基于桥梁健康监测的传感器优化布置研究现状与发展趋势

张 宇

（沈阳建筑大学，辽宁 沈阳 110000）

1 传感器监测项目优化

大型桥梁健康系统监测项目的种类较多，一般分为输入输出，静态和动态，整体和局部，同时还包含了研究方向的划分。当前，在对其进行具体的应用以及研究过程中，桥梁健康监测项目主要是将经验为基础的。并且运用对于斜拉桥病害进行调查以及监测从而完成分析，相关学者总结出了斜拉桥状态监测以及评估自身的代表性监测项目。总结了多个斜拉桥的特点，研究了典型桥梁健康监测方法自身的适用性。

确定监测项目的依据主要包括三个方面：健康数据库，风险分析和脆弱性分析。具体考虑因素包括局部和整体之间的关系，动态和静态分析的需要，健康监测和人工检查。

要设计大型桥梁结构的监测系统，首先需要对桥梁自身的结构特点和各方面系统功能提出的要求进行考量，同时对于系统需要获得哪些信息与系统实施的目的进行确认；其次，应结合监测成本，实现效益最大化，科学经济。角度来确定监控项目。相关的分析，可以看出是何种项目需要持续的去完成监测，用于周期监测以及日常进行监测的项目，并且何种项目需要运用专用检测设备去对所需要的数据进行获取。在健康监测系统其自身进行具体应用的过程中，因为能够按照待研究问题其自身的性质去对理论研究有关的监测项目给予确认，因此其自身有着比较大的随机性，无法令实施效果得到保证。因此，有学者认为监测系统的设计一定要按照功能要求以及效益成本去对这两个标准进行分析。首先，监测系统的设计需要对系统的目的以及功能进行考量。针对一些特别的桥梁，设置健康监测系统的目的主要是针对桥梁监测以及评估，或设计验证，甚至研究和开发。因此，假如针对系统的目标以及功能进行确认，就可以确定系统的监控程序。其次，采集和传输系统需要综合考虑监测系统中每个监测项目的规模和所用传感器的类型，根据目的设计监测项目和测量点数量去完成功能设置与效益成本分析。

2 传感器数量上的优化

确定监控项目后，下一步就是需要对传感器的数量进行确定。优化理论研究的传感器数量和传感器位置不仅能够合理的减少监测成本，还能够使得监测系统处置信息的效率得到提升，目前传感器的数量主要由经验以及经济因素考虑与确认，有着非常大的随机性以及不确定性。

在设计监测系统模态监测时，传感器的初始优化主要是有相关人员自身的经验去给予确定，或者是参照振动理论，按照测试的模态其自身的数量去予以确认。很多学者还根据弹性波传播原理去对了特定结构传感器排列本身的极限间距给予有效的确认。最开始则需要对于测试所需要涉及到的传感器数量给予确认，通常的做法是与当前经济要求相相互融合考虑其之后的数量的传感器，同时根据优化的放置标准确定测量点的放置。一些学者研究了最小数量的传感器，以满足不同的模态能够观测性以及损伤识别的要求。这一领域的研究主要局是局限在理论分析以及数值模拟上。

3 传感器位置优化

3.1 针对模态其自身观测性的传感器去完成布置方法的优化

传感器当前的优化布局其中比较主要的特性可以说是系统自身的可观察性，它展现出了传感器站点在当前结构监测，健康评估或系统控制里提供主要状态参数信息的一种能力。针对模态可观测性其自身经常使用到的优化标准包括传输误差比较小的一个准则，系统能量准则，模型减少准则和模态保证准则。

由于在大多数情况下首先需要运用参数识别的方式去对模态测试的结果进行确认，所以当前有很多文献通过最小化的方式去对参数的误差进行识别使其能够令传感器布置得到优化。基础思想则是在得到Fisher信息矩阵的过程中运用系统参数去完成误差无偏估计的识别。在最大值的时候，系统参数识别的错误较小。比较有影响力的一种配置方式为Kammer指出的一种合理的独立（EI）方法。其基础思想主要是按照候选传感器点对于目标模态分量的一种具备线性独立性质的一种贡献其自身主要是对于传感器位置给予排序，优化Fisher信息矩阵，并进行迭代。这种方式得到的是一组传感器的优化点。然而，这一方法没有针对结构质量分布自身的不均匀性进行考量，并且能够存在所选传感器其自身的位置能量比较低并且出现信息丢失的问题。

3.2 针对损伤可识别性的传感器优化布置方法

针对损伤识别的一种传感器优化布置要求由有限数量的点测量的数据可以尽可能地识别结构损坏，也就是传感器一定要摆放在对结构造成损坏并不是比较敏感的部位，并且获得的性能矩阵结构响应其中还需要涉及到尽量比较多的结构损坏。当前，针对损伤识别所进行的传感器优化研究还是比较少的。

Cobb等人首先研究了用于结构损伤识别的这种传感器其自身的布局较为适宜。在对于结构特征敏感性进行分析的基础上，还对于模态变化与结构损伤彼此存在的联系进行分析。认为损害程度受模态信息的限制。随后，一些研究人员基于敏感性分析和脆弱性分析进行了相应的研究。模态可观测性和针对损伤可识别性的一种传感器优化布置上存在差异。适合使用在模态可观测性标准方式不完全适用于针对损伤可识别性的一种传感器优化的放置标准。灵敏度分析方法（SAM）和脆弱性分析在具有损伤可识别性的传感器在进行布置优化过程中能够获得非常好的结果。

3.3 其他传感器优化布置方法

尽管随机类优化算法并不是完成传感器优化排列的唯一一种方式，可是其自身仍然存在一定过得问题主要是表现在收敛的速度比较慢，并且迭代次数相对较多等缺点，随机类优化算法自身有着非常好的并行性以及全局搜索优势，可以获得更好的配置。随机优化算法其中主要涉及到了遗传算法（GA）以及模拟退火算法。于姚等人首先使用信息数组的行列式值作为基于有效独立方法的适应度值，并尝试运用对于遗传算法进行使用使得以前的迭代算法得到改变。Frauchi等人应用遗传算法使其能够对传感器优化放置进行研究。当前所进行的这些研究对于遗传算法在当前传感器优化安排中的可行性给予了验证。然后将遗传算法一个接一个地应用于工程实例。同时，一些学者比较了遗传算法和传统序列方法疏忽的配置改善效果。其中发现遗传算法能够使用并不是很多的传感器获得桥的整体状态，并具有实际应用。识别准确度更高。由于遗传算法自身存在的这种早熟问题，为了能够有效的抑制早熟问题，很多研究人员试图将拥有强局部搜索能力的一种模拟退火算法的引入遗传算法，并使用模拟退火算法来优化选择个体。遗传算法实现快速搜索，然而，该领域的研究不多，但发展潜力是巨大的。

3.4 布局评估标准的优化

Penny等提出了五种评估各种传感器放置方法优点的定量标准：模态的相关标准，并且令模态保证标准得到修复，模式矩阵的条件数标准，模态动能标准以及Fisher信息矩阵标准。前三个标准在对于实验模态向量正交性上起到了不可忽视的主要作用，并且相对容易实现，模态保证标准是最广泛使用的。然而，缺点则是所有这些标准考虑的只是每一个模态空间的角度，并且无法令测量点对待识别参数的灵敏度保持在最适宜的状态。模态动能标准能够令传感器排列自身的反应幅度得到保证，同时还能够便于数据的采集，使得测量抗噪能力得到提升。Fisher信息矩阵准则可以确保测试信号的估计测量信号的最小偏差，并且可以用于评估测量模式和有限元分析模态的相似程度，也就是噪声对于测量模态参数产生的影响。因此，在实际应用中，需要按照实际的结构方式，传感器的数量和测量要求，综合选择最佳配置标准和配置方法。

传感器监控项目，传感器数量以及传感器安装位置彼此之间存在的相关性是较为强大的。例如，监控项目自身的类型界定了所选择传感器自身的数量，传感器自身的类型与能够完成安装的位置。除了经济方面的考虑外，使用的传感器数量在极大程度上还会受到安装位置带来的制约，需要综合对多种因素进行考量。

4 存在的不足

针对桥梁健康监测的系统，怎么样使得传感器布局得到优化使其能够较好的地服务于当前整体的系统可以说还是需与进行深入分析与处置的一个问题。虽然有许多方法可以优化传感器的放置，但仍存在以下几个缺点：

（1）各种传感器优化方式只是对于局部存在的问题有效，仍然没有合理的去令传感器评估布局评估标准得到统一。各种算法基于它们各自的评估目标。尽管它们在形式以及理论上存在一定的联系，但对于相同的结构，不同算法的结论在同种条件下经常是存在一定差异的。对于大型空间结构，其中不但有非常多的结构上的不确定性，并且还在较为复杂的自然环境里进行工作。这些不利条件也为监测结构的进行带来了很大的困难。

（2）监测项目的研究应用主要是针对先验知识，令理论研究自身的应用较具体的建设需要落后。

（3）尽管已经提出了许多用于优化传感器位置的方法和指南，但是仍然难以确定适当数量的传感器，并且在该领域中的研究很少。

5 发展趋势

（1）结合不同的方法形成新的混合算法往往具有两者的优点，如EI方法和MAC方法相结合，形成混合算法，并基于随机算法，基于损伤敏感性的传感器优化。它也吸引了越来越多的研究人员的关注和研究。

（2）对于结构，当发生损坏时，损伤部分的应力，应变模态信息或曲率信息通常比位移模式更敏感。大多数国家对应变模式和曲率模式的研究主要集中在损伤识别领域，但传感器关于应变模式和曲率模态信息的信息尚未引起重视。因此，静态应变传感器的最佳放置具有很大的发展潜力。

（3）将传感器优化理论方法转化为软件是理论与实践最有效的指导方法，也是理论实践的最直接检验。许多学者已经开始关注如何在传感器优化布置中提高优化算法的计算效率，减少迭代计算量，并开发传感器优化工具包。

（4）性能良好的传感器系统，结合经济和技术效果，实现健康监测系统的预期技术目标，并为桥梁状态评估提供可靠的分析数据。从现有桥梁健康监测系统的角度来看，传感器系统的研究设计和安装往往是在桥梁建成后。同时，在桥梁施工过程中，用于施工监测的传感器和桥梁载荷测试传感器的安装通常独立于健康监测。在系统之外，这些实践错过了整合桥梁和废物资源的原始关键信息的机会。因此，健康监测系统的设计应与桥梁设计相结合，并应考虑桥梁施工过程中的施工监测和荷载试验来设计传感器系统。根据特定桥梁结构的形式全面考虑传感器系统的设计

6 结语

传感器优化布置可以说是桥梁结构健康监测系统合理性和准确性以及长期性与经济性的主要步骤，通过从很多不同方面去对多种传感器优化布置算法的起源以及发展进行介绍，并且对于传感器优化布置研究工作提供了有效的借鉴。