(diǎn)焊機(jī)焊接方式。線路保護(hù)和走線利用工程預(yù)留線槽布置。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與研發(fā)

本系統(tǒng)將數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)和健康安全評(píng)定子系統(tǒng)細(xì)分為5個(gè)模塊，分別是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)、評(píng)估系統(tǒng)、管理系統(tǒng)。核心是評(píng)估系統(tǒng)，能根據(jù)采集的實(shí)時(shí)信息，反演出結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)和健康狀況，識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷程度及其部位，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行安全狀態(tài)評(píng)估，為結(jié)構(gòu)的維護(hù)管理提供幫助。

3.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

軟件按照 Microsoft Windows的風(fēng)格進(jìn)行開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)，使用十分簡(jiǎn)潔、方便。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于結(jié)構(gòu)的信號(hào)監(jiān)測(cè)，并具備本地存儲(chǔ)、系統(tǒng)自啟、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸以及測(cè)點(diǎn)設(shè)置、傳感器管理、工程單位管理、采集控制、顯示設(shè)置等功能。并實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的二次預(yù)處理，包含統(tǒng)計(jì)信息、趨勢(shì)信息、譜分析、雨流計(jì)數(shù)等功能。

數(shù)據(jù)采集結(jié)合監(jiān)測(cè)對(duì)象的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定合理的采樣頻率和分析頻率。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用信號(hào)觸發(fā)方式，設(shè)置多個(gè)觸發(fā)通道，并設(shè)置觸發(fā)負(fù)延遲獲取前段數(shù)據(jù)，在歷史模式下可以查看存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的多種特征值。

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL SERVER 為基礎(chǔ)，通過(guò)關(guān)聯(lián)分析建立了一套數(shù)據(jù)管理規(guī)則，方便定位、分析問(wèn)題。前臺(tái)程序周期性地向傳感器讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析、處理，按照地址和數(shù)據(jù)的分類(lèi)放到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中；同時(shí)，查詢(xún)數(shù)據(jù)是否在安全范圍之內(nèi)，如果超過(guò)限定值，則發(fā)出提示或報(bào)警。對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行形象、直觀、圖形化的顯示。支持重要資料的管理與查詢(xún)，可輸出txt、word、excel和matlab等文件格式以及圖形格式，顯示關(guān)鍵步驟、數(shù)值及相應(yīng)的函數(shù)曲線圖。

3.3 報(bào)警系統(tǒng)

超限報(bào)警系統(tǒng)在各種結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)信息的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同的報(bào)警標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析和判斷，通過(guò)小波變換等方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的異常狀態(tài)報(bào)警功能，顯示所查詢(xún)時(shí)間段內(nèi)的結(jié)構(gòu)損傷報(bào)警指標(biāo)信息。信息查詢(xún)窗口可以查詢(xún)傳感器響應(yīng)信息和能量譜信息。

3.4 評(píng)估系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估是建立在參數(shù)識(shí)別和損傷判斷的理論研究成果基礎(chǔ)上，進(jìn)行程序算法設(shè)計(jì)并嵌入結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)分析軟件系統(tǒng)。損傷識(shí)別方法包含小波分析、基于傳遞率函數(shù)、基于AR模型以及結(jié)合主成分分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等，確保結(jié)構(gòu)損傷診斷可靠。分為實(shí)時(shí)在線模式和離線工作模式。損傷診斷進(jìn)行時(shí)，界面顯示各通道損傷判別指標(biāo)隨各種變量的函數(shù)變化曲線。

3.5 管理系統(tǒng)

本系統(tǒng)的用戶(hù)劃分為4個(gè)等級(jí)，不同用戶(hù)將賦予不同權(quán)限。系統(tǒng)管理員可以添加、刪除、修改用戶(hù)信息，設(shè)置不同的用戶(hù)操作權(quán)限，修改和復(fù)位密碼(表1)。

表1 用戶(hù)角色劃分

3.6 系統(tǒng)架構(gòu)

本軟件各個(gè)子系統(tǒng)之間采用C/S和擴(kuò)展B/S兩種模式相結(jié)合的系統(tǒng)形式。結(jié)構(gòu)損傷預(yù)警的實(shí)時(shí)性要求系統(tǒng)具有在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理能力，必須采用C/S模式才能得以保證。B/S工作模式在數(shù)據(jù)共享、互操作和開(kāi)放性等方面具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。

工控機(jī)操作系統(tǒng)：Win7旗艦版；數(shù)據(jù)庫(kù)管理：SQL Server2008；數(shù)據(jù)庫(kù)操作方式：ADO(ActiveX Data Objects)；應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)工具：Visual C++；計(jì)算分析軟件：MATLAB；數(shù)值仿真軟件：ABAQUS；客戶(hù)端應(yīng)用：采用ActiveX軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)；服務(wù)器端應(yīng)用：采用Web服務(wù)器IIS作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，并使用ASP(Active Server Page)技術(shù)和COM組件技術(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)平臺(tái)梁板結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)和實(shí)施進(jìn)行了分析和總結(jié)。首先，確定各子系統(tǒng)架構(gòu)模式；其次，完成現(xiàn)場(chǎng)施工，確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行；最后，通過(guò)連續(xù)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析，將相應(yīng)的損傷識(shí)別方法應(yīng)用到實(shí)際工程。本系統(tǒng)建成后，運(yùn)行穩(wěn)定，各類(lèi)荷載響應(yīng)監(jiān)測(cè)值與設(shè)計(jì)參數(shù)下的仿真結(jié)果基本一致。接收方表明系統(tǒng)設(shè)計(jì)科學(xué)合理,安裝工藝滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,工程質(zhì)量達(dá)到預(yù)設(shè)目標(biāo)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)支撐，并建議在下一工程上推廣應(yīng)用此系統(tǒng)。

[1]馮良平,李娜,張革軍,等.中國(guó)長(zhǎng)大跨橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研發(fā)現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].公路,2009(5):176-181.

[2]丁幼亮,李?lèi)?ài)群.潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江大橋結(jié)構(gòu)損傷預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008(4):704-708.

[3]國(guó)帥.基于損傷分析的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[D].哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué),2014.

[4]汪菁.深圳市民中心屋頂網(wǎng)架結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2008.

[5]FigueiredoE,ParkG,FigueirasJ.Structuralhealth monitoring algorithm comparisons using standard data sets[R].Los Alamos,NewMexico:Los Alamos National Laboratory,2009.

[6]周翠,李東升,李宏男.結(jié)構(gòu)模態(tài)測(cè)試傳感器位置優(yōu)選[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào),2014(1):84-90.

Design and Research of Health Monitoring System for Platform Slab-plate Structure Based on Dynamic Response of Acceleration

ZHANG Ning1,2, WEI Zhuo-bin1, DONG Qi1

(1.College of Service, Naval Univ. of Engineering, Tianjin 300450, China; 2. Department of Power Steering, Navy Submarine Academy, Qingdao Shandong 266199, China)

In order to ensure the safety of the slab-plate steel structure platform during the period of service in a project, a structural health monitoring system was introduced to monitor and diagnose. A structural damage identification software is developed on the basis of reasonable and engineering targeted damage identification methods. Through the extraction of damage index changes for continuous analysis and evaluation, it can give timely warning of damage, judge the location and degree of possible damage, and predict the structural performance changes. This paper introduces the research and development and construction process of the system from the aspects of program design, hardware construction and software development.

spatial slab-plate; impact load; dynamical response; health monitoring; system research

2016-06-07

張 寧(1976- )，男，講師，博士研究生，從事船舶與海洋工程及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研究。

韋灼彬(1964- )，男，教授，博士，從事結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、新型組合和新材料結(jié)構(gòu)研究。

O328

A

2095-7602(2017)08-0022-03