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结构健康监测
结构健康监测
【结构健康监测】是指对工程结构实施损伤检测和识别。
我们这里所说的损伤包括材料特性改变或结构体系的几何特性发生改变，以及边界条件和体系的连续性，体系的整体连续性对结构的服役能力有至关重要的作用。
结构健康监测涉及到通过分析定期采集的结构布置的传感器阵列的动力响应数据来观察体系随时间推移产生的变化，损伤敏感特征值的提取并通过数据分析来确定结构的健康状态。
对于长期结构健康监测，通过数据定期更新来估计结构老化和恶劣服役环境对工程结构是否有能力继续实现设计功能。
监测简介
监测起源
长期以来，我们一直使用针对质量的不连续的方法来评估结构是否有能力继续服役以实现设计目的。
从19世纪初开始，列车员借助小锤通过听锤击铁轨的声音来确定是否存在损伤。
在旋转机械行业，几十年来振动监测一直作为检测手段。
在过去的十到十五年里，结构健康监测技术开始兴起并产生一个联合不同工程学科分支的新的领域，而且专注于这个领域的学术会议和科学期刊开始产生。
因此这些技术变得更为常见。
识别算法
结构健康监测的问题可归入数据模式识别算法的范畴[3-4]。
这个算法可分解为四部分:
（1）实用性评估，
（2）数据采集和提纯，（3）特征提取和数据压缩，（4）统计模型的发展。
当你试图将此算法应用于实际工程结构上获取的数据时，很明显的是，第2-4部分，即数据提纯、压缩、正规化和数据融合来贴近工程实际服役环境是非常关键的环节，我们可通过硬件、软件以及二者的有机结合来实现。
实用性评估
对于健康监测对结构的损伤识别能力，实用性评估涉及到四个方面:
（1）结构健康监测的应用对于生命安全和经济效益有什么好处,
（2）怎样对结构进行损伤定义，多重损伤同时存在的可能性，哪种类型最值得关注,
（3）什么条件下（不同用途、不同环境）的体系需要监测
（4）使用过程中采集数据的局限性
使用环境对监测的体系和监测过程的完成形成限制条件。
这种评估开始将损伤识别的过程和损伤的外部特征联系起来，当然也用到独特的损伤特征来完成检测。
数据采集和提纯
结构健康监测的数据采集部分涉及到选择激励方法、传感器类型、数量和布置，以及数据采集、存储、传输设备。
经济效益是选择方案一个重要的参考因素，采样周期是另一个不可忽视的因素。
因为数据可在变化的环境中获取，将这些数据正规化的能力在损伤识别过程中变得非常重要。
当应用于结构健康监测时，数据正规化是一个分离出由于环境或操作而导致的传感器测得的不准确的数值。
最常见的方法是通过测量输入参数来正规化测得的响应。
当环境或操作影响比较显著时，我们需要来对比相似时间段的数据或对应的操作周期。
数据的不
稳定性的来源需要认识到并把它对系统监测的影响降到最低。
总的来说，不是所有的影响因素都可以消除，因此，我们有必要才去适当的措施来确保这些无法消除的因素对监测系统的影响作用大小。
数据的不稳定性会因为变化的环境因素、测试条件以及测试的不连续性而加剧。
数据提纯是一个筛选部分有价值数据以完成传递的过程，与特征提取的过程相反。
数据提纯很大程度上基于个人相关数据采集的经验。
举例来说，通过检查测试设备的安装或许会发现某个传感器的固结已经松动，因此基于个人经验可以在数据处理的过程中删除获取的这组数据或某个特定传感器测得的数据。
数据处理技术，比如滤波和重构，也是一种不错的数据提纯方法。
总之，结构健康监测过程中的数据采集、正规化和提纯技术在不断前进。
特征提取过程的进一步认识和数据模型的不断完善都将有助于数据采集技术的进步。
特征提取和数据压缩
结构健康监测领域中最受关注的莫过于通过数据特征如何辨别出损伤结构与完好结构。
数据压缩包含于这个特征选择过程，最有效的损伤识别的特征还是
基于相关测试系统的相应量（比如现场测得的振动谱或频率）是最常用的特征之一。
另一个损伤识别方法是寻找与特定损伤敏感的因素，即某个结构体系在某特定环境下的损伤与某种参数最原始的定义相对应。
这种模拟损伤的系统是一种非常有效的工具。
分析工具的应用也起到非常重要的作用，比如试验验证的有限元模型。
分析工具通常用来进行数值模拟试验，通过计算机设置来模拟真实结构的损伤。
通过观测承受荷载的结构体系关键部件的老化得到的损伤累计测试也可用于识别某些损伤。
这个过程涉及到加速损伤测试、疲劳测试、腐蚀、和温度循环对某种类型损伤的积累。
上文提到的多种类型的分析和试验研究或多种研究方法的有机结合可加深对某些损伤特征的认识。
统计模型的发展
通过统计模型来辨别结构是否存在损伤，是结构健康监测领域文献中涉及最少的一部分。
统计模型关注如何评估结构的损伤状态的算法的使用，统计模型中用到的算法通常分为3种:
当完好结构和有损伤的结构的数据都可获取时，模式识别算法通常使用与有参照的研究有关的整体分类，整体分类和回归分析法都属于有参照研究的范畴;无参照研究指的是缺乏损伤结构的数据;新型的检测技术（或引用自其他行业比较成熟的技术）是一种应用于无参照研究中的基本算法。
所有的算法（分析统计或提纯优化）都推动损伤识别技术的提升。
结构健康监测理论基础
经过20年的发展，可以说本领域已经成熟到一个阶段，很多基本的理论和原理已经成型。
这些原理如下:
公理1:
所有的材料都有内在损伤;
公理2:
损伤的评估需要体系两种状态的对比;
公理3:
可通过无参照研究来判定损伤是否存在和定位损伤，但是判定损伤类型和损伤程度需要有参照研究模式;
公理4a:
单靠传感器不能测定损伤，数据处理的特征提取和统计分类才能将传感器获取数据转换为损伤信息;
公理4b:
在缺乏智能特征提取手段时，测试方法对损伤越敏感，则操作和环境因素对测试结果影响越大;
公理5:
损伤的开始和发展的长度和时间尺度提供结构健康监测传感系统需要的特征;
公理6:
在算法对损伤的敏感度和抗噪声干扰的能力有一个平衡点;
公理7:
可通过体系动力响应变化测得的损伤尺寸与可激励的频率范围大小成反比;
结构健康监测的组成
结构健康监测系统包括:
1）结构
2）传感器系统
3）数据采集系统
4）数据传输和存储系统
5）数据管理系统
6）数据解析和诊断
a）系统识别
b）结构模型更新
c）结构状况评估
d）预测服役年限
这个技术的一个比较典型的例子，在桥梁或飞机中布置传感器，这些传感器为不同的结构变化提供譬如应力或应变的实时监测信息。
在土木工程行业，传感器获取的数据通常传送到远端的数据采集中心。
借助于现代技术，基于传感器获取到的信息使结构的实时控制（主动结构控制）成为可能。
——来着XX
摘要:
在电力系统中，随着电网容量越来越大，以及智能电网的发展，对变压器的运行状态实行有效地监测成为了值得研究的课题，而将物联网与变压器状态和检测联系起来更成为一
个全新的课题。
物联网由感知层，网络层和应用层组成，感知层负责信息的获取，网络层负责信息的传输，应用层负责对信息的反馈处理。
新型的Zigbee技术的发展促进了物联网的应用。
ZigBee技术是一种低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。
各种电子设备之间进行典型的周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。
引言
电力变压器在线监测是一项复杂的工程，目前在线监测技术还不太成熟。
传感器技术对电力变压器的监测显得尤为重要。
美国电力研究院开发出一种直接测量分析变压器油中的四种气体，并检测其状态，现已应用于变压器的状态监测中。
在电力变压器监测过程中，如何提高监测数据的可靠性及时性，就要解决两个问题:
一是如何获得有效及时的数据，二是怎样将这些数据传输到监控人员的手中。
我国直到本世纪初才开始接受并尝试国外先进的理念和技术，而且，这种尝试还只是局部的，没有形成规模的尝试，但是发展的势头是好的，通过多年的努力，也取得了不错的研究成果，并得到了实际应用。
目前电力变压器在线监测技术的应用主要是气象色谱及局部放电的在线测试，同事加强了变压器绕组变形，绕组老化及铁心接地的测试，此外，整栋检测，噪声监测，红外热像检测也得到了广泛的实际应用。
关于电力变压器运行状态的监测，大部分的学者都认为，随着经济条件的发展，信息技术，传感技术，无线传输技术以及智能电网水平的提高，这将会朝着利用物联网技术方向发展。
实际应用将会随着理论的发展而得到广泛的应用。
1、物联网技术
物联网是国家新兴战略产业中信息产业发展的核心领域，将在国民经济发展中发挥重要作用。
而将物联网应用于电力变压器检测，构建电力变压器实时运行数据中心，将使智能电网的发展迈上新的台阶。
本文介绍将物联网在电力变压器中的应用，故先对物联网进行分析。
1（1物联网技术
物联网，英文名“TheInternetOfThings”。
顾名思义，即:
物物相连的网络。
这也表明了物联网也是互联网，它也是由互联网发展而来的。
物联网技术的定义是:
通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，将任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、追踪、监控和管理的一种网络技术。
物联网的主要特征是每一个物件都可以寻址，每一个物件都可以控制，每一个物件都可以通信。
显然，它作为“感知、传输、应用”3项技术相结合的一种产物，是一种全新的信息获取和处理技术。
1.1.1频识别技术.
射频识别RFID技术，是一种通过无线电信号对特定的目标进行识别，并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触，它隶属于非接触式自动识别技术。
其基本原理是利用射频信号和空间电磁场耦合传输特性来实现对监控物体的信息交换及自动识别。
RFID的设计就是射频电路技术、通信技术、传感器技术等的紧密结合。
RFID的阅读器通过天线与RFID电子标签进行无线通信，可以实现对标签识别码和内存数据的读出或写入操作。
典型的阅读器包含有高频模块（发送器和接收器）、控制单元以及阅读器天线。
RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无需人工干预，可工作于各种恶劣环境。
RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。
比如说，我们在商场见到的电子标签就属于RFID标签。
因此，这种技术应用非常广泛。
射频识别系统性能的评断，阅读距离（电子阅读器与电子标签最大距离能够识别）的长短最
重要的指标之一。
在实际的应用中，不同识别系统的的阅读距离差别很大，这一般是有实际情况来决定的。
GPS是英文GlobalPositioningSystem的简称Zigbee技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术，是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。
根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术协定层从下到上分别为实体层（PHY）、媒体存取层（MAC）、网络层（NWK）、应用层（APL）等。
网络层由ZigBee联盟制定，应用层的开发应用根据用户的应用需要，对其进行开发利用，因此该技术能够为用户提供机动、灵活的组网方式。
根据IEEE802.15.4协议标准，ZigBee的工作频段分为3个频段，这3个工作频段相距较大，而且在各频段上的信道数据不同，因而，在该项技术标准中，各频段上的调制方式和传输速率不同。
在组网性能上，ZigBee可以构造为星形网络或者点对点对等网络，，具有较大的网络容量。
在无线通信技术上，采用CSMA,CA方式，有效地避免了无线电载波之间的冲突，此外，为保证传输数据的可靠性，建立了完整的应答通信协议。
数据传输速率低只有10,250Kb,s，专注于低传输速率应用。
无线传感器网络不传输语音、视频之类的大数据量的采集数据，仅仅传输一些采集到的温度、湿度之类的简单数据。
功耗低工作模式情况下，ZigBee技术传输速率低，传输数据量很小，因此信号的收发时间很短，其次在非工作模式时，ZigBee节点处于休眠模式，耗电量仅仅只有1μW。
设各搜索时延一般为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接人时延为15ms。
数据传输可靠ZigBee的介质链路层（以MAC层）采用CSMA,CA碰撞避免机制。
在这种完全确认的数据传输机制下，当有数据传送需求时则立刻传送，发送的每个数据包都必须等待接收方的确认信息，并进行确认信息回复，若没有得到确认信息的回复就表示发生了碰撞，将再传一次网络容量大ZigBee定义了两种器件:
全功能器件（FFD）和简化功能器件（RFD）。
网络协调器（coordinator）是一种全功能器件，而网络节点通常为简化功能器件。
如果通过网络协调器组建无线传感器网络，整个网络最多可以支持超过65000个ZigBee网络节点，再加上各个网络协调器可互相连接，整个ZigBee网络节点的数目将十分可观。
（）实现成本低模块的初始成本估计在6美元左右，
2.5美元，且ZigBee协议免专利费用。
无线传感器网络中可以具有成千很快就能降到1.5,
上万的节点，如果不能严格地控制节点的成本，那么网络的规模必将受到严重的制约，从而将严重地制约无线传感器网络的强大功能。
（6）兼容性ZigBee技术与现有的控制网络标准无缝集成。
通过网络协调器自动建立网络，采用CSMA-CA方式进行信道接入。
随着社会的不断发展,信息产业已经逐渐成为了国民经济发展的重要支柱,而物联网作为新一代信息技术的重要组成部分成为推动人类文明向智能化方向发展的关键技术。
物联网中的数据挖掘是物联网技术中重要的一环,是未来物联网应用数量大规模增长后对物联网产业的强力补充,本文分析了物联网数据的特点以及物联网数据挖掘存在的困难,以及云计算的出现为物联网数据挖掘提供了重要思路,文中论断云计算为物联网提供了最具计算力和存储力的平台,并创新性的提出物联网云的概念。
另外,在对平台可行性及性能进行分析的过程中,本文提出了数据转换器、开放平台接口等思路,使整个平台有更好的扩展性,方便第三方开发和测试。
目前,物联网应用的整体生态系统面临很多挑战,产业链中的不同人群也面临着不同问题,本文也给物联网中这些问题的解决提供了很好的思路。
信息采集与处理系统-结构健康监测设计专题
2014-12-14结构健康监测
信息采集与处理系统
4.1信号的采集和调理
4.1.1信号采集时，数据采集站位置明确，满足采集站之安全、环境、电力、通讯路径等要求，建议设置在结构物的计算机或消防控制中心;宜采用稳定的工控机。
4.1.2传感器系统空间分布较分散时宜考虑设置多个采集站，各采集站与中心信号采集仪相连，传感器与采集站，采集站与中心采集仪的连接须可靠、稳定。
4.1.3采集站和中心采集仪都应能满足数据的幅值、分辨率和容量的要求;4.1.4监测系统应做到防雷击、防渗水;机箱应有接地措施;当所测光、电等信号微弱以致不易获得时，宜选择能满足采集系统要求的信号放大器;信号放大前应进行合理滤波以提高信噪比;信号放大器的安装位置应满足其所需的环境要求。
4.2数据的时间间隔与同步
4.2.1对于动力信号，数据的采样频率应在被测物理量预估最高频率的5倍以上;4.2.2建议大型复杂结构采用一级监测，中型结构采用二级，小型结构采用三级。
4.3数据的标准化
4.3.1建议长度单位为米，时间单位为秒，温度单位为摄氏度。
4.3.2建议同时输出以“公元1年1月1日1分1秒”为“1”，每隔一秒增量为“1”的时间码体系;如有必要则采用更高精度，时间码精度同时提高。
4.5数据的净化
4.5.2剔除粗差，保证监测数据的准确可靠;对于观测值中的系统误差，应该尽可能按其产生的原因和规律加以改正、抵消或削弱;增加测量次数，减小偶然误差。
4.6数据的取舍
4.6.1对短时间内频繁发生的异常数据进行报警，要求现场技术人员查看现场状况、检查传感器的工作状态以及相应传输线路和数据采集硬件的工作状态，但采集系统仍正常工作。
在此过程中，对偶然的，瞬时的异常数据一般不作处理和存储。
4.6.2在所有经判断无异常的数据存储之前还需经过数据存储准则的判断，满足一定要求，具有分析价值的数据将被存入数据库，以减小数据存储量，阈值的设定需视具体情况而定。
数据通信与传输系统-结构健康监测设计专题
2014-12-16结构健康监测
数据通信与传输系统
5.1一般规定
5.1.1数据采集系统应能从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集信息。
5.1.2数据通信与传输系统应将系统采集到的数据传输到指定地点，以便进行存储、分析及发布等。
5.1.3数据通信与传输系统应具有对来自结构健康监测系统内外的各种信息予以接收、存贮、处理、交换和传输的能力。
5.1.4数据通信与传输系统提供的各类接口，应通过系统布线引至各个数据采集终端。
5.1.5数据通信与传输系统设计，必须保证数据传输的可靠性、高效性及数据传输质量。
5.2数据通信及传输方案
5.2.1基于信号的同步技术
采用基于时钟同步模块的时钟频率共享技术，每个采集设备中装有时钟同步模块，再用同轴电缆将各个设备相连，以其中之一作为主模块，其余的作为从模块。
主模块内部的时钟信号通过同轴电缆同步从模块内部的时钟信号。
时间戳同步可以采用网络时间服务器。
5.2.2基于时间的同步技术
系统各部分具有一个公共的时间基准参考，可以基于该基准时间生成事件、触发和时钟。
对于跨度较大的长距离传输，可以利用包括GPS、NTP、IEEE1588和IRIG-B等各种时间参考，借助绝对定时实现测量结果的关联与同步。
5.2.3有线传输
两个通信设备之间使用物理连接，将信号从一方传到另一方。
常用的介质有双绞线、同轴电缆和光缆等，常用的接口有RS232、RS422、RS485和RJ45等。
5.2.4无线传输
两个通信设备之间不使用任何物理连接，将信号通过空间传输的一种技术。
通常可分为无线广域通信网（无线公网）和无线局域通信网两种方式。
常用的无线广域通信网络有GPRS和CDMA两种制式;常用的无线局域通信网有无线网桥和部门行业专用频率通信等。
5.3设计要求
5.3.1数据采集系统设计，必须保证系统的采集准确度。
1.系统采集数据的有效位数应与历史数据平均值的有效位数一致。
2.系统采集数据与历史数据的差值应在合理范围内。
5.3.2数据传输系统在设计，按照传输速度不同，选择同步传输或异步传输。
1.低速数据传输宜采用异步传输;
2.高速数据传输宜采用同步传输。
5.3.3当数据传输系统选择同步传输时，需要结合现场实际情况，综合考虑传感器间距离、工程各阶段特征及工程现场地形条件等因素，选择合适的同步技术。
1.对于小范围的结构健康监测系统，宜采用基于信号的同步技术。
采用该技术，在设计时还需考虑路线最优化，增加最少的信号放大设备。
同时注意外部的突发事件对信号可能造成的干扰。
2.对于大范围的结构健康监测系统，宜采用基于时间的同步技术。
3.根据工程实际需要，可选取一种或两种同步技术组合使用。
5.3.4数据通信与传输系统的设计必须坚持因地制宜的原则，综合考虑数据通信传输距离、工程各阶段特征及工程现场地形条件、网络覆盖状况、已有的通信设施等因素，灵活选取合适的通信传输方式。
1.当工程现场存在无线发射设备，通信信号受干扰的情况下，应采用有线传输方式。
2.工程现场有强电磁场的环境下，应采取有效的电磁屏蔽措施，如无法实施电磁屏蔽，应采用有线传输方式。
3.对于交通不便的深山峡谷、复杂地形、物理线路布设和维护困难的环境下，宜采用无线传输方式。
4.需要构建临时通信网络的工程现场，宜采用无线传输方式。
5.根据工程实际需要，可选择一种通信传输方式或多种通信传输方式进行组合使用。
5.3.5采用有线传输数据，设计时应优先考虑利用监测系统已有的光纤通信网或部门局域互联网等数据传输线路，增加最少的中继器或转发器，选取适当的传输介质;同时应以现场数据采集器的接口为基础，以增加最少的接口转换器为原则，选取适当的接口类型。
5.3.6采用无线传输数据，应根据工程现场营运的网络、成本及现场实际情况选择合适的无线传输方式。
5.3.7数据通信与传输系统中应设计数据备份机制，以保证在通信传输线路故障时数据的完整性和可靠性。
1.数据传输的发送端应至少保存最近7天的监测数据做备份。
2.常用的数据存储介质为硬盘、磁带、CF卡、SD卡等，宜设置双卡槽以满足连续观测需要，其容量选取应以结构健康监测系统每天接收的数据量为依据。
5.3.8数据通信与传输系统设计应具备以下基本资料:
1.工程场地与环境条件的有关资料
（1）工程场地的现状平面图，包括交通设施、高压架空线、地下管线和地下构筑物的分布;
（2）水、电及有关建筑材料的供应条件;
（3）周围建筑物的防振、防噪声等要求。
2.建筑工程的有关资料
（1）工程总平面布置图
（2）工程基础平面图和剖面图
5.4质量控制
监测数据是决策部门做出评判的基础资料，因而作为联系监测现场与远程控制中心的数据通道要确保高效、准确无误地传输。
为实现该目标，制定以下质量控制措施。
5.4.1数据通信与传输系统中应采用握手协议进行流量控制，保证通信线路畅通。
握手分为硬件握手和软件握手。
1.硬件握手通过握手线的交互作用进行主控端和被控端的数据交流，在通信数据将要传输时，通过握手线的高低电位变化控制数据传送与否。
2.软件握手以数据线上的数据信号代替实际的硬件线路。
常用的软件握手是XON/XOFF协议。
5.4.2为了提高海量数据传输的可靠性，必须根据系统前端传感器单位时间采集的数据，结合设计的传输实际通信能力，对数据进行分包处理，以包为单位实施传输。
开发的相应数据传输软件在设计中必须采用应答模式，并引入检校-重发-补发机制进行误码控制，以保证数据的可靠性及完整性。
数据包设计必须按照以下规定要求，格式见图5.4.1.
开始位
控制参数
标识信息
数据段
校验段
结束位
图5.4.1数据包设计要求
1.将海量数据文件根据设计的传输速率，划分若干数据段。
2.为了区分不同传感器、不同数据采集终端发送数据，必须在每个数据段前加入标识信息，标识信息位数应能区分各不同传感器、不同数据采集终端，以便接收端可以根据标识信息加以区分。
3.为保证数据传输的可靠性，必须对传输数据进行校验，可采用奇偶校验或循环冗余校验（CRC），并将校验码加入数据段后。
4.为区分每个数据段，按图5.4.1加入开始位及结束位。
5.为区分不同传输文件，在文件的开头和结束位置，加入包标识信息，定义请求发送包和文件结束包。
5.4.3数据通信与传输系统中必须设计校验机制，在传送和接收两方对数据进行确认以降低误码率。
常用的校验方法有奇偶校验和（CRC）两种。
1.奇偶校验是在传送字符的各位之外，再传送1位奇校验位或偶校验位，分别为奇校验方式或偶校验方式。
奇偶校验不能纠错，但发现错误后可以要求重发。
2.循环冗余校验（CRC）采用除法及余数的原理进行错误侦测。
对数据质量要求较高或数据传输量较大的场合，宜采用CRC校验。
常用的CRC位数有8、16、32位，大型工程结构健康监测系统的数据通信设计时宜采用16位的CRC校验。
3.接收端将计算得到的奇偶校验或CRC校验码与数据包包含的校验码进行比较，二者一致，接收端给发送端确认信息，继续发送下一数据包。
若校验不合格，接收端发送相应信息，要求发送端重新发送该数据包。
5.4.4数据开始发送时，发送端应发送请求包，并等待接收端响应，以确保数据通道畅通。
在文件结束时，发送端发送结束包，并等待接
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