工程結(jié)構(gòu)損傷檢測的智能方法

王樂

摘 要：近幾年隨著基建能力的快速發(fā)展，對于橋梁結(jié)構(gòu)損傷識別技術(shù)的需求也越來越強。越來越多的學(xué)者對損傷識別進(jìn)行了研究，并且開發(fā)出眾多健康監(jiān)測的方法。針對橋梁結(jié)構(gòu)的特點，基于施工、健康監(jiān)測和人工巡檢多位一體的多體系損傷識別方法是橋梁結(jié)構(gòu)損傷識別的發(fā)展方向，損傷識別的智能方法也是重中之重。

關(guān)鍵詞：損傷識別;健康監(jiān)測;智能方法

1 麥克風(fēng)沖擊共振法

空氣耦合傳感器是無需接觸的傳感器的一種，能夠接收到構(gòu)件傳播到空氣中的聲波信息。電容式的麥克風(fēng)則是空氣耦合傳感器的一種，擁有較寬的帶寬適用范圍以及較高的靈敏度。近年來，該傳感器技術(shù)在無損檢測的領(lǐng)域里取得了較好的發(fā)展，學(xué)者們將麥克風(fēng)傳感器引入眾多無損檢測的原理和方法中，形成了較為高效的無損檢測方法。

沖擊共振測試的原理是結(jié)構(gòu)受到激勵的時候，內(nèi)部聲波的傳播遇到缺陷的時候能夠發(fā)生連續(xù)的反射，引發(fā)構(gòu)件的共振反應(yīng)，其中結(jié)構(gòu)的外形樣式以及材料本身的特性都會對沖擊共振頻率的大小產(chǎn)生影響，由沖擊共振頻率的大小和頻譜特征判定結(jié)構(gòu)的損傷。因此可以將麥克風(fēng)沖擊共振法應(yīng)用于結(jié)構(gòu)脫空損傷檢測中，這對于鋼管混凝土等結(jié)構(gòu)的損傷診斷有著重大意義。

在鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)中發(fā)生局部的界面脫空損傷時，對混凝土結(jié)構(gòu)的外部施加激勵，施加激勵后會產(chǎn)生沖擊，在沖擊的一瞬間會發(fā)出聲波。在對結(jié)構(gòu)的脫空損傷部位施加脈沖激勵時，局部脫空區(qū)域受到短時沖擊力的作用，將發(fā)生持續(xù)的響應(yīng)，該自振響應(yīng)在局部板殼的自振頻率處特別顯著。因為構(gòu)件的振動會在附近產(chǎn)生聲輻射，所以可以通過傳感器來采集位于激勵位置處的聲壓信號，然后對采集的信號進(jìn)行處理，通過對信號的處理得出結(jié)構(gòu)的損傷情況。正常來說，如果知道構(gòu)件的厚度，就能夠通過信號的頻譜特性以及模型的振動特性來推測損傷的大小等屬性。當(dāng)儀器采集端和激勵端之間的距離越遠(yuǎn)，構(gòu)件振動對傳感器采集端的聲輻射功率越小，所采集的信號的幅值就更小，但信號的基本頻譜特征不會變。針對工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷成像的測試之后繪制出云圖，聲壓模態(tài)柔度近似值大的區(qū)域可以判定為存在損傷，因此憑借云圖可以對結(jié)構(gòu)進(jìn)行脫空損傷識別與診斷。

2 基于導(dǎo)波的結(jié)構(gòu)損傷識別

導(dǎo)波是由應(yīng)力波在有限介質(zhì)受到邊界的“引導(dǎo)”而形成。聲波傳播到波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的邊界時候發(fā)生大量的反射、折射和模態(tài)轉(zhuǎn)換，造成聲波之間的干涉，并且疊加，形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中穩(wěn)定的導(dǎo)波。導(dǎo)波的傳播主要會被兩方面所影響：一方面受結(jié)構(gòu)外部尺寸的影響，另一方面受頻率的影響，導(dǎo)波的頻散現(xiàn)象就是引導(dǎo)頻率變化所產(chǎn)生的。

在對導(dǎo)波進(jìn)行實際檢測研究時，研究學(xué)者得出由于導(dǎo)波自身產(chǎn)生的過程造成了導(dǎo)波對結(jié)構(gòu)缺陷獨特的敏感性。因此導(dǎo)波在結(jié)構(gòu)損傷檢測領(lǐng)域逐漸廣泛應(yīng)用。采集到的導(dǎo)波信號的特征提取技術(shù)是導(dǎo)波應(yīng)用的一個首要問題，為了減少信號采集過程中存在各種噪聲對聲波信號產(chǎn)生影響，因此需要使用特點的信號特征提取方法，來提高信號的信噪比，從而有效從信號中提取出反映損傷信息的信號特征，憑此來進(jìn)行損傷識別。目前已有大量導(dǎo)波信號的特征提取方法：

2.1 利用分譜處理算法進(jìn)行損傷識別

因為分譜出處理算法有比較好的抵抗隨機(jī)噪聲干擾的能力，因此被廣泛用于結(jié)構(gòu)的損傷識別。利用分譜處理算法，通過比較基準(zhǔn)波信號和檢測波信號的幅值變化程度來判定損傷散射的基礎(chǔ)對稱模式的傳播時間。當(dāng)目標(biāo)的信號在所采集的信號中出現(xiàn)的時候，通過分譜處理算法所建立的一系列時間域信號將呈現(xiàn)出一致的幅值信息。

使用合適的提取特征的算法，在每個采樣的時間點上提取這一系列重建的時間域信號的幅值并衡量它們的一致性，然后就能夠得出那些有著較好的幅值一致性的采樣時間點對應(yīng)于目標(biāo)信號的出現(xiàn)。由于幅值一致性不會被噪聲所影響，因此即使所采集的信號的信噪比較低，分譜處理算法仍然可以正確地評估目標(biāo)信號的傳輸時間。實際損傷識別實驗驗證：根據(jù)分譜處理算法，將基準(zhǔn)和實際情況下信號的幅值進(jìn)行對比來得出S0模式的信號傳輸時間。在理想的和實際存在噪聲兩種工作環(huán)境中檢測存在缺陷的構(gòu)件，使用分譜處理算法求出所檢測信號的瞬時幅值變化度。接合多條傳感路徑評定出的信號傳輸時間，可以使用定位算法識別出損傷的位置。能得出無論噪聲是否干擾了檢測的波信號，使用分譜處理算法可以使得在低信噪比的時候仍然可以精確地評估出缺陷散射的S0模式的信號傳輸時間，從而達(dá)到有效的結(jié)構(gòu)損傷識別。而Hilbert變化等評定的S0模式的信號傳輸時間僅僅在理想的環(huán)境中是有效的，在有噪聲存在對信號造成影響時，會導(dǎo)致沒有辦法對缺陷進(jìn)行識別。因此分譜處理算法有較強的抵抗寬帶噪聲干擾的能力，在導(dǎo)波特征提取中有較強的適用性。

2.2 基于導(dǎo)波信號能量譜相關(guān)性分析的損傷成像算法

為了實現(xiàn)導(dǎo)波的損傷檢測，并且減小進(jìn)行信號分析的時候因為不同狀態(tài)波信號有區(qū)別而產(chǎn)生的誤差，提出了這種損傷成像算法（能量譜相關(guān)性分析）。對傳感路徑的損傷指數(shù)進(jìn)行校對，并把所校對的損傷指數(shù)作為特征參數(shù)。利用加權(quán)分布函數(shù)，損傷指數(shù)會被映射至離散坐標(biāo)上，繪成了缺陷出現(xiàn)在坐標(biāo)上面的概率圖像，用來定位檢測結(jié)構(gòu)的缺陷。這種基于能量譜相關(guān)性分析的方法可以避免信號激勵和采樣的時間同步性影響。

3 基于堆棧降噪自動編碼器的損傷識別方法

由于深度學(xué)習(xí)能夠?qū)?fù)雜的方程進(jìn)行擬合并且模式分類的能力較強能夠解決復(fù)雜的模式分類問題，所以目前深度學(xué)習(xí)在結(jié)構(gòu)損傷識別領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。

堆棧降噪自動編碼器是常見的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是經(jīng)過無監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。因為堆棧降噪自動編碼器訓(xùn)練優(yōu)化相對而言較為簡單并且有很強的模式識別能力，會對輸入的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，所以被開發(fā)使用在損傷識別領(lǐng)域。其網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和深度置信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)很像，但是與其不同的是，堆棧降噪自動編碼器是通過堆疊自動編碼器替代RBM，在結(jié)構(gòu)的頂層是用于執(zhí)行模式分類和預(yù)測任務(wù)的分類器。降噪自動編碼器會對輸入的參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行特征的提取，得出輸入?yún)?shù)指標(biāo)的抽象特征。在歷經(jīng)多次的特征提取之后，能夠得到高階位的特征并且用作是分類器的輸入，最后利用分類器的作用判斷出輸入樣本的類別。這種基與堆疊降噪自動編碼器的結(jié)構(gòu)損傷識別方法適用于結(jié)構(gòu)的損傷位置判定。降噪自動編碼器的主要的工作特點是選擇指標(biāo)、建立樣本庫、選擇合適的分類器和對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行訓(xùn)練。和目前廣泛使用模式識別的方法比較而言，該方法強大的特征提取能力會使其在結(jié)構(gòu)損傷診斷領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。

4 結(jié)論與展望

雖然目前已經(jīng)有大量學(xué)者進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷識別的工作并且取得了一定的成功，但是很多的方法僅是在實驗室是環(huán)境下成立的，存在于模擬之中，有一定的局限度，要想真正的應(yīng)用在實際工程項目中還有一定的難度。在外部環(huán)境的干擾下，要想得到損傷結(jié)構(gòu)完整的數(shù)據(jù)還需要進(jìn)行多方面的研究，如何從實驗?zāi)Ｐ蛻?yīng)用到工程結(jié)構(gòu)中無疑是一個很重要的問題。在未來，結(jié)構(gòu)損傷識別主要會對小波分析、環(huán)境激勵下的方法以及全過程的結(jié)構(gòu)損傷識別方法進(jìn)行研究。相信在未來，學(xué)者們能將實驗室方法真正的應(yīng)用到實際項目中。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳向男，徐岳，梁鵬，等.橋梁結(jié)構(gòu)損傷識別研究現(xiàn)狀與展望[J].長安大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，33（6）：49-58.

[2]苗曉婷.基于導(dǎo)波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中特征提取技術(shù)與損傷識別方法的研究[D].上海交通大學(xué)，2011.

[3]劉蒙.基于麥克風(fēng)沖擊共振法的鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)脫空損傷診斷研究[D].湖南大學(xué)，2018.

[4]謝祥輝，單德山，周筱航.基于堆棧降噪自動編碼器的橋梁損傷識別方法[J].鐵道建筑，2018，58（5）：6-10.

[5]黃天立.結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和損傷識別的若干方法研究[D].同濟(jì)大學(xué)，2007.