COINV橋梁模态自動化監測技術

2015-02-28 14:59:38 閱讀次數:7136

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摘要:COINV橋梁模态自動化監測技術,基于東方所的專業OMA模态分析技術基礎上,提出了多方法統一的優化算法,實現了模态參數的自動化分析,形成了國際領先水平的商用化橋梁模态監測技術。

關鍵詞:橋梁模态,自動化模态,參數優化,模态監測


本技術适合各類橋梁的自動化模态在線監測。

一 簡介 

橋梁運行過程中,其動态特性參數的變化是反映橋梁健康狀态的重要手段之一。其中模态參數是最全面最專業的動态參數,非常适合深入研究橋梁長期運行過程中的内在特性變化。但是模态試驗和分析過程則是非常複雜和專業的,因此模态的在線監測則是長期的難題。

COINV橋梁模态自動化監測技術,基于東方所的專業OMA模态分析技術基礎上,提出了多方法統一的優化算法,實現了模态參數的自動化分析,形成了國際領先水平的商用化橋梁模态監測技術。

本技術主要分兩步實現:

  • 第一步是橋梁監測實施初期的人工OMA模态分析,并作為未來長期監測的參考初始值,其精确程度是日後監測的數據基礎。

  • 第二步是在橋梁的長期監測過程中,定時(如每小時)自動完成OMA模态分析,實現真正的模态自動化監測。

實現上述模态自動化監測的關鍵在于:

  • 1 先進準确的OMA模态拟合算法。東方所提供PolyIIR、PolyLSCF、SSI、ERA、EFDD等多種當前國際上先進的OMA算法。

  • 2 多種OMA算法的優化統一。不同方法具有不同特點,其計算結果各異,東方所提出的優化算法可将各種算法的結果進行統一,以得到最優的模态分析結果

  • 3 橋梁模态自動化分析。在長期監測中,系統自動完成振動信号采集、處理分析、OMA分析、虛假模态甄别、優化計算等過程,每小時輸出一次模态分析結果。

東方所多年來在自動化模态技術方面進行了深入的研究,提出了多種先進思想,在國内外發表大量論文,并在多個橋梁以及其他一些工程結構上實施了模态自動化監測技術。


二 核心技術1 – 多OMA 拟合算法

東方所提供目前國際上較為先進的多種OMA模态拟合方法,包括PolyLSCF(PolyMAX)、SSI、EFDD和PPM等,并獨創提出了高精度的PolyIIR算法。


1 SSI(随機子空間法)

為時域算法,使用半譜對應的互相關系數。通過穩定圖選擇模态頻率和阻尼,當前最通用的OMA算法[1][8]

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               圖1 SSI方法

2 PolyIIR(多參考點無限長脈沖響應濾波模型算法) [2]

東方所首次發表于 14屆亞太振動會議,2011.12,香港,為時域算法,  适用于MIMO,相當于時域的PolyMAX。穩定圖比PolyMAX更為清晰。這是因為和PolyIIR和PolyMAX具備完全相同的頻率特征方程, A unified matrix polynomial approach (UMPA)。但PolyIIR 的Hankel矩陣的所有系數是直接得到,PolyMAX方法Hankel矩陣的系數需要經過複數運算,FFT運算以及逆矩陣運算,維數太大的逆矩陣運算會導緻病态方程,損壞穩定圖的清晰度。

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            圖2 PolyIIR方法

3 PolyMAX(多參考點頻域最小二乘複頻域法)

學術名PolyLSCF:多參考點的最小二乘複頻域法,Least-Squares Complex Frequency-Domain method,國外稱PolyMAX,頻域算法中最佳模态分析方法之一。采用離散時間頻域模型,屬于總體拟合法,具有快速遞推的運算技巧,分析頻帶可選。

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              圖3 PolyMAX方法

4 EFDD(增強型頻域分階的方法)

增強型頻域分解的方法,屬于頻域方法,同峰值拾取法(PPT)一樣簡單,通過奇異值分解,直接得到振型。DASP 模态分析軟件中EFDD方法利用INV頻率計得到更為精确的頻率和阻尼比。

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               圖4 EFDD方法

5 PPM(多項式功率譜方法)[6]

多項式功率譜方法,東方所獨創,首次發表于 IMAC-XXIV,2006。精度優于EFDD,可識别密集模态參數。僅用自功率譜,可進行模态頻率阻尼分析,可以分頻段進行拟合分析。

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             圖5 PPM方法


三 核心技術2 – 統一優化算法

上述多種OMA算法各自具有不同特點,不同操作人員使用不同方法得到的結果各異,甚至甚至同一分析人員用同一方法在不同時刻進行分析,得到的模态參數也會有所差别。
東方所提出了一種模态的優化方法,使得各方法在經過優化計算後得到基本一緻的結果。基于該優化方法,設置一定的優化标準後,即可通過計算機自動進行優化計算得到與實測結果最吻合的結果,以實現沒有人工參與的模态自動化分析。

東方所提出了一個理論上合理且數學上可行的優化目标,即通過模态參數綜合得到的頻響函數或半譜(對應運行狀态模态分析)和實測的結果最為吻合。根據此目标,又給出了模态參數的優化算法,通過優化,不論初解由何種算法得到,最終都可得到理論曲線和實測曲線最為吻合的最優的統一結果。

對SIMO(單輸入多輸出)及MISO(多輸入單輸出)優化過程為,固定模态振型,優化頻率和阻尼,得到新的頻率阻尼後,提取模态振型,再進行下一步的優化。

對MIMO優化過程為,固定模态參與因子和模态振型,優化頻率阻尼,得到新的頻率和阻尼後,根據模态頻率和阻尼,求模态參與因子,求出參與因子後,提取模态振型,再進行下一步的優化

優化算法實例:盧浦大橋五種分析方法模态結果和優化後結果的比較A6.GIF

四 核心技術3 – 自動化分析技術

實現完全的自動化分析,除了上述優化計算統一結果外,還需要能夠自動識别和剔除虛假模态。

東方所創新提出的智能模态分析技術(一鍵求模态) (發表于 IMAC-XXIX,2011),Blind Analysis[4][9]。即使開始得到的模态結果有虛假模态,在優化過程中可将其删除。優化機理如下:

虛假模态即數學極點在優化過程中是不穩定的,其走勢有三種可能性,通過分析其走勢,可将其和物理極點區分出來,并消除掉。第1向最接近的物理極點靠近,導緻一個真正模态對應了兩個極點,兩者振型也趨于一緻。第2為阻尼越來越大,大于設定值,可将其删除。第三為極點對應的模态振型所占能量越來越小[5],小于特定的值可将其删除。

東方所實現自動化模态的過程如下:

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圖6 優化計算和自動化模态分析過程

此外,使用預試驗模态結果作為自動化模态分析的一個參考,可以有效提高自動化模态分析的準确性和計算速度,避免傳感器信号異常等情況導緻自動化模态分析結果的不确定性。


五 東方所發表于國内外的相關論文

  • [1] 劉進明 應懷樵等,時域模态分析方法的研究及軟件研發,振動與沖擊 2004 年 第23卷 第4期   pp123-126

  • [2] J. M. Liu, S. W. Dong, M. Ying, S. Shen.Dynamic Parameters Identification Technology in Bridge Health Monitoring, Proceeding of the 14th ASIA PACIFIC VIBRATION CONFERENCE, 2011, Dec. HongKong

  • [3] 章關永,劉進明,上海盧浦大橋主橋動力特性測試研究,振動與沖擊,2008年第27卷 第9期 Pg.167-170

  • [4] J. M. Liu, S. Shen, M. Ying and S. W. Dong, The Optimization and Autonomous Identification of Modal Parameters, Modal Analysis Topics, Volume 3,Conference Proceedings of the Society for Experimental Mechanics Series, 2011, Volume 6, 203-214, DOI: 10.1007/978-1-4419-9299-4_17

  • [5] J.M.Liu H.Q.Ying etc.The Function of Modal Important Index in Autonomous Modal Analysis IMAC XXV, Conference Proceedings, 2007.

  • [6] J.M.Liu H.Q.Ying etc. A Fast Frequency Domain Global Parameter Identification Algorithm. IMAC XXIV, Conference Proceedings, 2006 St.Louis, Missouri, USA

  • [7] H.Q.Ying, J.M.Liu  etc. Precise output-only modal parameters identification from power spectrum. IMAC XXIV, Conference Proceedings, 2006 St.Louis, Missouri , USA

  • [8] J.M.Liu,W.D.Zhu,M.Ying,etc, Precise Frequency Domain Algorithm of Half Spectrum and FRF,32nd IMAC, 2014

  • [9] 劉進明,應懷樵,章關永,OMA模态參數的優化及盲分析技術探讨,振動、測試與診斷,2012,第32卷第6期,PP1016-1020


六 案例分析

東方所的DASP系統完成了國内上百座大橋的模态分析,如火箭激勵錢塘江大橋模态試驗,錘擊法變時基分析烏海黃河大橋模态試驗,環境激勵上海盧浦大橋、揚浦大橋、分布式GPS同步測試杭州灣跨海大橋模态試驗等等。

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