結構健康監測

【結構健康監測】是指對工程結構實施損傷檢測和識別。我們這里所說的損

傷包括材料特性改變或結構體系的幾何特性發生改變，以及邊界條件和體系的連續

性，體系的整體連續性對結構的服役能力有至關重要的作用。結構健康監測涉及

到通過分析定期采集的結構布置的傳感器陣列的動力響應數據來觀察體系隨時間推

移產生的變化，損傷敏感特征值的提取并通過數據分析來確定結構的健康狀態。對

于長期結構健康監測，通過數據定期更新來估計結構老化和惡劣服役環境對工程結

構是否有能力繼續實現設計功能。監測簡介

監測起源

長期以來，我們一直使用針對質量的不連續的方法來評估結構是否有能力繼續

服役以實現設計目的。從19世紀初開始，列車員借助小錘通過聽錘擊鐵軌的聲音

來確定是否存在損傷。在旋轉機械行業，幾十年來振動監測一直作為檢測手段。

在過去的十到十五年里，結構健康監測技術開始興起并產生一個聯合不同工程學科

分支的新的領域，而且專注于這個領域的學術會議和科學期刊開始產生。因此這

些技術變得更為常見。

識別算法

結構健康監測的問題可歸入數據模式識別算法的范疇［3-4］。這個算法可分解

為四部分：（1）實用性評估，（2）數據采集和提純，（3）特征提取和數據壓縮，（4）統

計模型的發展。當你試圖將此算法應用于實際工程結構上獲取的數據時，很明顯的

是，第2-4部分，即數據提純、壓縮、正規化和數據融合來貼近工程實際服役環境

是非常關鍵的環節，我們可通過硬件、軟件以及二者的有機結合來實現。

實用性評估

對于健康監測對結構的損傷識別能力，實用性評估涉及到四個方面：

(1)結構健康監測的應用對于生命安全和經濟效益有什么好處，

(2)怎樣對結構進行損傷定義，多重損傷同時存在的可能性，哪種類型最值得

關注,

(3)什么條件下(不同用途、不同環境)的體系需要監測

(4)使用過程中采集數據的局限性

使用環境對監測的體系和監測過程的完成形成限制條件。這種評估開始將損

傷識別的過程和損傷的外部特征聯系起來，當然也用到獨特的損傷特征來完成檢

測。

數據采集和提純

結構健康監測的數據采集部分涉及到選擇激勵方法、傳感器類型、數量和布

置，以及數據采集、存儲、傳輸設備。經濟效益是選擇方案一個重要的參考因素，

采樣周期是另一個不可忽視的因素。因為數據可在變化的環境中獲取，將這些數據

正規化的能力在損傷識別過程中變得非常重要。當應用于結構健康監測時，數據正

規化是一個分離出由于環境或操作而導致的傳感器測得的不準確的數值。最常見的

方法是通過測量輸入參數來正規化測得的響應。當環境或操作影響比較顯著時，我

們需要來對比相似時間段的數據或對應的操作周期。數據的不

穩定性的來源需要認識到并把它對系統監測的影響降到最低?？偟膩碚f，不是

所有的影響因素都可以消除，因此，我們有必要才去適當的措施來確保這些無法消

除的因素對監測系統的影響作用大小。數據的不穩定性會因為變化的環境因素、測

試條件以及測試的不連續性而加劇。

數據提純是一個篩選部分有價值數據以完成傳遞的過程，與特征提取的過程相

反。數據提純很大程度上基于個人相關數據采集的經驗。舉例來說，通過檢查測試

設備的安裝或許會發現某個傳感器的固結已經松動，因此基于個人經驗可以在數據

處理的過程中刪除獲取的這組數據或某個特定傳感器測得的數據。數據處理技術,

比如濾波和重構，也是一種不錯的數據提純方法。

總之，結構健康監測過程中的數據采集、正規化和提純技術在不斷前進。特征

提取過程的進一步認識和數據模型的不斷完善都將有助于數據采集技術的進步。

特征提取和數據壓縮

結構健康監測領域中最受關注的莫過于通過數據特征如何辨別出損傷結構與完

好結構。數據壓縮包含于這個特征選擇過程，最有效的損傷識別的特征還是

基于相關測試系統的相應量（比如現場測得的振動譜或頻率）是最常用的特征之

一。另一個損傷識別方法是尋找與特定損傷敏感的因素，即某個結構體系在某特定

環境下的損傷與某種參數最原始的定義相對應。這種模擬損傷的系統是一種非常有

效的工具。分析工具的應用也起到非常重要的作用，比如試驗驗證的有限元模型。

分析工具通常用來進行數值模擬試驗，通過計算機設置來模擬真實結構的損傷。通

過觀測承受荷載的結構體系關鍵部件的老化得到的損傷累計測試也可用于識別某些

損傷。這個過程涉及到加速損傷測試、疲勞測試、腐蝕、和溫度循環對某種類型損

傷的積累。上文提到的多種類型的分析和試驗研究或多種研究方法的有機結合可加

深對某些損傷特征的認識。

統計模型的發展

通過統計模型來辨別結構是否存在損傷，是結構健康監測領域文獻中涉及最少

的一部分。統計模型關注如何評估結構的損傷狀態的算法的使用，統計模型中用到

的算法通常分為3種：當完好結構和有損傷的結構的數據都可獲取時，模式識別算

法通常使用與有參照的研究有關的整體分類，整體分類和回歸分析法都屬于有參照

研究的范疇;無參照研究指的是缺乏損傷結構的數據;新型的檢測技術（或引用自其

他行業比較成熟的技術）是一種應用于無參照研究中的基本算法。所有的算法（分析

統計或提純優化）都推動損傷識別技術的提升。結構健康監測理論基礎

經過20年的發展，可以說本領域已經成熟到一個階段，很多基本的理論和原

理已經成型。這些原理如下：

公理1：所有的材料都有內在損傷；

公理2:損傷的評估需要體系兩種狀態的對比；

公理3:可通過無參照研究來判定損傷是否存在和定位損傷，但是判定損傷類型

和損傷程度需要有參照研究模式；

公理4a:單靠傳感器不能測定損傷，數據處理的特征提取和統計分類才能將傳

感器獲取數據轉換為損傷信息；

公理4b:在缺乏智能特征提取手段時，測試方法對損傷越敏感，則操作和環境

因素對測試結果影響越大；

公理5:損傷的開始和發展的長度和時間尺度提供結構健康監測傳感系統需要的

特征；

公理6:在算法對損傷的敏感度和抗噪聲干擾的能力有一個平衡點；

公理7:可通過體系動力響應變化測得的損傷尺寸與可激勵的頻率范圍大小成反

比；

結構健康監測的組成

結構健康監測系統包括：

1）結構

2）傳感器系統

3）數據采集系統

4）數據傳輸和存儲系統

5）數據管理系統

6）數據解析和診斷

a）系統識別

b）結構模型更新

c）結構狀況評估

d）預測服役年限

這個技術的一個比較典型的例子，在橋梁或飛機中布置傳感器，這些傳感器為

不同的結構變化提供譬如應力或應變的實時監測信息。在土木工程行業，傳感器獲

取的數據通常傳送到遠端的數據采集中心。借助于現代技術，基于傳感器獲取到的

信息使結構的實時控制（主動結構控制）成為可能。一一來著百度

摘要:在電力系統中，隨著電網容量越來越大，以及智能電網的發展，對變壓

器的運行狀態實行有效地監測成為了值得研究的課題，而將物聯網與變壓器狀態和

檢測聯系起來更成為一

個全新的課題。

物聯網由感知層，網絡層和應用層組成，感知層負責信息的獲取，網絡層負責

信息的傳輸，應用層負責對信息的反饋處理。

新型的Zigbee技術的發展促進了物聯網的應用。ZigBee技術是一種低復雜

度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術。各種電子設備之間進行典型的

周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸的應用。

引言

電力變壓器在線監測是一項復雜的工程，目前在線監測技術還不太成熟。傳感

器技術對電力變壓器的監測顯得尤為重要。美國電力研究院開發出一種直接測量分

析變壓器油中的四種氣體，并檢測其狀態，現已應用于變壓器的狀態監測中。在電

力變壓器監測過程中，如何提高監測數據的可靠性及時性，就要解決兩個問題:一

是如何獲得有效及時的數據，二是怎樣將這些數據傳輸到監控人員的手中。

我國直到本世紀初才開始接受并嘗試國外先進的理念和技術，而且，這種嘗試

還只是局部的，沒有形成規模的嘗試，但是發展的勢頭是好的，通過多年的努力，

也取得了不錯的研究成果，并得到了實際應用。目前電力變壓器在線監測技術的應

用主要是氣象色譜及局部放電的在線測試，同事加強了變壓器繞組變形，繞組老化

及鐵心接地的測試，此外，整棟檢測，噪聲監測，紅外熱像檢測也得到了廣泛的實

際應用。

關于電力變壓器運行狀態的監測，大部分的學者都認為，隨著經濟條件的發

展，信息技術，傳感技術，無線傳輸技術以及智能電網水平的提高，這將會朝著利

用物聯網技術方向發展。實際應用將會隨著理論的發展而得到廣泛的應用。

1、物聯網技術

物聯網是國家新興戰略產業中信息產業發展的核心領域，將在國民經濟發展中

發揮重要作用。而將物聯網應用于電力變壓器檢測，構建電力變壓器實時運行數據

中心，將使智能電網的發展邁上新的臺階。本文介紹將物聯網在電力變壓器中的應

用，故先對物聯網進行分析。1(1物聯網技術

物聯網，英文名"TheInternetOfThings”。顧名思義，即：物物相連的網

絡。這也表明了物聯網也是互聯網，它也是由互聯網發展而來的。物聯網技術的定

義是:通過射頻識別(RFID)、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感

設備，按約定的協議，將任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通訊，以實現

智能化識別、定位、追蹤、監控和管理的一種網絡技術。物聯網的主要特征是每一

個物件都可以尋址，每一個物件都可以控制，每一個物件都可以通信。顯然，它作

為“感知、傳輸、應用”3項技術相結合的一種產物，是一種全新的信息獲取和

處理技術。

1.1.1頻識別技術.

射頻識別RFID技術，是一種通過無線電信號對特定的目標進行識別，并讀寫

相關數據，而無需識別系統與特定目標之間建立機械或光學接觸，它隸屬于非接觸

式自動識別技術。其基本原理是利用射頻信號和空間電磁場耦合傳輸特性來實現對

監控物體的信息交換及自動識別。RFID的設計就是射頻電路技術、通信技術、傳

感器技術等的緊密結合。RFID的閱讀器通過天線與RFID電子標簽進行無線通

信，可以實現對標簽識別碼和內存數據的讀出或寫入操作。典型的閱讀器包含有高

頻模塊(發送器和接收器)、控制單元以及閱讀器天線。RFID射頻識別是一種非接

觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，識別工

作無需人工干預，可工作于各種惡劣環境。RFID技術可識別高速運動物體并可同

時識別多個標簽，操作快捷方便。比如說，我們在商場見到的電子標簽就屬于

RFID標簽。因此，這種技術應用非常廣泛。

射頻識別系統性能的評斷，閱讀距離(電子閱讀器與電子標簽最大距離能夠識

別)的長短最

重要的指標之一。在實際的應用中，不同識別系統的的閱讀距離差別很大，這

一般是有實際情況來決定的。

GPS是英文GlobalPositioningSystem的簡稱Zigbee技術是一種具有統一技

術標準的短距離無線通信技術，是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網協議。

根據這個協議規定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術協定層從下到上分

別為實體層(PHY)、媒體存取層(MAC)、網絡層(NWK)、應用層(APL)等。網絡層由

ZigBee聯盟制定，應用層的開發應用根據用戶的應用需要，對其進行開發利用，

因此該技術能夠為用戶提供機動、靈活的組網方式。根據IEEE802.15.4協議標

準，ZigBee的工作頻段分為3個頻段，這3個工作頻段相距較大，而且在各頻段

上的信道數據不同，因而，在該項技術標準中，各頻段上的調制方式和傳輸速率不

同。在組網性能上，ZigBee可以構造為星形網絡或者點對點對等網絡，，具有較

大的網絡容量。在無線通信技術上，采用CSMA,CA方式，有效地避免了無線電載波

之間的沖突，止匕外，為保證傳輸數據的可靠性，建立了完整的應答通信協議。數據

傳輸速率低只有10,250Kb,s,專注于低傳輸速率應用。無線傳感器網絡不傳輸語

音、視頻之類的大數據量的采集數據，僅僅傳輸一些采集到的溫度、濕度之類的簡

單數據。功耗低工作模式情況下，ZigBee技術傳輸速率低，傳輸數據量很小，因

此信號的收發時間很短，其次在非工作模式時，ZigBee節點處于休眠模式，耗電

量僅僅只有1NW。設各搜索時延一般為30ms,休眠激活時延為15ms,活動設備信

道接人時延為15ms。數據傳輸可靠ZigBee的介質鏈路層（以MAC層）采用CSMA,CA

碰撞避免機制。在這種完全確認的數據傳輸機制下，當有數據傳送需求時則立刻傳

送，發送的每個數據包都必須等待接收方的確認信息，并進行確認信息回復，若沒

有得到確認信息的回復就表示發生了碰撞，將再傳一次網絡容量大ZigBee定義了

兩種器件:全功能器件（FFD）和簡化功能器件（RFD）。網絡協調器（coordinator）是一

種全功能器件，而網絡節點通常為簡化功能器件。如果通過網絡協調器組建無線傳

感器網絡，整個網絡最多可以支持超過65000個ZigBee網絡節點，再加上各個網

絡協調器可互相連接，整個ZigBee網絡節點的數目將十分可觀。（）實現成本低模

塊的初始成本估計在6美元左右，

2.5美元，且ZigBee協議免專利費用。無線傳感器網絡中可以具有成千很快就

能降到1.5,

上萬的節點，如果不能嚴格地控制節點的成本，那么網絡的規模必將受到嚴重

的制約，從而將嚴重地制約無線傳感器網絡的強大功能。（6）兼容性ZigBee技術

與現有的控制網絡標準無縫集成。通過網絡協調器自動建立網絡，采用CSMA-CA方

式進行信道接入。

隨著社會的不斷發展，信息產業已經逐漸成為了國民經濟發展的重要支柱,而物

聯網作為新一代信息技術的重要組成部分成為推動人類文明向智能化方向發展的關

鍵技術。物聯網中的數據挖掘是物聯網技術中重要的一環,是未來物聯網應用數量

大規模增長后對物聯網產業的強力補充,本文分析了物聯網數據的特點以及物聯網

數據挖掘存在的困難，以及云計算的出現為物聯網數據挖掘提供了重要思路,文中論

斷云計算為物聯網提供了最具計算力和存儲力的平臺,并創新性的提出物聯網云的

概念。另外,在對平臺可行性及性能進行分析的過程中，本文提出了數據轉換器、開

放平臺接口等思路,使整個平臺有更好的擴展性,方便第三方開發和測試。目前，物

聯網應用的整體生態系統面臨很多挑戰,產業鏈中的不同人群也面臨著不同問題,本

文也給物聯網中這些問題的解決提供了很好的思路。

信息采集與處理系統-結構健康監測設計專題

2014-12-14結構健康監測

信息采集與處理系統

4.1信號的采集和調理

4.1.1信號采集時，數據采集站位置明確，滿足采集站之安全、環境、電力、

通訊路徑等要求，建議設置在結構物的計算機或消防控制中心;宜采用穩定的工控

機。4.1.2傳感器系統空間分布較分散時宜考慮設置多個采集站，各采集站與中

心信號采集儀相連，傳感器與采集站，采集站與中心采集儀的連接須可靠、穩定。

4.1.3采集站和中心采集儀都應能滿足數據的幅值、分辨率和容量的要求；

4.1.4監測系統應做到防雷擊、防滲水;機箱應有接地措施；當所測光、電等信號微

弱以致不易獲得時，宜選擇能滿足采集系統要求的信號放大器;信號放大前應進行

合理濾波以提高信噪比;信號放大器的安裝位置應滿足其所需的環境要求。

4.2數據的時間間隔與同步

4.2.1對于動力信號，數據的采樣頻率應在被測物理量預估最高頻率的5倍以

上；4.2.2建議大型復雜結構采用一級監測，中型結構采用二級，小型結構采用三

級。4.3數據的標準化

4.3.1建議長度單位為米，時間單位為秒，溫度單位為攝氏度。

4.3.2建議同時輸出以“公元1年1月1日1分1秒”為“1”，每隔一秒增

量為“1”的時間碼體系;如有必要則采用更高精度，時間碼精度同時提高。

4.5數據的凈化

4.5.2剔除粗差，保證監測數據的準確可靠;對于觀測值中的系統誤差，應該

盡可能按其產生的原因和規律加以改正、抵消或削弱;增加測量次數，減小偶然誤

差。4.6數據的取舍

4.6.1對短時間內頻繁發生的異常數據進行報警，要求現場技術人員查看現場

狀況、檢查傳感器的工作狀態以及相應傳輸線路和數據采集硬件的工作狀態，但采

集系統仍正常工作。在此過程中，對偶然的，瞬時的異常數據一般不作處理和存

儲。

4.6.2在所有經判斷無異常的數據存儲之前還需經過數據存儲準則的判斷，滿

足一定要求，具有分析價值的數據將被存入數據庫，以減小數據存儲量，閾值的設

定需視具體情況而定。

數據通信與傳輸系統-結構健康監測設計專題

2014-12-16結構健康監測

數據通信與傳輸系統

5.1一般規定

5.1.1數據采集系統應能從傳感器和其它待測設備等模擬和數字被測單元中自

動采集信息。5.1.2數據通信與傳輸系統應將系統采集到的數據傳輸到指定地

點，以便進行存儲、分析及發布等。

5.1.3數據通信與傳輸系統應具有對來自結構健康監測系統內外的各種信息予

以接收、存貯、處理、交換和傳輸的能力。

5.1.4數據通信與傳輸系統提供的各類接口，應通過系統布線引至各個數據采

集終端。

5.1.5數據通信與傳輸系統設計，必須保證數據傳輸的可靠性、高效性及數據

傳輸質量。5.2數據通信及傳輸方案

5.2.1基于信號的同步技術

采用基于時鐘同步模塊的時鐘頻率共享技術，每個采集設備中裝有時鐘同步模

塊，再用同軸電纜將各個設備相連，以其中之一作為主模塊，其余的作為從模塊。

主模塊內部的時鐘信號通過同軸電纜同步從模塊內部的時鐘信號。時間戳同步可以

采用網絡時間服務器。5.2.2基于時間的同步技術

系統各部分具有一個公共的時間基準參考，可以基于該基準時間生成事件、觸

發和時鐘。對于跨度較大的長距離傳輸，可以利用包括GPS、NTP.IEEE1588和

IRIG-B等各種時間參考，借助絕對定時實現測量結果的關聯與同步。

5.2.3有線傳輸

兩個通信設備之間使用物理連接，將信號從一方傳到另一方。常用的介質有雙

絞線、同軸電纜和光纜等，常用的接口有RS232、RS422、RS485和RJ45等。

5.2.4無線傳輸

兩個通信設備之間不使用任何物理連接，將信號通過空間傳輸的一種技術。通

?？煞譃闊o線廣域通信網（無線公網）和無線局域通信網兩種方式。常用的無線廣域

通信網絡有GPRS和CDMA兩種制式;常用的無線局域通信網有無線網橋和部門行業

專用頻率通信等。5.3設計要求

5.3.1數據采集系統設計，必須保證系統的采集準確度。

1.系統采集數據的有效位數應與歷史數據平均值的有效位數一致。2.系統

采集數據與歷史數據的差值應在合理范圍內。

5.3.2數據傳輸系統在設計，按照傳輸速度不同，選擇同步傳輸或異步傳輸。

1.低速數據傳輸宜采用異步傳輸；

2.高速數據傳輸宜采用同步傳輸。

5.3.3當數據傳輸系統選擇同步傳輸時，需要結合現場實際情況，綜合考慮傳

感器間距離、工程各階段特征及工程現場地形條件等因素，選擇合適的同步技術。

1.對于小范圍的結構健康監測系統，宜采用基于信號的同步技術。采用該技

術，在設計時還需考慮路線最優化，增加最少的信號放大設備。同時注意外部的突

發事件對信號可能造成的干擾。

2.對于大范圍的結構健康監測系統，宜采用基于時間的同步技術。

3.根據工程實際需要，可選取一種或兩種同步技術組合使用。

5.3.4數據通信與傳輸系統的設計必須堅持因地制宜的原則，綜合考慮數據通

信傳輸距離、工程各階段特征及工程現場地形條件、網絡覆蓋狀況、已有的通信設

施等因素，靈活選取合適的通信傳輸方式。

1.當工程現場存在無線發射設備，通信信號受干擾的情況下，應采用有線傳

輸方式。2.工程現場有強電磁場的環境下，應采取有效的電磁屏蔽措施，如無法

實施電磁屏蔽，應采用有線傳輸方式。

3.對于交通不便的深山峽谷、復雜地形、物理線路布設和維護困難的環境

下，宜采用無線傳輸方式。

4.需要構建臨時通信網絡的工程現場，宜采用無線傳輸方式。

5.根據工程實際需要，可選擇一種通信傳輸方式或多種通信傳輸方式進行組

合使用。5.3.5采用有線傳輸數據，設計時應優先考慮利用監測系統已有的光纖

通信網或部門局域互聯網等數據傳輸線路，增加最少的中繼器或轉發器，選取適當

的傳輸介質；同時應以現場數據采集器的接口為基礎，以增加最少的接口轉換器為

原則，選取適當的接口類型。

5.3.6采用無線傳輸數據，應根據工程現場營運的網絡、成本及現場實際情況

選擇合適的無線傳輸方式。

5.3.7數據通信與傳輸系統中應設計數據備份機制，以保證在通信傳輸線路故

障時數據的完整性和可靠性。

1.數據傳輸的發送端應至少保存最近7天的監測數據做備份。

2.常用的數據存儲介質為硬盤、磁帶、CF卡、SD卡等，宜設置雙卡槽以滿足

連續觀測需要，其容量選取應以結構健康監測系統每天接收的數據量為依據。

5.3.8數據通信與傳輸系統設計應具備以下基本資料：

1.工程場地與環境條件的有關資料

(1)工程場地的現狀平面圖，包括交通設施、高壓架空線、地下管線和地下構

筑物的分布；(2)水、電及有關建筑材料的供應條件；

(3)周圍建筑物的防振、防噪聲等要求。

2.建筑工程的有關資料

(1)工程總平面布置圖

(2)工程基礎平面圖和剖面圖

5.4質量控制

監測數據是決策部門做出評判的基礎資料，因而作為聯系監測現場與遠程控制

中心的數據通道要確保高效、準確無誤地傳輸。為實現該目標，制定以下質量控制

措施。5.4.1數據通信與傳輸系統中應采用握手協議進行流量控制，保證通信線

路暢通。握手分為硬件握手和軟件握手。

1.硬件握手通過握手線的交互作用進行主控端和被控端的數據交流，在通信

數據將要傳輸時，通過握手線的高低電位變化控制數據傳送與否。

2.軟件握手以數據線上的數據信號代替實際的硬件線路。常用的軟件握手是

XON/XOFF協議。

5.4.2為了提高海量數據傳輸的可靠性，必須根據系統前端傳感器單位時間采

集的數據，結合設計的傳輸實際通信能力，對數據進行分包處理，以包為單位實施

傳輸。開發的相應數據傳輸軟件在設計中必須采用應答模式，并引入檢校-重發-補

發機制進行誤碼控制，以保證數據的可靠性及完整性。數據包設計必須按照以下規

定要求，格式見圖5.4.1.

開始位

控制參數

標識信息

數據段

校驗段

結束位

圖5.4.1數據包設計要求

1.將海量數據文件根據設計的傳輸速率，劃分若干數據段。

2.為了區分不同傳感器、不同數據采集終端發送數據，必須在每個數據段前

加入標識信息，標識信息位數應能區分各不同傳感器、不同數據采集終端，以便接

收端可以根據標識信息加以區分。

3.為保證數據傳輸的可靠性，必須對傳輸數據進行校驗，可采用奇偶校驗或

循環冗余校驗(CRC),并將校驗碼加入數據段后。

4.為區分每個數據段，按圖5.4.1加入開始位及結束位。

5.為區分不同傳輸文件，在文件的開頭和結束位置，加入包標識信息，定義

請求發送包和文件結束包。

5.4.3數據通信與傳輸系統中必須設計校驗機制，在傳送和接收兩方對數據進

行確認以降低誤碼率。常用的校驗方法有奇偶校驗和(CRC)兩種。

1.奇偶校驗是在傳送字符的各位之外，再傳送1位奇校驗位或偶校驗位，分

別為奇校驗方式或偶校驗方式。奇偶校驗不能糾錯，但發現錯誤后可以要求重發。

2.循環冗余校驗(CRC)采用除法及余數的原理進行錯誤偵測。對數據質量要求

較高或數據傳輸量較大的場合，宜采用CRC校驗。常用的CRC位數有8、16、32

位，大型工程結構健康監測系統的數據通信設計時宜采用16位的CRC校驗。

3.接收端將計算得到的奇偶校驗或CRC校驗碼與數據包包含的校驗碼進行比

較，二者一致，接收端給發送端確認信息，繼續發送下一數據包。若校驗不合格，

接收端發送相應信息，要求發送端重新發送該數據包。

5.4.4數據開始發送時，發送端應發送請求包，并等待接收端響應，以確保數

據通道暢通。在文件結束時，發送端發送結束包，并等待接收端響應。

5.4.5當數據通道發生故障而中斷，在故障排除后，數據通信與傳輸系統應具

有補發功能，將中斷時間段內所有數據發送到接收端。

5.4.6對于數據通信與傳輸系統的應答、重發和補發模塊應設置時限，避免因

應答等待、重發及補發影響正常數據發送。建議利用數據通道空閑時段完成補發數

據傳輸。5.5其他問題

5.5.1工程現場應有安置通信設備的專有或公用的觀測房，觀測房應符合以下

要求：

1.電力比較穩定可靠，交通方便，自然環境比較清潔。

2.遠離產生粉塵、油煙、有害氣體以及生產或貯存具有腐蝕性、易燃、易爆

物品的工廠、倉庫、堆場等。

3.遠離強振源和強噪聲源。

4.避開強電磁場干擾，無法避開時應采取有效的電磁屏蔽措施。

5.應有必要的防雷、防火設施。

6.觀測房內部溫度、濕度等條件應滿足通信及其他設備的工作環境要求，不

能滿足的應采取有效的調節措施。

5.5.2數據通信與傳輸系統的線路應采取一定的防護措施，對有線傳輸線路應

采用PVC或鋼管等加以保護。

5.5.3工程施工及運營階段應根據實際情況制定應對特殊突發情況的緊急預

案。5.5.4本標準如有未盡事宜，應依照實際情況遵循國家現行的其他有關標準

規定執行。

損傷識別與安全評估方法-結構健康監測設計專題

2014-12-17結構健康監測

損傷識別與安全評估方法

6.1模態參數識別方法

6.1.1結構模態參數識別的定義

在系統模型已知的情況下，用實測的輸入與輸出數據來識別描述系統特性的各

種物理參數，如系統的質量、剛度及阻尼，稱之為“參數識別”。

如果實際結構可以運用所謂的“模態模型”來描述其動態響應，則通過實驗數

據的處理和分析，尋求其“模態參數”的過程，稱之為模態參數識別。

6.1.2結構模態參數識別的目的

1通過模態試驗，一般情況下可獲取結構自振頻率、振型、模態阻尼比，如有

特殊要求，可獲取模態剛度、模態質量等結構動力特性參數。

2獲取的結構動力特性參數，可為結構計算模型修正提供依據，并為結構損傷

識別提供基礎數據。

6.1.3模態試驗的基本要求

1結構模態試驗前，應根據試驗目的制定符合相關技術要求的試驗方案，并進

行必要的計算。

2模態試驗應符合下列要求：

(1)傳感器宜選擇高靈敏度的低頻傳感器；

(2)測點布置應盡量避開振型節點和反節點處，所布測點數不應少于所測模態

階數的2倍，宜對稱布置同時采集;

(3)試驗時應避免環境及系統干擾；

(4)采樣頻率應滿足采樣定理的基本要求；

(5)采樣時間要保證數據有足夠的長度；

(6)當測點較多而傳感器數量不足時，可以分批測量，每批測試應至少保留一

個共同的參考點。

6.1.4數據處理方法

大跨橋梁、大型建筑等土木工程結構，通常難以對其實施人工激勵，可以采用

隨機振動識別理論，通過測量“環境激勵”下的輸出響應來識別結構的模態參數。

環境激勵下的工程結構模態參數識別方法可以分為三大類:頻域識別方法、時

域識別方法和時頻域方法。

6.1.5在線識別技術

“在線”強調的是模態參數識別的實時性和自動性。相對于普通的基于現場測

試的模態試驗而言，在線模態參數識別具有全天候、快速、實時的優點，由于實際

結構在不同環境下其動力特性會有所不同，如邊界條件、溫度的變化，臺風、運營

荷載等，只有實時分析才能獲取整個結構的動力特性變化情況。

6.2損傷識別方法

6.2.1總體要求

1工作目標

結構的損傷識別是指利用結構的響應數據來分析結構物理參數的變化，進而識

別結構的損傷。

2深度要求

(1)損傷識別根據工作深度可以由淺入深逐次分為損傷預警、損傷定位、損傷

定量、損傷評估;

(2)損傷預警應給出結構是否發生損傷的明確判斷，并對相應的判斷閾值進行

說明；

(3)損傷定位應給出結構發生的損傷位置，可給出損傷位置的幾何坐標，也可

給出損傷單元或者構件的編號；

(4)損傷定量應以百分比的形式給出發生損傷的單元或者構件的損傷程度；

(5)損傷評估應對結構的損傷后的性能退化做出綜合評估，對結構損傷后的殘

余壽命進行科學預測。

6.2.2動力指紋法

可選用固有頻率、固有振型等模態參數及其各種導出量來構建結構的動力指

紋，根據動力指紋的變化來辨識結構的損傷。

常見的結構動力指紋包括固有頻率比、固有振型變化、振型曲率、應變模態振

型、MAC、COMAC,柔度曲率、模態應變能、里茲向量等，結構損傷識別時，可根據

實際需要選用其中的一種或者多種。

6.2.3模型修正法

若有高精度的有限元基準模型可供利用時，可采用模型修正的方法進行結構物

理參數辨識進而實現結構損傷識別的目的。

模型修正是利用結構實測數據(一般是模態參數)來修正結構的初始理論模型，

使修正后的結構模型的響應與結構的實測響應相一致。用模型修正法進行損傷識別

時，應把有限元基準模型作為結構的初始理論模型，把損傷后的結構響應作為結構

實測數據。

用于損傷識別的常用的模型修正方法可分為:矩陣型修正方法、元素型修正方

法、誤差因子修正方法(子矩陣修正方法)、設計參數修正方法。

6.2.4神經網絡法

神經網絡是一種基于數據的非參數化非線性建模方法，其用于損傷識別的基本

步驟，是構建結構的損傷數據集合，對神經網絡進行訓練，校驗神經網絡的有效

性，利用訓練得到的神經網絡模型進行損傷識別。

結構的損傷數據應根據用途劃分為訓練集、校驗集、測試集。為了得到較好的

結果，訓練集一般應進行歸一化。

可供選用的神經網絡模型有:BP神經網絡，RBF神經網絡，概率神經網絡、自

組織神經網絡、模糊神經網絡等。

神經網絡的拓撲結構應根據所解決的問題來選擇，也可采用試錯法或遺傳算法

以及其他優化方法確定。

6.2.5其他方法

結構損傷識別也可采用有文獻報道證明可行的其他方法。如小波包能量譜方

法、支持向量機方法、ARMA模型方法、響應面法、奇異值檢驗方法、考慮不確定

性的統計方法等。6.3安全評估方法

6.3.1一般原則

1結構在規定的設計使用年限內應具有足夠的可靠度。結構可靠度可采用以概

率理論為基礎的極限狀態設計方法分析確定。

2結構在規定的設計使用年限內應滿足下列功能要求：

(1)在正常施工和正常使用時，能承受可能出現的各種作用；

(2)在正常使用時具有良好的工作性能；

(3)在正常維護下具有足夠的耐久性能；

(4)在設計規定的偶然事件發生時及發生后，仍能保持必須的整體穩定性。

3施加在結構上的荷載宜采用隨機過程概率模型描述。

4結構構件的可靠指標宜采用考慮基本變量概率分析類型的一次二階矩方法進

行計算。6.3.2確定性方法

結構安全評估的確定性方法可以采用層次分析法和極限分析法。

6.3.3可靠度方法

1構件可靠度分析法

結構構件可靠度分析方法主要分為兩大類。一類是解析算法，包括改進的一次

二階矩法、二次二階矩法、JC法等;另一類是隨機模擬法，包括蒙特卡羅法、隨機

有限元法等。

2體系可靠度分析法

結構體系可靠度分析法可以采用界限估算法、串聯及并聯和混聯體系可靠度計

算法、概率網絡估算技術方法、蒙特卡羅法、分枝界限法等。

數據庫系統及其運行管理-結構健康監測設計專題

2014-12-18結構健康監測

數據庫系統及其運行管理

7.1數據庫系統的目標與設計原則

7.1.1結構健康監測數據庫系統是一個實時運行的存儲、維護和為應用提供數

據管理與分析的軟件系統，是存儲介質、處理對象和管理系統的集合體。系統由軟

件、數據庫和數據管理員等組成。其軟件主要包括操作系統、應用程序以及數據庫

管理系統。數據庫由數據庫管理系統統一管理，數據的插入、修改和檢索均要通過

數據庫管理系統進行操作。數據管理員負責創建、監控和維護整個數據庫，使數據

能被授權用戶有效使用。

7.1.2數據庫設計是建立數據庫及其應用系統的核心技術，它是指利用現有的

數據庫管理系統，構造最優的數據模式，建立可用的數據庫和應用系統，以便能夠

更為有效地存儲數據，滿足用戶的應用需求，包括數據需求和處理需求。

1.數據共享是指系統所有用戶可同時訪問數據庫中的數據。同文件系統相

比，由于數據庫實現了數據共享，避免了用戶各自建立應用文件而帶來的數據冗余

問題，同時數據共享有利于維護數據的一致性。

2.進行系統數據庫設計時需要根據傳感器數量、采樣頻率、監測時間等因素

估計數據庫的容量，保證數據有效的存儲和使用。

3.各種軟硬件平臺日趨多樣化，為了滿足各種不同平臺系統的要求，應用軟

件的設計必須遵循開放系統的原則，與平臺無關。

4.遵循公共的國際標準，以方便今后的升級維護。

7.3數據庫設計基礎要求

7.3.1在線實時數據處理分析包括對實時采集的數據進行處理分析，用戶處于

在線工作狀態。離線數據處理分析則主要是對某一時段以前的存檔數據進行處理和

分析。7.3.2

1.傳感器一般包括對環境信息、荷載信息、結構響應信息和結構形態信息進

行監測的設備，常用的傳感器類型詳見第3章。故障檢測包括定時輪詢監測報警，

用戶根據實際設定失效報警時間。

2.監測信息的自動導入指的是將觀測數據通過傳輸模塊進行預處理后導入到

數據庫中。數據導出的目的是便于為專業分析軟件工具進行進一步的數據分析。預

案處理包括監測信息預警機制以及相應處理措施的描述信息等。

3.結構評估分析要依據結構分析模型進行定量分析，如果分析模型有改進，

系統要支

持利用新的評估模型進行分析的機制。

4.結構模型信息描述了進行評估分析時使用的評估規則和所需要的模型，評

估規則本身可以添加、刪除，需要描述參數的數據類型、返回的數據類型等。

5.數據轉儲主要利用數據庫管理系統自身提供的歸檔功能進行數據歸檔，歸

檔使用的大容量存儲設備包括大容量磁盤、光盤、磁帶等二級存儲設備，系統元數

據記錄歸檔數據基本信息。

6.用戶管理內容涉及：

(1)用戶屬性定義。數據庫管理系統安全功能應給出每個用戶與標識相關的安

全屬性，如標識符、組等。如果數據庫管理系統安全功能維護自己的標識與鑒別數

據，那么它應保證每個用戶個體在數據庫管理系統和其他系統安全功能中信息一

致。

(2)用戶標識。數據庫管理系統的安全功能應預先設定數據庫管理系統代表用

戶執行的、與安全功能相關的動作;在標識之前，安全功能允許數據庫管理系統執

行這些預設動作。在其他的安全功能引起的操作動作之前，數據庫管理系統的安全

功能要成功地標識每個用戶。應對注冊到數據庫管理系統中的用戶進行標識。用戶

標識信息是公開信息，一般以用戶名和用戶ID實現。為了管理方便，可將用戶分

組，也可使用別名。無論用戶名、用戶ID、用戶組還是用戶別名，都要遵守標識

的唯一性原則。用戶標識分為：

1)基本標識:應在數據庫管理系統安全子系統的安全功能實施所要求的動作之

前，對提出該動作要求的用戶進行標識；

2)唯一性標識:應確保所標識用戶在信息系統生存周期內的唯一性，并將用戶

標識與審計相關聯。

(3)標識信息管理。應對用戶標識信息進行管理、維護，確保其不被非授權地

訪問、修改或刪除。

(4)用戶鑒別。數據庫管理系統的安全功能應預先設定數據庫管理系統代表用

戶執行的、與安全功能相關的動作，在用戶被鑒別之前，允許數據庫管理系統執行

這些預設動作。在其他的安全功能引起的操作動作之前，數據庫管理系統的安全功

能應成功地鑒別每個用戶。應對登錄的數據庫管理系統的用戶進行身份真實性鑒

別。通過對用戶所提供的“鑒別信息”的驗證，證明該用戶確有所聲稱的某種身

份，這些“鑒別信息”必須是保密的，不易偽造的。用戶鑒別分為：

1)基本鑒別:應對數據庫管理系統安全子系統的安全功能實施所要求地動作之

前，先對提出該動作要求的用戶成功地進行鑒別。

2)不可偽造鑒別:應檢測并防止使用偽造或復制的鑒別數據。一方面，要求數

據庫管理系統安全子系統的安全功能應檢測或防止由任何別的用戶偽造的鑒別數據;

另一方面，要求數據庫管理系統安全子系統應檢測或防止當前用戶從任何其他用戶

處復制的鑒別數據的使用。

3)一次性使用鑒別:應能提供一次性使用鑒別數據操作的鑒別機制，即對數據

庫管理系統安全子系統的安全功能應防止與已標識過的鑒別機制有關的鑒別數據的

重用。

4)多機制鑒別:應能提供不同的鑒別機制，用于鑒別特定事件的用戶身份，并

且對數據庫管理系統安全子系統的安全功能應根據所描述的多種鑒別機制如何提供

鑒別的規則，來鑒別任何用戶所聲稱的身份。

5)重新鑒別:應有能力規定需要重新鑒別用戶的事件，即對數據庫管理系統安

全子系統的安全功能應在需要重鑒別條件所指示的條件下，重新鑒別用戶。

(5)鑒別失敗處理。數據庫管理系統的安全功能應檢測到與鑒別事件相關的不

成功的鑒別嘗試，當不成功鑒別嘗試的次數達到或超過了定義的界限時，安全功能

應終止會話建立的進程。

(6)訪問歷史。在會話成功建立的基礎上，數據庫管理系統的安全功能應顯示

用戶上一次成功會話建立的日期、時間、方法、位置等。數據庫管理系統的安全功

能應顯示用戶上一次不成功的會話嘗試的日期、時間、方法、位置等，以及從上一

次成功的會話建立以來的不成功的嘗試的次數。

7.數據庫的安全包含兩層含義:第一層是指系統運行安全，系統運行安全通常

受到的威脅包括一些網絡不法分子通過網絡、局域網等途徑通過入侵電腦使系統無

法正常啟動，或讓系統超負荷運行大量算法，并關閉CPU風扇，使CPU過熱燒壞等

破壞性活動;第二層是指系統信息安全，系統信息安全通常受到的威脅包括黑客對

數據庫入侵，盜取系統內的資料。因此數據庫管理系統的安全既要考慮對數據庫管

理系統的安全保護，也要考慮對數據庫管理系統中所存儲、傳輸和處理的數據信息

的保護(包括以庫結構形式存儲的用戶數據信息和以其他形式存儲的由數據庫管理

系統使用的數據信息)。所以對數據庫管理系統的安全保護的功能要求，要從系統

安全運行和信息安全保護兩方面綜合進行考慮。

(1)網絡安全管理與安全保護:主要指的是系統運行的外部安全環境，一般包

括網絡管理軟件和安全保護系統。前者用于防止外部用戶入侵系統所在的網絡，后

者則主要是各種防病毒軟件。

(2)數據庫容災備份主要防止系統因一些不可抗因素導致硬件設備的損壞而采

取的備份策略。

(3)敏感信息標記用于標識數據庫系統中需要特別保護的數據或對象，依據使

用方式的不同可以標識為公開、秘密、機密和絕密四個等級。敏感信息的安全設置

一般由系統安全員進行設置。對于支持有效期的各種安全屬性，數據庫管理系統的

安全功能應限制授權管理員規定有效期的能力。數據庫管理系統的安全功能應支持

授權管理員對有效期后所采取的活動做出規定。

(4)系統使用日志審計:一般由系統審計員進行審計，審計內容涉及一般信息

與敏感信息操作使用的歷史，以便追蹤信息被破壞、泄漏的原因。

數據庫管理系統宜采取以下措施抵御威脅:

1）數據庫管理系統中，主體對客體的訪問受系統安全功能的限制和裁定，特

定客體的訪問權限由主、客體安全屬性、用戶身份和環境等條件所決定，這些條件

應在對應的安全策略中規定。

2）數據庫管理系統應對系統用戶進行標識和鑒別，并通過系統審計來記錄用

戶的操作和所造成的影響，使用監督和事后評判等機制，保證用戶的責任可追溯、

行為得到控制。

3）在物理上分離的部件之間傳遞信息流應遵從數據庫管理系統中所確定的信

息流策略。

4）數據庫管理系統所保護的資源僅限于需要了解該資源的授權用戶知曉并進

行訪問和修改。

5）數據庫管理系統應維護主體及客體的敏感標記（安全級別），以此作為實施

訪問控制的基礎。

6）在數據庫管理系統的空閑存儲客體空間中，對客體初始指定、分配或再分

配前，需要撤銷客體所含信息的所有授權。

7）當主體獲得對一個已被釋放的客體的訪問權時，當前主體不能獲得原主體

活動所產生的任何信息。

7.4數據庫的組成

7.4.1數據庫的組成與數據庫的功能相對應。

2.風速和風向屬于環境信息，而風壓是直接作用在結構上的風荷載；同樣地，

環境溫度屬于環境信息，構件的實際溫度與溫度荷載直接相關。各類原始信息和附

加信息的記錄存

儲依監測內容而異。比如，風速一般要記錄三秒鐘極值風速、十分鐘平均風

速、每小時平均風速、風玫瑰圖、風譜圖。地面脈動加速度要記錄時程曲線、功率

譜;車輛荷載一般要記錄輪軸重量、總重、數量、車輛類型;環境溫度和太陽輻射強

度要記錄每小時信息，統計日月年的最高溫度、最低溫度、及溫差;結構加速度要

記錄存儲時程曲線、功率譜;靜態應變、位移、傾角宜與環境溫度同步記錄，混凝

士應變應記錄徐變和收縮;結構坐標包括三個方向的大地坐標。

4.評估結果包括分析結果以及數據之間的相關性等。評估結果以定期和以專

題事件為單位的方式記錄;定期記錄為單位指每個月、季度或年的結果;專題事件記

錄指突發事件（地震或臺風）發生后的專題分析結果。

7.4.2轉儲數據的元數據信息中，本地信息庫中要記錄轉儲數據的定位、識別

信息等，轉儲到外部的數據可提供所轉儲信息的概要描述信息。

7.4.3信息分類是根據信息內容屬性的排列順序，將信息按一定的原則和方法

進行區分和歸類，并建立起一定的分類系統和排列順序，以便管理和使用信息。信

息編碼是在信息分類的基礎上，將信息對象賦予有一定規律的、易于計算機和人識

別與處理的符號。

傳感器信息宜根據傳感器的類型分類并根據所在空間位置或所屬子站編碼，比

如某加速度計的一個通道的編碼為

7.5數據庫選擇的其它因素

7.5.1數據庫相關的主要軟件產品包括數據庫管理系統、設計建模工具和管理

工具。選擇并統一數據庫相關的軟件產品，可使數據庫管理員能夠更關注于該產

品，可使各層次人員的數據管理經驗得以共享，從而可以大大提高數據管理水平和

效率。統一數據庫相關的軟件產品也可以減少不同系統之間進行數據