COINV桥梁模态自动化监测技术

2015-02-28 14:59:38 阅读次数:5853

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摘要:COINV桥梁模态自动化监测技术,基于东方所的专业OMA模态分析技术基础上,提出了多方法统一的优化算法,实现了模态参数的自动化分析,形成了国际领先水平的商用化桥梁模态监测技术。

关键词:桥梁模态,自动化模态,参数优化,模态监测


本技术适合各类桥梁的自动化模态在线监测。

一 简介 

桥梁运行过程中,其动态特性参数的变化是反映桥梁健康状态的重要手段之一。其中模态参数是最全面最专业的动态参数,非常适合深入研究桥梁长期运行过程中的内在特性变化。但是模态试验和分析过程则是非常复杂和专业的,因此模态的在线监测则是长期的难题。

COINV桥梁模态自动化监测技术,基于东方所的专业OMA模态分析技术基础上,提出了多方法统一的优化算法,实现了模态参数的自动化分析,形成了国际领先水平的商用化桥梁模态监测技术。

本技术主要分两步实现:

  • 第一步是桥梁监测实施初期的人工OMA模态分析,并作为未来长期监测的参考初始值,其精确程度是日后监测的数据基础。

  • 第二步是在桥梁的长期监测过程中,定时(如每小时)自动完成OMA模态分析,实现真正的模态自动化监测。

实现上述模态自动化监测的关键在于:

  • 1 先进准确的OMA模态拟合算法。东方所提供PolyIIR、PolyLSCF、SSI、ERA、EFDD等多种当前国际上先进的OMA算法。

  • 2 多种OMA算法的优化统一。不同方法具有不同特点,其计算结果各异,东方所提出的优化算法可将各种算法的结果进行统一,以得到最优的模态分析结果

  • 3 桥梁模态自动化分析。在长期监测中,系统自动完成振动信号采集、处理分析、OMA分析、虚假模态甄别、优化计算等过程,每小时输出一次模态分析结果。

东方所多年来在自动化模态技术方面进行了深入的研究,提出了多种先进思想,在国内外发表大量论文,并在多个桥梁以及其他一些工程结构上实施了模态自动化监测技术。


二 核心技术1 – 多OMA 拟合算法

东方所提供目前国际上较为先进的多种OMA模态拟合方法,包括PolyLSCF(PolyMAX)、SSI、EFDD和PPM等,并独创提出了高精度的PolyIIR算法。


1 SSI(随机子空间法)

为时域算法,使用半谱对应的互相关系数。通过稳定图选择模态频率和阻尼,当前最通用的OMA算法[1][8]

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               图1 SSI方法

2 PolyIIR(多参考点无限长脉冲响应滤波模型算法) [2]

东方所首次发表于 14届亚太振动会议,2011.12,香港,为时域算法,  适用于MIMO,相当于时域的PolyMAX。稳定图比PolyMAX更为清晰。这是因为和PolyIIR和PolyMAX具备完全相同的频率特征方程, A unified matrix polynomial approach (UMPA)。但PolyIIR 的Hankel矩阵的所有系数是直接得到,PolyMAX方法Hankel矩阵的系数需要经过复数运算,FFT运算以及逆矩阵运算,维数太大的逆矩阵运算会导致病态方程,损坏稳定图的清晰度。

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            图2 PolyIIR方法

3 PolyMAX(多参考点频域最小二乘复频域法)

学术名PolyLSCF:多参考点的最小二乘复频域法,Least-Squares Complex Frequency-Domain method,国外称PolyMAX,频域算法中最佳模态分析方法之一。采用离散时间频域模型,属于总体拟合法,具有快速递推的运算技巧,分析频带可选。

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              图3 PolyMAX方法

4 EFDD(增强型频域分阶的方法)

增强型频域分解的方法,属于频域方法,同峰值拾取法(PPT)一样简单,通过奇异值分解,直接得到振型。DASP 模态分析软件中EFDD方法利用INV频率计得到更为精确的频率和阻尼比。

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               图4 EFDD方法

5 PPM(多项式功率谱方法)[6]

多项式功率谱方法,东方所独创,首次发表于 IMAC-XXIV,2006。精度优于EFDD,可识别密集模态参数。仅用自功率谱,可进行模态频率阻尼分析,可以分频段进行拟合分析。

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             图5 PPM方法


三 核心技术2 – 统一优化算法

上述多种OMA算法各自具有不同特点,不同操作人员使用不同方法得到的结果各异,甚至甚至同一分析人员用同一方法在不同时刻进行分析,得到的模态参数也会有所差别。
东方所提出了一种模态的优化方法,使得各方法在经过优化计算后得到基本一致的结果。基于该优化方法,设置一定的优化标准后,即可通过计算机自动进行优化计算得到与实测结果最吻合的结果,以实现没有人工参与的模态自动化分析。

东方所提出了一个理论上合理且数学上可行的优化目标,即通过模态参数综合得到的频响函数或半谱(对应运行状态模态分析)和实测的结果最为吻合。根据此目标,又给出了模态参数的优化算法,通过优化,不论初解由何种算法得到,最终都可得到理论曲线和实测曲线最为吻合的最优的统一结果。

对SIMO(单输入多输出)及MISO(多输入单输出)优化过程为,固定模态振型,优化频率和阻尼,得到新的频率阻尼后,提取模态振型,再进行下一步的优化。

对MIMO优化过程为,固定模态参与因子和模态振型,优化频率阻尼,得到新的频率和阻尼后,根据模态频率和阻尼,求模态参与因子,求出参与因子后,提取模态振型,再进行下一步的优化

优化算法实例:卢浦大桥五种分析方法模态结果和优化后结果的比较A6.GIF

四 核心技术3 – 自动化分析技术

实现完全的自动化分析,除了上述优化计算统一结果外,还需要能够自动识别和剔除虚假模态。

东方所创新提出的智能模态分析技术(一键求模态) (发表于 IMAC-XXIX,2011),Blind Analysis[4][9]。即使开始得到的模态结果有虚假模态,在优化过程中可将其删除。优化机理如下:

虚假模态即数学极点在优化过程中是不稳定的,其走势有三种可能性,通过分析其走势,可将其和物理极点区分出来,并消除掉。第1向最接近的物理极点靠近,导致一个真正模态对应了两个极点,两者振型也趋于一致。第2为阻尼越来越大,大于设定值,可将其删除。第三为极点对应的模态振型所占能量越来越小[5],小于特定的值可将其删除。

东方所实现自动化模态的过程如下:

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图6 优化计算和自动化模态分析过程

此外,使用预试验模态结果作为自动化模态分析的一个参考,可以有效提高自动化模态分析的准确性和计算速度,避免传感器信号异常等情况导致自动化模态分析结果的不确定性。


五 东方所发表于国内外的相关论文

  • [1] 刘进明 应怀樵等,时域模态分析方法的研究及软件研发,振动与冲击 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] 章关永,刘进明,上海卢浦大桥主桥动力特性测试研究,振动与冲击,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] 刘进明,应怀樵,章关永,OMA模态参数的优化及盲分析技术探讨,振动、测试与诊断,2012,第32卷第6期,PP1016-1020


六 案例分析

东方所的DASP系统完成了国内上百座大桥的模态分析,如火箭激励钱塘江大桥模态试验,锤击法变时基分析乌海黄河大桥模态试验,环境激励上海卢浦大桥、扬浦大桥、分布式GPS同步测试杭州湾跨海大桥模态试验等等。

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