基于粒子濾波器的結(jié)構(gòu)損傷識別及可靠度分析.pdf

1、眾所周知，結(jié)構(gòu)從投入使用開始，就面臨著環(huán)境的侵蝕、材料的老化、荷載的長期作用、突變效應(yīng)以及疲勞效應(yīng)等因素的耦合作用，這將難以避免地引發(fā)結(jié)構(gòu)的抗力衰減和損傷累積，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷和破壞。中國建筑科學(xué)院關(guān)于我國建筑結(jié)構(gòu)的調(diào)查研究表明，由于建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工和管理方面的原因，對于絕大多數(shù)的既有建筑結(jié)構(gòu)來說均存在著不同程度的損傷。另外，我國早期的工業(yè)民用建筑、辦公樓以及一些橋梁，已經(jīng)接近設(shè)計(jì)基準(zhǔn)年限。這些結(jié)構(gòu)物在復(fù)雜的服役環(huán)境下，也已經(jīng)受到了

2、不同程度的損傷。準(zhǔn)確判斷結(jié)構(gòu)的損傷部位和損傷程度，既可以確保結(jié)構(gòu)的安全性和完整性，對結(jié)構(gòu)的可靠度進(jìn)行實(shí)時(shí)評定、避免災(zāi)難性的悲劇發(fā)生，也可以對既有建筑結(jié)構(gòu)做出科學(xué)合理的維修和加固方案、減少維護(hù)費(fèi)用、提高維護(hù)效率、對保障社會和人民的財(cái)產(chǎn)免受不必要的損失、加深對結(jié)構(gòu)的性能的理解和研究，同時(shí)對促進(jìn)工程結(jié)構(gòu)實(shí)踐領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展研究均具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　隨著結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測越來越受到人們的重視，對基于結(jié)構(gòu)激勵(lì)和響應(yīng)識別結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法進(jìn)行了深

3、入研究。目前的結(jié)構(gòu)損傷識別很多都是基于結(jié)構(gòu)參數(shù)識別的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，即工程結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷時(shí)，結(jié)構(gòu)的參數(shù)不可避免地要發(fā)生改變。此時(shí)，如果能很好地識別結(jié)構(gòu)的參數(shù)變化，便可以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷的特征。
　　貝葉斯模型修正法就是利用統(tǒng)計(jì)學(xué)里面的貝葉斯原理，將確定性的結(jié)構(gòu)模型嵌入到一組可能的概率性模型中，使結(jié)構(gòu)模型能夠量化模型預(yù)測和觀測的不確定性。貝葉斯識別方法的基本思路就是將所要估計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)看作隨機(jī)變量，通過觀測和分析與該參數(shù)相關(guān)的其他變量，以此

4、來推斷這個(gè)參數(shù)值。對于線性高斯?fàn)顟B(tài)空間模型，卡爾曼濾波方法可以得到后驗(yàn)概率密度的解析表達(dá)式。而實(shí)際情況中的數(shù)據(jù)通常比較復(fù)雜，包含有非高斯和非線性的情況。對于這一問題的解決，學(xué)者們做了大量的研究，提出了擴(kuò)展卡爾曼濾波和高斯求和濾波的方法。但是這兩種方法均沒有考慮過程中的全部統(tǒng)計(jì)特性，而產(chǎn)生較差的識別結(jié)果。而對于非線性非高斯的情況，問題的解決將變得更加復(fù)雜。粒子濾波算法以其對線性和非線性結(jié)構(gòu)參數(shù)識別的適用性和有效性脫穎而出，得到人們的廣泛關(guān)

5、注。
　　本文對粒子濾波在結(jié)構(gòu)參數(shù)識別和結(jié)構(gòu)損傷識別方面進(jìn)行了分析研究，主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)本文首先介紹了結(jié)構(gòu)損傷識別的發(fā)展歷程以及粒子濾波的主要應(yīng)用領(lǐng)域和研究現(xiàn)狀;其次，對粒子濾波在結(jié)構(gòu)參數(shù)識別領(lǐng)域的優(yōu)勢進(jìn)行了歸納性介紹，指出粒子濾波在結(jié)構(gòu)參數(shù)識別領(lǐng)域具有突出的優(yōu)勢。再則，對目前人們在粒子濾波應(yīng)用研究當(dāng)中碰到的一些難點(diǎn)問題進(jìn)行了總結(jié)歸納;最后闡明了本文的主要研究內(nèi)容。
　　(2)提出并介紹了一種基于最大似然

6、值的結(jié)構(gòu)參數(shù)識別方法。在不同高斯和非高斯噪聲水平下，對單自由度結(jié)構(gòu)的參數(shù)識別進(jìn)行了數(shù)值仿真分析，并歸納總結(jié)了基于最大似然值的結(jié)構(gòu)參數(shù)識別方法的優(yōu)劣性。
　　(3)介紹說明了粒子濾波算法在結(jié)構(gòu)參數(shù)和損傷識別中的基本原理。同時(shí)，對粒子濾波算法在單自由度結(jié)構(gòu)參數(shù)和損傷識別中的過程進(jìn)行了詳細(xì)的說明和系統(tǒng)的討論。在不同高斯和非高斯噪聲水平下，基于粒子濾波算法對單自由度結(jié)構(gòu)的參數(shù)和損傷識別進(jìn)行了數(shù)值仿真分析，并歸納總結(jié)基于粒子濾波器的結(jié)構(gòu)參數(shù)

7、和損傷識別方法的優(yōu)劣性。另外，基于單自由度結(jié)構(gòu)參數(shù)和損傷識別的數(shù)值仿真結(jié)果，對參數(shù)和損傷識別結(jié)果的可靠度進(jìn)行了簡要的分析。
　　(4)在單自由度結(jié)構(gòu)參數(shù)和損傷識別的研究基礎(chǔ)上，將基于粒子濾波器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和損傷識別方法拓展至多自由度結(jié)構(gòu)。分別對在不同高斯和非高斯噪聲水平下，多自由度結(jié)構(gòu)參數(shù)和損傷識別進(jìn)行了數(shù)值仿真，分析結(jié)構(gòu)參數(shù)和損傷的識別結(jié)果，總結(jié)歸納基于粒子濾波算法的多自由度結(jié)構(gòu)參數(shù)和損傷識別的性能。并且通過一個(gè)4層鋁框架的實(shí)驗(yàn)結(jié)

8、構(gòu)模型對該算法的參數(shù)和損傷識別性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析，對比實(shí)驗(yàn)識別結(jié)果與結(jié)構(gòu)層間剛度的測量值，通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了粒子濾波算法在多自由度結(jié)構(gòu)剛度損傷識別中的有效性。
　　(5)總結(jié)了粒子濾波算法在結(jié)構(gòu)參數(shù)和損傷識別領(lǐng)域的優(yōu)越性，并對粒子濾波算法的應(yīng)用前景進(jìn)行展望。粒子濾波算法作為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域比較新穎的方法，作者根據(jù)自身的研究工作對粒子濾波算法中存在的問題和不足進(jìn)行了歸納總結(jié)。最后，對粒子濾波算法下一步的研究工作進(jìn)行了一些討論和展望。