基于多策略判决的斜拉索参数识别系统研究

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1、基于多策略判决的斜拉索参数识别系统研究章联军，王晓东，周宇，占晴，赵兴奎（宁波大学信息科学与工程学院，浙江宁波315211）摘要:传统的斜拉索监测系统小釆用的模态参数识别方法对信号处理误差较大，系统的鲁棒性较差。本文通过对多种模态分析算法的分析比较，以及结合综合的判决条件得出较准确的模态参数，设计并实现了基丁多策略判决的斜拉索参数识别系统，实现了信号筲理及处理程序，并进行了实际工程的应用测试。测试表明，该系统的分析处理能使基频值更加精确，并将结果以GUI界而了以显示，具有很好的时效性和可操作性。关键词：多策略判决；模态分析；基频斜拉索是斜拉桥的主要承重构件之一，斜拉桥桥跨结构的重力和桥上活

2、动载荷儿乎全部通过斜拉索传递到塔柱上，斜拉索的索力是反映上述结构极其重要参数Z—,其大小直接控制着整个桥面系统的内力分布和线型，关系到斜拉桥主梁及塔柱的受力状况，影响着斜拉桥的使川寿命。因而索力监测成为斜拉桥健廉状态监测的关键技术，它决定了桥梁监测系统的可扩展性、通川性、稳定性和町靠性等质量指标。传统的斜拉索监测系统主要是采用模态参数识别方法中的时域法或者频域法中的一种來识别斜拉索的模态参数，并根据提取出来的基频计算斜拉索索力。但是此类监测方法对采样信号的要求较高，在拉索监测环境比较恶劣的情况下得到的采样信号往往噪声比较人甚至会出现噪声信号将拉索振动模态信号淹没的情况工。因此在这种情况下传

3、统的斜拉索参数识别系统的输出结果谋差就比较大，系统的鲁棒性较差。为了在采样信号较差的情况卜得到较为理想的自由响应信号以及增强斜拉索监测系统的鲁棒性，本文设计开发并实现了基于多策略判决的斜拉索参数识别系统。模态参数辨识方法主要有频域和时域两种方法。其屮频域法是ri前主流的模态分析方法，其最大优点是在利川频域平均技术的情况卜-可以最人限度地抑制了噪声影响，从而可以更加方便的解决系统模态定阶的问题。但是，频域法同样存在如功率泄漏、频率混叠、离线分析等问题。另外在利用频域模态法识别系统参数时必须已知系统的激励信号，因此在进行系统模态分析的时候就盂要增加比较复杂的激励设备。但是对于如斜拉桥人型建筑来

4、说，一般情况下激励信号是无法测得的。往往只能测得结构系统在自然力（环境激励）或工作动力激励下的响应信号②。因为拉索的激励信号往往是环境激励，很难获得其激励信号值，因此频域法不适合拉索的模态参数识别。在多策略提取算法中主耍采用了经典的AR谱估计算法，Music谱估计，Burg功率谱，SSI估计,Mcov算法以及ERA算法等。每种算法均可以独立的运行并计算出斜拉索振动系统的基频值，但是在某些环境恶劣的情况下得到的斜拉索的随机响应信号较差会导致某种或者某几种算法无法准确的得到斜拉索的基频值，在此情况下本系统提供的多策略分析方法可以在所有的分析算法运行结束Z后经过系统分析选取最优的基频值。这样不仅

5、增加了系统的抗噪声性能，同时也增加了系统的鲁林性和可靠性。另外还可以通过修改系统的配置文件可以选择不同的算法进行组介，通过对比分析选择最优组合方案求出系统的最优某频值⑶。2、多策略基频提取分析系统功能与实现多策略基频提取分析系统主要包含了以卜儿方而的内容：斜拉索振动信号的采集、振动信号的预处理、多策略的参数识别以及经过综合判决得到斜拉索的基木模态参数。其系统的具体控制结构图如图1所示。图1系统参数辨识控制图其屮信号管理模块主要负责斜拉索振动信号的添加与删除，并H可以在添加斜拉索振动信号的过程中保存斜拉索的各种理论参数以及采集数据的现场测试环境等属性。并将保存的采样数据传递给信号预处理模块供

6、其做进一步的处理。依据信号预处理的基本廉理可以知道，直接采集到的斜拉索振动信号包含了较多的毛刺噪声、随机噪声和测量噪声等，这样的数据不适合直接进行•模态参数的识别。为了获得较为理想的适合后期模态处理的自山响应信号，需要对原始采样信号进行适当的预处理。为此本系统引入了信号预处理模块，其小预处理模块主耍有一下几种算法分模块组成：去直流、小波去噪、多割线的随机减量法、prony去多项式、重采样、去除毛刺噪声、五三平滑等于处理模块。经过预处理Z后的信号就可以肓•接送到多策略参数识别模块，然后由其计算系统的模态参数并做后期处理⑷。在利用MATLAB中的GUI工具开发了本系统的预处理模块，其系统设计的

7、主要思路如下所示:Stepl：首先定义各种预处理算法。Step2：在执行信号预处理时，从定义的预处理算法中选取将要执行的算法，按照读取到的算法进行处理，如果读取到的执行算法为空的话系统报错。Step3：进行预处理时，分别对每一种预处理算法进行分别处理。Step4：对预处理之后的结果进行保存。图2为该系统信号预处理设计界血。祸上一欢忆处理I去■*2年・尊■■林Uh3壬祝离去諒1廈采口&