大跨度轨道交通桥梁损伤检测系统

1.一种大跨度轨道交通桥梁损伤检测系统，其特征在于，包括：数据采集子系统和数据处理子系统两个子系统，其中：
数据采集子系统负责检测轨道交通车辆通过大跨度桥梁时的振动情况，并采集桥梁动载响应信号传输给数据处理子系统；
数据处理子系统读取数据采集子系统检测到的桥梁动载响应信号，结合动力学分析计算得到的模拟桥梁动载响应信号实现桥梁的损伤识别，通过图形界面和数据库技术实现用户对系统的操作和数据管理，并通过网络技术实现本地计算机与远程计算机的通讯；
所述的数据采集子系统，包括：传感器模块、信号调理模块、信号采集模块，其中：
传感器模块采用加速度传感器，用于测量轨道车辆通过时桥梁的垂向振动加速度，其布设方式为沿桥梁纵向中心轴线均布n个，这样桥面将被划分为n-1个标准损伤识别区域；
信号调理模块负责将传感器上信号进行放大、隔离、滤波处理；
信号采集模块通过数模转换连接信号调理模块与计算机，并最终组成本地检测系统；
所述的数据处理子系统，包括辅助动力学分析模块、本地信息处理模块和远程信息处理模块，其中：
辅助动力学分析模块为本地信息处理模块提供损伤分析时模拟桥梁动载响应信号；
本地信息处理模块通过采用客户机/服务器构建的网络模式与远程信息处理模块之间进行数据传输；
远程信息处理模块，采用客户机/服务器的网络模式与本地信息处理模块构建了数据远程传输及存储方案；
所述的辅助动力学分析模块，是由基准桥梁数值模型与轨道车辆数值模型组成的耦合振动的动力学分析系统，基准桥梁数值模型根据桥梁的实际尺寸及材料参数建立，经过模态分析验证后，符合所检测桥梁的振动特性；车辆的数值模型是车体、转向架和轮对这些多刚体组成的多自由度的动力学系统，具有两级悬挂和浮沉、横摆、摇头、点头、侧滚，共有27个自由度，车轮与轨道之间的耦合作用采用三维动态接触的方法建模，通过显示积分求解得到模拟桥梁动载响应信号，为桥梁损伤分析提供初始数据；
所述的远程信息处理模块，由远程计算机与远程数据库组成，远程计算机负责与本地信息处理模块进行通讯，而远程数据库则用于存储包括时间信息、车速信息、损伤诊断信息的静态数据，以及包括桥梁动载响应信号和模拟桥梁动载响应信号的动态数据；
所述的本地信息处理模块：由数据显示模块、信号读取模块、数据管理模块、模拟信号读取与解析模块、损伤分析模块和远程通讯模块组成，其中：
数据显示模块，为系统的图形界面，用于显示监测数据和损伤识别结果；另外，通过该界面实现用户与系统其它模块的交互操作；
信号读取模块通过缓冲和采样率初始化的设定，完成对数据采集子系统中桥梁动载响应信号的采集功能；
数据管理模块，负责数据处理子系统的数据库操作，并对检测到的桥梁动载响应信号和辅助动力学分析模块计算得到的模拟桥梁动载响应信号数据进行记录，同时，根据用户发送的请求进行数据查询、添加、以及删除操作，并将操作的结果返回到数据显示模块；
模拟信号读取与解析模块，提供了本地信息处理模块与辅助动力学分析模块的数据交换接口，通过解析与读取辅助分析软件的计算结果，形成模拟桥梁动载响应信号，作为信号读取模块中采集到的桥梁动载响应信号的比较信号，为损伤分析模块提供初始数据支持；
损伤分析模块，采用多尺度小波包分解法，分别对采集到的桥梁动载响应信号和辅助动力学分析模块计算得到的模拟桥梁动载响应信号在多频段进行分解，并计算各分解频段下各监测点的小波包能量谱和桥梁损伤定位指标，如果桥梁损伤定位指标为0，则桥梁未出现损伤，否则，判定桥梁出现损伤，发出警报，并确定损伤部位；
远程通讯模块，是本地信息处理模块与远程信息处理模块的通讯接口，实现了按照实时发送、定时发送和按需索取的数据传输机制；
所述的损伤分析模块，其中的桥梁损伤定位指标为：
Damageindex＝maxi，j|Ψi-1，j-2Ψi，j+Ψi+1，j|
式中，i为出现损伤的监测位置，j为信号分解的频段；Ψi，j＝Es(i，j)/Ed(i，j)对应第i监测点，第j频段的能量比；Es(i，j)为模拟桥梁动载响应信号在第i监测点、第j频段的小波包能量；Ed(i，j)为桥梁动载响应信号在第i监测点、第j频段的小波包能量。
2.根据权利要求1所述的大跨度轨道交通桥梁损伤检测系统，其特征是，所述远程通讯模块，其中的静态数据和实时监测的动态数据分别采用不同传输协议来实现传输：
静态数据采用TCP/IP协议的套接字技术实现，传输过程中，采用统一的数据包格式：
[命令号]#@[数据1]#@[数据2]#@...[数据n]#@[发送方]#@[接收方]，其中的“#@”为数据包的分割符；
动态数据采用DSTP协议实现。

大跨度轨道交通桥梁损伤检测系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及的是一种计量技术领域的桥梁检测系统，具体是一种大跨度轨道交通桥梁损伤检测系统。\n背景技术\n[0002] 伴随着科技的进步以及交通运输需求的增长，许多轨道交通桥梁或者公路及轨道交通两用的大跨度桥梁(如：武汉长江大桥、南京长江大桥、在建的上海市“闵浦二桥”)已经或者即将建成。这些桥梁在使用过程中，不断受到温度变化、强风等外界环境的侵蚀，车辆荷载、车辆冲击的长期反复作用以及地震、洪水等自然灾害的影响。随着使用年限的增加，其结构材料不断老化、疲劳效应不断增加，从而导致桥梁构件出现不同程度的自然累积损伤和突然损伤，不仅会缩短使用寿命，而且还会严重威胁到人民生命和财产安全。长期以来，人们就意识到了对桥梁进行损伤检测的重要性，基于振动的桥梁损伤检测在过去几年里得到广泛应用和发展。\n[0003] 经对现有技术的文献检索发现，宗周红等人在《福州大学学报》(自然科学版)2002年第2期128～152页发表的论文“桥梁健康监测应用与研究现状”中阐述了桥梁结构健康监测(损伤检测)系统的定义和基本构成，总结了健康监测和损伤识别在桥梁工程中的应用情况。文中指出现有的桥梁损伤检测系统大多通过动力指纹和模型修正等方法，根据结构几何参数(质量、阻尼、刚度)的改变导致结构模态参数(特征频率、模态振型及模态阻尼)的改变来进行损伤诊断的。但是，由于此类系统大多需要测量系统的输入，并且，在试验中测点的数量有限，模态数据不完备；再加上忽略了损伤的时变性和环境不确定性因素等影响，会造成很大误差。因此，国内外投入使用的桥梁损伤检测系统大部分仅限于数据采集、保存，而对于监测数据进行科学管理、建立合理桥梁评估指标和应用监测数据进行损伤检测方面的应用明显不足。\n发明内容\n[0004] 本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，采用轨道交通车辆作为激励，建立一种大跨度轨道交通桥梁损伤检测系统，以满足实际需要。\n[0005] 本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：数据采集子系统和数据处理子系统两个子系统，其中：\n[0006] 数据采集子系统负责检测轨道交通车辆通过大跨度桥梁时的振动情况，并采集桥梁动载响应信号传输给数据处理子系统；\n[0007] 数据处理子系统读取数据采集子系统检测到的桥梁动载响应信号，结合动力学分析计算得到的模拟桥梁动载响应信号，实现桥梁的损伤识别；通过图形界面和数据库技术，实现用户对系统的操作和数据管理；另外，通过网络技术，实现本地计算机与远程计算机的通讯。\n[0008] 所述的数据采集子系统，包括：传感器模块、信号调理模块、信号采集模块，其中：\n[0009] 传感器模块采用加速度传感器，用于测量轨道车辆通过时桥梁的垂向振动加速度，其布设方式为沿桥梁纵向中心轴线均布n个，n为大于1的自然数，这样桥面将被划分为n-1个标准损伤识别区域；\n[0010] 信号调理模块负责将传感器上信号进行放大、隔离、滤波等处理。\n[0011] 信号采集模块通过数模转换等功能连接信号调理模块与计算机，并最终组成本地检测系统。\n[0012] 所述的数据处理子系统，包括辅助动力学分析模块、本地信息处理模块和远程信息处理模块，其中：\n[0013] 辅助动力学分析模块为本地信息处理模块提供损伤分析时模拟桥梁动载响应信号；\n[0014] 本地信息处理模块通过采用客户机/服务器(C/S)构建的网络模式与远程信息处理模块之间进行数据传输；\n[0015] 远程信息处理模块，采用客户机/服务器(C/S)的网络模式与本地信息处理模块构建了数据远程传输及存储方案。\n[0016] 所述的辅助动力学分析模块，是由基准桥梁数值模型与轨道车辆数值模型组成的耦合振动的动力学分析系统。基准桥梁数值模型根据桥梁的实际尺寸及材料参数建立，经过模态分析验证后，符合所检测桥梁的振动特性。车辆的数值模型是车体、转向架和轮对等多刚体组成的多自由度的动力学系统，具有两级悬挂和浮沉、横摆、摇头、点头、侧滚，共有\n27个自由度。车轮与轨道之间的耦合作用采用三维动态接触的方法建模，能够模拟轨道车辆的跳轨、脱轨等现象，更加符合轮轨之间的实际接触状态。通过显示积分求解，可以得到模拟桥梁动载响应信号，为桥梁损伤分析提供初始数据。\n[0017] 所述的远程信息处理模块，由远程计算机与远程数据库组成，远程计算机负责与本地信息处理模块进行通讯，而远程数据库则用于存储时间信息、车速信息、损伤诊断信息等静态数据，以及桥梁动载响应信号和模拟桥梁动载响应信号等动态数据。\n[0018] 所述的本地信息处理模块：由数据显示模块、信号读取模块、数据管理模块、模拟信号读取与解析模块、损伤分析模块和远程通讯模块组成，其中：\n[0019] 数据显示模块，为系统的图形界面，用于显示监测数据和损伤识别结果；另外，通过该界面可以实现用户与系统其它模块的交互操作；\n[0020] 信号读取模块通过缓冲和采样率等初始化的设定，完成对数据采集子系统中桥梁动载响应信号的采集功能；\n[0021] 数据管理模块，主要负责数据处理子系统的数据库操作，并对检测到的桥梁动载响应信号和辅助动力学分析模块计算得到的模拟桥梁动载响应信号等数据进行记录的功能。同时，根据用户发送的请求进行数据查询、添加、以及删除等操作，并将操作的结果返回到数据显示模块；\n[0022] 模拟信号读取与解析模块，提供了本地信息处理模块与辅助动力学分析模块的数据交换接口，通过解析与读取辅助分析软件的计算结果，形成模拟桥梁动载响应信号，作为信号读取模块中采集到的桥梁动载响应信号的比较信号，为损伤分析模块提供初始数据支持；\n[0023] 损伤分析模块，采用多尺度小波包分解法，分别对采集到的桥梁动载响应信号和辅助动力学分析模块计算得到的模拟桥梁动载响应信号在多频段进行分解，并计算各分解频段下各监测点的小波包能量谱和桥梁损伤定位指标，如果桥梁损伤定位指标为0，则桥梁未出现损伤，否则，判定桥梁出现损伤，发出警报，并确定损伤部位。所述的桥梁损伤定位指标为：\n[0024] Damageindex＝maxi，j|Ψi-1，j-2Ψi，j+Ψi+1，j|\n[0025] 式中，i为出现损伤的监测位置，j为信号分解的频段；Ψi，j＝Es(i，j)/Ed(i，j)对应第i监测点，第j频段的能量比；Es(i，j)为模拟桥梁动载响应信号在第i监测点、第j频段的小波包能量；Ed(i，j)为桥梁检测动载响应信号在第i监测点、第j频段的小波包能量；\n[0026] 远程通讯模块，是本地信息处理模块与远程信息处理模块的通讯接口，实现了按照实时发送、定时发送和按需索取的数据传输机制。为了不占用检测计算机CPU的工作时间，从而使应用程序可以运行得更快，其中的静态数据(时间信息、车速信息、损伤识别信息等)和实时监测数据(桥梁检测动载响应信号和模拟桥梁动载响应信号)分别采用不同传输协议来实现。\n[0027] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：\n[0028] (1)本发明考虑了在移动轨道车辆荷载作用下，车辆惯性及自身振动对车-桥耦合作用的影响，更符合实际情况，减少了数值计算的误差；\n[0029] (2)进行桥梁损伤分析时，考虑了桥梁结构中部分损伤在车辆载荷下张开、闭合的时变性的特点，提高了损伤识别的精度；\n[0030] (3)系统具有模块化、层次化的特点，应用程序可以运行得更快，其中的信息类型数据和动载响应测数据分别采用不同传输协议来实现，降低了系统CPU的占用率，具有较好的数据传输特性；\n[0031] (4)同时，由于无需测量输入(激励)信号，监测点相对传统方法较少，只要测量桥梁在移动轨道车辆激励下振动响应数据，就可以进行损伤定位，振动响应数据测量时不影响桥梁结构的正常使用，在工程中较容易实现。\n附图说明\n[0032] 图1是本发明实施例总体框图；\n[0033] 图2是本发明实施例的数据采集子系统结构示意图；\n[0034] 图3轨道车辆与桥梁耦合动力分析模型；\n[0035] 图4损伤分析模块的工作原理图；\n[0036] 图5数据远程通讯模型示意图；\n[0037] 其中：D1：时间信息，D2：车速信息，D3：探伤识别信息，D4：桥梁检测及模拟桥梁动载响应信号。\n具体实施方式\n[0038] 下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。\n[0039] 本实施例主要针对铁路、铁路及公路两用等带有轨道交通的大跨度桥梁建立的损伤检测及识别系统。\n[0040] 如图1所示，本实施例包括：数据采集子系统及数据处理子系统两个部分，其中，数据采集子系统搭建如图2所示，沿桥梁纵向中心轴线均布n个加速度传感器，传感器用于测量桥梁在车辆通过时的垂向振动的加速度，这样桥面将被划分为n-1个标准损伤识别区域；利用NI公司的自定义的信号调理总线SCXI作为数据采集子系统的信号调理模块，能很好地完成多路传感器信号同时输入和信号调理，通过对传感器的输出信号进行放大、隔离、滤波，使之适应数模转换。通过NI公司的PXI模块作为数据采集子系统的信号采集模块，对SCXI的输出信号进行数模转换，结合数据处理子系统完成数据采集、记录以及分析等功能。\n[0041] 如图1所示，本系统的数据处理子系统由包括辅助动力学分析模块、本地信息处理模块和远程信息处理模块组成。其中的辅助动力学分析模块为本地信息处理模块提供损伤分析时模拟桥梁动载响应信号；远程信息处理模块，采用客户机/服务器(C/S)的网络模式与本地信息处理模块构建了数据远程传输及存储方案。下面详细介绍数据处理子系统中的各功能模块：\n[0042] (1)数据处理子系统的辅助动力学分析模块，是由基准桥梁数值模型与轨道车辆数值模型组成的耦合振动的动力学分析系统。其耦合动力分析模型如图3所示，基准桥梁数值模型和轨道车辆模型根据构件空间位置、几何尺寸、材料特性、连接形式建立，其中的基准桥梁数值模型经过模态分析与修正，符合所检测桥梁的振动特性；车辆的数值模型是车体1、转向架2和轮对3等多刚体组成的多自由度的动力学系统，一系悬挂装置4和二系悬挂装置5的阻尼均作为线性粘滞阻尼来处理，各刚体之间的连接为弹性连接，这样整车车辆就具有了浮沉、横摆、摇头、点头、侧滚，共有27个自由度。车轮与轨道之间的耦合作用采用三维动态接触的方法建模，能够模拟轨道车辆的跳轨、脱轨等现象，更加符合轮轨之间的实际接触状态。通过显示积分求解，可以得到模拟桥梁动载响应信号，为桥梁损伤分析提供初始数据。\n[0043] (2)数据处理子系统的远程信息处理模块，由远程计算机与远程数据库组成。远程计算机负责与本地信息处理模块采用客户机/服务器(C/S)的模式进行通讯。而远程数据库则用于存储时间信息、车速信息、损伤识别信息等静态数据，以及桥梁检测动载响应信号和模拟桥梁动载响应信号等动态数据。\n[0044] (3)本地信息处理模块由包括数据显示模块、信号读取模块、数据管理模块、模拟信号读取与解析模块、损伤分析模块和远程通讯模块：\n[0045] a)通过信号读取模块在计算机的内存里设定一个区域(不是数据采集卡上的FIFO缓冲)，用来临时存放数据，解决由于采集样本的样本众多，数据来不及显示的问题。\n在完成采样率的初始化的设定以后，可以实现对数据采集子系统中桥梁动载响应信号的采集功能；\n[0046] b)数据显示模块为系统提供图形界面，用于显示监测数据和损伤识别结果；另外，通过本模块可以实现用户与系统其它模块的交互操作；\n[0047] c)模拟信号读取与解析模块，作为数据处理子系统与动力学辅助分析模块的数据交换接口，可以读取基准桥梁数值模型与轨道车辆数值模型组成的耦合振动的动力学分析系统的计算结果，并将结果解析为符合损伤识别模块计算需求的模拟桥梁动载响应信号。\n[0048] d)损伤分析模块按照图4所示的方法实现桥梁损伤的判定和识别。来自数据采集模块的桥梁动载响应信号和来自辅助分析软件数据交换模块的模拟桥梁动载响应信号将被读入损伤分析模块，按如下原理进行处理：\n[0049] 首先对模拟桥梁动载响应信号fs和检测动载响应信号fd进行多尺度小波包分解：\n[0050] \n[0051] 其中， 为小波包系数， 为小波包函数，i、j、k\n分别为频程参数、尺度参数和平移参数；\n[0052] 小波包分解树的每一个节点(j，i)上，小波包系数 和信号成分 能够表现原信号在j尺度i频程的信号特性；可以通过小波包函数 重构得到每个节点上的分解信号：\n[0053] \n[0054] 相应的节点(j，i)上的信号成分能量为：\n[0055] \n[0056] 可以看出信号成分节点能量给出了不同尺度和频带上信号能量的分布特征。根据各测点的小波包能量谱计算损伤定位指标Damageindex，如果指标为0，则桥梁未出现损伤，否则，发出警报，并确定损伤部位。\n[0057] e)数据管理模块，采用数据库技术进行编程实现，可以存储来自信号采集模块的检测信号和来自辅助分析软件数据交换模块的模拟信号。同时，根据用户发送的请求进行数据查询、添加、以及删除等操作，并将操作的结果返回到数据显示模块。\n[0058] f)远程通讯模块，是本地信息处理模块与远程信息处理模块的通讯接口，采用客户机/服务器(C/S)的模式构建，并按照实时发送、定时发送和按需索取的机制进行数据传输。系统的数据分为静态数据(时间信息、车速信息、损伤识别信息等)和动态数据(桥梁检测动载响应信号和模拟桥梁动载响应信号)，为了不占用检测计算机CPU的工作时间，从而使应用程序可以运行得更快，数据传输时，建立如图5所示的数据通讯模型。静态数据采用TCP/IP协议的套接字技术实现，传输过程中，采用统一的数据包格式如下：\n[0059] [命令号]#@[数据1]#@[数据2]#@...[数据n]#@[发送方]#@[接收方]，其中的“#@”为数据包的分割符。\n[0060] 为了保证很好的实时性和更高的数据交换率，加上具有访问控制管理等安全措施，系统动载响应数据采用NI公司的DataSocket传输协议实现。\n[0061] 由上可以看出，本实施例数据处理子系统采用VC++平台开发和集成，通过读取数据采集子系统检测到的桥梁动载响应信号，结合动力学分析模块计算得到的模拟桥梁动载响应信号，实现桥梁的损伤识别；通过图形界面和数据库技术，实现用户对系统的操作和数据管理；另外，通过网络技术，实现本地计算机与远程计算机的通讯。本实施例具有模块化、层次化的特点，各功能模块间可互通讯。损伤识别系统考虑了惯性及车辆自身振动对车-桥耦合作用的影响以及在移动车辆荷载作用下桥梁损伤的时变性，提高了桥梁损伤识别的精度；信号采集时，不影响桥梁结构的正常使用，在工程中较容易实现。