結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)壓縮采樣與重構(gòu)方法研究

本項(xiàng)目在國(guó)內(nèi)外土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域首先開(kāi)展了數(shù)據(jù)壓縮采樣的研究，研究了數(shù)據(jù)稀疏分解的正交匹配追蹤（OMP）算法，獲得信號(hào)的稀疏表示；由于結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)具有稀疏性，因此研究了結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)的壓縮采樣；研究了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)聲發(fā)射數(shù)據(jù)壓縮采樣的OMP算法；為增加無(wú)線(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)聂敯粜裕岢隽嘶趬嚎s采樣技術(shù)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)丟失的恢復(fù)方法，并將算法嵌入到美國(guó)UIUC大學(xué)B.F. Spencer教授研制的Imote2無(wú)線(xiàn)傳感器里?？紤]測(cè)量噪聲，提出了Bayesian壓縮采樣方法。并進(jìn)一步將壓縮采樣方法擴(kuò)展用于具有稀疏解的系統(tǒng)識(shí)別反問(wèn)題，提出了基于壓縮采樣理論與子結(jié)構(gòu)靈敏度分析的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法。研究成果采用山東濱州黃河公路大橋、哈爾濱松浦大橋以及國(guó)家游泳中心等現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，取得好的結(jié)果。項(xiàng)目研究成果可用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)壓縮，無(wú)線(xiàn)傳感器和傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)魯棒傳輸，具有稀疏解的系統(tǒng)識(shí)別問(wèn)題。為土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析與處理的發(fā)展提供了新的思路，具有重要的理論意義和實(shí)際價(jià)值。 2100433B

作為智慧地球計(jì)劃中物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是多個(gè)領(lǐng)域的熱點(diǎn)與前沿研究方向。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行積累了海量的動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)，帶來(lái)了數(shù)據(jù)災(zāi)難；而無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也需要存儲(chǔ)和傳輸盡可能少的數(shù)據(jù)。因此，數(shù)據(jù)壓縮方法是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的重要研究課題。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)壓縮遵循采樣定理，首先采集完整的數(shù)據(jù)，然后再進(jìn)行壓縮，這種方法的效率較低。近年來(lái)，應(yīng)用數(shù)學(xué)領(lǐng)域在壓縮采樣理論上的突破性進(jìn)展，為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)壓縮開(kāi)辟了嶄新的途徑。本項(xiàng)目充分利用數(shù)學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)進(jìn)展，突破采樣定理的限制，研究結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)的壓縮采樣方法，即采集的數(shù)據(jù)既是被壓縮的數(shù)據(jù)。首先研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)稀疏分解的GA與MP混合算法，以及動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)壓縮采樣和 Bayesian壓縮采樣方法；然后，分析壓縮采樣的數(shù)據(jù)重構(gòu)解壓誤差及其對(duì)結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)和損傷識(shí)別精度的影響；最后，研究在實(shí)際橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用。

目前對(duì)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和振動(dòng)控制的研究基本是分別進(jìn)行，缺乏對(duì)建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)與振動(dòng)控制實(shí)時(shí)結(jié)合進(jìn)行研究。項(xiàng)目研究針對(duì)現(xiàn)有研究的不足和實(shí)際結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)與控制的需求，尤其是若干需解決的問(wèn)題。進(jìn)行：1）結(jié)構(gòu)未知荷載辨識(shí)與振動(dòng)控制實(shí)時(shí)結(jié)合；2）結(jié)構(gòu)被動(dòng)控制/隔震控制力的實(shí)時(shí)辨識(shí)；3）小型結(jié)構(gòu)突發(fā)損傷診斷與主動(dòng)/半主動(dòng)振動(dòng)控制實(shí)時(shí)結(jié)合；4）大型結(jié)構(gòu)突發(fā)損傷分散診斷與分散主動(dòng)/半主動(dòng)振動(dòng)控制實(shí)時(shí)結(jié)合等研究。提出了系列有效對(duì)結(jié)構(gòu)荷載與結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)與主動(dòng)/被動(dòng)振動(dòng)控制實(shí)時(shí)相結(jié)合的方法，而且提出的方法通過(guò)數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證， 能達(dá)到實(shí)時(shí)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與有效振動(dòng)控制結(jié)合的目的。“實(shí)時(shí)”地將結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)與振動(dòng)控制相結(jié)合進(jìn)行研究，是本項(xiàng)目最顯著的特色與創(chuàng)新。項(xiàng)目研究成果對(duì)促進(jìn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的結(jié)合，以及智能結(jié)構(gòu)的發(fā)展不僅在理論上具有學(xué)術(shù)創(chuàng)新，而且具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值與前景。 研究成果在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)雜志和學(xué)術(shù)會(huì)議文集上發(fā)表論文18篇，其中在SCI收錄的國(guó)際學(xué)術(shù)期刊論文11篇；EI收錄的國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)期刊論文2篇；國(guó)際/國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)會(huì)議論文5篇，超出了申報(bào)書(shū)預(yù)期發(fā)表論文15-16篇，其中在SCI收錄的國(guó)際學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表5-6篇的數(shù)量。 2100433B

迄今對(duì)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和振動(dòng)控制的研究基本是分別進(jìn)行，缺乏對(duì)建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)與振動(dòng)控制實(shí)時(shí)結(jié)合進(jìn)行研究。然而，將結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和振動(dòng)控制系統(tǒng)分開(kāi)，在實(shí)際應(yīng)用這兩種系統(tǒng)時(shí)，不僅不經(jīng)濟(jì)，更重要的是會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在受到未知荷載、發(fā)生損傷時(shí)無(wú)法對(duì)結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)有效進(jìn)行振動(dòng)控制。本項(xiàng)目針對(duì)現(xiàn)有研究的不足和實(shí)際結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)與控制的需求，尤其是若干需解決的問(wèn)題。研究：1）結(jié)構(gòu)未知荷載辨識(shí)與振動(dòng)控制實(shí)時(shí)結(jié)合；2）結(jié)構(gòu)被動(dòng)控制/隔震控制力的實(shí)時(shí)辨識(shí)；3）小型結(jié)構(gòu)突發(fā)損傷診斷與主動(dòng)/半主動(dòng)振動(dòng)控制實(shí)時(shí)結(jié)合；4）大型結(jié)構(gòu)突發(fā)損傷分散診斷與分散主動(dòng)/半主動(dòng)振動(dòng)控制實(shí)時(shí)結(jié)合，提出有效對(duì)結(jié)構(gòu)荷載與結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)與主動(dòng)/被動(dòng)振動(dòng)控制實(shí)時(shí)相結(jié)合的理論方法，達(dá)到實(shí)時(shí)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與有效振動(dòng)控制結(jié)合的目的。實(shí)時(shí)地將結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)與振動(dòng)控制相結(jié)合進(jìn)行研究，是本項(xiàng)目最顯著的特色與創(chuàng)新，提出的方法不僅在理論上具有學(xué)術(shù)創(chuàng)新，且具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值與前景。