[发明专利]一种桥梁结构安全状态监测系统

权利要求书

1.一种桥梁结构安全状态监测系统，其特征在于，包括有：传感子系统、信号采集与储存子系统、信号处理子系统、信号通信子系统以及安全评价子系统；所述传感子系统通过传感器或测量仪器对桥梁结构在外部激励下的响应进行监测；所述信号采集与储存子系统与传感子系统连接，用来采集所述传感子系统监测到的各类信息，并将各类信息储存在存储空间内；所述信号处理子系统与所述信号采集与储存子系统连接，包括有多类信号处理单元，用于获取所述各类信息，并对各类信息进行处理，进而检测得到各类异常信号；所述安全评价子系统与所述信号处理子系统连接，用于接收所述各类异常信号，并基于各类异常信号分析评价桥梁结构的损伤状态，进而生成桥梁结构健康检测报告；所述信号通信子系统连接所述安全评价子系统以及远程桥梁监控中心，用于两者之间的通信连接；

所述信号处理子系统包括用于处理环境参数信号的第一信号处理单元、用于处理桥梁结构的拉力、应力数据信号的第二信号处理单元以及用来处理双通道加速度传感器采集到的桥梁结构振动信号的第三信号处理单元；当第一信号处理单元对环境参数进行处理核查发现环境参数异常时，即生成第一异常信号；当第二信号处理单元对拉力、应力数据进行处理核查发现桥梁结构受力异常时，即生成第二异常信号；当第三信号处理单元对桥梁结构振动信号进行处理比较，发现振动信号的振动参数异常时，即生成第三异常信号；

所述第三信号处理单元包括有：信号重组模块、信号特征提取模块以及信号异常诊断模块；所述信号重组模块从储存空间中获取一个监测点处K个双通道加速度传感器采集到的对应的K个振动信号，将所述K个振动信号分别进行分解、再重组得到与所述双通道加速度传感器对应的结构振动特征信号；所述信号特征提取模块接收与所述监测点对应的K个结构振动特征信号，并依此建立与监测点对应的桥梁结构振动矩阵，通过矩阵变换计算出包括有监测点振动特征参量的结构振动特征矩阵，进而从所述结构振动特征矩阵中提取出振动特征参量；所述信号异常诊断模块用于依据所述振动特征参量对对应监测点的振动性能进行评价诊断，若评价诊断得到的振动性能高于设定的参考值，则发出第三异常信号；所述第三信号处理单元对桥梁结构上所有的监测点对应的振动信号进行上述处理；

所述获取一个监测点处K个双通道加速度传感器采集到的对应的K个振动信号，将所述K个振动信号分别进行分解、再重组得到与所述双通道加速度传感器对应的结构振动特征信号的具体过程为：

(1)依据监测点在桥梁的位置以及该位置振动时的正常振动幅值，将该正常振动幅值的1.3倍作为分割阀值；再依据所述监测点处振动信号周期选择信号分割截取的截取时间长度T；

(2)设该监控点处K个振动信号中的第k个振动信号为a_k(t)，计算出所述振动信号a_k(t)的幅值等于分割阀值的离散信号点，并得到与离散信号点对应的离散时间点构成的序列：t₁，t₂，.....，t_D；其中，振动信号a_k(t)中共有D个幅值等于分割阀值的离散信号点；以所述离散信号点为起点分别向后分割截取出时间长度为T的子信号段a_k(t_d)，d∈[1，D]；建立以时间为横轴、以幅值为纵轴的直角坐标系，将各子信号段依时间先后排列在直角坐标系内，进而将全部的子信号段的起点平移至坐标原点，得到平移子信号a_k(t_d+e_d)；其中e_d是将子信号段a_k(t_d)的起点平移至坐标原点时的平移距离；如此，将D个平移子信号进行重组求取对应的结构振动特征信号，其求取计算公式为：

式中，T_k为计算得到的第k个振动信号a_k(t)对应的结构振动特征信号；F_k为选取的与第k个振动信号对应的分割阀值；D为将第k个振动信号分割得到的子信号段的个数；A_k(t_d)为子信号段a_k(t_d)中的最大信号幅值；t_d为所述的离散时间点；a_k(t_d+e_d)为经过分割平移后的平移子信号；e_d是将子信号段a_k(t_d)的起点平移至坐标原点时的平移距离；

依据上述模块获取监测点K个振动信号对应的K个结构振动特征信号，并依此建立与监测点对应的桥梁结构振动矩阵，通过矩阵变换计算出包括有监测点振动特征参量的结构振动特征矩阵，进而从所述结构振动特征矩阵中提取出包括有监测点振动频率、振动阻尼比以及振型系数的振动特征参量；其中所述结构振动特征矩阵的计算公式为：

式中，J_Z为所述结构振动特征矩阵；B为依据K个结构振动特征信号建立的桥梁结构振动矩阵；z为将桥梁结构振动矩阵B进行变换、奇异值分解得到的子矩阵；X为将桥梁结构振动矩阵B进行变换、奇异值分解得到的正交矩阵；C为将桥梁结构振动矩阵B进行变换、奇异值分解得到的对角矩阵；P为将中间部分进行对角化的可逆矩阵。