基于加速度动态响应的平台梁板结构健康监测系统的设计与研发

张 宁，韦灼彬，董 琪

(1.海军工程大学勤务学院，天津 300450；2.海军潜艇学院动力操纵系，山东青岛266199)

基于加速度动态响应的平台梁板结构健康监测系统的设计与研发

张 宁1，2，韦灼彬1，董 琪1

(1.海军工程大学勤务学院，天津 300450；2.海军潜艇学院动力操纵系，山东青岛266199)

为保障某工程梁板式钢结构平台服役期间的安全，本文引入了结构健康监测系统对其进行全寿命在线监测和诊断。在合理的有工程针对性的损伤识别方法的基础上研发结构损伤识别软件，通过对提取的损伤指标变化进行不间断分析和评估，能够及时发出损伤预警，判断可能出现损伤的位置和程度，预测结构的性能变化。从方案设计、硬件施工和软件开发等方面介绍了该系统的研发和建设过程。

空间梁板；冲击荷载；动态响应；健康监测；系统研发

为保障某工程梁板式钢结构平台服役期间的安全，引入结构健康监测系统对其进行全寿命在线监测和诊断。该系统已稳定运行了一段时间，传感器实时采集反映结构关键部位状态的大量实测数据，与模型数据的趋势匹配良好。因此，基于实时加速度数据的结构损伤识别软件，能够及时发出损伤预警，判断可能出现损伤的位置和程度，预测结构的性能变化。

1 系统设计

1.1 系统功能

图1 平台梁板结构健康监测系统设计

结构健康监测系统遵循适用、经济、长期、高效的原则进行设计，为该工程的安全使用决策提供技术支持。(1)对结构的受力和振动进行高精度测量，实现荷载和结构响应数据的同步自动采集；(2)对结构的服役状态做出实时判断，实现对重要构件应力超界的多级报警和评估；(3)监测结构突发和累积损伤，对结构关键构件、节点的损伤进行识别、评估，对结构安全性、耐久性进行评定与预测；(4)数据库与应用程序自动接口功能以及与其他系统数据自动交互功能。

1.2 系统组成

依据《结构健康监测系统设计标准》(CECS333:212)，系统方案设计如图1所示。

平台梁板结构健康监测系统包括硬件和软件两个部分，融合后包括4个子系统。各子系统间通过光纤网络连接运行。(1)传感器子系统：满足长期耐久性、绝对测量、分布式等特征，结合相关标准和理论分析选择适宜的传感器类型和数量，通过数值分析实现优化布置。(2)数据采集、传输与存储子系统：能够对加速度、应变、温度及位移等多物理量的响应数据进行连续同步采集、判断、预处理和触发式自动储存。(3)数据管理子系统：可实时自诊断，判别系统工作状态，控制数据采集模式和数据同步性，实现传感器失效、信号异常等实时状态的告警。(4)健康安全评定子系统：根据损伤识别理论成果，在各种结构动力响应信息的基础上，实现对结构的异常状态预警和安全评定。

2 系统硬件的技术实施

2.1 传感器和采集设备

结合工程实际情况，本项目主要采用DH202-005型加速度传感器。此外还采用AWC-8B-11-3LT型应变传感器、FTM-50S激光位移传感器和DH801拉线式电位位移传感器作为辅助。

采集系统采用PC104工业级计算机，与上位机通讯采用以太网模式，实现采集、传输、存储、显示的同步,数据可同步缓存至下位机32G固态硬盘中。考虑现场电磁环境影响，选择有线传输的DH5929动态应力应变测试分析系统,如图2所示。

图2 DH5929动态信号采集与分析设备工作图

2.2 配置与施工

基于数值仿真结果和现场施工的可靠性和安全性，将传感器尽量布置在结构应力最大和最接近容易发生损伤的区域。除布设若干个传感器外，配置采集设备1台、工控机1台、标准机柜1个。

传感器布设要求既不能改变结构的外层保护功能，也不能破坏结构，加速度传感器通过高强耐久性航空胶粘贴配置高强磁力座与结构连接，其它传感器布设采用胶粘结合点焊机焊接方式。线路保护和走线利用工程预留线槽布置。

3 系统软件设计与研发

本系统将数据管理子系统和健康安全评定子系统细分为5个模块，分别是监测系统、数据库系统、报警系统、评估系统、管理系统。核心是评估系统，能根据采集的实时信息，反演出结构工作状态和健康状况，识别结构损伤程度及其部位，并在此基础上进行安全状态评估，为结构的维护管理提供帮助。

3.1 监测系统

软件按照 Microsoft Windows的风格进行开发、设计，使用十分简洁、方便。监测系统用于结构的信号监测，并具备本地存储、系统自启、数据远距离传输以及测点设置、传感器管理、工程单位管理、采集控制、显示设置等功能。并实现对数据的二次预处理，包含统计信息、趋势信息、谱分析、雨流计数等功能。

数据采集结合监测对象的实测数据来确定合理的采样频率和分析频率。数据存储采用信号触发方式，设置多个触发通道，并设置触发负延迟获取前段数据，在历史模式下可以查看存储数据的多种特征值。

3.2 数据库系统

数据库采用SQL SERVER 为基础，通过关联分析建立了一套数据管理规则，方便定位、分析问题。前台程序周期性地向传感器读取数据并进行分析、处理，按照地址和数据的分类放到实时数据库中；同时，查询数据是否在安全范围之内，如果超过限定值，则发出提示或报警。对实时数据进行形象、直观、图形化的显示。支持重要资料的管理与查询，可输出txt、word、excel和matlab等文件格式以及图形格式，显示关键步骤、数值及相应的函数曲线图。

3.3 报警系统

超限报警系统在各种结构动力响应信息的基础上，根据不同的报警标准进行分析和判断，通过小波变换等方法，实现对结构的异常状态报警功能，显示所查询时间段内的结构损伤报警指标信息。信息查询窗口可以查询传感器响应信息和能量谱信息。

3.4 评估系统

结构安全性评估是建立在参数识别和损伤判断的理论研究成果基础上，进行程序算法设计并嵌入结构监测分析软件系统。损伤识别方法包含小波分析、基于传递率函数、基于AR模型以及结合主成分分析和神经网络算法等，确保结构损伤诊断可靠。分为实时在线模式和离线工作模式。损伤诊断进行时，界面显示各通道损伤判别指标随各种变量的函数变化曲线。

3.5 管理系统

本系统的用户划分为4个等级，不同用户将赋予不同权限。系统管理员可以添加、删除、修改用户信息，设置不同的用户操作权限，修改和复位密码(表1)。

表1 用户角色划分

3.6 系统架构

本软件各个子系统之间采用C/S和扩展B/S两种模式相结合的系统形式。结构损伤预警的实时性要求系统具有在线监测数据的实时处理能力，必须采用C/S模式才能得以保证。B/S工作模式在数据共享、互操作和开放性等方面具有明显的优点。

工控机操作系统：Win7旗舰版；数据库管理：SQL Server2008；数据库操作方式：ADO(ActiveX Data Objects)；应用程序开发工具：Visual C++；计算分析软件：MATLAB；数值仿真软件：ABAQUS；客户端应用：采用ActiveX软件开发技术；服务器端应用：采用Web服务器IIS作为开发平台，并使用ASP(Active Server Page)技术和COM组件技术。

4 结语

本文对平台梁板结构健康监测系统的研发和实施进行了分析和总结。首先，确定各子系统架构模式；其次，完成现场施工，确保系统的正常运行；最后，通过连续监测和数据分析，将相应的损伤识别方法应用到实际工程。本系统建成后，运行稳定，各类荷载响应监测值与设计参数下的仿真结果基本一致。接收方表明系统设计科学合理,安装工艺满足设计要求,工程质量达到预设目标的监测数据支撑，并建议在下一工程上推广应用此系统。

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Design and Research of Health Monitoring System for Platform Slab-plate Structure Based on Dynamic Response of Acceleration

ZHANG Ning1,2, WEI Zhuo-bin1, DONG Qi1

(1.College of Service, Naval Univ. of Engineering, Tianjin 300450, China; 2. Department of Power Steering, Navy Submarine Academy, Qingdao Shandong 266199, China)

In order to ensure the safety of the slab-plate steel structure platform during the period of service in a project, a structural health monitoring system was introduced to monitor and diagnose. A structural damage identification software is developed on the basis of reasonable and engineering targeted damage identification methods. Through the extraction of damage index changes for continuous analysis and evaluation, it can give timely warning of damage, judge the location and degree of possible damage, and predict the structural performance changes. This paper introduces the research and development and construction process of the system from the aspects of program design, hardware construction and software development.

spatial slab-plate; impact load; dynamical response; health monitoring; system research

2016-06-07

张 宁(1976- )，男，讲师，博士研究生，从事船舶与海洋工程及结构健康监测研究。

韦灼彬(1964- )，男，教授，博士，从事结构健康监测、新型组合和新材料结构研究。

O328

A

2095-7602(2017)08-0022-03