基于橋梁健康監(jiān)測的傳感器優(yōu)化布置研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

張 宇

（沈陽建筑大學，遼寧 沈陽 110000）

1 傳感器監(jiān)測項目優(yōu)化

大型橋梁健康系統(tǒng)監(jiān)測項目的種類較多，一般分為輸入輸出，靜態(tài)和動態(tài)，整體和局部，同時還包含了研究方向的劃分。當前，在對其進行具體的應用以及研究過程中，橋梁健康監(jiān)測項目主要是將經(jīng)驗為基礎的。并且運用對于斜拉橋病害進行調(diào)查以及監(jiān)測從而完成分析，相關學者總結(jié)出了斜拉橋狀態(tài)監(jiān)測以及評估自身的代表性監(jiān)測項目。總結(jié)了多個斜拉橋的特點，研究了典型橋梁健康監(jiān)測方法自身的適用性。

確定監(jiān)測項目的依據(jù)主要包括三個方面：健康數(shù)據(jù)庫，風險分析和脆弱性分析。具體考慮因素包括局部和整體之間的關系，動態(tài)和靜態(tài)分析的需要，健康監(jiān)測和人工檢查。

要設計大型橋梁結(jié)構(gòu)的監(jiān)測系統(tǒng)，首先需要對橋梁自身的結(jié)構(gòu)特點和各方面系統(tǒng)功能提出的要求進行考量，同時對于系統(tǒng)需要獲得哪些信息與系統(tǒng)實施的目的進行確認；其次，應結(jié)合監(jiān)測成本，實現(xiàn)效益最大化，科學經(jīng)濟。角度來確定監(jiān)控項目。相關的分析，可以看出是何種項目需要持續(xù)的去完成監(jiān)測，用于周期監(jiān)測以及日常進行監(jiān)測的項目，并且何種項目需要運用專用檢測設備去對所需要的數(shù)據(jù)進行獲取。在健康監(jiān)測系統(tǒng)其自身進行具體應用的過程中，因為能夠按照待研究問題其自身的性質(zhì)去對理論研究有關的監(jiān)測項目給予確認，因此其自身有著比較大的隨機性，無法令實施效果得到保證。因此，有學者認為監(jiān)測系統(tǒng)的設計一定要按照功能要求以及效益成本去對這兩個標準進行分析。首先，監(jiān)測系統(tǒng)的設計需要對系統(tǒng)的目的以及功能進行考量。針對一些特別的橋梁，設置健康監(jiān)測系統(tǒng)的目的主要是針對橋梁監(jiān)測以及評估，或設計驗證，甚至研究和開發(fā)。因此，假如針對系統(tǒng)的目標以及功能進行確認，就可以確定系統(tǒng)的監(jiān)控程序。其次，采集和傳輸系統(tǒng)需要綜合考慮監(jiān)測系統(tǒng)中每個監(jiān)測項目的規(guī)模和所用傳感器的類型，根據(jù)目的設計監(jiān)測項目和測量點數(shù)量去完成功能設置與效益成本分析。

2 傳感器數(shù)量上的優(yōu)化

確定監(jiān)控項目后，下一步就是需要對傳感器的數(shù)量進行確定。優(yōu)化理論研究的傳感器數(shù)量和傳感器位置不僅能夠合理的減少監(jiān)測成本，還能夠使得監(jiān)測系統(tǒng)處置信息的效率得到提升，目前傳感器的數(shù)量主要由經(jīng)驗以及經(jīng)濟因素考慮與確認，有著非常大的隨機性以及不確定性。

在設計監(jiān)測系統(tǒng)模態(tài)監(jiān)測時，傳感器的初始優(yōu)化主要是有相關人員自身的經(jīng)驗去給予確定，或者是參照振動理論，按照測試的模態(tài)其自身的數(shù)量去予以確認。很多學者還根據(jù)彈性波傳播原理去對了特定結(jié)構(gòu)傳感器排列本身的極限間距給予有效的確認。最開始則需要對于測試所需要涉及到的傳感器數(shù)量給予確認，通常的做法是與當前經(jīng)濟要求相相互融合考慮其之后的數(shù)量的傳感器，同時根據(jù)優(yōu)化的放置標準確定測量點的放置。一些學者研究了最小數(shù)量的傳感器，以滿足不同的模態(tài)能夠觀測性以及損傷識別的要求。這一領域的研究主要局是局限在理論分析以及數(shù)值模擬上。

3 傳感器位置優(yōu)化

3.1 針對模態(tài)其自身觀測性的傳感器去完成布置方法的優(yōu)化

傳感器當前的優(yōu)化布局其中比較主要的特性可以說是系統(tǒng)自身的可觀察性，它展現(xiàn)出了傳感器站點在當前結(jié)構(gòu)監(jiān)測，健康評估或系統(tǒng)控制里提供主要狀態(tài)參數(shù)信息的一種能力。針對模態(tài)可觀測性其自身經(jīng)常使用到的優(yōu)化標準包括傳輸誤差比較小的一個準則，系統(tǒng)能量準則，模型減少準則和模態(tài)保證準則。

由于在大多數(shù)情況下首先需要運用參數(shù)識別的方式去對模態(tài)測試的結(jié)果進行確認，所以當前有很多文獻通過最小化的方式去對參數(shù)的誤差進行識別使其能夠令傳感器布置得到優(yōu)化。基礎思想則是在得到Fisher信息矩陣的過程中運用系統(tǒng)參數(shù)去完成誤差無偏估計的識別。在最大值的時候，系統(tǒng)參數(shù)識別的錯誤較小。比較有影響力的一種配置方式為Kammer指出的一種合理的獨立（EI）方法。其基礎思想主要是按照候選傳感器點對于目標模態(tài)分量的一種具備線性獨立性質(zhì)的一種貢獻其自身主要是對于傳感器位置給予排序，優(yōu)化Fisher信息矩陣，并進行迭代。這種方式得到的是一組傳感器的優(yōu)化點。然而，這一方法沒有針對結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布自身的不均勻性進行考量，并且能夠存在所選傳感器其自身的位置能量比較低并且出現(xiàn)信息丟失的問題。

3.2 針對損傷可識別性的傳感器優(yōu)化布置方法

針對損傷識別的一種傳感器優(yōu)化布置要求由有限數(shù)量的點測量的數(shù)據(jù)可以盡可能地識別結(jié)構(gòu)損壞，也就是傳感器一定要擺放在對結(jié)構(gòu)造成損壞并不是比較敏感的部位，并且獲得的性能矩陣結(jié)構(gòu)響應其中還需要涉及到盡量比較多的結(jié)構(gòu)損壞。當前，針對損傷識別所進行的傳感器優(yōu)化研究還是比較少的。

Cobb等人首先研究了用于結(jié)構(gòu)損傷識別的這種傳感器其自身的布局較為適宜。在對于結(jié)構(gòu)特征敏感性進行分析的基礎上，還對于模態(tài)變化與結(jié)構(gòu)損傷彼此存在的聯(lián)系進行分析。認為損害程度受模態(tài)信息的限制。隨后，一些研究人員基于敏感性分析和脆弱性分析進行了相應的研究。模態(tài)可觀測性和針對損傷可識別性的一種傳感器優(yōu)化布置上存在差異。適合使用在模態(tài)可觀測性標準方式不完全適用于針對損傷可識別性的一種傳感器優(yōu)化的放置標準。靈敏度分析方法（SAM）和脆弱性分析在具有損傷可識別性的傳感器在進行布置優(yōu)化過程中能夠獲得非常好的結(jié)果。

3.3 其他傳感器優(yōu)化布置方法

盡管隨機類優(yōu)化算法并不是完成傳感器優(yōu)化排列的唯一一種方式，可是其自身仍然存在一定過得問題主要是表現(xiàn)在收斂的速度比較慢，并且迭代次數(shù)相對較多等缺點，隨機類優(yōu)化算法自身有著非常好的并行性以及全局搜索優(yōu)勢，可以獲得更好的配置。隨機優(yōu)化算法其中主要涉及到了遺傳算法（GA）以及模擬退火算法。于姚等人首先使用信息數(shù)組的行列式值作為基于有效獨立方法的適應度值，并嘗試運用對于遺傳算法進行使用使得以前的迭代算法得到改變。Frauchi等人應用遺傳算法使其能夠?qū)鞲衅鲀?yōu)化放置進行研究。當前所進行的這些研究對于遺傳算法在當前傳感器優(yōu)化安排中的可行性給予了驗證。然后將遺傳算法一個接一個地應用于工程實例。同時，一些學者比較了遺傳算法和傳統(tǒng)序列方法疏忽的配置改善效果。其中發(fā)現(xiàn)遺傳算法能夠使用并不是很多的傳感器獲得橋的整體狀態(tài)，并具有實際應用。識別準確度更高。由于遺傳算法自身存在的這種早熟問題，為了能夠有效的抑制早熟問題，很多研究人員試圖將擁有強局部搜索能力的一種模擬退火算法的引入遺傳算法，并使用模擬退火算法來優(yōu)化選擇個體。遺傳算法實現(xiàn)快速搜索，然而，該領域的研究不多，但發(fā)展?jié)摿κ蔷薮蟮摹?/p>

3.4 布局評估標準的優(yōu)化

Penny等提出了五種評估各種傳感器放置方法優(yōu)點的定量標準：模態(tài)的相關標準，并且令模態(tài)保證標準得到修復，模式矩陣的條件數(shù)標準，模態(tài)動能標準以及Fisher信息矩陣標準。前三個標準在對于實驗模態(tài)向量正交性上起到了不可忽視的主要作用，并且相對容易實現(xiàn)，模態(tài)保證標準是最廣泛使用的。然而，缺點則是所有這些標準考慮的只是每一個模態(tài)空間的角度，并且無法令測量點對待識別參數(shù)的靈敏度保持在最適宜的狀態(tài)。模態(tài)動能標準能夠令傳感器排列自身的反應幅度得到保證，同時還能夠便于數(shù)據(jù)的采集，使得測量抗噪能力得到提升。Fisher信息矩陣準則可以確保測試信號的估計測量信號的最小偏差，并且可以用于評估測量模式和有限元分析模態(tài)的相似程度，也就是噪聲對于測量模態(tài)參數(shù)產(chǎn)生的影響。因此，在實際應用中，需要按照實際的結(jié)構(gòu)方式，傳感器的數(shù)量和測量要求，綜合選擇最佳配置標準和配置方法。

傳感器監(jiān)控項目，傳感器數(shù)量以及傳感器安裝位置彼此之間存在的相關性是較為強大的。例如，監(jiān)控項目自身的類型界定了所選擇傳感器自身的數(shù)量，傳感器自身的類型與能夠完成安裝的位置。除了經(jīng)濟方面的考慮外，使用的傳感器數(shù)量在極大程度上還會受到安裝位置帶來的制約，需要綜合對多種因素進行考量。

4 存在的不足

針對橋梁健康監(jiān)測的系統(tǒng)，怎么樣使得傳感器布局得到優(yōu)化使其能夠較好的地服務于當前整體的系統(tǒng)可以說還是需與進行深入分析與處置的一個問題。雖然有許多方法可以優(yōu)化傳感器的放置，但仍存在以下幾個缺點：

（1）各種傳感器優(yōu)化方式只是對于局部存在的問題有效，仍然沒有合理的去令傳感器評估布局評估標準得到統(tǒng)一。各種算法基于它們各自的評估目標。盡管它們在形式以及理論上存在一定的聯(lián)系，但對于相同的結(jié)構(gòu)，不同算法的結(jié)論在同種條件下經(jīng)常是存在一定差異的。對于大型空間結(jié)構(gòu)，其中不但有非常多的結(jié)構(gòu)上的不確定性，并且還在較為復雜的自然環(huán)境里進行工作。這些不利條件也為監(jiān)測結(jié)構(gòu)的進行帶來了很大的困難。

（2）監(jiān)測項目的研究應用主要是針對先驗知識，令理論研究自身的應用較具體的建設需要落后。

（3）盡管已經(jīng)提出了許多用于優(yōu)化傳感器位置的方法和指南，但是仍然難以確定適當數(shù)量的傳感器，并且在該領域中的研究很少。

5 發(fā)展趨勢

（1）結(jié)合不同的方法形成新的混合算法往往具有兩者的優(yōu)點，如EI方法和MAC方法相結(jié)合，形成混合算法，并基于隨機算法，基于損傷敏感性的傳感器優(yōu)化。它也吸引了越來越多的研究人員的關注和研究。

（2）對于結(jié)構(gòu)，當發(fā)生損壞時，損傷部分的應力，應變模態(tài)信息或曲率信息通常比位移模式更敏感。大多數(shù)國家對應變模式和曲率模式的研究主要集中在損傷識別領域，但傳感器關于應變模式和曲率模態(tài)信息的信息尚未引起重視。因此，靜態(tài)應變傳感器的最佳放置具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

（3）將傳感器優(yōu)化理論方法轉(zhuǎn)化為軟件是理論與實踐最有效的指導方法，也是理論實踐的最直接檢驗。許多學者已經(jīng)開始關注如何在傳感器優(yōu)化布置中提高優(yōu)化算法的計算效率，減少迭代計算量，并開發(fā)傳感器優(yōu)化工具包。

（4）性能良好的傳感器系統(tǒng)，結(jié)合經(jīng)濟和技術(shù)效果，實現(xiàn)健康監(jiān)測系統(tǒng)的預期技術(shù)目標，并為橋梁狀態(tài)評估提供可靠的分析數(shù)據(jù)。從現(xiàn)有橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的角度來看，傳感器系統(tǒng)的研究設計和安裝往往是在橋梁建成后。同時，在橋梁施工過程中，用于施工監(jiān)測的傳感器和橋梁載荷測試傳感器的安裝通常獨立于健康監(jiān)測。在系統(tǒng)之外，這些實踐錯過了整合橋梁和廢物資源的原始關鍵信息的機會。因此，健康監(jiān)測系統(tǒng)的設計應與橋梁設計相結(jié)合，并應考慮橋梁施工過程中的施工監(jiān)測和荷載試驗來設計傳感器系統(tǒng)。根據(jù)特定橋梁結(jié)構(gòu)的形式全面考慮傳感器系統(tǒng)的設計

6 結(jié)語

傳感器優(yōu)化布置可以說是橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)合理性和準確性以及長期性與經(jīng)濟性的主要步驟，通過從很多不同方面去對多種傳感器優(yōu)化布置算法的起源以及發(fā)展進行介紹，并且對于傳感器優(yōu)化布置研究工作提供了有效的借鑒。