条件评估塔和桅杆结构监测在一个集群在不断变化的环境

文摘

众多的通讯和电力塔是分布在市区。确保塔和桅杆结构的安全,一个有效的测量是建立一个简单的结构健康监测系统(SHM)为每个塔结构来获得连续的变形数据的结构。然而,很少有研究关注评估塔和桅杆结构监测的条件在一个集群使用变形监测数据。为了解决这个问题,一个条件评估方法结合主成分分析(PCA)和交叉验证提出了研究。PCA-based方法应用于降低环境温度和速度的影响上的负载水平位移监测数据,和新奇检测采用基于交叉验证评估条件的所有塔和桅杆结构在一个集群监控。最后,演示了该方法的有效性通过监测数据获得实际塔和桅杆结构。

1。介绍

结构健康监测(SHM)技术已经迅速发展了几十年,和一些重要的民用基础设施配备SHM系统检测结构损伤和评估结构的安全性1- - - - - -4]。随着监测数据,许多传感器测量(5,6和状态评价方法7,8)被用来识别有用的结构信息来优化结构服务维护日程。

多个方法,vibration-based条件评估方法得到了广泛的关注,因为他们是无损结构和振动数据容易获得(9- - - - - -13]。然而,这种方法也有一个明显的缺点,因为结构通常操作改变下环境和结构的模态参数的变化会受到环境因素的影响(14- - - - - -19]。很难评估结构性条件直接与大量的监测数据。在先前的研究中,法勒et al。20.)发现,模态频率变化引起的环境温差的影响甚至超过了结构性破坏学习后的长期监测数据供应商之一峡谷大桥。sixteen-week期间Dowling大厅人行桥的数据积累,莫泽和Moaveni15)观察到8%的确定固有频率变化,同时测量温度范围从14°C到39°C。进一步分析后,强烈相关的非线性固有频率与环境温度之间的关系。马丁斯et al。21)建立了一个从各种测量获得的结构响应之间的关联模型,分析了风速和温度的干扰模态参数的识别。基于上述研究,很明显,环境差异产生重大影响的结构模态参数,这可能会进一步影响损伤识别的准确性。

消除环境影响状况的评估结构,已经采取了各种手段进行调查,可以大致分为两类:监督和非监督方法。前(22,23)需要建立损伤特征之间的关系模型和各种环境因素以减少环境变化的影响;然而,很难获得准确的关系模型由于不同因素的耦合作用。后者(24,25)要求建立概率诊断模型的参考状态,用监测数据到模型诊断的损害。这种方法使用环境因素作为潜在的向量和寻求破坏特性对投影的变化的环境。在这种方法中,对环境的影响是削弱了间接转换;与此同时,一些有效的结构信息可以在投影过程中被删除。因此,这两种方法,使用数据从一个获得结构,已经不能解决的缺陷在处理环境影响。考虑到结构监测在一个集群服务在类似的环境中,使用聚类分析算法的损伤检测方法(26)研究,环境的影响相同的监测期间由交叉验证间接减轻。

城市交通和电力塔,作为民用基础设施的重要组成部分,是不断在敌对环境中进行操作。此外,塔通常通过螺栓连接,和先前的研究表明,典型的损伤,如放松和破损(27,28),经常发生在螺栓接头。虽然塔结构加固施工技术和更强的材料、结构的风险事故无法避免(29日]。几项研究都集中在像的结构健康监测一样结构(30.- - - - - -32];然而,损伤诊断的准确性严重干扰的复杂的经营环境,包括温度、风荷载。塔的数量和桅杆结构位于市区之一是相对较大的,每个塔的结构形式和桅杆结构很简单。因此,一个可行的方法是建立一个集群的塔桅结构的结构在这个集群监控通过建立一个简单的单孔位微吹气扰动系统为每一个结构,例如,水平位移监测系统。然而,先前的研究都集中在塔和桅杆结构的条件评估监测在一个集群在不断变化的环境。本文的方法结合主成分分析(PCA)和交叉验证评估提出了塔的结构状况和桅杆结构监测在一个集群中,这种方法是有效地降低环境温度和速度的不利影响上的负载水平位移监测数据的塔和桅杆结构。

2。条件评估塔和桅杆结构使用PCA与交叉验证的结合

2.1。代的诊断指标

所有塔和桅杆结构相同的结构形式位于市区被定义为一个集群在这项研究中,如果我们建立塔顶端水平位移的单孔位微吹气扰动系统,我们获得的连续位移监测数据结构在一个集群中。用这个定义,所有的塔桅结构属于一个集群操作下相似的环保行动;因此,不同的塔结构的位移监测数据是高度相关的。在此基础上,提出了一种基于集群的状态评估方法,位移监测数据对环境的影响是减少使用PCA-based方法结合交叉验证策略。

假设 塔顶端位移监测数据向量在吗我th采样点,在那里代表任何两个塔的测量点数和桅杆结构在一个集群监控。将初始数据集作为结构和组装第一的健康状态监控数据矢量数据矩阵 ,可表示如下:

这部分的数据可以用来建立数据模型结构的健康状态下,其协方差矩阵被定义如下: 在哪里是均值向量的 。

将奇异值分解),协方差矩阵可以表现在以下表格: 在年代₁和S₂是对角矩阵构造矩阵的奇异值的不同部分 ,分别描述如下: 在哪里的平方我奇异值并以降序排列。在计算过程中,我th主成分包含更多的样本信息,如果相应的奇异值比较大。

由于环境因素的监测数据结构产生重大影响,第一个主成分往往选择代表在实际应用环境因素的影响。利用更有效的信息,选择应该指的是主成分的累积贡献率吗我,可以定义如下: 在哪里是指累计贡献的极限值。

基于上述分析,数据模型 健康状态下可以使用监测数据,建立了U₂奇异向量关于年代吗₂。接下来的过程是提取剩余的数据从初始数据集,并将它们组装成数据矩阵Y₂,如下所示: 与数据模型 和数据矩阵Y₂条件,我们可以构建使用以下步骤诊断指标。首先,修改后的数据向量的数据模型结构的健康状态下可以通过以下方程:

然后,一个过渡向量计算如下:

使用转换向量 ,建立状态向量的诊断指标如下: 其中每个元素定义如下:

上述过程达到消除环境影响的目标位移监测数据的任意两个塔属于一个集群。

2.2。条件评估任何两个塔之间和桅杆结构在一个集群监控

状态诊断指数r已基本排除环境因素的影响,认为r服从高斯分布的健康参考状态,和残余满足以下概率分布: 在哪里概率分布模型的参数以及吗是一个特征参数。

高斯分布的参数有中值和方差定义如下:

根据方程(11),r的概率分布模型可以写成:

在此基础上,假设检验的定义如下: 在哪里代表健康、塔桅结构代表破坏状态。通讯和电力塔主要是通过螺栓连接在一起,损害国家包括螺栓松动或腐蚀导致过大的塔体的水平位移。

塔和桅杆结构状态的诊断,进行假设检验来确定任意两个塔结构是否处于正常运行状态。首先,健康状态下的新奇检测因素定义如下:

的对数方程(15),我们可以获得累积损伤特点:

考虑的表达 ,条件的迭代关系诊断指标生成如下: 在哪里

时的值小于0,让它是0,然后以下条件诊断指数得到健康状态下: 在哪里h代表了健康状态。

状态诊断指数获得的数据统计分析,进口不可避免的错误概率。考虑5%的错误概率条件诊断指数阈值问可以定义由以下方程:

使用上面的方法,塔结构的诊断指数条件下建立诊断的状态如下: 在哪里d代表了诊断和状态数据样本的数量是诊断。

国务院条件诊断指数是诊断应与阈值比较。当国务院条件诊断价值指数是诊断大于阈值问之一,它被认为是任何两个塔A和B有潜在的结构性破坏;在这个时候,检测结果的值Z_a、b表示为0。相比之下,两个塔都被认为是健康,Z和检测结果的价值_a、b表示为1。

2.3。的决定条件评估的所有塔和桅杆结构在一个集群监控

提出的算法在前一节中使用任意两个塔结构的监测数据属于一个集群。为了避免意外的错误判断,交叉验证策略应用于集成来自塔获得的监测数据和桅杆结构在一个集群监控和评估所有结构的条件。

假设米塔桅结构监测在一个集群中,oth结构用作参考结构和状态评估的结果之间的任何其他结构和参考结构得到了使用前一节中描述的方法,记录 。参考结构周期性交换,直到所有其它结构已被选为参考结构。的集合米验证结果表示为矩阵 ,可表示如下: 在哪里的结果是什么一个塔结构的o参考结构。根据交叉验证的策略,总米−1可以得到结果。上述的平均值米−1的结果作为决策的条件评估的价值一个th结构,定义如下: 在哪里是决定的条件评估的价值吗一个结构。如果大于0,表明吗一个th结构健康;如果= 0,表明吗一个塔结构受损。

3所示。实际的例子塔和桅杆结构在一个集群监控

3.1。单孔位微吹气扰动系统的描述实际塔和桅杆结构在一个集群监控

四个通讯塔桅结构监测在一个集群位于一个城市地区在哈尔滨,中国。如图1,所有的大楼都建的钢铁材料,大约40米高,与通信设备安装在顶部和支持撑在底部结构的一部分。每个结构由16个高强度螺栓固定在地上,如图2。高楼大厦和桅杆结构风荷载下操作在城市地区,导致振动行为的复杂性。获得四塔水平位移的变化规律和桅杆结构,塔顶端水平位移监测是通过使用倾斜(SCL3300-D01硬件倾斜计),和所有的数据获取和发送到无线网络,如图3。一般规格SCL3300-D01组件展示在表1。

对于每一个结构,一个单孔位微吹气扰动系统一般包括四个部分:(1)传感模块,(2)数据采集和传输模块,(3)数据存储模块,和(4)的软件模块。作为显示在图4,使用硬件测斜仪安装在顶部的塔,和所有四个塔的倾斜观测数据收集的同时形成一个集群。所有收集到的数据传输和存储在本地服务器,和软件可以显示和分析数据。与这四个单孔位微吹气扰动系统,所有四塔桅结构监测在一个集群中。

3.2。演示了该方法的有效性

来验证提出的条件的有效性和可靠性评估的方法,所有的水平位移监测数据采用四塔桅结构这一节。此外,结构的螺栓松动条件进行模拟损伤情况下,如图5,考虑到底部螺栓是最常见的情况在实践中失败。

对于每一个结构,每个传感器可以同时收集水平位移沿南北(NS)方向和东西(EW)方向。数据采集频率10分钟。共计4000组数据样本得到健康状态下,第一个2000组样本数据用于生成Y₁和过去的2000组数据样本用于获得Y₂。破损,共计1000组数据样本。使用塔高度,塔塔A和B的实际监测数据可以转移到塔的位移,如图6。

以反映该方法的敏感性的损伤发生在结构,该方法与传统的新奇检测方法基于距离。该方法的结果为两个塔图所示7,塔的传统方法的新奇检测结果如图8。结果表明,该方法可以有效地消除环境因素的影响,有更高的敏感性损害;因此,该方法成功地识别结构螺栓松动的风险。

基于交叉验证的策略、结构选择集群中的参考塔。该算法可以有效地诊断参考塔和其他结构的损伤。在此基础上,参考塔周期性交换到其他塔和桅杆结构塔选为参考。对于损坏的情况,四个结构的交叉验证结果如图所示9。描述的决策条件价值评估结果如下: , , ,和 。结果表明,结构受损。通过使用交叉验证策略,所有结构监测的监测数据在一个集群整合,以避免误判。

4所示。结论

本文提出了一种方法来评估所有塔和桅杆结构监测的条件在一个集群中。是得出以下结论:(我)PCA-based结合交叉验证方法是一种有效的方法来评估所有塔和桅杆结构监测的条件在一个集群中,环境因素的影响,结构的变形监测数据有效地减轻(2)例子表明,相比之下,新奇基于Mahalanobis距离检测方法,该方法是有效的诊断结构的损坏程度在不断变化的环境(3)在实际情况下,塔顶端角可以用来监控塔的长期变化的监管水平位移和桅杆结构(iv)在实际应用程序中,数据采集和数据传输使用无线网络承诺建立单孔位微吹气扰动系统的塔和桅杆结构在一个集群监控

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

本研究支持的中国山东省重点研发项目(批准号2019 jzzy010427)。

引用

1. c·r·法勒和k·沃顿,“介绍结构健康监测,”英国皇家学会哲学学报A:数学,物理和工程科学,卷365,不。1851年,第315 - 303页,2007年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. g . w . Housner l·a·伯格曼t . k .令et al .,“结构控制:过去、现在和未来,“《工程力学,卷123,不。9日,第971 - 897页,1997年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. m . i Friswell“损伤识别使用逆的方法,”英国皇家学会哲学学报A:数学,物理和工程科学,卷365,不。1851年,第410 - 393页,2007年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. k . p . Chang: j .带有g .垫圈,“民用基础设施、健康监测”智能材料与结构,12卷,不。3、483 - 493年,2003页。视图:谷歌学术搜索
5. a . Moreno-Gomez c . a . Perez-Ramirez a . Dominguez-Gonzalez m . Valtierra-Rodriguez o . Chavez-Alegria和j.p. Amezquita-Sanchez“传感器用于结构健康监测,”档案在工程计算方法,25卷,不。4、901 - 918年,2018页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. f·戴·h·h·朱,z h·朱et al .,“智能传感技术及其应用在民用基础设施,“杂志上的传感器文章ID 265106卷,2015年,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. w .风扇和p . z乔,”Vibration-based损伤识别方法:回顾和比较研究,“结构健康监测,10卷,不。1,第111 - 83页,2011。视图:谷歌学术搜索
8. R.-T。吴和m . r . Jahanshahi”结构健康监测的数据融合方法和系统标识:过去,现在,和未来”结构健康监测,19卷,不。2、552 - 586年,2020页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. c·r·法勒s . w . Doebling, d . a . Nix“Vibration-based结构损伤识别,”英国伦敦皇家学会哲学学报。系列一:数学、物理和工程科学,卷359,不。1778年,第149 - 131页,2001年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. z . y . y . j .严l . Cheng Wu和l . h .山药“vibration-based结构损伤检测技术,发展”机械系统和信号处理,21卷,不。5,2198 - 2211年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. 李y y y陈,“回顾最近vibration-based结构性健壮的损伤诊断的发展,“结构工程与力学,45卷,不。2、159 - 168年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. 董问:高,z,崔k . c . Liu和y . Liu“异形钢的疲劳性能sheeting-concrete桥甲板受到车辆荷载,”工程结构文章ID 110558卷,213年,2020年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. 刘张z, x, y, m .周和j·陈,“时间间隔的维纳过程的多个口岸和固定阈值的工程,”机械系统和信号处理文章ID 106389卷,135年,2020年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. h·孙”,环境和业务变化对结构健康监测的影响,“英国皇家学会哲学学报A:数学,物理和工程科学,卷365,不。1851年,第560 - 539页,2007年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. p .莫泽和b . Moaveni”环境影响的固有频率识别Dowling大厅人行桥,”机械系统和信号处理,25卷,不。7日,页。2336 - 2357年,2011年,‏。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. a . Deraemaeker e . Reynders g . De Roeck和j . Kullaa”Vibration-based结构健康监测使用输出只测量变化的环境下,“机械系统和信号处理,22卷,不。1,34-56,2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. h .南丹·m·p·辛格,“我热环境对结构频率的影响:部分仿真研究中,“工程结构卷,81年,第490 - 480页,2014年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. h .南丹·m·p·辛格,“热环境对结构频率的影响:一部分二世系统识别模型,”工程结构卷,81年,第498 - 491页,2014年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. 赵x和z . Lang基线模型结构健康监测方法在不同的环境下,“可再生能源卷,138年,第1175 - 1166页,2019年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. c·r·法勒s . w . Doebling p . j .康威尔et al .,“模态参数测量的可变性供应商之一峡谷大桥,,”第十五届国际模态分析会议学报》上卷,3089年,第263 - 257页,1997年。视图:谷歌学术搜索
21. n .马丁斯e . Caetano s Diord f . Magalhaes,。Cunha”体育场屋顶悬架的动态监测:风和温度影响模态参数和结构响应,“工程结构59卷,第94 - 80页,2014年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. j . m . Ko, k . k .翟,j.y.王et al .,“制定相关的不确定性模型的模态参数和环境因素通过长期监测数据,,”智能结构和材料学报》2003:智能系统和无损评价民用基础设施圣地亚哥,页298 - 307,美国,2003年8月。视图:谷歌学术搜索
23. c k哦,h孙”,损伤诊断环境下使用无监督支持向量机和操作的变化,“杂志的声音和振动,卷325,不。1 - 2、224 - 239年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
24. a m。燕,g . Kerschen p . De央行,J.-C。Golinval”,不同环境条件下结构损伤诊断我:线性分析,“机械系统和信号处理,19卷,不。4、847 - 864年,2005页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
25. a m。燕,g . Kerschen p . De央行,J.-C。Golinval”,不同环境条件下结构损伤诊断II:当地的PCA非线性情况下,“机械系统和信号处理,19卷,不。4、865 - 880年,2005页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
26. 郑胜耀张和y刘”,损伤检测桥梁监测在一个集群基于累积分布函数之间的残余应变监测数据,”结构健康监测卷,2020篇文章ID 1475921719895955, 2020。视图:谷歌学术搜索
27. l . x黄g . Chen赵et al .,“压力模拟和实验110千伏输电线路塔基础沉降,”电力自动化设备37卷,第370 - 361页,2017年。视图:谷歌学术搜索
28. t·g·马拉惠普香港,c·s·李和t . c . e . Ho”下击暴流的风荷载作用下输电塔的能力,”风和结构,22卷,不。1,第87 - 65页,2016。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
29. l .问:一个w .问:江,刘y . p . et al .,“力学行为的实验研究角度在输电塔在冻结温度下,“先进的钢结构,14卷,不。3、461 - 478年,2018页。视图:谷歌学术搜索
30. 程x x和y . j . Ge”,一个创新的大型输电塔结构健康监测系统基于GPS,”国际期刊的结构稳定性和动力学,19卷,不。4、文章ID 1971002, 2019。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
31. l .赵x b .黄,y,”一个vibration-based输电线路塔,结构健康监测系统”电子产品,8卷,不。5、文章ID 515, 2019。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
32. j . x Cheng盾、x汉和范,“大型输电杆塔结构健康monitoring-oriented有限元模型,”国际土木工程杂志》上,16卷,不。1,第92 - 79页,2018。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

版权

版权©2020李昌平等。这是一个开放分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。