基于信息融合的结构损伤诊断方法和结构损伤诊断系统技术方案

本发明专利技术实施方式公开了一种基于信息融合的结构损伤诊断方法和结构损伤诊断系统，基站与至少一个簇头通信，每一簇头与至少一个传感节点通信，该方法包括：每一簇头接收来自基站的采集指令，并根据采集指令向簇内的各传感节点分配需求信息；每一传感节点根据需求信息采集结构在时域下的特征量信号，提取该信号的相关函数和权值，并发送给簇头；每一簇头根据相关函数和权值以及传感节点的位置获得模态参数，将模态参数与预设健康状况参数进行对比得到簇内结构的损伤诊断信息，并发送给基站；基站根据每一簇头发送的损伤诊断信息生成损伤诊断报告。通过上述方式，本发明专利技术实施方式能够提高结构损伤诊断精度、减少通信量、实现对结构的实时诊断。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术实施方式涉及结构健康监测
，特别是涉及一种基于信息融合的结构损伤诊断方法和结构损伤诊断系统。
技术介绍
结构健康监测是指利用现场的无损传感技术，通过包括结构响应在内的结构系统特性分析，达到检测结构损伤或退化的目的。它的研究目的就是通过结构中的传感器网络来实时获取结构对环境激励(人为的或自然的)的响应，并从中提取结构的损伤和老化信息，为结构的使用和维护工作提供参考。由于有线传感器网路具有稳定性好、准确性高、数据传递速度快、抗干扰能力好、维修成本低及产品系列化等特点，所以实际工程多采用有线传感器网络。但是有线传感器网络也有不可避免的难题：(1)有线传感器必须通过电缆连接到控制中心，大量的铺设电缆，不仅昂贵、耗时，而且监测过程中不易维护；(2)需要监测的点必须是可以接近的，否则有线传感器难以胜任；(3)铺设的电缆受环境影响比较大，不利于监测点信号的采集。为了克服有线传感器网络的这些问题，伴随着传感技术、机械电子技术和无线通信技术的快速发展，低成本、小体积、多功能及低功耗的无线传感器应运而生，以无线传感器为基础构建的无线传感器网络也逐渐应用于结构健康监测领域然而，现有的无线传感器网络多采用集中式数据采集方式和独立式数据处理方式。如图1所示，是采用集中式数据采集方式的无线传感器网络的架构示意图。该无线传感器网络由基站11和与基站11分别通信的多个无线传感节点12组成，各个无线传感节点将采集的数据，直接发送到基站进行处理，这种无线传感器网络与传统的有线传感器网路采集数据传送到基站是一样的，只进行数据采集，并没有利用无线传感节点的数据计算能力对采集的数据处理。而且该无线传感器网络只能勉强适用于土木工程结构简单，数据通信量较少的情况，随着土木工程结构日益趋向复杂和庞大，结构健康监测需要布置大量的无线传感器，随着节点数的增加，数据通信量将成千上万的递增，集中存储的数据量会因超过带宽而溢出。此外，将传感节点上的数据全部传递给基站，需要大量的时间，而且对无线传感节点的能量单元也是极大的挑战采用独立数据处理方式的无线传感器网络的网络架构与图1相同，这种无线传感器网络中的各传感节点之间不进行组网，仅把处理后的数据传送到基站。该无线传感器网络的各传感节点之间并没有共享信息，空间信息易被丢弃。因此，这种无线传感器网络不能求出类似于整体模态振型这种需要多个传感节点数据融合才可计算出的结果，因此制约了其在结构健康监测领域中的发展。
技术实现思路
本专利技术实施方式主要解决的技术问题是提供一种基于信息融合的结构损伤诊断方法和结构损伤诊断系统，能够提高结构损伤诊断精度、减少通信量、实现对结构的实时诊断。为解决上述技术问题，本专利技术实施方式采用的一个技术方案是：提供一种基于信息融合的结构损伤诊断方法，基站与至少一个簇头通信，每一所述簇头与至少一个传感节点通信，所述所有簇头之间进行信息共享，所述结构损伤诊断方法包括：每一所述簇头接收来自所述基站的采集指令，并根据所述采集指令向簇内的各所述传感节点分配需求信息；每一所述传感节点根据所述需求信息采集结构在时域下的特征量信号，采用自然激励技术NExT/随机减量技术RTD转化函数提取所述特征量信号的相关函数和权值，并将所述相关函数和权值发送给所在簇的簇头；每一所述簇头根据簇内每一所述传感节点的相关函数和权值以及每一所述传感节点的位置估算出簇内结构的相关函数矩阵，采用特征系统实现ERA/易卜拉欣时域ITD算法获得所述相关函数矩阵的模态参数，将所述模态参数与预设健康状况参数进行对比得到簇内结构的损伤诊断信息，并将所述损伤诊断信息发送给所述基站；所述基站根据每一所述簇头发送的损伤诊断信息生成损伤诊断报告。其中，每一所述簇头在将所述损伤诊断信息发送给所述基站的步骤具体包括：每一所述簇头与相邻簇头进行损伤诊断信息的信息共享，以分析得到损伤系数；每一所述簇头根据损伤系数确定损伤位置及损伤程度；所有簇头中预先指定的母簇头从所有簇头中选择一个簇头作为控制器簇头；所述控制器簇头将每一所述簇头的损伤位置及损伤程度发送给所述基站。其中，所有簇头中预先指定的母簇头从所有簇头中选择一个簇头作为控制器簇头的步骤具体包括：每一所述簇头将所述权值和所述模态参数进行数据融合得到损伤特征向量；所有簇头中预先指定的母簇头将每一所述簇头的损伤特征向量进行比对，并根据比对结果选择一个簇头作为控制器簇头。其中，所述每一所述簇头接收来自所述基站的采集指令，并根据所述采集指令向簇内的各所述传感节点分配需求信息之前，所述结构损伤诊断方法还包括：所述基站与每一所述簇头和每一所述传感节点进行时间同步。其中，所述预设健康状况参数在所述基站、所述簇头和所述传感节点进行初始通信部署时设定。为解决上述技术问题，本专利技术实施方式采用的另一个技术方案是：提供一种基于信息融合的结构损伤诊断系统，所述结构损伤诊断系统包括基站、簇头和传感节点，所述基站与至少一个簇头通信，每一所述簇头与至少一个传感节点通信，所述所有簇头之间进行信息共享，其中：每一所述簇头用于接收来自所述基站的采集指令，并根据所述采集指令向簇内的各所述传感节点分配需求信息；每一所述传感节点用于根据所述需求信息采集结构在时域下的特征量信号，采用自然激励技术NExT/随机减量技术RTD转化函数提取所述特征量信号的相关函数和权值，并将所述相关函数和权值发送给所在簇的簇头；每一所述簇头还用于根据簇内每一所述传感节点的相关函数和权值以及每一所述传感节点的位置估算出簇内结构的相关函数矩阵，采用特征系统实现ERA/易卜拉欣时域ITD算法获得所述相关函数矩阵的模态参数，将所述模态参数与预设健康状况参数进行对比得到簇内结构的损伤诊断信息，并将所述损伤诊断信息发送给所述基站；所述基站用于根据每一所述簇头发送的损伤诊断信息生成损伤诊断报告。其中，每一所述簇头具体用于与相邻簇头进行损伤诊断信息的信息共享，以分析得到损伤系数；以及根据损伤系数确定损伤位置及损伤程度；所有簇头中预先指定的母簇头用于从所有簇头中选择一个簇头作为控制器簇头；所述控制器簇头用于将每一所述簇头的损伤位置及损伤程度发送给所述基站。其中，所有簇头中预先指定的母簇头从所有簇头中选择一个簇头作为控制器簇头之前，每一所述簇头用于将所述权值和所述模态参数进行数据融合得到损伤特征向量；所有簇头中预先指定的母簇头用于将每一所述簇头的损伤特征向量进行比对，并根据比对结果选择一个簇头作为控制器簇头。其中，所述基站在每一所述簇头接收来自所述基站的采集指令之前，还用于与每一所述簇头和每一所述传感节点进行时间同步。其中，所述预设健康状况参数在所述基站、所述簇头和所述传感节点进行初始通信部署时设定。本专利技术实施方式的有益效果是：区别于现有技术的情况，本专利技术实施方式在原有无线传感器网络基础上从无线传感器网络的传感节点结构进行进一步划分，还对每一级结构进行数据融合处理，从而能够提高结构损伤诊断精度、减少通信量、实现对结构的实时诊断，可以有效降低系统的能耗，大大降低系统的负荷，有利于结构健康监测的智能化。附图说明图1是采用集中式数据采集方式的无线传感器网络的架构示意图；图2是本专利技术实施方式基于信息融合的结构损伤诊断方法的流程示意图；图3是本专利技术实施方式基于信息融合的结构损本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于信息融合的结构损伤诊断方法，其特征在于，基站与至少一个簇头通信，每一所述簇头与至少一个传感节点通信，所述所有簇头之间进行信息共享，所述结构损伤诊断方法包括：每一所述簇头接收来自所述基站的采集指令，并根据所述采集指令向簇内的各所述传感节点分配需求信息；每一所述传感节点根据所述需求信息采集结构在时域下的特征量信号，采用自然激励技术NExT/随机减量技术RTD转化函数提取所述特征量信号的相关函数和权值，并将所述相关函数和权值发送给所在簇的簇头；每一所述簇头根据簇内每一所述传感节点的相关函数和权值以及每一所述传感节点的位置估算出簇内结构的相关函数矩阵，采用特征系统实现ERA/易卜拉欣时域ITD算法获得所述相关函数矩阵的模态参数，将所述模态参数与预设健康状况参数进行对比得到簇内结构的损伤诊断信息，并将所述损伤诊断信息发送给所述基站；所述基站根据每一所述簇头发送的损伤诊断信息生成损伤诊断报告。

【技术特征摘要】
1.一种基于信息融合的结构损伤诊断方法，其特征在于，基站与至少一个簇头通信，每一所述簇头与至少一个传感节点通信，所述所有簇头之间进行信息共享，所述结构损伤诊断方法包括：每一所述簇头接收来自所述基站的采集指令，并根据所述采集指令向簇内的各所述传感节点分配需求信息；每一所述传感节点根据所述需求信息采集结构在时域下的特征量信号，采用自然激励技术NExT/随机减量技术RTD转化函数提取所述特征量信号的相关函数和权值，并将所述相关函数和权值发送给所在簇的簇头；每一所述簇头根据簇内每一所述传感节点的相关函数和权值以及每一所述传感节点的位置估算出簇内结构的相关函数矩阵，采用特征系统实现ERA/易卜拉欣时域ITD算法获得所述相关函数矩阵的模态参数，将所述模态参数与预设健康状况参数进行对比得到簇内结构的损伤诊断信息，并将所述损伤诊断信息发送给所述基站；所述基站根据每一所述簇头发送的损伤诊断信息生成损伤诊断报告。2.根据权利要求1所述的结构损伤诊断方法，其特征在于，每一所述簇头在将所述损伤诊断信息发送给所述基站的步骤具体包括：每一所述簇头与相邻簇头进行损伤诊断信息的信息共享，以分析得到损伤系数；每一所述簇头根据损伤系数确定损伤位置及损伤程度；所有簇头中预先指定的母簇头从所有簇头中选择一个簇头作为控制器簇头；所述控制器簇头将每一所述簇头的损伤位置及损伤程度发送给所述基站。3.根据权利要求2所述的结构损伤诊断方法，其特征在于，所有簇头中预先指定的母簇头从所有簇头中选择一个簇头作为控制器簇头的步骤具体包括：每一所述簇头将所述权值和所述模态参数进行数据融合得到损伤特征向量；所有簇头中预先指定的母簇头将每一所述簇头的损伤特征向量进行比对，并根据比对结果选择一个簇头作为控制器簇头。4.根据权利要求1所述的结构损伤诊断方法，其特征在于，所述每一所述簇头接收来自所述基站的采集指令，并根据所述采集指令向簇内的各所述传感节点分配需求信息之前，所述结构损伤诊断方法还包括：所述基站与每一所述簇头和每一所述传感节点进行时间同步。5.根据权利要求1所述的结构损伤诊断方法，其特征在于，所述预设健康状况参数在所述基站、所...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨进，许烈平，柳成荫，宋大鹏，
申请(专利权)人：深圳高速工程检测有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44