DG∕TJ 08-2194-2016 桥梁结构监测系统技术规程

上海市工程建设规范桥梁结构监测系统技术规程DG/TJ08一2194一2016J13534一2016主编单位:上海市城市建设设计研究总院同济大学批准部门:上海市住房和城乡建设管理委员会施行日期:2016年12月1日2016上海上海市住房和城乡建设管理委员会文件沪建标定[2016]591号上海市住房和城乡建设管理委员会关于批准《桥梁结构监测系统技术规程》为上海市工程建设规范的通知各有关单位:由上海市城市建设设计研究总院、同济大学主编的《桥梁结构监测系统技术规程》,经审核,现批准为上海市工程建设规范,统一编号为DG/TJ08—2194—2016,自2016年12月1日起实施。本规范由上海市住房和城乡建设管理委员会负责管理,上海市城市建设设计研究总院负责解释。特此通知。上海市住房和城乡建设管理委员会二。一六年七月二十七日—1—本规程根据上海市城乡建设和交通委员会《关于印发〈2012年上海市工程建设规范和标准设计编制计划〉的通知》(沪建交[2012]第281号)的要求,由上海市城市建设设计研究总院、同济大学等会同各有关单位共同编写完成。在本规程编写过程中,编制组在开展专题研究,调研总结近年来的研究和工程设计经验,参考国内外相关领域的规范和国际标准的有关内容,并以各种方式广泛征求各方意见的基础上,制定本规程。本规程的主要内容包括:总则,术语和符号,基本规定,系统设计,系统实施,系统管理与维护。内容涵盖了桥梁结构监测系统设计、实施和运营管理的全过程。各单位及相关人员在执行本规程过程中,注意总结经验,积累资料,并将意见或建议反馈至上海市城市建设设计研究总院(地址:上海市东方路3447号;邮编:200125;E-mail:yanxingfei@sucdri.com),或上海市建筑建材业市场管理总站(地址:小木桥路683号5楼;邮政编码:200032;E-mail:shgcjsgf@sina.com),以供今后修订时参考。主编单位:上海市城市建设设计研究总院同济大学参编单位:上海市路政局上海市建筑科学研究院(集团)有限公司上海同济建设工程质量检测站上海建工集团工程研究总院株洲时代新材料科技股份有限公司柳州欧维姆结构检测技术有限公司—2—上海波汇通讯科技有限公司上海启鹏工程材料科技有限公司上海青浦公路工程有限公司主要起草人:周良淡丹辉闫兴非傅搏峰赵荣欣蒋洪新赵一鸣张凯龙吴华勇李俊葛玮明夏烨孙伟峰陆绍辉桂长忍汤树成李雪峰伍小平何波兴王晓琳张焰辉谭长建余飞主要审查人:黄兴安董晓勇马广德周正茂李邵晖上海市建筑建材业市场管理总站2016年7月—1—1总则 12术语和符号 22.1术语 22.2符号 43基本规定 63.1桥梁结构监测系统建设的基本原则 63.2监测系统分类 74系统设计 84.1一般规定 84.2概念设计 84.3技术方案设计 144.4实施方案设计 215系统实施 225.1系统施工组织 225.2项目质量管理 245.3项目工程管理 266系统管理与维护 276.1系统管理 276.2系统维护 28附录A结构监测基本理论 30附录B桥梁结构监测系统硬件实施技术要点 46本规程用词说明 52引用标准名录 53条文说明 55—2—contents1Generalprovisions 12Termsandsymbols 22.1Terms 22.2symbols 43Basicrequirement 63.1Fundamentalprinciples 63.2classifaction 74systemdesign 84.1Generalrequirement 84.2conceptualdesign 84.3Technicaldesign 144.4Implementationdesign 215construction&qualitycontrol 225.1constructionorganization 225.2Qualitymanagement 245.3projectmanagement 266systemmanagement&maintenance 276.1systemmanagement 276.2systemmaintenance 28AppendixAFundamentalofstructuralmonitoring 30 46Explanationofwordinginthisstandard 52Listofquotedstandards 53Explanationofprovisions 551总则1●0●1为规范桥梁结构监测,确保桥梁结构监测系统的设计、实施和运行管理的科学性和合理性,特制定本规程。1●0●2本规程适用于上海地区各类桥梁施工期和运营期的监测系统设计、实施和运行管理。1●0●3桥梁结构监测系统应综合考虑监测目的、结构特点、周围环境及荷载条件等因素,制定设计方案,组织实施,规范运行管理,以稳定可靠、简洁实用、经济合理为主要原则,并应具备兼容1●0●4桥梁结构监测系统的设计、实施和运行管理,除应符合本规程外,尚应符合国家现行有关标准的规定。—1—2术语和符号2.1术语2.1.1结构监测structuralhealthmonitoring利用特定设备,对工程结构的某些不确定且具有潜在变动的行为或性能进行无损的、实时的侦测,以实现对结构健康状态的了解和把控。2.1.2结构监测系统structuralhealthmonitoringsystem由安装在工程结构上的传感器以及数据采集与传输、数据处理与管理等软硬件构成,对工程结构的荷载、效应及结构性能参数进行测量、收集、处理、分析,实现对结构的正常使用状态和安全状态的评估和预警的系统。2.1.3监测目标healthmonitoringtarget针对结构健康状态而设定的目标,包括工作性能,局部损伤或病害,引起结构健康状态重大损失的结构安全事件,以及其他目标。2.1.4监测指标monitoringindicators是描述结构监测目标演变过程的可侦测量(直接或间接),是监测目标的一种数值本征。2.1.5监测模式healthmonitoringmode针对监测目标的整套监测方案,包括监测指标,支撑监测指标信息测量的基本物理力学量测量网络(逻辑组),指标识别或抽取计算方案、基于功能函数的状态识别方案(预警和评估)和趋势跟踪预测方案。2.1.6结构损伤和性能演变分析evolutionanalysisofstruc-—2—turaldamageandperformance一类针对服役结构的数值分析,它通过对结构运营期可能的损伤(病害)产生、发展过程及结构性能退化过程的模拟计算来发现和设计最佳信息监测模式,以实现对结构特定监测目标的侦测目的。2.1.7传感器逻辑组sensorlogicalgroup针对侦测某特定监测指标而组织起来的、在逻辑上划定的传感器群。2.1.8健康功能函数healthperformancefunction针对描述结构健康状态而建立的函数,其自变量为监测指标和其对应的阈值。2.1.9结构预警structuralearlierwarning对结构健康状态属性转变事件的一种提早判断和警告。2.1.10结构状态评估structuralstatusevaluation对结构健康状态属性的定性和定量判断,是结构健康诊断的重要内容。2.1.11损伤识别damageidentification利用结构的响应数据来分析结构物理参数的变化,进而识别结构的损伤的过程。2.1.12趋势跟踪和预测trendtrackingandforecasting通过对监测指标的连续侦测,总结结构状态的演变规律,做出对当前和未来状态的健康属性的判断和预测。2.1.13模型驱动健康诊断modeldrivenhealthdiagnosis以结构的力学模型的计算结果为主要判断依据的健康状态诊断方法,用于此目的的结构力学模型需要定期被监测数据所修正。2.1.14监测信息驱动健康诊断datadrivenhealthdiagnosis以监测数据中抽取的指标体系来进行的结构健康状态的诊断方法,用于此目的指标体系或参考趋势需要通过结构损伤和性—3—能演变分析来给出。2.1.15动态车辆称重系统weigh-in-motion,WIM对行驶中车辆进行称重的测量系统,用以动态监测交通荷载,得到特定情况下行驶车辆的出现及车辆的重量、车速、轴距、车辆类型以及有关车辆的其他参数。2.1.16传感器优化布置optimalsensorplacement利用尽可能少的传感器,将其布置在结构的适当位置,使其能够达到某一特定目标的过程。2.1.17模态参数识别modalparameteridentification通过对测量得到的结构动力响应信息的分析处理,获得结构模态特性参数的过程。2.2符号A(x)—关于原始数据的线性或非线性组合;C—有损伤结构的曲率模态矩阵;DSM—应变模态振型差;ETR—能量传递比;F—柔度矩阵;F(Θ|Θr)—预警判别函数;FFCi—第i阶固有频率相对变化比;F.S.—满量程,FullScale的英文缩写;J—最优化的准则函数;H—损伤前后曲率模态差;g—重力加速度;MACij—模态保证准则矩阵的第(i,j)个元素;NFCRi—归一化后的第i阶固有频率相对变化比;Z—可靠度指标;Φ—归一化后的模态矩阵,其每一列为结构的一个模态;—4—θi—预警指标;βij—结构在j位置第i阶模态应变能。—5—3基本规定3.1桥梁结构监测系统建设的基本原则3.1.1符合下列条件之一的桥梁,宜设置桥梁结构监测系统:1特大跨度桥梁(主跨跨度不小于150m)。2桥梁采用特殊结构、特殊材料、特殊施工工艺,或具有特殊要求的新建桥梁。3高速公路、一级公路及城市快速路上的大跨径桥梁(不小于40m),或具有特殊要求的桥梁。4荷载等级提高或经结构加固的重要桥梁。5技术状况等级为D级、E级的城市桥梁或4类、5类的公路桥梁,且尚需继续服役的桥梁。6施工质量不佳或存在疑问的桥梁。7对结构随时间因素变化需进行研究的桥梁。3.1.2桥梁结构监测系统建设的总体目标可以在下述条目中选择:1为掌握在建或服役桥梁的技术状况提供准确和及时的基础数据资料。2为掌握桥梁结构整体或部分的工作性能提供状态评估和诊断服务。3为桥梁运营期的日常运维决策服务。4为特定的待监控目标事件的出现与否提供观测、预测或预警服务。5考虑设计验证和科学研究的需求。—6—3.2监测系统分类3●2●1桥梁结构监测系统根据其规模和复杂程度可分为如下几类:1多监测模式集成监测系统。2单监测模式监测系统。3单项监测系统。1多监测模式集成监测系统适用于同时具有多个监测目标的大型桥梁。2单监测模式监测系统适用于中小型桥梁的监测,或者只有单个监测目标的大型桥梁。3单项监测系统适用于具有特殊监测目的或临时监测任务的桥梁。—7—4系统设计4.1一般规定4.1.1针对本规程第3.1.2条所设定的总体目标,结合具体结构特点、荷载条件等因素,对总体目标进行细化设计,形成监测目标体系。4.1.2桥梁结构监测系统设计流程宜包括三大步骤,即概念设计、技术方案设计和实施方案设计。4.2概念设计4.2.1桥梁结构监测系统概念设计应以解决系统建设的必要性、主要工作方向和基本技术路线为主要目标,其工作内容和顺序宜按图4.2.1所示步骤展开。4.2.2监测需求分析应从监测对象的结构特点、荷载和作用特点、桥梁管养决策特点等方面进行,框定监测范围,完成结构监测目标体系设计,其工作内容和顺序宜按图4.2.2所示步骤展开。4.2.3应根据监测目标体系和监测需求范围,进行桥梁数值建模和损伤(病害)及性能演变仿真分析,并提取相应成果。其工作内容和顺序宜按图4.2.3所示步骤展开。4.2.4根据结构损伤(病害)及性能演变分析成果,按照客观、代表4.2.5针对本规程第4.2.2、4.2.3和4.2.4条形成的监测目标、结构行为规律和监测指标,宜按图4.2.5所示步骤设计各监测模式。—8—图4.2.1桥梁结构监测系统概念设计流程图4.2.2监测需求分析流程4.2.6具有多个监测模式的监测系统,可依照下述原则,将从属每一个监测模式的测点网络和逻辑组进行归并化处理,并宜加以优化。1在同一监测模式中采用的监测技术及其技术参数应一致,以实现监测技术及其参数的集约化。—9—图4.2.3结构损伤和性能演变分析流程图4.2.5监测模式流程2同一监测模式中采集得到的原始数据、加工得到的数据应遵循一致的数据格式,以实现数据格式的统一化。3同一个监测模式中,对于原始数据的处理算法,宜采用通用算法,以实现算法的通用化设计。4.2.7不同桥型的主要监测模式宜按表4.2.7设计。—10—表4.2.7不同桥型的主要监测模式主要桥型主要监测目标主要监测指标可选监测量装配式梁桥●各梁横向分布;●各跨纵向刚度分布;●局部病害监测●反映各梁横向分布变化的指标;●纵向影响线及其相关量;●动力效应系数;●结构模态参数及相关量;指标●梁底动应变;●梁底加速度;●关键截面挠度;●铰缝相对位移;●关键截面转角;●支座反力箱型梁桥特性;特性;●梁整体静力变形;●预应力退化状态;●局部病害监测●反映箱梁截面受弯性能的指标;●反映箱梁截面受剪性能的指标;关量;●动力效应系数;●结构模态参数及相关量;指标●沿截面分布的纵向动应变;应变;●关键截面挠度;●梁端相对位移;●关键截面转角;●结构温度刚构桥特性;●负弯矩区截面内受●墩柱受力状态;变形;●预应力退化状态;●局部病害监测;●抗震性能●截面受弯性能指标;●弯剪区梁体截面受力性能指标;●刚构整体纵向影响线及相关量;●动力效应系数;●结构模态参数及相关量;指标●沿截面分布的纵向动应变;应变;响线下挠;●梁端相对位移;●关键截面转角;●结构温度—11—主要桥型主要监测目标主要监测指标可选监测量拱桥●拱构件受力稳定性;●拱构件动力性能;●拱脚局部受力性能;●吊杆内力状态;●结构总体使用性能;●局部病害监测;●吊杆和钢构件疲劳;●抗震性能●拱构件关键截面偏心距;●主梁纵向影响线及相关量;●动力效应系数;●拱构件模态参数及相关量;●结构模态参数及相关量;指标●拱构件关键截面动应变;●主梁整体线形;●拱构件线形;●梁端相对位移;●关键截面转角斜拉桥●主塔压弯偏载状态;局部受力性能;●拉索振动效应;●主梁振动效应;分布;●主梁静力变形性能;●风荷载及风效应;●拉索和钢构件疲劳;●局部病害监测●主塔偏载状态的指标;●拉索振动效应系数;●主梁振动效应系数;●行车舒适度;●拉索动索力;●群索索力测度;面挠度或线形;●结构模态参数及相关量;指标;●风谱及结构风特性指标;●交通荷载谱●主梁加速度;●主梁整体线形;●主塔关键截面转角;●梁端相对位移;●关键截面转角;●交通荷载—12—主要桥型主要监测目标主要监测指标可选监测量悬索桥●主塔压弯偏载状态;部受力状态;●吊索两端锚固区局部受力性能效应;●主梁振动效应;群内分布;性能;●结构动力特性;●风荷载及风效应;件疲劳;●局部病害监测指标;●局部受力状态综合指标;应系数;●主梁振动效应系数;●行车舒适度;●群索索力测度;面挠度或线形;●结构模态参数及相关量;指标;●风谱及结构风特性指标;●交通荷载谱●索缆加速度;●主梁加速度;●主梁整体线形;●主塔关键截面转角;●梁端相对位移;●关键截面转角;●交通荷载重要航道上的桥①●船撞过程●船撞力及结构响应●振动加速度;腐蚀区桥梁②●桥梁结构件及附属构件的金属锈蚀●金属构件锈蚀概率;●金属构件锈蚀电化学参数;●混凝土及内部钢筋腐蚀参数●金属锈蚀电位;●氯离子含量;注①②:可针对任何结构形式的桥梁。—13—4.3技术方案设计4●3●1桥梁结构监测系统技术方案宜包含下列内容:1硬件系统设计。2计算方案及算法设计。3软件系统设计。4专项监测设计。5施工期监测及其他数据源的纳入方案。6系统的物联网接入方案。4●3●2硬件系统设计可按下列步骤进行:1根据本规程第4●2节形成的、经集约化设计的监测模式组,详细规划监测内容,进行测点的优化布置方案设计。2根据监测模式来设计传感器子系统技术方案,同时应考虑选用传感技术的先进性、耐久性、可靠性、易用性、经济性、易于3依据传感器技术选型,进行采集系统的功能设计和设备选型。其中,采集系统选型必须具备适应户外恶劣工作环境条件的能力,数据采集过程必须有较好的时间同步功能、自动功能和一定的现场存储能力,设计方案应符合现行国家和地方有关通信及电气工程的规定。4数据传输系统的设计应包括传感器与工作站之间的底层传输网络及工作站与服务器间的上层传输网络系统两部分,采用光纤千兆以太网来实现数据传输通信硬件载体,也可采用无线方式实现,方案应符合国家及地方有关通信及电气工程的规定。5数据存储系统的设计应保证外场、监控中心均有足够的存储能力,可根据所有监测模式下满负荷数据量的总和来估计其容量,并应保证其有足够富余。6数据处理与控制系统的设计应以满足监测系统数据库管—14—理、数据处理与分析、应用程序管理、web门户发布等功能的需求,宜设置功能独立的服务器和工作站,并组成网络,其核心应用服务器技术参数应能满足支持最大线程数的数据处理计算的需求。4●3●3计算方案及算法设计的设计要点应符合下列规定:1计算方案及算法设计的主要内容可包括:数据预处理、数据初步处理、数据挖掘、特征抽取和指标识别、监测数据和模型驱动的结构健康诊断、结构预警等内容。2原始监测数据在正式进行处理前必须进行预处理,以消除噪声和不合理趋势项。3监测数据的初步处理可通过时域、频域和特殊变换等处理方式进行。4可通过设计数据挖掘工具算法或计算方案,对监测数据进行深层次分析,发现或量化描述桥梁结构隐藏的行为规律。5按照特征指标与可测量的数学关系,可以给出指标识别算法基本的框架,在此基础上,应进一步设计连续化的指标识别算法或计算方案。6可根据本条第5款的指标识别算法和本规程规定的监测模式,设计进一步的预警线程或预警方案,其预警算法可在如下范围内酌情选取:简单的比较法、统计评判法、可靠度(概率)评判法、统计模式识别法、神经网络法、模糊推理法等。7对于有完备数据处理分析能力的结构监测系统,可设置基于监测信息的结构健康状态诊断功能模块,实现对结构状态的在线评估及性能趋势跟踪和预测。8对具备必要软硬件计算环境的桥梁结构监测系统,宜设置模型驱动的结构健康诊断计算功能,其计算方案可包括模型修正、模型仿真计算、基于仿真计算结果的结构健康诊断。4●3●4软件系统设计要点应符合下列规定:1拟采用的软件技术应以保证系统的可靠性和实时性为基—15—本要求,且应具有一定的扩展性和移植能力。2软件系统设计可包括下列内容:1)数据采集及传输控制系统。2)数据存储及数据管理系统。3)数据分析及处理系统。4)在线预警及评估系统。5)在线监测反演模拟系统。6)系统权限及日志管理系统。3结构监测系统的软件系统宜根据各模块功能的不同,设计软件系统在监测系统计算机网络中的部署方案。4数据采集软件应具有数据采集和缓存管理功能,宜提供在线预览、滤波、变换和同步统计处理等基本计算功能。5数据传输软件应能实现三类数据的传输通信:实时数据、历史数据,及系统参数数据。6数据存储管理软件应能实现对原始数据、处理后的导出数据和系统参数数据实现便捷高效的读写检索管理。7应用分析软件可选择实现如下内容:1)基本数据的校验和预处理功能。2)数据的基本统计分析及基本数据挖掘功能。3)基于数据本身和结构力学模型的特征提取功能。4)结构预警计算功能。5)结构评估功能。6)在线监测反演模拟功能。4●3●5几类常用的专项监测系统设计应符合下列规定:1交通荷载监测设计要点:1)对于承受繁重交通任务的桥梁,设置结构监测系统时,宜设置交通荷载监测子系统;交通荷载监测子系统可独立于其他监测内容,作为专项系统而存在。2)动态交通荷载监测系统在使用前应进行校准。—16—3)以桥梁主桥监测为目的的动态称重系统,其测点宜布置在尽可能靠近主桥的位置的路面上,具体位置应该避开坡度和曲线段,且测点和主桥之间没有岔道对交通流进行分流的地方。4)当需要布置在桥面上时,应避开伸缩缝,以减少因振动对测量信号的影响。2基于卫星定位技术的几何变位监测系统设计要点:1)对于需要监测关键部位几何变位的大型桥梁,在其他几何线形测量手段受到限制时,宜采用卫星定位技术进行关键点的几何变位监测。该卫星定位系统可以独立于其他监测内容,作为专项系统而存在。2)应选择结构整体线形监测的关键位置。3)卫星定位系统基站和监测站均要求安装位置没有遮挡,便于信号的接收。基站应选择在地基牢固、高度相对周围场地突出的地点设置。3钢筋锈蚀监测系统的设计要点:1)对于重污染区、工业区、沿海地带的桥梁,宜设置锈蚀监测系统。2)锈蚀监测系统的测点布置应考虑以下要点:a)传感器应安装在结构容易锈蚀的关键部位;b)埋入部分的具体位置选择不应影响配筋的布置;c)在积水或盐分较多的区域以及腐蚀条件较苛刻的位置,宜增设埋入探头。4防船撞主动预警监测系统设计要点:1)对跨越重要航道上的桥梁,宜设置防船撞主动预警监测系统。2)系统方案应根据大桥水文、地质、通航条件、桥梁结构及防撞预警要求进行设计,系统宜具备目标搜索、跟踪、报警和方位指示功能,宜布置在桥墩或主梁外侧。—17—3)系统宜采用智能视频监控方式。4●3●6与施工期监控、成桥试验信息的整合可按下列各款规定进行:1在下述情况下,可考虑将桥梁施工监控信息、桥梁成桥荷载试验信息整合进服役期桥梁结构的监测系统之中:1)施工阶段、竣工时的结构信息在结构服役期可继续沿用的。2)施工阶段、竣工时的监控设备在结构服役期可继续沿用的。3)需要结构一期恒载和二期恒载下的效应信息的。2在与其他监控系统信息整合前,应注意以下内容的异同:1)结构绝对效应与相对效应。2)动力效应与静力效应。3)结构不同受力工况下的效应。4)结构长期效应与短期效应。3与其他监控系统设备整合时,应注意以下要点:1)对计划沿用的其他监控系统的设备,应对其加以额外的保护,确保施工结束后传感器的存活和工作状态良好。2)对计划沿用的其他监控系统的设备,应同时满足沿用和被沿用系统的监测需求。4应在技术经济分析与评价基础上确定最优整合方案。5应将施工监控期的监测数据和成桥荷载试验的测量数据长久保存,作为桥梁结构监测系统的基准数据库。4●3●7桥梁结构监测系统可作为信息节点接入物联网中,实现全局管理。其物联网接入方案的设计要点是:1桥梁结构监测系统的物联网接入方案应分为上下两个层次的管理体系加以设计并纳入管理。2对于有将管辖区域内的桥梁结构监测系统纳入物联网中进行统一管控需求的业主或地方主管部门,应建立一套功能完—18—备、科学合理的物联网上层管理体系,其设计要点是:1)任何单体桥梁结构监测系统在接入物联网之前,应设计一个全局性物联网标识体系,应包括对象标识、通信标识和应用标识:a)监测系统的对象标识可包括物理的、逻辑的或数字的,其对象标识可包括:传感器、采集设备、监测模b)每一个桥梁结构监测系统物联网主接入点都应该具有一个唯一的通信标识;c)对于需要进行网络化远程展开的桥梁结构监测系统业务应用,可以为其赋予唯一的应用标识。标识的形式可采用统一资源标识符(URI),应用标识层面宜体现分级情形。2)上层管理体系应建立针对接入物联网的桥梁结构监测系统中的每一个具有标识的对象的完全解析规则,承担全局标识解析职责;网络可通过三类方法解析并获取桥梁结构监测系统的各种对象标识:a)硬件设备方式;b)通过图像识别程序;c)基于标识符数据库的解析程序。3)上层管理体系应建立完善、全局性的物联网标识管理制度。4)上层管理体系应建立完善、全局性的监测数据标准化组织体系,规范数据网络化组织体系,规范数据网络交易行为。5)上层管理体系应建立完善的、全局化的服务网络化组织体系,规范服务的网络化组织体系及网络交易行为。3对于有将管辖区域内的桥梁结构监测系统纳入物联网中进行统一管控需求的业主或地方主管部门,应按照上层管理体系—19—的要求,建立标准化、规范化的物联网下层管理体系,其设计要点是:1)单体桥梁结构监测系统接入物联网的方式有以下几种形式:a)传感器层接入:在传感器端直接配置网络接入设备,并赋予其唯一通信标识。此时,该传感器就同时拥有通信标识和对象标识;b)采集设备层接入,利用采集设备的网卡或无线通信模块直接入网,并赋予其唯一通信标识;c)监测模式层接入方式,将每一个监测模式映射到一个入网硬件设备,赋予其唯一通信标识;d)结构数值模型层接入方式,将结构数值模型映射到一个独立的入网硬件设备,赋予其唯一通信标识;e)监测系统层接入方式,利用系统的监控中心的入网硬件设备接入网络,赋予其唯一通信标识。2)接入物联网的桥梁结构监测系统中的每一个具有标识的对象,其标识的赋予都应符合上层管理体系的规范,确保解析的全局唯一性。3)接入物联网的桥梁结构监测系统中的每一个具有标识的对象,应遵循上层管理体系的关于物联网标识管理制度。4)接入物联网的桥梁结构监测系统中的每一个具有标识的对象,应遵循上层管理体系的监测数据标准化组织体系,规范个体的数据交换行为。5)接入物联网的桥梁结构监测系统中的每一个具有标识的对象,应遵循上层管理体系的服务网络化组织体系,规范个体的服务交易行为。4对于有将单体桥梁监测系统接入物联网的业主,应遵照上层管理体系和下层管理体系的要求,设计并管理本系统的具体—20—网络接入方案、标识信息维护、数据接入与发售方案、服务的接入与提供方案等。4.4实施方案设计设计:1硬件系统的安装与保护方案。2软件系统开发、部署和联调方案。3系统运行参数的优化与校验方案。4监测系统的成果输出与发布方案。4●4●2硬件系统的安装与保护方案设计应包括:传感器及相关设备的安装方法,设备系统的防磁、防电、防水、防雷、防盗和温控等保护措施,以及系统安全供电措施。4●4●3软件系统开发、部署和联调方案设计宜包括:软件开发工程中的质量控制措施,软件的部署方案,以及软硬件联调预案。4●4●4系统运行参数的优化与校验方案设计内容宜包括:系统试运行参数的优化设置办法,系统运行状况的认定办法,以及监测数据的有效性校验方案。4●4●5监测系统的成果输出与发布方案设计内容宜包括:监测系统成果发布范围控制预案,监测系统成果发布的内容、数据形式,以及发布媒介。—21—5系统实施5.1系统施工组织5.1.1桥梁结构监测系统施工组织应遵循本规程第4.4节的实施方案设计进行。5.1.2硬件系统的安装与保护应符合下列规定:1传感器应遵循合理的工序和保护措施进行安装,并必须对钢结构表面涂装进行恢复。2采集及传输设备实施要点:1)数据采集工作站由数据采集机柜、数据采集计算机、避雷隔离器、UPS不间断电源、光纤网络交换机、制冷空调等组成。2)数据采集机柜应具有良好通风、防尘作用;线缆应配备防护套,接头应连接可靠,线扎整齐、美观。3对于已完成施工的仪器设备,应采取防水防尘措施,其要点包括:1)防水处理:对可能受空气湿度影响的传感器位置采用防水胶进行表面涂覆处理,防水等级达到设计要求。2)防尘处理:对保护盒钻孔内充满环氧树脂并安装膨胀螺栓,同时在保护盒边缘涂环氧树脂后拧紧螺栓,保证保护盒与结构面具有很好的黏结接触。5.1.3软件系统的部署与软硬件集成联调应符合下列规定:1桥梁结构监测系统的软件运行环境,包括操作系统和数据库,应该冗余部署,系统关键设备有热备份,设备切换时应有提示或告警信息。—22—2数据采集与传输软件的实施宜注意如下要点:1)实时采集的数据宜同时放在本地数据采集单元和监测中心的数据处理及管理系统服务器内。方式。3)数据传输过程宜采用实时传输和整点传输技术。3应用软件联试阶段的故障情况应有记录,所有应用软件和数据应有备份。系统应具备自我保护功能,重要文件、数据的删改应有确认步骤,不致因软件故障或误操作而导致系统瘫痪。5●1●4系统运行参数的优化与校验应符合下列规定:1系统在试运行并进行运行优化调试之前,应该确保监测数据进行校验监测设备进行标定。校验时应该采用移动采集站独立地进行采集,比较相同条件下各传感器测量数据。标定应该在传感器进场安装前进行,标定用的传感器应该和被标定传感器具有相同的技术参数。2系统调试期间可采用参数过载法。3试运行期间,应该对系统的硬件、软件运行参数进行优化调试,并保留调试记录,试运行期不宜少于1年。5●1●5监测系统的成果输出与发布方案的组织实施应符合下列规定:1监测系统的监测成果应该以固定内容、固定格式、固定时间间隔的方式,形成监测报告。2报告的内容宜包括:监测数据的曲线及统计、指标的曲线及统计、与预警事件有关的数据曲线、与评估相关的数据曲线、预警及评估结论以及系统自身运行状况等。3监测系统的监测数据、加工结果、诊断结论等,宜对指定人群范围进行定向发布。发布的方式和途径可采用:网络下载、电子邮件、短信、微博和自媒体等。—23—5.2项目质量管理5●2●1桥梁结构监测项目招标文件的技术需求文件应明确下列1工程范围、工期要求。2拟建系统的主要构成、预期功能设计。3主要监测模式的监测技术选型和技术参数。4系统的工程数量。5提供系统设计图纸等技术资料。标准。5●2●2系统实施单位应贯彻有关质量管理标准,建立有效的质量保证体系,保证产品及工程项目的研制、开发、设计、采购、生控制。5●2●3桥梁结构监测系统实施过程中,监理工作要点如下:1监理工作的主要工作依据:实施项目合同、实施单位投标方案、实施单位提交并得到批准的系统实施方案、上级批准文件、系统设计方案。2监理工作的主要工作内容:1)制定监理方案,明确监理目标,细化监理质量控制点,给出各质量控制点的量化标准。2)咨询科研设计单位,制定系统各阶段验收标准。3)按照监理方案,对实施过程进行监理。5●2●4桥梁结构监测系统验收过程中,工作要点如下:1验收可分两阶段进行,第一阶段,在完成硬件安装、软件部署和软硬件联调校准后进行竣工验收;第二阶段,在完成试运行期的系统测试报告后进行交付验收。—24—2验收阶段主要工程资料应包括:1)竣工图。2)竣工验收报告及工程决算书。3)图纸会审记录,设计变更洽商记录。4)材料、设备的质量合格证明。5)施工记录。包括必要的试验检验记录。6)系统说明书、系统操作说明。7)系统设备清单、系统内部接线图、系统审批资料、系统设计图纸等。8)系统项目合同书及有关变更文件。9)其他有关该项工程的技术决定和技术资料。3验收项目应包括:1)硬件a)传感器设备成活率、安装及保护情况;b)测量数据的质量;c)采集设备、通信、存储、计算机及网络设备的设计参数是否达标;d)采购、安装、调试过程的实施记录、照片文字是否齐全;e)与硬件相关的其他资料。2)软件a)系统功能实现情况;b)开发过程的记录、文档、说明等是否齐全规范;c)软件代码是否有效、齐全;d)软件各项运行性能参数是否达标;e)软件第三方评测是否规范有效;f)与软件相关的其他资料。—25—5.3项目工程管理5●3●1桥梁结构监测项目的组织流程应符合下列规定:1工程可行性研究阶段,论证工程可行性,形成需求意向,划定大致范围和功能,制定项目路线图。2立项阶段,由上级主管部门报批。3设计阶段,进行桥梁结构监测系统概念性设计,形成集成的监测模式;进行桥梁结构监测系统技术方案设计。设计完成后,宜组织针对设计和科研成果的验收。4招投标阶段,形成招标文件需求,组织实施项目的招投标。5实施阶段,中标单位组织设备采购、开发及实施。监理单位对工程的实施全过程进行监理。6试运行阶段,进行系统的调试、优化,评判系统的运行情况,评价实施单位的工作效果。7验收阶段,由相关单位组织验收。8运营阶段,由相关管理团队,对系统进行正常维护及异常事故的分析评估,并定期对系统进行深度数据处理分析,提供评估报告。5●3●2系统实施过程中主要的技术攻关内容:1桥梁结构监测系统的概念设计及研究,包括:1)监测需求分析。2)结构损伤及性能演变分析。3)监测指标体系设计及研究。4)监测模式设计及集成优化。2桥梁结构监测系统技术方案设计。3实施过程中的关键技术研究。4系统试运行和正式运行阶段的深度数据分析处理,突发事件的分析评估,系统本身的校验与评价。—26—6系统管理与维护6.1系统管理6.1.1桥梁结构监测系统应设置完善、长期稳定的维护管理机构,该机构可由业主组织,由管理单位、科研单位、专家顾问等组成。6.1.2主要职责应包括:1管理表6.1.2管理职责序号岗位工作内容1管理负责人审核日常使用报表;预警事件初判;编制在线预警报告;编制在线评估报告2日常使用系统本身工作状态监控;数据通道查看;值更预警模式监控3数据维护监测数据的维护和管理;其他数据的管理和维护;在线预警、评估模型的管理4预警评估在线预警模型、在线评估模型管理;评估报告管理;预警事件管理;其他—27—2数据分析1)监测模式数据处理与挖掘、指标识别算法、预警、评估算法优化与技术支持及管理。2)预警事件、突发事件、极端条件下的数据分析与解释。3)定期深入的结构诊断与评估。6●1●3系统管理机构应配备专业人员来进行系统正常运营管理,人员应具备桥梁结构、计算机软硬件和监测技术方面的知识和技能。6.2系统维护6●2●1桥梁结构监测系统的管理机构应建立并执行系统巡查制度,每半年巡检1次现场设备的工作状态,维护故障设备,对设备进行更换。6●2●2系统设备故障分级标准可按表6●2●2所示。表6.2.2系统故障分级标准故障级别定义一级故障主要指系统在运行中出现系统瘫痪或服务中断,导致系统的基本功能不能实现或全面退化的故障二级故障主要指系统在运行中出现的故障具有潜在的系统瘫痪或服务中断的危险,并可能导致系统的基本功能不能实现或全面退化三级故障主要指系统在运行中出现的直接影响服务,导致系统性能或服务部分退化的故障四级故障主要指系统在运行中出现的,断续或间接地影响系统功能和服务的故障6●2●3系统运营管理机构在确认设备故障以后,应尽快组织对故障设备进行修复。对于影响系统正常运行的故障设备,在故障修复期间,应使用临时代用设备来恢复系统的正常运行。对于无—28—法修复的设备,应进行更换。6●2●4桥梁结构监测系统的运营管理单位宜每年对监测数据进行全面校验1次,校验内容可包括:1数据连续性检查。2传感器技术参数检测。3数据定期校验。4时间同步性检测与校准。6●2●5桥梁结构监测系统的数据采集宜预先制定不同的采集制度方案,需要进行采集制度方案切换的情况包括:1系统软硬件联调期间。2系统试运行期。3极端气象条件来临前。4桥梁荷载试验进行前。5突发事故发生时,应自动唤醒并切换。6事故后的重新排查试验。6●2●6检验与评估可以在如下内容范围内展开:1系统巡查。2故障检测与处置。3系统维护报告。4监测数据校验报告。6●2●7移动比对测试系统的精度不应低于监测系统,并应具有以下功能:1定期进行与监测系统同条件下的实时测量,与监测系统相互比对。2利用便携式数据采集系统,对某些传感器进行必要的3在出现某些突发事件后,对有关结构构件进行检测。4对实时监测系统提供补充测量,获得更详细的数据。5移动比对测试系统的精度不应低于监测系统。—29—附录A结构监测基本理论A.1结构监测在线预警基本理论A.1.1桥梁预警概念设Θ(θ1,θ2,…,θn;t)表示表征结构预警指标体系,θl表示第i个指标,t表示时间。设F(Θ|Θr)为定义在Θ定义域上的预警判别函数,Θr为Θ定义域上对应于第r类预警事件的指标子空间代表值,可通过先验知识进行估计,Θr=Θr(Θ1,Θ2,…,Θn)其中,r=0,1,…,R,其中,Θi为对应于第i个指标Θr。发生第r类异常(预警)事件定义为maxF(Θ|Θj)=F(Θ|Θr)(A●1●1-2)j正常事件定义为maxF(Θ|Θr)=F(Θ|Θ0)(A●1●1-3)r设G(Θ)∈[0,1]为定义在Θ定义域上第r类预警事件的指标子空间的类内定级函数,表示当前指标满足第r类的程度。定义一(第一类预警):设EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Θ)EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Θ)EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Θ)EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Θ)为对结构预警指标体系Θ(●)在离散的时刻点ti处的观测序列,i=0,1,…,k,则,第一类预警可表示为EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up3(^),Θ)EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up3(^),Θ)EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up3(^),Θ)EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up3(^),Θ);t0,t2,…,ti,…,tk)EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up3(^),Θ)EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up3(^),Θ)EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up3(^),Θ)EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up3(^),Θ)n;tk十l●△T)其中,EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Θ)l表示对未来l●△T时刻后的预测指标,l=1,2,—30—min{minF(EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Θ)l|Θr)}≠F(EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Θ)l|Θ0)(A●1●1-6)lr时,即发生第r类预警事件。记此时的l=L,则称L●△T为最短预警时效,tk为当前预警时刻。定义二(第二类预警):EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Θ)EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Θ)EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Θ)EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Θ)n;t0,t2,…,ti,…,tk)为对结构预警指标体系Θ(●)在离散的时刻点ti处的观测序列,i=0,1,…,k,则,第二类预警直接对当前时刻的观测值EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Θ)(EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Θ)1,EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Θ)2,…,EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Θ)n;tk)进行判断和定级,即在工程可接受的时间T内,完成如下步骤:1)计算出F(EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Θ)|Θr)和G(Θ)。2)对所有r判断,当minF(EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Θ)|Θr)≠F(EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Θ)|Θ0)(A●1●1-7)r时,称发生预警强度为G(EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Θ)|Θr的第r类预警事件。3)报警可见,第二类预警的实质是一种实时化的在线评估,即根据结构已经发生的状态记录,在尽可能短的时间滞后内,完成对桥梁状态的评估,并将评估结果及时通知桥梁的管理者。以上定义的两类预警有本质的不同,第一类预警的对象是桥梁,目的是防止未来桥梁结构发生不安全事件或桥梁的使用功能上的受损状态。第二类预警的对象则是桥梁的管理者,目的是使管理者在最短时间内了解桥梁已经发生的结构不安全状态和使用功能受损状态。对桥梁而言,有意义的第一类预警实例主要是:①通过对风速的连续观测,预测未来一段时间内桥梁可能遭受的风荷载,并据此判断结构的某种响应是否超限;②通过对桥下通航的目标船只位置、航速、航向的连续观测,预测船通过桥梁下方航道时的路线和姿态,判断是否有船撞可能。由于目前监测系统普遍安装了多种记录结构响应的传感器,—31—如加速度计、应变计、位移计等,因此目前实现第二类预警更具有技术上的可操作性和现实意义。A.1.2桥梁结构监测系统的第二类预警功能需求欲实现基于监测系统平台上的第二类桥梁结构预警,必须在功能上做到:①能够对结构目前的状态作出准确判断,尽可能降低对结构异常事件的误判率;②能够对桥梁结构的异常状态进行定性判别,即能够对结构在正常、大风、重车、船撞、大的海浪等情形下的响应状态进行区分能力;③能够对异常发生的事件进行准确和及时的判断;④能够对异常状态进行量化和定级。上述功能的实现首先要求对预警指标进行科学的选择和抽取,使经选择和优化的指标体系具有最佳的区分结构不同状态的能力,即:能够区分正常、大风、重车、船撞、大的海浪等情况;同时,要求有定义在该最佳指标体系张成的空间上的最佳的预警判别函数,使对结构的状态的误判率最小化;指标的抽取计算算法应尽量简单,计算量小,耗时短,对时间的定位准确;还要求有最佳的类内定级函数,使得函数能够对不同类预警事件的异常程度有一个准确的度量。A.1.3基于先验监测数据的预警指标利用先验知识设置预警指标及其阈值可有两种途径,一是利用结构设计数据或事先用有限元模型计算得到;二是依据监测系统在运行基准期内(可人为选取时间区间)的监测数据经过一定方式抽取得到。前者可以为基准期内结构的预警服务,但由于事先对预警指标的选取有一定的盲目性,同时,无论是结构设计还是特定的有限元计算得到的阈值与实际存在很大差距,因此,难以取得理想的预警效果。理想的预警模型还得从先验的监测数据中得到,因此,这里讨论的预警模型及指标均是基于先验监测数据的。A.1.4预警指标的一般性准则易见,直接由传感器得到的原始数据是不能用于预警的,这—32—是因为,原始数据数据量大,受噪声污染和其他信息干扰,信息冗余,不易发现隐藏的数据固有结构。为了满足上述预警功能要求,必须从原始数据中进行特征指标的优化选取和选择,不仅要使最小化的指标体系反映尽可能多的原始数据的信息,而且要使各指标的取值在各先验类之间尽可能分散开。这就需要进行最优特征抽取和选择。基于桥梁结构监测系统先验数据的特征抽取和选择如图A●1●4所示。图A●1●4监测数据的特征抽取和选择特征提取的任务是寻找一种变换,即关于原始数据的线形或非线性组合,使初步提取得到的预警指标总体信息最大程度上保留原始数据的信息,并使各先验类的可分离性判据最大。特征选择则是忽略一些对分类贡献不大的指标,或删去对类可分离性作用不大的指标,使指标的维数下降。设在基准期内获得的监测数据总体为X(x1,x2,…,xn),对应于第i个传感器得到的观察数据。特征提取和选择的最终目标都是降维,都要求最优化的准则函数J。对特征提取,最优化是指在所有可能的变换中寻找一种变换EQ\*jc3\*hps19\o\al(\s\up1(~),A)(X),使EQ\*jc3\*hps19\o\al(\s\up2(~),A)(X)=maxJ(A(X))(A●1●4-1)A∈斗斗是允许的变换集。初选预警指标向量就是Θ=EQ\*jc3\*hps19\o\al(\s\up1(~),A)(X)。对进一步的特征选择,是在p维初步提取出的预警指标中所有可能的、大小为d的子集B(Θ)的集合B(Θ)中寻找子集—33—~B(Θ),使EQ\*jc3\*hps19\o\al(\s\up1(~),B)(Θ)=maxJ(B(Θ))(A●1●4-2)准则函数J既要兼顾对处理前信息的最大保留,又要兼顾对类分离性的最大化。下面简要给出准则函数的定义。基于先验数据的依据先验的观察,可将总体X大致地分为五类wi,i=1,2,…,5,分别对应于正常(wo)、大风(w1)、重车(w2)、船撞(w3)、大浪(w4)等情形下的子集。设EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Σ),为总体X的协方差和类wi的协方差的估计,EQ\*jc3\*hps19\o\al(\s\up2(^),m),EQ\*jc3\*hps19\o\al(\s\up2(^),m)i为总体均值和类均值估计,n,ni为总体样本数和拥有第i类标签的类wi内的原始监测样本数。则定义SW和SB分别为类内散布阵(样本协方差阵)和类间样本协方差阵:且有EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Σ)=SW十SB。EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Σ)表示原始数据的总体信息。定义α为对总体进行先验类划分的类分离因子:α㐱Tr{(SW)—1}●Tr{SB}(A●1●4-5)可见,α越大,类的可分离性越好。同理可定义经特征提取后用Θ和类Θ表示的类内散布阵(样本协方差阵)和类间样本协方差阵SEQ\*jc3\*hps10\o\al(\s\up3(*),W)和SEQ\*jc3\*hps10\o\al(\s\up3(*),B),变换后的总协方差为EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Σ)*。定义β,Y分别为变换(提取)后对总体信息、类内散布阵信息的保留因子,则变换后的新的类分离因子可表示为:—34—σ|Θ=A(X)㐱Tr{(SEQ\*jc3\*hps10\o\al(\s\up4(*),W))—1}Tr{SEQ\*jc3\*hps10\o\al(\s\up4(*),B)}=(β—Y)α十β(A.1.4-8)特征提取的目标是同时追求总体信息保留因子和类分离因子的最大化,为此,定义预警指标提取的准则函数J1为(A.1.4-9)进一步的特征选择是在p维初步预警指标的组合中进行优化选择。同样,可定义用经选择后的d维指标Θd表示的数据的类内散布阵(样本协方差阵)和类间样本协方差阵SEQ\*jc3\*hps10\o\al(\s\up3(*),W)*和SEQ\*jc3\*hps10\o\al(\s\up3(*),B)*,和选择后的总协方差为EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Σ)**。则预警指标的特征选择的准则函数可定义为(A.1.4-10)(A.1.4-11)η=Tr{(SEQ\*jc3\*hps10\o\al(\s\up4(*),W)*)—1}Tr{SEQ\*jc3\*hps10\o\al(\s\up4(&),B)**}(A.1.4-12)式中,ζ为选择后的预警指标信息保留因子;η则为选择后的预警指标对先验类wi的分离因子。A.1.5预警指标的抽取算法的实时化第二类预警是一种实时化的在线评估,它和普通的评估过程的最大区别就是注重预警过程的时效性。尽管从原始监测信息到最终的预警指标体系是经过特征抽取和选择的,数据的维数大大降低,但由于计算的复杂性和大的数据量,预警指标的抽取和选择的时效性依然占整个预警时效的大部分。因此,为了实现工程意义上的预警实时性和对预警事件的时间定位的准确性,需要研究实时化的预警指标的抽取算法。—35—对一个实时监测系统而言,预警指标的抽取过程往往需要经过如图A.1.5-1所示的过程。图A.1.5-1预警指标在线抽取过程图A.1.5-1中,数据流的时间参量即ti,i=0,1,2,…,数据帧的时间特征有帧长度l、帧结束时间ti十l—1,即Ti=[ti,ti十1,…,ti十l—1],预警指标的时间特征与数据帧相同。影响预警指标计算耗时的主要因素有:1数据帧长度数据帧的长度直接影响指标抽取的质量:过短的帧会丢失数据信息和原有数据结构,而且由于窗口效应和边界效应,抽取得到的指标在频域和时域均受到污染;过长的帧则不利于预警的时间分辨率,易于掩盖或遗漏结构的瞬时异常。因此,需要在帧长度和预警时间分辨率之间进行平衡。2指标抽取算法的复杂程度预警指标要做到对时间的准确定位和快速响应,必须对指标的抽取算法的复杂程度进行控制。一般而言,直接对振动信号进行的时域变换和计算,其算法相对简单但易于受噪声干扰;而进行频域计算或时频域变换的算法则复杂一些,但由此抽取得到的预警指标的质量好。因此,需要在指标质量和算法简单性之间进行取舍。3指标抽取算法的运算方式不管何种指标抽取运算,都有两种运算方式,即单次运算和实时运算。单次运算是算法的原始状态,往往不能顾及计算耗时的要求;实时运算是将算法加以改造,以实现连续实时计算的要求。将预警指标抽取算法实时化,不仅可以实现较复杂的指标抽取计算,而且还能提高指标的时间分辨率。这里将讨论的重点放—36—在抽取算法实时化上。通常可以通过两种方式进行一般算法的实时化:一是将原始数据的数据帧进行重叠,然后将指标抽取算法的单次运算方式简单地加以移植即可,如图A.1.5-2所示。图A.1.5-2预警指标实时连续抽取计算这种方式的预警指标的时间分辨率即帧重叠长度,其缺点是重复运算,机时浪费,而且对时间的分辨提高作用有限,适于相对简单的指标抽取算法。第二种实时化方式是采用递归算法,即首先将预警指标表示成递归形式,然后保持数据帧长度不变,不断地移入新采样时刻的观测数据和退出帧尾部数据,在上一步抽取得到的预警指标基础上稍加修正得到新的预警指标,如下式:(A.1.5)EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Θ)EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Θ)—37—X(ti,l)为对应于ti时刻的数据帧观测值,EQ\*jc3\*hps19\o\al(\s\up2(^),X)(ti,l)则是根据上一帧的观测值EQ\*jc3\*hps19\o\al(\s\up2(^),X)(ti—1,l)做出的对ti时刻数据估计帧(值)。G(●)为原始监测数据的估计函数。K(ti)为增益,反映了当前预测误差E=X(ti,l)—EQ\*jc3\*hps19\o\al(\s\up2(^),X)(ti,l)对ti时刻预警指标更新的影响程度。通过数学形式的改变,递归形式的预警指标实时抽取算法可以做到最高与原始传感器的采样频率一样的时间分辨率,同时由于没有重复运算,因此运算量极大地降低,保证了运算的实时性,又可保证预警指标的质量,非常适于较复杂的预警指标抽取算法的实时运算。常用的递归形式的预警指标实时抽取算法有卡尔曼滤波算法(kalmanfilteralgorithm)、遗忘因子算法(Forgettingfactoral-gorithm)和正则化、非正则化梯度算法(unnormalizedandnor-malizedgradientalgorithm)。限于篇幅,将不对此展开讨论。A.1.6基于先验监测数据的预警判别函数(Discriminantfunc-tionforearly-warning)预警判别函数F(Θ|Θr)主要作用是将当前的预警指标Θ归类,即给定当前预警指标的观测值,希望将其归于正常、大风、重车、船撞、大浪五类中的一类,其实质是将预警指标张成的空间划分为子空间,使先验的、带有类标签的数据最大程度上落入相应的类子空间中。如前述定义,预警判别函数F(Θ|Θr)是预警指标和类代表值的函数,根据它可以导出预警条件:maxF(Θ|Θj)=F(Θ|Θr)→Θ∈wr(A.1.6-1)jF(Θ|Θj)对应于当前预警指标与先验类的广义距离,即将当前数据归类到距离最近的先验类中。判别函数形式的选择取决于待分类预警指标的先验知识,即对一种特定的函数形式,其参数的调整是在训练过程中完成。常用的判别函数是从模式距离的概念上定义的,设当前预警指标和先验类的代表值的距离表示为—38—ΘΘr2=ΘTΘ—2(ΘTΘr—0.5ΘEQ\*jc3\*hps10\o\al(\s\up4(T),r)Θr)(A.1.6-2)比较C个表达式ΘTΘr—0.5ΘEQ\*jc3\*hps10\o\al(\s\up4(T),r)Θr并选择其最大值,即可得到最小距离分类。这时预警判别函数可定义为F(Θ|Θr)=wEQ\*jc3\*hps10\o\al(\s\up5(T),r)Θ十wr0=ΘTΘr—0.5ΘEQ\*jc3\*hps10\o\al(\s\up5(T),r)Θr(A.1.6-3)其中,wr=Θrwr0=—0.5|Θr|2(A.1.6-4)式(A.1.6-3)给出了最简单形式的预警判别函数,即线性判别函数(lineardiscriminantfunction)。一般而言,并非所有的模式空间都可以被上述函数加以线性分离,图A.1.6(a)中,可以用上述函数形式将预警指标空间进行划分,而(b)中则无法分离,这是由于线性决策域只能是凸域,而并非所有预警先验类都构成凸域,这时需要特殊形式的预警判别函数,分段线性判别函数和广义线性判别函数。图A.1.6预警指标空间的划分广义预警线性判别函数具有如下形式:F(Θ|Θr)=wEQ\*jc3\*hps10\o\al(\s\up5(T),r)Φ十wr0(A.1.6-5)Φ是当前指标Θ的矢量函数,wr、wr0分别为Θr的函数,即Φ={Φ1(Θ),Φ2(Θ),…,ΦD(Θ)}T(A.1.6-6)wr=Φ(Θr)(A.1.6-7)wr0=—0.5Φ(Θr)2(A.1.6-8)即通过对预警指标的变换(也称为Φ工作机,Φmachine),使得不可线性分离类成为线性可分离类,从而用线性判别函数予以—39—分离。常用的Φ变换有线性(即式(A.1.6-5))、二次型、多项式、径向基函数、多层感知器等。选择何种形式的预警判别函数,一是取决于先验预警指标的对状态的代表性,从另一个角度看,也就是先验指标集在特征空间上的分布特点;二是取决于先验类的划分情况,通常,物理上有意义的先验类划分常常在模式空间中难以区分,需要设计特殊的Φ工作机,以实现对先验预警指标数据集按有物理意义的方向进行分类。目标依然可以用类似于指标选择的准则函数的最大化来描述:设用Φ(Θ)表示的类内散布阵和类间散布阵分别为SEQ\*jc3\*hps10\o\al(\s\up3(*),W)和SEQ\*jc3\*hps10\o\al(\s\up3(*),B),变换前后的总协方差为EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Σ)和EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(^),Σ)*,同样可以定义的优选准则为可见,桥梁预警系统的另一个重要设计任务就是选择适当的预警判别函数,使上述最大化。A.1.7基于先验监测数据的预警类内定级函数类内定级函数的主要目的就是对桥梁发生预警异常的程度进行度量。不同类