基于橋梁健康監測的傳感器優化布置研究現狀與發展趨勢

張 宇

（沈陽建筑大學，遼寧 沈陽 110000）

1 傳感器監測項目優化

大型橋梁健康系統監測項目的種類較多，一般分為輸入輸出，靜態和動態，整體和局部，同時還包含了研究方向的劃分。當前，在對其進行具體的應用以及研究過程中，橋梁健康監測項目主要是將經驗為基礎的。并且運用對于斜拉橋病害進行調查以及監測從而完成分析，相關學者總結出了斜拉橋狀態監測以及評估自身的代表性監測項目。總結了多個斜拉橋的特點，研究了典型橋梁健康監測方法自身的適用性。

確定監測項目的依據主要包括三個方面：健康數據庫，風險分析和脆弱性分析。具體考慮因素包括局部和整體之間的關系，動態和靜態分析的需要，健康監測和人工檢查。

要設計大型橋梁結構的監測系統，首先需要對橋梁自身的結構特點和各方面系統功能提出的要求進行考量，同時對于系統需要獲得哪些信息與系統實施的目的進行確認；其次，應結合監測成本，實現效益最大化，科學經濟。角度來確定監控項目。相關的分析，可以看出是何種項目需要持續的去完成監測，用于周期監測以及日常進行監測的項目，并且何種項目需要運用專用檢測設備去對所需要的數據進行獲取。在健康監測系統其自身進行具體應用的過程中，因為能夠按照待研究問題其自身的性質去對理論研究有關的監測項目給予確認，因此其自身有著比較大的隨機性，無法令實施效果得到保證。因此，有學者認為監測系統的設計一定要按照功能要求以及效益成本去對這兩個標準進行分析。首先，監測系統的設計需要對系統的目的以及功能進行考量。針對一些特別的橋梁，設置健康監測系統的目的主要是針對橋梁監測以及評估，或設計驗證，甚至研究和開發。因此，假如針對系統的目標以及功能進行確認，就可以確定系統的監控程序。其次，采集和傳輸系統需要綜合考慮監測系統中每個監測項目的規模和所用傳感器的類型，根據目的設計監測項目和測量點數量去完成功能設置與效益成本分析。

2 傳感器數量上的優化

確定監控項目后，下一步就是需要對傳感器的數量進行確定。優化理論研究的傳感器數量和傳感器位置不僅能夠合理的減少監測成本，還能夠使得監測系統處置信息的效率得到提升，目前傳感器的數量主要由經驗以及經濟因素考慮與確認，有著非常大的隨機性以及不確定性。

在設計監測系統模態監測時，傳感器的初始優化主要是有相關人員自身的經驗去給予確定，或者是參照振動理論，按照測試的模態其自身的數量去予以確認。很多學者還根據彈性波傳播原理去對了特定結構傳感器排列本身的極限間距給予有效的確認。最開始則需要對于測試所需要涉及到的傳感器數量給予確認，通常的做法是與當前經濟要求相相互融合考慮其之后的數量的傳感器，同時根據優化的放置標準確定測量點的放置。一些學者研究了最小數量的傳感器，以滿足不同的模態能夠觀測性以及損傷識別的要求。這一領域的研究主要局是局限在理論分析以及數值模擬上。

3 傳感器位置優化

3.1 針對模態其自身觀測性的傳感器去完成布置方法的優化

傳感器當前的優化布局其中比較主要的特性可以說是系統自身的可觀察性，它展現出了傳感器站點在當前結構監測，健康評估或系統控制里提供主要狀態參數信息的一種能力。針對模態可觀測性其自身經常使用到的優化標準包括傳輸誤差比較小的一個準則，系統能量準則，模型減少準則和模態保證準則。

由于在大多數情況下首先需要運用參數識別的方式去對模態測試的結果進行確認，所以當前有很多文獻通過最小化的方式去對參數的誤差進行識別使其能夠令傳感器布置得到優化。基礎思想則是在得到Fisher信息矩陣的過程中運用系統參數去完成誤差無偏估計的識別。在最大值的時候，系統參數識別的錯誤較小。比較有影響力的一種配置方式為Kammer指出的一種合理的獨立（EI）方法。其基礎思想主要是按照候選傳感器點對于目標模態分量的一種具備線性獨立性質的一種貢獻其自身主要是對于傳感器位置給予排序，優化Fisher信息矩陣，并進行迭代。這種方式得到的是一組傳感器的優化點。然而，這一方法沒有針對結構質量分布自身的不均勻性進行考量，并且能夠存在所選傳感器其自身的位置能量比較低并且出現信息丟失的問題。

3.2 針對損傷可識別性的傳感器優化布置方法

針對損傷識別的一種傳感器優化布置要求由有限數量的點測量的數據可以盡可能地識別結構損壞，也就是傳感器一定要擺放在對結構造成損壞并不是比較敏感的部位，并且獲得的性能矩陣結構響應其中還需要涉及到盡量比較多的結構損壞。當前，針對損傷識別所進行的傳感器優化研究還是比較少的。

Cobb等人首先研究了用于結構損傷識別的這種傳感器其自身的布局較為適宜。在對于結構特征敏感性進行分析的基礎上，還對于模態變化與結構損傷彼此存在的聯系進行分析。認為損害程度受模態信息的限制。隨后，一些研究人員基于敏感性分析和脆弱性分析進行了相應的研究。模態可觀測性和針對損傷可識別性的一種傳感器優化布置上存在差異。適合使用在模態可觀測性標準方式不完全適用于針對損傷可識別性的一種傳感器優化的放置標準。靈敏度分析方法（SAM）和脆弱性分析在具有損傷可識別性的傳感器在進行布置優化過程中能夠獲得非常好的結果。

3.3 其他傳感器優化布置方法

盡管隨機類優化算法并不是完成傳感器優化排列的唯一一種方式，可是其自身仍然存在一定過得問題主要是表現在收斂的速度比較慢，并且迭代次數相對較多等缺點，隨機類優化算法自身有著非常好的并行性以及全局搜索優勢，可以獲得更好的配置。隨機優化算法其中主要涉及到了遺傳算法（GA）以及模擬退火算法。于姚等人首先使用信息數組的行列式值作為基于有效獨立方法的適應度值，并嘗試運用對于遺傳算法進行使用使得以前的迭代算法得到改變。Frauchi等人應用遺傳算法使其能夠對傳感器優化放置進行研究。當前所進行的這些研究對于遺傳算法在當前傳感器優化安排中的可行性給予了驗證。然后將遺傳算法一個接一個地應用于工程實例。同時，一些學者比較了遺傳算法和傳統序列方法疏忽的配置改善效果。其中發現遺傳算法能夠使用并不是很多的傳感器獲得橋的整體狀態，并具有實際應用。識別準確度更高。由于遺傳算法自身存在的這種早熟問題，為了能夠有效的抑制早熟問題，很多研究人員試圖將擁有強局部搜索能力的一種模擬退火算法的引入遺傳算法，并使用模擬退火算法來優化選擇個體。遺傳算法實現快速搜索，然而，該領域的研究不多，但發展潛力是巨大的。

3.4 布局評估標準的優化

Penny等提出了五種評估各種傳感器放置方法優點的定量標準：模態的相關標準，并且令模態保證標準得到修復，模式矩陣的條件數標準，模態動能標準以及Fisher信息矩陣標準。前三個標準在對于實驗模態向量正交性上起到了不可忽視的主要作用，并且相對容易實現，模態保證標準是最廣泛使用的。然而，缺點則是所有這些標準考慮的只是每一個模態空間的角度，并且無法令測量點對待識別參數的靈敏度保持在最適宜的狀態。模態動能標準能夠令傳感器排列自身的反應幅度得到保證，同時還能夠便于數據的采集，使得測量抗噪能力得到提升。Fisher信息矩陣準則可以確保測試信號的估計測量信號的最小偏差，并且可以用于評估測量模式和有限元分析模態的相似程度，也就是噪聲對于測量模態參數產生的影響。因此，在實際應用中，需要按照實際的結構方式，傳感器的數量和測量要求，綜合選擇最佳配置標準和配置方法。

傳感器監控項目，傳感器數量以及傳感器安裝位置彼此之間存在的相關性是較為強大的。例如，監控項目自身的類型界定了所選擇傳感器自身的數量，傳感器自身的類型與能夠完成安裝的位置。除了經濟方面的考慮外，使用的傳感器數量在極大程度上還會受到安裝位置帶來的制約，需要綜合對多種因素進行考量。

4 存在的不足

針對橋梁健康監測的系統，怎么樣使得傳感器布局得到優化使其能夠較好的地服務于當前整體的系統可以說還是需與進行深入分析與處置的一個問題。雖然有許多方法可以優化傳感器的放置，但仍存在以下幾個缺點：

（1）各種傳感器優化方式只是對于局部存在的問題有效，仍然沒有合理的去令傳感器評估布局評估標準得到統一。各種算法基于它們各自的評估目標。盡管它們在形式以及理論上存在一定的聯系，但對于相同的結構，不同算法的結論在同種條件下經常是存在一定差異的。對于大型空間結構，其中不但有非常多的結構上的不確定性，并且還在較為復雜的自然環境里進行工作。這些不利條件也為監測結構的進行帶來了很大的困難。

（2）監測項目的研究應用主要是針對先驗知識，令理論研究自身的應用較具體的建設需要落后。

（3）盡管已經提出了許多用于優化傳感器位置的方法和指南，但是仍然難以確定適當數量的傳感器，并且在該領域中的研究很少。

5 發展趨勢

（1）結合不同的方法形成新的混合算法往往具有兩者的優點，如EI方法和MAC方法相結合，形成混合算法，并基于隨機算法，基于損傷敏感性的傳感器優化。它也吸引了越來越多的研究人員的關注和研究。

（2）對于結構，當發生損壞時，損傷部分的應力，應變模態信息或曲率信息通常比位移模式更敏感。大多數國家對應變模式和曲率模式的研究主要集中在損傷識別領域，但傳感器關于應變模式和曲率模態信息的信息尚未引起重視。因此，靜態應變傳感器的最佳放置具有很大的發展潛力。

（3）將傳感器優化理論方法轉化為軟件是理論與實踐最有效的指導方法，也是理論實踐的最直接檢驗。許多學者已經開始關注如何在傳感器優化布置中提高優化算法的計算效率，減少迭代計算量，并開發傳感器優化工具包。

（4）性能良好的傳感器系統，結合經濟和技術效果，實現健康監測系統的預期技術目標，并為橋梁狀態評估提供可靠的分析數據。從現有橋梁健康監測系統的角度來看，傳感器系統的研究設計和安裝往往是在橋梁建成后。同時，在橋梁施工過程中，用于施工監測的傳感器和橋梁載荷測試傳感器的安裝通常獨立于健康監測。在系統之外，這些實踐錯過了整合橋梁和廢物資源的原始關鍵信息的機會。因此，健康監測系統的設計應與橋梁設計相結合，并應考慮橋梁施工過程中的施工監測和荷載試驗來設計傳感器系統。根據特定橋梁結構的形式全面考慮傳感器系統的設計

6 結語

傳感器優化布置可以說是橋梁結構健康監測系統合理性和準確性以及長期性與經濟性的主要步驟，通過從很多不同方面去對多種傳感器優化布置算法的起源以及發展進行介紹，并且對于傳感器優化布置研究工作提供了有效的借鑒。