專利名稱：結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)的多指標(biāo)分層與融合可視化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大型土木結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)領(lǐng)域，特別涉及一種結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)的多指標(biāo)分層與融合可視化方法。
背景技術(shù)：
改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)得到明顯加強(qiáng)，各種大型結(jié)構(gòu)相繼建成。然而由于大型結(jié)構(gòu)在服役過(guò)程中，不可避免的受到環(huán)境荷載、疲勞效應(yīng)、腐蝕效應(yīng)和材料老化等不利因素的影響，這些影響有可能產(chǎn)生損傷累積、抗力衰減、突發(fā)破壞等嚴(yán)重后果。為此有必要對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷狀況進(jìn)行識(shí)別和評(píng)估。目前，在大型土木結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)和健康監(jiān)測(cè)研究領(lǐng)域，揭示結(jié)構(gòu)損傷信息的方法主要是應(yīng)用單個(gè)參數(shù)或指標(biāo)的曲線或柱狀圖，通過(guò)曲線或柱狀圖的突變來(lái)識(shí)別結(jié)構(gòu)的損傷位置，并通過(guò)與未損傷狀況下作比較，根據(jù)圖中參數(shù)的偏離大小來(lái)評(píng)估損傷程度。另一種結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)的方法是通過(guò)應(yīng)用X射線掃描或者熱成像等圖像方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，但該方法主要是應(yīng)用于小型的機(jī)械結(jié)構(gòu)。上述兩種方法在實(shí)際應(yīng)用中存在以下弊端(1)由于當(dāng)前損傷檢測(cè)的指標(biāo)過(guò)于抽象，曲線和柱狀圖方法必須專業(yè)的工程技術(shù)人員才能判斷結(jié)構(gòu)是否存在損傷、損傷位置以及損傷程度，這種方法不夠直觀、形象，不利于推廣和產(chǎn)業(yè)化。并且當(dāng)前各類測(cè)量?jī)x器以及自帶的數(shù)據(jù)處理軟件缺少直接在原結(jié)構(gòu)上揭示損傷信息的可視化模塊。(2)通常曲線和柱狀圖方法在突變位置即為損傷位置，當(dāng)結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)單的梁結(jié)構(gòu)時(shí)能夠很好的揭示出損傷位置，但是對(duì)于相對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如桁架結(jié)構(gòu)，就不能用曲線來(lái)表達(dá)。如果用柱狀圖來(lái)表達(dá)時(shí)，則把每一根桿件當(dāng)成一個(gè)單元，把每一根桿件標(biāo)號(hào)，在柱狀圖中對(duì)應(yīng)顯示，再和原結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)， 操作相對(duì)麻煩，在屏幕顯示上也不能一目了然。( 圖像識(shí)別技術(shù)在醫(yī)學(xué)，地質(zhì)學(xué)等領(lǐng)域有較成熟的應(yīng)用，在結(jié)構(gòu)損傷探測(cè)中雖有應(yīng)用X射線掃描，高速攝像，熱成像及渦流成像等技術(shù)，但這些方法只適用于小型機(jī)械結(jié)構(gòu)，如果要用于大型土木結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)，不僅耗時(shí)耗力，而且消耗大量的資金，所以并不適用。(4)在結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)領(lǐng)域，單一指標(biāo)只對(duì)特定的損傷信息敏感，僅能包含有限的損傷信息，對(duì)不同的結(jié)構(gòu)有其適應(yīng)性，容易導(dǎo)致漏判，可靠性不足。因此，需要提供一種適用于大型結(jié)構(gòu)且檢測(cè)精度高、損傷位置和損傷程度能直觀顯示的結(jié)構(gòu)損傷可視化方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)的多指標(biāo)分層與融合可視化方法，該方法適用于大型結(jié)構(gòu)，且檢測(cè)精度高，損傷位置和損傷程度能夠清楚直觀的顯示出來(lái)，對(duì)操作人員的專業(yè)程度相對(duì)要求不高。本發(fā)明的目的通過(guò)以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)的多指標(biāo)分層與融合可視化方法，具體包括以下步驟
(1)采集大型土木結(jié)構(gòu)上傳感器的信號(hào)，根據(jù)信號(hào)應(yīng)用基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的損傷檢測(cè)方法，得到坐標(biāo)模態(tài)置信因子(COMAC)、協(xié)調(diào)模態(tài)置信因子(ECOMAC)、柔度矩陣、曲率模態(tài)、應(yīng)變模態(tài)和應(yīng)變能，基于時(shí)間序列和基于統(tǒng)計(jì)學(xué)等動(dòng)力特性指標(biāo)值；(2)將步驟(1)所述各動(dòng)力特性指標(biāo)值映射成圖像數(shù)據(jù)，然后將圖像數(shù)據(jù)融合到原結(jié)構(gòu)圖上，即將一個(gè)可視化空間結(jié)構(gòu)和一條圖像信息對(duì)應(yīng)起來(lái)，在顯示器上分層顯示出來(lái)；對(duì)得到的各指標(biāo)圖像數(shù)據(jù)分別進(jìn)行如下操作(2-1)提取出同一時(shí)刻得到的各個(gè)動(dòng)力特性指標(biāo)值并將它們進(jìn)行融合，得到一個(gè)新的融合指標(biāo)，然后將該融合指標(biāo)進(jìn)行映射得到融合指標(biāo)圖像數(shù)據(jù)；(2-2)提取出不同時(shí)刻得到的同一動(dòng)力特性指標(biāo)圖像數(shù)據(jù)和不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的融合指標(biāo)圖像數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)融合到原結(jié)構(gòu)圖上，在顯示器上分層顯示，從而直觀顯示出土木結(jié)構(gòu)的損傷位置和損傷程度。作為優(yōu)選方案，在第一次使用該方法時(shí)，在步驟(2)結(jié)束后，由操作人員對(duì)每個(gè)指標(biāo)圖像進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，檢查是否有漏判損傷信息或者對(duì)本結(jié)構(gòu)不適應(yīng)的指標(biāo)，如果有則將該指標(biāo)剔除，在以后檢測(cè)中不再計(jì)算該指標(biāo)。所述映射的圖像數(shù)據(jù)分為兩種，分別是彩色圖像數(shù)據(jù)和灰度圖像數(shù)據(jù)，在一次損傷檢測(cè)過(guò)程中，僅選用兩者中的一種，具體映射方法是(2-1)若要映射為彩色圖像，即將結(jié)構(gòu)上的每一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的指標(biāo)數(shù)據(jù)a均用紅(R)、 綠(G)、藍(lán)(B)三原色組表示成真彩色圖像數(shù)據(jù)，每一色原存在256個(gè)級(jí)別，設(shè)指標(biāo)中最小值為min_a，最大值為maX_a，則該點(diǎn)處的顏色值(R(a) ,G(a)，B(a))用下式表示
權(quán)利要求
1.結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)的多指標(biāo)分層與融合可視化方法，其特征在于，具體包括以下步驟(1)采集大型土木結(jié)構(gòu)上傳感器的信號(hào)，根據(jù)信號(hào)應(yīng)用基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的損傷檢測(cè)方法，得到如下動(dòng)力特性指標(biāo)值坐標(biāo)模態(tài)置信因子、協(xié)調(diào)模態(tài)置信因子、柔度矩陣、曲率模態(tài)、應(yīng)變模態(tài)、應(yīng)變能、基于時(shí)間序列指標(biāo)和基于統(tǒng)計(jì)學(xué)指標(biāo)；(2)將步驟(1)所述各動(dòng)力特性指標(biāo)值映射成圖像數(shù)據(jù)，然后將圖像數(shù)據(jù)融合到原結(jié)構(gòu)圖上，即將一個(gè)可視化空間結(jié)構(gòu)和一條圖像信息對(duì)應(yīng)起來(lái)，在顯示器上分層顯示出來(lái)；對(duì)得到的各指標(biāo)圖像數(shù)據(jù)分別進(jìn)行如下操作(2-1)提取出同一時(shí)刻得到的各個(gè)動(dòng)力特性指標(biāo)值并將它們進(jìn)行融合，得到一個(gè)新的融合指標(biāo)，然后將該融合指標(biāo)進(jìn)行映射得到融合指標(biāo)圖像數(shù)據(jù)；(2-2)提取出不同時(shí)刻得到的同一動(dòng)力特性指標(biāo)圖像數(shù)據(jù)和不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的融合指標(biāo)圖像數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)融合到原結(jié)構(gòu)圖上，在顯示器上分層顯示，從而直觀顯示出土木結(jié)構(gòu)的損傷位置和損傷程度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)的多指標(biāo)分層與融合可視化方法，其特征在于，在第一次使用該方法時(shí)，在步驟( 結(jié)束后，由操作人員對(duì)每個(gè)指標(biāo)圖像進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，檢查是否有漏判損傷信息或者對(duì)本結(jié)構(gòu)不適應(yīng)的指標(biāo)，如果有則將該指標(biāo)剔除，在以后檢測(cè)中不再計(jì)算該指標(biāo)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)的多指標(biāo)分層與融合可視化方法，其特征在于，所述映射的圖像數(shù)據(jù)分為兩種，分別是彩色圖像數(shù)據(jù)和灰度圖像數(shù)據(jù)，在一次損傷檢測(cè)過(guò)程中，僅選用兩者中的一種，具體映射方法是(2-1)若要映射為彩色圖像，即將結(jié)構(gòu)上的每一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的指標(biāo)數(shù)據(jù)a均用紅(R)、綠 (G)、藍(lán)(B)三原色組表示成真彩色圖像數(shù)據(jù)，每一色原存在256個(gè)級(jí)別，設(shè)指標(biāo)中最小值為 min_a，最大值為maX_a，則該點(diǎn)處的顏色值(R(a)，G(a)，B(a))用下式表示
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)的多指標(biāo)分層與融合可視化方法，其特征在于，所述步驟0-1)中對(duì)同一時(shí)刻得到的不同動(dòng)力特性指標(biāo)圖像數(shù)據(jù)值進(jìn)行融合所采用的方法是自適應(yīng)加權(quán)最小二乘法，對(duì)于不同指標(biāo)設(shè)定不同的權(quán)值，設(shè)定的權(quán)值使融合值和各指標(biāo)差值平方和最小，具體為設(shè)&為計(jì)算得到的第i個(gè)指標(biāo)值，Wi為第i個(gè)指標(biāo)自適應(yīng)權(quán)值，各指標(biāo)平均值為文=If不，差為
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)的多指標(biāo)分層與融合可視化方法，其特征在于，所述步驟(2)完成可視化后，操作人員通過(guò)框定對(duì)結(jié)構(gòu)圖像中任意位置進(jìn)行放大。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)的多指標(biāo)分層與融合可視化方法，首先，采集大型土木結(jié)構(gòu)上傳感器的信號(hào)，應(yīng)用各指標(biāo)對(duì)應(yīng)的處理方法求出各類動(dòng)力特性指標(biāo)；然后將各動(dòng)力特性指標(biāo)值進(jìn)行分層可視化；對(duì)于同一時(shí)刻得到的不同指標(biāo)的值進(jìn)行融合，得到一個(gè)新的融合指標(biāo)，然后將該融合指標(biāo)可視化。通過(guò)圖像的密度、顏色或灰度的分布，使得結(jié)構(gòu)損傷信息在原結(jié)構(gòu)中體現(xiàn)出來(lái)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性數(shù)據(jù)的可視化，使得損傷信息形象、直觀和具體。本發(fā)明將多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行融合，形成融合指標(biāo)，解決單一指標(biāo)容易導(dǎo)致漏判的缺點(diǎn)，且可將不同時(shí)刻不同損傷程度下各指標(biāo)圖像進(jìn)行分層對(duì)比，研究損傷的發(fā)展規(guī)律，評(píng)估結(jié)構(gòu)的健康狀況。
文檔編號(hào)G01N33/00GK102323382SQ20111020335
公開(kāi)日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月20日
發(fā)明者程良彥, 聶振華, 馬宏偉 申請(qǐng)人:暨南大學(xué)