結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測動力響應數(shù)據(jù)壓縮采樣與重構(gòu)方法研究項目摘要

作為智慧地球計劃中物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是多個領(lǐng)域的熱點與前沿研究方向。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)運行積累了海量的動力響應數(shù)據(jù)，帶來了數(shù)據(jù)災難；而無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也需要存儲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)，然后再進行壓縮，這種方法的效率較低。近年來，應用數(shù)學領(lǐng)域在壓縮采樣理論上的突破性進展，為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測動力響應數(shù)據(jù)壓縮開辟了嶄新的途徑。本項目充分利用數(shù)學領(lǐng)域的相關(guān)進展，突破采樣定理的限制，研究結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測動力響應數(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)動力響應數(shù)據(jù)稀疏分解的GA與MP混合算法，以及動力響應數(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)解壓誤差及其對結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)和損傷識別精度的影響；最后，研究在實際橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)中的應用。

本項目在國內(nèi)外土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域首先開展了數(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，獲得信號的稀疏表示；由于結(jié)構(gòu)振動響應信號具有稀疏性，因此研究了結(jié)構(gòu)動力響應數(shù)據(jù)的壓縮采樣；研究了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測聲發(fā)射數(shù)據(jù)壓縮采樣的OMP算法；為增加無線傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)聂敯粜?，提出了基于壓縮采樣技術(shù)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)丟失的恢復方法，并將算法嵌入到美國UIUC大學B.F. Spencer教授研制的Imote2無線傳感器里?？紤]測量噪聲，提出了Bayesian壓縮采樣方法。并進一步將壓縮采樣方法擴展用于具有稀疏解的系統(tǒng)識別反問題，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家游泳中心等現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了驗證，取得好的結(jié)果。項目研究成果可用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的數(shù)據(jù)壓縮，無線傳感器和傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)魯棒傳輸，具有稀疏解的系統(tǒng)識別問題。為土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(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際價值。 2100433B

目前對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和振動控制的研究基本是分別進行，缺乏對建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測與振動控制實時結(jié)合進行研究。項目研究針對現(xiàn)有研究的不足和實際結(jié)構(gòu)監(jiān)測與控制的需求，尤其是若干需解決的問題。進行：1）結(jié)構(gòu)未知荷載辨識與振動控制實時結(jié)合；2）結(jié)構(gòu)被動控制/隔震控制力的實時辨識；3）小型結(jié)構(gòu)突發(fā)損傷診斷與主動/半主動振動控制實時結(jié)合；4）大型結(jié)構(gòu)突發(fā)損傷分散診斷與分散主動/半主動振動控制實時結(jié)合等研究。提出了系列有效對結(jié)構(gòu)荷載與結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測與主動/被動振動控制實時相結(jié)合的方法，而且提出的方法通過數(shù)值模擬和模型試驗進行了驗證， 能達到實時對建筑結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測與有效振動控制結(jié)合的目的?！皩崟r”地將結(jié)構(gòu)監(jiān)測與振動控制相結(jié)合進行研究，是本項目最顯著的特色與創(chuàng)新。項目研究成果對促進結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與結(jié)構(gòu)振動控制的結(jié)合，以及智能結(jié)構(gòu)的發(fā)展不僅在理論上具有學術(shù)創(chuàng)新，而且具有實際應用價值與前景。 研究成果在國內(nèi)外學術(shù)雜志和學術(shù)會議文集上發(fā)表論文18篇，其中在SCI收錄的國際學術(shù)期刊論文11篇；EI收錄的國內(nèi)學術(shù)期刊論文2篇；國際/國內(nèi)學術(shù)會議論文5篇，超出了申報書預期發(fā)表論文15-16篇，其中在SCI收錄的國際學術(shù)期刊上發(fā)表5-6篇的數(shù)量。 2100433B

迄今對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和振動控制的研究基本是分別進行，缺乏對建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測與振動控制實時結(jié)合進行研究。然而，將結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)和振動控制系統(tǒng)分開，在實際應用這兩種系統(tǒng)時，不僅不經(jīng)濟，更重要的是會導致結(jié)構(gòu)在受到未知荷載、發(fā)生損傷時無法對結(jié)構(gòu)實時有效進行振動控制。本項目針對現(xiàn)有研究的不足和實際結(jié)構(gòu)監(jiān)測與控制的需求，尤其是若干需解決的問題。研究：1）結(jié)構(gòu)未知荷載辨識與振動控制實時結(jié)合；2）結(jié)構(gòu)被動控制/隔震控制力的實時辨識；3）小型結(jié)構(gòu)突發(fā)損傷診斷與主動/半主動振動控制實時結(jié)合；4）大型結(jié)構(gòu)突發(fā)損傷分散診斷與分散主動/半主動振動控制實時結(jié)合，提出有效對結(jié)構(gòu)荷載與結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測與主動/被動振動控制實時相結(jié)合的理論方法，達到實時對建筑結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測與有效振動控制結(jié)合的目的。實時地將結(jié)構(gòu)監(jiān)測與振動控制相結(jié)合進行研究，是本項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術(shù)創(chuàng)新，且具有實際應用價值與前景。