专利名称：基于熵理论的在役桥梁安全预警方法
技术领域：
本发明涉及一种桥梁结构安全监测技术，尤其涉及一种基于熵理论的在役桥梁安
全预警方法。
背景技术：
近年来随着桥梁建设事业的迅猛发展，桥梁结构形式与功能日趋复杂，工程的规模也越来越大，然而在世界各国都相继发生了一些桥梁突然性的破坏事件，这些灾难性的事件使得各国科研人员认为:对桥梁在运营状态下的健康监测问题的研究是刻不容缓的；通过对桥梁结构状态的监控与评估，可以达到保证桥梁安全运营，避免桥梁安全事故发生的目的；同时监测信息可为桥梁维护、维修与管理决策提供依据和指导。然而，目前针对大体量、多自由度、荷载激励未知的桥梁结构，只是单纯得到各个结构截面的应力、应变、挠度、加速的等结构响应信息，在产生了海量的监测数据的情况下却无法完成对结构整体或构件准确、可靠的安全状态评估信息。结构健康监测所获取的结构响应信息来源于结构各部位在随机荷载激励下的振动响应，其本质是振动系统的在外部激励下的系统耗散过程。由此，将各部位监测的振动响应与结构系统统一起来，实现对桥梁结构健康监测及安全评估本质的认识是目前国内外研究的热点。如何从监测到的海量桥梁结构实时响应信息提取结构安全状态参数却是国内外亟需解决的重大难题。

发明内容
针对背景技术中的问题，本发明提出了一种基于熵理论的在役桥梁安全预警方法，该方法步骤为:I)在桥梁上布设多个加速度传感器，采集桥梁零损伤条件下正常运营时的加速度传感器读数；根据加速度传感器读数，计算每个加速度传感器对应的初始结构信息熵，以初始结构信息熵中的熵值最大者的数值为敏感熵指标；2)搭建桥梁仿真模型，在桥梁仿真模型上与布设在实际桥梁上的加速度传感器位置对应的位置处布设仿真用传感器；3)向桥梁仿真模型施加仿真荷载激励以模拟桥梁在零损伤条件下的正常运营情况，采集桥梁仿真模型在零损伤条件下正常运营时的仿真用传感器读数；根据仿真用传感器读数，计算每个仿真用传感器对应的仿真初始结构信息熵，并以仿真初始结构信息熵中的熵值最大者的数值为仿真敏感熵指标；4)对桥梁仿真模型进行多次不同形式的破坏，每次破坏后都向桥梁仿真模型施加仿真荷载激励，以模拟桥梁在各种损伤条件下的运营情况；在每种损伤条件下，分别采集仿真用传感器的读数，根据仿真用传感器读数，计算每种损伤条件下每个仿真用传感器对应的仿真结构信息熵；每种损伤条件下，单个仿真用传感器对应的仿真结构信息熵中的最小者记为熵值A，多个仿真用传感器则有多个熵值A，以熵值A中的最大者的数值为仿真预警熵指标；
5)根据每种损伤条件下对应的仿真预警熵指标与仿真敏感熵指标之间的数值差异，设定各种损伤条件对应的预警等级:仿真预警熵指标与仿真敏感熵指标之间的数值差异越大，说明桥梁结构越不稳定，则此仿真预警熵指标对应的损伤条件的预警等级越高；6)计算敏感熵指标和仿真敏感熵指标之间的差值，根据差值对仿真预警熵指标进行修正，获得预警熵指标；7)对加速度传感器读数进行定期采集，并计算出各个加速度传感器对应的结构信息熵，将结构信息熵中最大者与预警熵指标进行数值比较，当某一采样周期内结构信息熵中的最大者小于某一预警熵指标时，则作与该预警熵指标所对应的预警等级相匹配的预警处理。前述方案中所涉及的各种熵值可按如下方法计算:一个采样周期内，通过加速度传感器或仿真用传感器能获得包含多个加速度数值的一组读数；针对同一加速度传感器或仿真用传感器，在相同时长的不同采样周期内，可分别获得多组读数；则有:
权利要求
1.一种基于熵理论的在役桥梁安全预警方法，其特征在于: 1)在桥梁上布设多个加速度传感器，采集桥梁零损伤条件下正常运营时的加速度传感器读数；根据加速度传感器读数，计算每个加速度传感器对应的初始结构信息熵，以初始结构信息熵中的熵值最大者的数值为敏感熵指标； 2)搭建桥梁仿真模型，在桥梁仿真模型上与布设在实际桥梁上的加速度传感器位置对应的位置处布设仿真用传感器； 3)向桥梁仿真模型施加仿真荷载激励以模拟桥梁在零损伤条件下的正常运营情况，采集桥梁仿真模型在零损伤条件下正常运营时的仿真用传感器读数；根据仿真用传感器读数，计算每个仿真用传感器对应的仿真初始结构信息熵，并以仿真初始结构信息熵中的熵值最大者的数值为仿真敏感熵指标； 4)对桥梁仿真模型进行多次不同形式的破坏，每次破坏后都向桥梁仿真模型施加仿真荷载激励，以模拟桥梁在各种损伤条件下的运营情况；在每种损伤条件下，分别采集仿真用传感器的读数，根据仿真用传感器读数，计算每种损伤条件下每个仿真用传感器对应的仿真结构信息熵； 每种损伤条件下，单个仿真用传感器对应的仿真结构信息熵中的最小者记为熵值A，多个仿真用传感器则有多个熵值A，以熵值A中的最大者的数值为仿真预警熵指标； 5)根据每种损伤条件下对应的仿真预警熵指标与仿真敏感熵指标之间的数值差异，设定各种损伤条件对应的预警等级:仿真预警熵指标与仿真敏感熵指标之间的数值差异越大，说明桥梁结构越不稳定，则此仿真预警熵指标对应的损伤条件的预警等级越高； 6)计算敏感熵指标和仿真敏感熵指标之间的差值，根据差值对仿真预警熵指标进行修正，获得预警熵指标； 7)对加速度传感器读数进 行定期采集，并计算出各个加速度传感器对应的结构信息熵，将结构信息熵中最大者与预警熵指标进行数值比较，当某一采样周期内结构信息熵中的最大者小于某一预警熵指标时，则作与该预警熵指标所对应的预警等级相匹配的预警处理。
2.根据权利要求1所述的基于熵理论的在役桥梁安全预警方法，其特征在于:根据如下方法计算信息熵: 一个采样周期内，通过加速度传感器或仿真用传感器能获得包含多个加速度数值的一组读数；针对同一加速度传感器或仿真用传感器，在相同时长的不同采样周期内，可分别获得多组读数； 则有: Aaji = o;J — O0i 其中，a!为第j个采样周期内、第i次采样获得的加速度数值；考为第一个采样周期内、第i次采样获得的加速度数值；为第j个采样周期与第一个采样周期中、第i次采样时获得的两个加速度数值之间的差值； 按下式对进行归一化处理:
全文摘要
本发明公开了一种基于熵理论的在役桥梁安全预警方法，该方法根据仿真敏感熵指标和仿真结构信息熵建立仿真预警熵指标，再根据敏感熵指标对仿真预警熵指标进行修正，获得预警熵指标，实时计算出各个加速度传感器对应的结构信息熵，将结构信息熵与预警熵指标进行数值比较，当某一采样周期内结构信息熵中的最大者小于某一预警熵指标时，则作与该预警熵指标所对应的预警等级相匹配的预警处理。本发明的有益技术效果是从宏观上将桥梁结构作为整体系统考虑，通过对系统熵特性的监测实现对桥梁安全的监测，突破了传统监测信息的局部性与桥梁结构的整体性无法统一的矛盾，使得局部与局部、局部与整体的关联性更密切，提升了桥梁结构健康监测系统在实际工程实践中的应用价值。
文档编号G01M99/00GK103162984SQ20131009696
公开日2013年6月19日 申请日期2013年3月25日 优先权日2013年3月25日
发明者杨建喜, 周应新, 张汝文, 钱理章, 孙继赫, 宋乾坤, 岳锐强, 方绍林 申请人:重庆交通大学, 云南蒙新高速公路建设指挥部