[发明专利]一种基于物联网技术的远程桥梁结构监测预警方法

权利要求书

1.一种基于物联网技术的远程桥梁结构监测预警方法，其特征在于：所述预警方法包括以下步骤：

1）建立桥梁模型：

对于桥梁的动力平衡方程简化为：

EI∂4u∂x4+mu··=p(x,t)---(1)]]>

其中，u为梁的动挠度，EI为梁的挠度刚度，为一个常数，m是梁单位长度上的质量，x为距离左侧支点位置，p(x,t)为动荷载，设梁相应振型函数为引入广义坐标q_n(t)，应用振型叠加方法，梁在强迫振动下的动挠度u(x,t)表示为振型级数形式：

将（2）式代入（1），并化简得到桥梁的动力响应：

u(x,t)=2FmlΣn=1N1ωn2-Ωn2(sinΩnt-Ωnωnsinωnt)sinnπxl---(3)]]>

式中，为桥梁的固有振动频率；为广义扰动频率，v为车辆通过的平均速度，l为梁跨度；F为车辆对桥梁的作用力；

2）不断采集监测点数据时，得到动挠度的时间序列{u}，利用基于混沌系统的特性方式来实现对桥梁系统性能的预测评价，其步骤如下：

2.1）计算序列{u}最大Lyapunov指数，对重构轨道中的每个点寻找其最近的邻域；最近邻域点间必须有短暂的分离，取分离间隔为：

ω=TΔt---(4)]]>

式中，T为FFT计算出的{u}序列的平均周期，Δt为{u}序列的采样周期，用d_i(0)表示第i个点到其最近邻域点的2范数，则有：

d_i(0)=min||U_i-U_i^'||，|i-i'|>ω     （5）

其中U_i和U_i^'是重构轨道上一对最近邻域点，ω是短暂分离的步数，然后再计算每对邻域点在j个离散步长后的2范数，表示为：

d_i(j)=||U_i+j-U_i^'_+j||，i=1,2,…,min(n-i，n-i')     （6）

对于定步长j，估计最大的Lyapunov指数为：

λl(j)=1jΔt(M-j)Σi=1NM-ilndi(i)di(0)---(7)]]>

其中，Δt为{u}序列的采样周期，N_M=N-(m-1)τ为时间序列重构轨道的点数，设第i个最近邻域点以最大Lyapunov指数的速率呈指数阶发散，即：其中C_i是初始分离距离常数，对其两边取对数得到：

ln d_i(j)=ln(C_i)+λ_l(jΔt)，i=1,2,…,n     （8）

代表一簇近似平行线，每个方程具有斜率为λ_l，用最小二乘法拟合得到最大Lyapunov指数λ_max；

2.2）计算延迟时间和最佳嵌入维数，对于序列{u}按时间延迟τ进行相空间重构后，相空间中的相邻两相点和间的平均位移为：

Sm(τ)=1NΣi=1N||Ulτ-Ul0||---(9)]]>

S_m(τ)随着时间延迟τ的增加趋于饱和，其线性区的末端所对应的τ值即为最佳时间延迟；

将延时向量写为：

y_i(m)=(U_i,U_i+τ,…,U_i+(m-1)τ)，i=1,2,…,N-(m-1)τ     （10）

a(i,m)=||yi(m+1)-yn(i,m)(m+1)||||yi(m)-yn(i,m)(m)||,i=1,2,...,N-mτ---(11)]]>

式中，y_i(m+1)=(U_i,U_i+τ，…,U_i+mτ)，y_n(i，m)(m)是离轨线y_i(m)最近的轨线，y_i(m+1)为嵌入维等于m时的第i个时间延迟向量，n(i，m)是满足条件1≤n(i，m)≤N-mτ的正整数且依赖变量i和m，令：

E(m)=1N-mτΣi=1N-mτa(i,m)---(12)]]>

这里的E(m)独立于变量嵌入维数m和延迟时间τ，为了找到从m到m+1变化的最佳嵌入维数，令：

El(m)=E(m+1)E(m)---(13)]]>

当m增加到设定值时，变量E_l(m)不在增加，此时的m+1就是所求的最佳嵌入维数；

2.3）对重构后的混沌时间序列进行拟合、对照，实现桥梁结构健康监测和预警。

2.如权利要求1所述的一种基于物联网技术的远程桥梁结构健康监测方法，其特征在于：所述步骤2.3）中，利用有限元分析工具ANSYS将桥梁最不利状态的包络图值计算出来，则该包络值为一个区间，设定包络值的0-80%为绿色区域，表示桥梁运营具有足够的安全裕度，运营正常；包络值的80%-90%为黄色预警区域，表示桥梁运营具安全裕度较小，要对桥梁限载通行且对桥梁进行全面的检查，包络值的90%-100%为红色预警区域，表示桥梁运营具安全裕度欠缺，需要停止通行对桥梁进行加固与维护；

重构时间序列完成后，将重构的时间序列与所述包络图值进行对比，确定在未来时间段内桥梁所处的结构状态，实现桥梁结构健康监测与预警。