[发明专利]一种在役水工混凝土结构内损监测预警系统及其方法

权利要求书

1.一种在役水工混凝土结构内损监测预警系统的在线监测预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、确定重点监测区的位置，在重点监测区内布设声发射传感器阵列；

读取被监测水工混凝土结构体的声发射信号；

步骤2、对声发射信号去噪处理；

步骤3、确定被监测水工混凝土结构体的损伤所在区域；

步骤4：确定被监测水工混凝土结构体的损伤位置坐标的Δr邻域Ω；

步骤5：在被监测水工混凝土结构体的损伤位置坐标的Δr邻域Ω内求解被监测水工混凝土结构体的损伤位置坐标的近似位置坐标O_c(x_c,y_c,z_c,t_c)；

步骤6：基于被监测水工混凝土结构体的损伤位置坐标的近似位置坐标O_c(x_c,y_c,z_c,t_c)确定被监测水工混凝土结构体的损伤位置坐标的精确位置坐标O(x,y,z,t)；

步骤7：重复步骤3～步骤6，直到确定重点监测区内所有被监测水工混凝土结构体的损伤位置坐标的精确位置坐标；

步骤5包括以下内容：在Δr邻域Ω内求解被监测水工混凝土结构体的损伤位置的近似位置坐标O_c(x_c,y_c,z_c,t_c)，首先需要建立近似坐标搜索的统领方程：

公式中，(x_i,y_i,z_i)为第i个声发射传感器的坐标，t_l为损伤发生时刻；

被监测水工混凝土结构体的损伤位置的近似位置坐标：

初始化统领方程，并在空间区域Ω上随机生成n个初始位置，赋值容量N、舍弃概率P_a和迭代次数m，

寻找被监测水工混凝土结构体的损伤位置的近似位置坐标的路径为：

式中：为第t代的第i个解，α为步长缩放因子，为点乘符号，levy(λ)为Levy随机分布；

式(7)可进一步整理为：

式中，λ为levy指数，1＜λ≤3，α₀为常数，U和V为服从标准正态分布的变量，即U～N(0,1)，V～N(0,1)；x_best为当前最优解；φ为随机步长分布函数，由下式描述：

将n个初始位置带入统领方程(5)，以统领方程(5)的目标极小化为判别标准，比较统领方程(5)的初始解的优劣并取初始解的最小值为最优解，其余解按式(8)所示路径更新；

本算法在全局寻找被监测水工混凝土结构体的损伤位置的近似位置坐标的路径为：

式中：r为缩放因子，是[0,1]内的均匀分布随机数，和为第t代的两个随机解；

比较随机数r∈[0,1]与舍弃概率P_a的大小，若r≥P_a，使用式(10)对解随机改变；若r＜P_a，则不对解作改变；

当迭代次数达到m次，m∈N⁺，保留最优解后完成求解过程，输出被监测水工混凝土结构体的损伤位置的近似位置坐标O_c(x_c,y_c,z_c,t_c)；

步骤6包括以下内容：设置误差值，基于被监测水工混凝土结构体的损伤位置的近似位置坐标O_c(x_c,y_c,z_c,t_c)确定被监测水工混凝土结构体的损伤位置的精确位置坐标O(x,y,z,t)，建立的定位方程为：

式中：(x_c,y_c,z_c)为损伤近似坐标；t_c为混凝土损伤发生时刻；其余参数意义同式(1)；

用被监测水工混凝土结构体的损伤位置的近似位置坐标O_c(x_c,y_c,z_c,t_c)的一阶泰勒展开式表示声发射波到达每个传感器的时间：

式中：t_oi为第i个声发射传感器接收到声发射波的时刻；t_ci为通过迭代点坐标计算出的声发射波到达第i个声发射传感器的时刻；为迭代计算点与各个声发射传感器间的距离；

将式(12)整理为矩阵方程的形式：

CΔθ＝D (13)

式中：

式(13)超静定方程的解为：

Δθ＝(C^TC)^-1C^TD (14)

将θ+Δθ作为新的迭代点代入到式(14)，直到满足误差值的要求，最终得到被监测水工混凝土结构体的损伤位置的精确位置O(x,y,z,t)。

2.基于权利要求1所述的一种在役水工混凝土结构内损监测预警系统的在线监测预警方法，其特征在于，确定重点监测区的位置包括以下步骤：建立被监测水工混凝土结构体的有限元计算模型，计算被监测水工混凝土结构体在各工况下相应的应力场，从而确定各工况下被监测水工混凝土结构体的应力相对危险区，将各工况下相应的应力场计算所得的应力值超过材料强度95％的区域划定为应力危险区，将所有应力危险区取并集最终得到重点监测区，各工况包括完建工况、正常蓄水位工况、设计洪水位工况和设计地震荷载工况，材料强度指的是所用混凝土材料抗拉强度、抗压强度或抗剪切强度中的任意一个；

步骤3包括以下内容：划分声发射传感器阵元的区域，利用多通道区域定位原理，根据声发射传感器阵元中的声发射传感器接收到声发射信号在时间上的先后顺序，将单个传感列阵的区域分为Q个子区域，Q为正整数，将一个声发射传感器阵元中的所有声发射传感器按照接收到声发射信号的先后顺序列表得到《阵元子区域内传感器接收信号顺序索引表》；将去噪处理后的声发射信号进行区分，根据一次声发射事件中的声发射信号到达一个声发射传感器阵元的所有声发射传感器的先后顺序，查询《阵元子区域内传感器接收信号顺序索引表》，即可确定被监测水工混凝土结构体的损伤所在区域；

步骤4包括以下内容：确定被监测水工混凝土结构体的损伤位置坐标的Δr邻域，首先需要建立声源损伤定位方程：

(x-x_i)²+(y-y_i)²+(z-z_i)²＝v²(t_i-t)² (1)

式中：(x,y,z)为被监测水工混凝土结构体的声源坐标，即被监测水工混凝土结构体的损伤位置坐标；(x_i,y_i,z_i)为第i个声发射传感器的坐标，i的取值范围为1～n，n为与一次声发射事件相关的声发射传感器的总个数，v为波速，t为被监测水工混凝土结构体的损伤发生时刻，t_i为第i个声发射传感器接收到声发射信号的时刻；

为使声源损伤定位方程线性化，将公式(1)减去距离被监测水工混凝土结构体的损伤所在位置最近的声发射传感器建立的声源损伤定位方程，可得线性超静定方程组为：

a_jx+b_jy+c_jz+d_jt＝e_j (2)

j的取值范围为1～n，将式(2)表示为矩阵的形式有

AX＝B (3)

式中：

求得被监测水工混凝土结构体的损伤所在区域的近似位置(x_l,y_l,z_l)及被监测水工混凝土结构体的损伤发生时刻t_l为

X＝(A^TA)^-1A^TB (4)

在预设的定位误差水平Δr下执行上述计算，将得到被监测水工混凝土结构体的损伤位置的Δr邻域Ω:(x-x_l)²+(y-y_l)²+(z-z_l)²＝(Δr)²。