虚拟现实技术在结构健康监测系统上的应用

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1、中山大学硕士学位论文论文原创性声明内容本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者竿名：屠予沪日期：≯即年石月I汐了日学位论文使用授权声明本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并

2、允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。，I学位论文作者签名：压事江导师签名：纠1纠日期：。渺q年么月【o。日日期：跏吖年6月Ifo日中山大学硕士学位论文第一章绪论1．1研究意义随着我国科技和经济的持续快速发展，高速公路、桥梁和高层建筑越来越成为城市发展的潮流和标志，建筑设计在追求新颖和独特的同时，其结构形式与功能也日趋复杂化。建筑的安全运营成为关系到社会交通、经济发展乃至人们生命财产安全的重要问题。这些大型工程往往投资大、设计周期和使用年限长，由于高度或体

3、量大，结构体容易受到周围大气、温度、湿度和天气的影响而发生损伤和劣化，甚至长期承受动载荷。因而为了能够掌握结构体内部的受力情况，是否受到损伤以及损伤程度，保证施工过程及施工完毕后结构的各种工作状态满足设计要求，评价其安全性能和使用寿命等，建立一套完整的长期在线健康监测系统就显得非常必要。长期在线健康监测系统是在工程施工过程中，在结构体的各个关键控制截面安装应力应变测量、温度测量以及加速度测量等各种监测设备，通过监测设备传回的各类数据，对应力、变形等参数以及结构的动力特性参数进行测试，分析和评估结构的安全可靠性，及时发现问题并适时地维修保养，保证

4、结构体的安全和长久耐用。监测数据可视化系统是健康监测系统的一个重要组成部分，主要是对各类监测数据进行存储、处理、传输、归档、备份、显示及运算。通过对实测数据进行校准、信号处理、数据质量和可靠性测试等过程，以多种方式对数据进行处理、编译，从而完成数据．信息．知识的转化，并对数据库中的大量实测数据进行抽取、转换、分析和其他模型化处理。由于大型建筑所安装的监测设备往往种类繁多，数量很大，各个测点纵横交错，若要向公众展示监测系统，介绍结构体的测点布置及相应的监测数据，传统的二维展示方法将难以直观的展示监测设备的外观、安装位置、线路走向等信息。随着计算机

5、技术的发展，我们可以利用目前应用越来越广泛的虚拟现实技术，实现监测系统的实时三维可视化，并在后台连接数据库，在实时浏览过程中，可以从任何角度观察监测设备，可虚拟现实技术在结构健康监测系统上的应用以对即时和历史数据进行动态交互查询，从而实现良好的人机交互，以最直观的方式将数据展示给用户。在结构健康监测系统上运用三维可视化技术目前还是相当的少数，且效果和用户交互能力也都比较弱，如上海长江隧道。本课题以广州新电视塔结构健康监测系统为依托，研究了广州新电视塔结构健康监测三维可视化系统的设计与开发，实现了三维可视化与二维监测数据展示的结合，能对新电视塔及

6、其传感装置进行逼真的三维展示，并能对三维虚拟场景进行各种交互和查看相应的实时监测数据。一方面，本系统的设计和构建方法同样适用于其它结构健康监测系统，具有可复制性和重用性。另一方面，本课题的研究方向也拓宽了虚拟现实技术的应用和研究范围。1．2结构健康监测系统简介大型土木工程和基础设施，如桥梁、超高层建筑、大跨空间结构、大型水坝、核电站等，在其服役过程中，由于环境荷载作用、疲劳效应、腐蚀效应和材料老化等不利因素的影响，结构将不可避免地产生损伤积累、抗力衰减，甚至导致突发事故‘1】【2】。随着人们对这些重要且关乎自身生命财产安全的建筑物的安全性、耐久

7、性和正常使用功能的日渐关注，结构健康监测的研究与结构健康监测系统的开发应运而生。结构健康监测(StmcturalHealthMollitoring，SHM)是指利用现场的无损传感器技术，分析包括结构响应在内的结构系统特性，检测结构损伤或退化程度【31。结构健康监测是一种实时的在线监测技术，实现了最小人工干预的结构健康的在线实时连续监测、检查与损伤探测，根据结构同一位置上不同时间的测量结果变化来识别结构的状态，其识别精度依赖于传感器和解释算法【4】。目前，结构健康监测技术已在大跨桥梁、高层复杂建筑、海洋平台等大型建筑物上有较多的应用。1．3结构健

8、康监测系统的发展现状近年来，结构健康监测系统是国内外土木工程领域的研究重点。国外开始各种规模的桥梁健康监测系统始于20世纪80年代。美国在20世纪80