一種基于優化張緊弦模型的橋索監測方法及系統技術方案

本發明專利技術公開了一種基于優化張緊弦模型的橋索監測方法及系統，方法包括：選取與實測橋索相同規格的鋼纜來構建牛頓高斯法的殘余函數，然后對牛頓高斯法的殘余函數進行迭代求解，得出牛頓高斯法的殘余函數最優的本征頻率階數以及最優的鋼纜抗彎剛度，最后根據迭代求解的結果優化張緊弦模型；求得理論本征頻率；得出橋索的振動頻譜，然后從得到的振動頻譜中篩選出符合最優的本征頻率階數的頻率作為實測本征頻率；加速度傳感器節點根據實測本征頻率和理論本征頻率的差值與理論本征頻率的比值大小確定是否向上位機監控中心發送采集數據和調整加速度傳感器的采樣頻率。本發明專利技術誤差小且能同時兼顧分析準確度和功耗，可廣泛應用于橋梁監測領域。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及橋梁監測領域，尤其是一種基于優化張緊弦模型的橋索監測方法及系統。
技術介紹
橋索是斜拉橋和懸索橋等橋梁結構的重要受力構件，橋索的索力值是評估橋梁狀態的重要指標，橋索索力值的測定也成了橋索監控系統中的一個重要組成部分。目前，已有不少的橋索索力值測定方法，其中具有簡易性和非破壞性優點的頻譜振動法，得到了較廣泛的應用。頻譜振動法主要采用了加速度傳感器來對橋索拉力進行測量，通過獲取加速度傳感器在環境激勵下的加速度來得到橋索的振動頻率，最后利用張緊弦模型來得出橋索拉力。在作為頻譜振動法理論依據的張緊弦模型中，抗彎剛度是一個難以測量的參數，而且抗彎剛度對高階本征頻率的影響大，直接采用傳統的張緊弦模型得到的橋索拉力將會出現較大的誤差。在現有基于頻率振動法的橋索監測系統中，附在橋索上的各個加速度傳感器通過無線傳感器網絡對網絡覆蓋監測區域內的橋索進行振動信號采集，并將數據傳送至上位機監控中心進行頻譜和索力分析。然而，現有基于頻率振動法的橋索監測系統存在著以下缺陷或不足：(1)仍直接采用傳統的張緊弦模型來得出橋索的拉力，忽略了抗彎剛度的影響，誤差較大；(2)加速度傳感器需要將采集的全部信號發送至上位機監控中心，增加了傳感器節點的功耗；而且加速度傳感器的采樣頻率為人工選擇的固定值，低采樣率會降低采集信號的分辨率最終影響到數據的分析，而高采樣率則會增加傳感器節點的功耗，無法同時兼顧分析準確度和功耗。
技術實現思路
為解決上述技術問題，本專利技術的目的在于：提供一種誤差小，能同時兼顧分析準確度和功耗的，基于優化張緊弦模型的橋索監測方法。本專利技術的另一目的在于：提供一種誤差小，能同時兼顧分析準確度和功耗的，基于優化張緊弦模型的橋索監測系統。本專利技術所采取的技術方案是：一種基于優化張緊弦模型的橋索監測方法，包括以下步驟：選取與實測橋索相同規格的鋼纜來構建牛頓高斯法的殘余函數，然后采用雅可比矩陣法對牛頓高斯法的殘余函數進行迭代求解，得出牛頓高斯法的殘余函數最優的本征頻率階數以及最優的鋼纜抗彎剛度，最后根據迭代求解的結果優化張緊弦模型；根據橋索的理論拉力值以及優化后的張緊弦模型求得理論本征頻率；根據加速度傳感器節點采集的信號得出橋索的振動頻譜，然后從得到的振動頻譜中篩選出符合最優的本征頻率階數的頻率作為實測本征頻率；加速度傳感器節點根據實測本征頻率和理論本征頻率的差值與理論本征頻率的比值大小確定是否向上位機監控中心發送采集數據和調整加速度傳感器的采樣頻率，以均衡功耗和分析準確度。進一步，所述選取與實測橋索相同規格的鋼纜來構建牛頓高斯法的殘余函數，然后采用雅可比矩陣法對牛頓高斯法的殘余函數進行迭代求解，得出牛頓高斯法的殘余函數最優的本征頻率階數以及最優的鋼纜抗彎剛度，最后根據迭代求解的結果優化張緊弦模型這一步驟，其包括：在拉力試驗機上選取與實測橋索相同規格的鋼纜進行拉力試驗，構建出牛頓高斯法的殘余函數，所述牛頓高斯法的殘余函數r的表達式為：其中，k為本征頻率階數，EI為鋼纜的抗彎剛度，m為鋼纜的單位質量，L為拉力試驗時鋼纜兩個固定測試點之間的長度，f為鋼纜振動頻譜的中心頻率，N為鋼纜受到的拉力；將(m,L,f,N)作為已知變量，β＝(k,EI)作為待求解變量，采用雅可比矩陣迭代法對牛頓高斯法的殘余函數進行求解，得出牛頓高斯法的殘余函數最優的本征頻率階數ko以及最優的鋼纜抗彎剛度EIo；將最優的本征頻率階數ko以及最優的鋼纜抗彎剛度EIo代入張緊弦模型，生成優化后的張緊弦模型，所述優化后的張緊弦模型的表達式為：其中，為最優的本征頻率階數ko對應的本征頻率。進一步，所述將(m,L,f,N)作為已知變量，β＝(k,EI)作為待求解變量，采用雅可比矩陣迭代法對牛頓高斯法的殘余函數進行求解，得出牛頓高斯法的殘余函數最優的本征頻率階數以及最優的鋼纜抗彎剛度這一步驟，其包括：根據n次不同拉力試驗構建的n個殘余函數r1,r2,...rn得到殘余函數r的雅可比矩陣，所述殘余函數r的雅可比矩陣Jr的表達式為：Jr=∂r1(β)∂k∂r1(β)∂EI......∂rn(β)∂k∂rn(β)∂EI,]]>其中，n≥2且n為整數，和為第n次試驗的殘余函數rn分別對k和EI的偏導數；根據得到的雅可比矩陣Jr對待求解變量β進行迭代，直至βs+1和βs的差值小于設定閾值為止，最終以迭代結束時βs+1對應的k和EI作為最優的本征頻率階數以及最優的鋼纜抗彎剛度，其中，對待求解變量β進行迭代的公式為：式中，s為迭代次數，且0≤s≤n，迭代初始值β0＝(1,EI0)，EI0為鋼纜抗彎剛度的最小估計值。進一步，所述根據加速度傳感器節點采集的信號得出橋索的振動頻譜，然后從得到的振動頻譜中篩選出符合最優的本征頻率階數的頻率作為實測本征頻率這一步驟，其包括：在加速度傳感器節點中，對采集的信號添加海明窗口，得到加窗后的采集信號；對加窗后的采集信號進行快速傅里葉變換，得到橋索的振動頻譜；從得到的振動頻譜中篩選出符合最優的本征頻率階數的頻率作為實測本征頻率。進一步，所述加速度傳感器節點根據實測本征頻率和理論本征頻率的差值與理論本征頻率的比值大小確定是否向上位機監控中心發送采集數據和調整加速度傳感器的采樣頻率，以均衡功耗和分析準確度這一步驟，其包括：計算實測本征頻率和理論本征頻率的差值與理論本征頻率的比值；加速度傳感器節點根據計算出的比值所處的比值范圍執行相應事件的操作：若計算出的比值屬于事件一的比值范圍，則只發送實測本征頻率給上位機監控中心；若計算出的比值屬于事件二的比值范圍，則不改變加速度傳感器的采樣頻率并將加速度傳感器采集的數據發送給上位機監控中心；若計算出的比值屬于事件三的比值范圍，則提高加速度傳感器的采樣頻率并將加速度傳感器采集的數據發送給上位機監控中心。進一步，所述事件一的比值范圍為[0，15％)，所述事件一將加速度傳感器的采樣頻率設為200Hz；所述事件二的取值范圍為[15％，30％]；所述事件三的取值范圍為(30％，100％]，所述事件三將加速度傳感器的采樣頻率增加至1000Hz。本專利技術所采取的另一技術方案是：一種基于優化張緊弦模型的橋索監測系統，包括以下模塊：張緊弦模型優化模塊，用于選取與實測橋索相同規格的鋼纜來構建牛頓高斯法的殘余函數，然后采用雅可比矩陣法對牛頓高斯法的殘余函數進行迭代求解，得出牛頓高斯法的殘余函數最優的本征頻率階數以及最優的鋼纜抗彎剛度，最后根據迭代求解的結果優化張緊弦模型；理論本征頻率計算模塊，用于根據橋索的理論拉力值以及優化后的張緊弦模型求得理論本征頻率；實測本征頻率獲取模塊，用于根據加速度傳感器節點采集的信號得出橋索的振動頻譜，然后從得到的振動頻譜中篩選出符合最優的本征頻率階數的頻率作為實測本征頻率；加速度傳感器節點確定與調整模塊，用于加速度傳感器節點根據實測本征頻率和理論本征頻率的差值與理論本征頻率的比值大小確定是否向上位機監控中心發送采集數據和調整加速度傳感器的采樣頻率，以均衡功耗和分析準確度。進一步，所述張緊弦模型優化模塊包括：構建單元，用于在拉力試驗機上選取與實測橋索相同規格的鋼纜進行拉力試驗，構建出牛頓高斯本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于優化張緊弦模型的橋索監測方法，其特征在于：包括以下步驟：選取與實測橋索相同規格的鋼纜來構建牛頓高斯法的殘余函數，然后采用雅可比矩陣法對牛頓高斯法的殘余函數進行迭代求解，得出牛頓高斯法的殘余函數最優的本征頻率階數以及最優的鋼纜抗彎剛度，最后根據迭代求解的結果優化張緊弦模型；根據橋索的理論拉力值以及優化后的張緊弦模型求得理論本征頻率；根據加速度傳感器節點采集的信號得出橋索的振動頻譜，然后從得到的振動頻譜中篩選出符合最優的本征頻率階數的頻率作為實測本征頻率；加速度傳感器節點根據實測本征頻率和理論本征頻率的差值與理論本征頻率的比值大小確定是否向上位機監控中心發送采集數據和調整加速度傳感器的采樣頻率，以均衡功耗和分析準確度。

【技術特征摘要】
1.一種基于優化張緊弦模型的橋索監測方法，其特征在于：包括以下步驟：選取與實測橋索相同規格的鋼纜來構建牛頓高斯法的殘余函數，然后采用雅可比矩陣法對牛頓高斯法的殘余函數進行迭代求解，得出牛頓高斯法的殘余函數最優的本征頻率階數以及最優的鋼纜抗彎剛度，最后根據迭代求解的結果優化張緊弦模型；根據橋索的理論拉力值以及優化后的張緊弦模型求得理論本征頻率；根據加速度傳感器節點采集的信號得出橋索的振動頻譜，然后從得到的振動頻譜中篩選出符合最優的本征頻率階數的頻率作為實測本征頻率；加速度傳感器節點根據實測本征頻率和理論本征頻率的差值與理論本征頻率的比值大小確定是否向上位機監控中心發送采集數據和調整加速度傳感器的采樣頻率，以均衡功耗和分析準確度。2.根據權利要求1所述的一種基于優化張緊弦模型的橋索監測方法，其特征在于：所述選取與實測橋索相同規格的鋼纜來構建牛頓高斯法的殘余函數，然后采用雅可比矩陣法對牛頓高斯法的殘余函數進行迭代求解，得出牛頓高斯法的殘余函數最優的本征頻率階數以及最優的鋼纜抗彎剛度，最后根據迭代求解的結果優化張緊弦模型這一步驟，其包括：在拉力試驗機上選取與實測橋索相同規格的鋼纜進行拉力試驗，構建出牛頓高斯法的殘余函數，所述牛頓高斯法的殘余函數r的表達式為：其中，k為本征頻率階數，EI為鋼纜的抗彎剛度，m為鋼纜的單位質量，L為拉力試驗時鋼纜兩個固定測試點之間的長度，f為鋼纜振動頻譜的中心頻率，N為鋼纜受到的拉力；將(m,L,f,N)作為已知變量，β＝(k,EI)作為待求解變量，采用雅可比矩陣迭代法對牛頓高斯法的殘余函數進行求解，得出牛頓高斯法的殘余函數最優的本征頻率階數ko以及最優的鋼纜抗彎剛度EIo；將最優的本征頻率階數ko以及最優的鋼纜抗彎剛度EIo代入張緊弦模型，生成優化后的張緊弦模型，所述優化后的張緊弦模型的表達式為：其中，為最優的本征頻率階數ko對應的本征頻率。3.根據權利要求2所述的一種基于優化張緊弦模型的橋索監測方法，其特征在于：所述將(m,L,f,N)作為已知變量，β＝(k,EI)作為待求解變量，采用雅可比矩陣迭代法對牛頓高斯法的殘余函數進行求解，得出牛頓高斯法的殘余函數最優的本征頻率階數以及最優的鋼纜抗彎剛度這一步驟，其包括：根據n次不同拉力試驗構建的n個殘余函數r1，r2，...rn得到殘余函數r的雅可比矩陣，所述殘余函數r的雅可比矩陣Jr的表達式為：Jr=∂r1(β)∂k∂r1(β)∂EI......∂rn(β)∂k∂rn(β)∂EI,]]>其中，n≥2且n為整數，和為第n次試驗的殘余函數rn分別對k和EI的偏導數；根據得到的雅可比矩陣Jr對待求解變量β進行迭代，直至βs+1和βs的差值小于設定閾值為止，最終以迭代結束時βs+1對應的k和EI作為最優的本征頻率階數以及最優的鋼纜抗彎剛度，其中，對待求解變量β進行迭代的公式為：式中，s為迭代次數，且0≤s≤n，迭代初始值β0＝(1，EI0)，EI0為鋼纜抗彎剛度的最小估計值。4.根據權利要求1所述的一種基于優化張緊弦模型的橋索監測方法，其特征在于：所述根據加速度傳感器節點采集的信號得出橋索的振動頻譜，然后從得到的振動頻譜中篩選出符合最優的本征頻率階數的頻率作為實測本征頻率這一步驟，其包括：在加速度傳感器節點中，對采集的信號添加海明窗口，得到加窗后的采集信號；對加窗后的采集信號進行快速傅里葉變換，得到橋索的振動頻譜；從得到的振動頻譜中篩選出符合最優的本征頻率階數的頻率作為實測本征頻率。5.根據權利要求1-4任一項所述的一種基于優化張緊弦模型的橋索監測方法，其特征在于：所述加速度傳感器節點根據實測本征頻率和理論本征頻率的差值與理論本征頻率的比值大小確定是否向上位機監控中心發送采集數據和調整加速度傳感器的采樣頻率，以均衡功耗和分析準確度這一步驟，其包括：計算實測本征頻率和理論本征頻率的差值與理論本征頻率的比值；加速度傳感器節點根據計算出的比值所處的比值范圍執行相應事件的操作：若計算出的比值屬于事件一的比值范圍，則只發送實測本征頻率給上位機監控中心；若計算出的...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張光烈，詹少冬，陳猛，
申請(專利權)人：深圳市智能機器人研究院，
類型：發明
國別省市：廣東;44