泄流结构多传感器振动响应数据级融合方法与参数辨识分析

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1、第1章绪论第1章绪论1.1课题来源本课题来源于国家自然基金(51269019)《基于多源信息融合的坝体泄水建筑物运行性态监测与安全评判方法研究》、国家自然科学基金(50909049)《基于泄流激励的结构模态参数识别方法与泄流结构损伤诊断研究》、江西省教育厅基金(GJJ12030)《泄流结构灾变过程的演化机理与动力耦合安全监测方法研究》、天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室开放基金《基于多源信息融合的泄流结构耦合动态安全检测方法研究》。1.2课题研究背景及意义泄流结构的模态参数识别与动力损伤诊断是近20年来研究热点，频率和振型为结构动力损伤诊断的两大整体损伤因子，其中结构的固

2、有频率是最易测得的动力参数。大型泄流结构的多测点模态识别，不同测点含有的频率成分和噪声水平不尽相同，多测点频率识别结果往往只能精确到一定区间，而不是一个准确值，如文献[1]基于改进的HHT高拱坝多测点模态识别，不同测点对同一阶频率识别误差随阶次升高而增大，第十阶频率的识别结果为9.17Hz~9.67Hz。这不利于基于频率变化（或与频率有关的损伤因子变化）的结构动力损伤诊断。数据级信息融合技术可根据一定的理论规则将多个信号融合为一个更加贴近真实值的信号。信息融合技术在结构工程中的应用尚处于信号模拟的初步探索阶段，传统数据级融合算法多为加权融合，模拟的多传感器信号成分简单、相似度高

3、；而在大型泄流结构中，水流往往只能激振起少数几阶结构低频成分，不同测点信号波形与振幅均存在较大差异，固定融合系数的加权融合算法难以保证融合后信号频率成分的完整性和准确性，因此，有效利用不同测点信号的相关性、互补性、冗余性，灵活提取各个信号有效信息的数据融合算法是实现泄流结构多测点信息融合的关键。本文提出了基于方差贡献率的泄流结构多测点动态响应融合算法，该算法可将泄流结构多测点振动信号融合为一个能够准确、全面反映结构整体振动特性的信号，并与传统互相关加权融合算法对比，研究了两种算法在不同泄流结1万方数据第1章绪论构多测点信号融合的优劣。最后研究了基于概率密度函数的泄流结构谐波响应

4、模态剔除方法，针对泄流结构振动响应中混入的谐波信号（如兼发电与泄流的河床式水电站发电机组运转产生的谐波信号），基于方差贡献率的泄流结构多测点动态响应融合算法具有较强的信息提取能力，无法剔除原测点混入的谐波响应，常规去噪方法亦无法将其剔除。基于概率密度函数的泄流结构谐波响应模态剔除方法从统计学的角度分析谐波响应与结构响应的差别，根据概率密度函数识别混入结构响应的谐波信号，研究表明：该方法简单而实用。1.3多源信息融合技术国内外研究现状1.3.1信息融合的定义多源信息融合是把多渠道、多方位的局部不完整信息加以综合、互补，消除多源信息间的冗余、矛盾信息，降低其不确定性，以形成对事物的

5、相对一致完整性描述的过程；从而提高系统决策和反应的快速性和正确性，降低决策风险。人类常将多个信息源所采集的信息用来更加准确地了解事物或环境的状况，并指引下一步决定，即使不同源的信息含有一定的冲突或矛盾的成分，他们也可综合各种感知器的信息，并将这些信息互补、相互印证，更加完善的处理多感知器所获得的信息，实现由单个感知器所不能实现的识别功能，从而提高他们的生存能力。将这种方法应用于实际工程中，就形成多源信息融合。虽然对信息融合这门新技术研究有了很大的突破，但是目前仍然没有一个被广泛认可的关于信息融合的定义。不同研究领域的科研人员根据自己的应用领域和自己[2]的理解，分别给出了不同的

6、定义，如Waltz认为信息融合是对来自多个信息源的数据进行处理，获取对监测对象准确的状态估计，以及实时和完备的态势估[3]量。美国三军实验室JDL给出信息融合是对单一种类和复合信息源进行处理，获取更为精确的位置、状态和身份信息、完备和实时的态势估计的过程。T.Rong[4]Li最近给出定义信息融合是为了达成某个特定目标而对多个信息进行综合处理。对于泄流结构多测点信号采集，可视为传感器对同一对象的不同（或）相同方面的有关信息，因此，不同传感器采集到的信号必然存在一定的相关性；对于同类传感器的多测点信号，不同测点的噪声水平存在一定差异，不同测点信息源的可信度视为不同的，因而每个测点

7、采集的信号存在一定的冗余性；由2万方数据第1章绪论于泄流结构约束条件的限制，不同部位的振动信号含有的频率成分不尽相同，甚至差异很大，各个测点的信息可视为特征空间中相互独立的子空间，因此，不同测点信号之间存在一定的互补信息；为充分利用不同测点信号的相关信息、冗余信息和互补信息，利用信息融合技术将多测点振动信号融合为一个能够准确、全面反映结构整体振动特性的振动信号，实现泄流结构频率模态的准确识别，对泄流结构安全监测具有极其重要的意义。1.3.2信息融合的级别[7]根据被测对象需要处理的多源层次关