徐旺敏，張宇馳，劉伍根，劉世立

(1.上饒市水利科學(xué)研究所,江西上饒 334000；2.南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院,南昌 330031)

基于相關(guān)函數(shù)的泄洪閘閘墩結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)多測點融合研究

徐旺敏1，張宇馳2，劉伍根1，劉世立2

(1.上饒市水利科學(xué)研究所,江西上饒 334000；2.南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院,南昌 330031)

以信州水利樞紐泄洪閘閘墩為工程背景,通過基于泄流激勵下閘墩動力特性測試,得到多個測點的振動信號。針對單個測點信號信噪比不高、頻率成分不全的缺點,基于相關(guān)函數(shù)融合算法,將多個測點的振動信號融合為一個能夠準(zhǔn)確、全面反映結(jié)構(gòu)整體振動特性的振動信號,實現(xiàn)多測點振動信號的數(shù)據(jù)融合。通過對融合前后信號頻率識別結(jié)果對比表明:基于相關(guān)函數(shù)的多測點融合算法具有其可行性,能夠很好地挖掘出淹沒在噪聲中的結(jié)構(gòu)有效頻率,為識別結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)提供了重要依據(jù)。

閘墩；多測點；信息融合；相關(guān)函數(shù)；振動響應(yīng)

2015,32(11):110-114

1 研究背景

基于泄流激勵下的泄流結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識別與損傷診斷是近年來研究的熱點問題,而提供準(zhǔn)確、全面反映結(jié)構(gòu)整體振動特性的振動信號是模態(tài)參數(shù)識別的前提。在泄流激勵作用下,單一測點得到的振動信號往往表現(xiàn)出信噪比不高、頻率成分不全的缺點。因此,充分利用各個測點的振動信號,運用信息融合技術(shù),將多測點振動信號融合為一個能夠準(zhǔn)確、全面反映結(jié)構(gòu)整體振動特性的振動信號具有重要意義。

信息融合實質(zhì)就是充分利用多個傳感器或多特征屬性的感知數(shù)據(jù),以一定的規(guī)則合理的使用和支配這些感知數(shù)據(jù),綜合多方位不完整的局部環(huán)境信息,消除信息間可能存在的矛盾,得到對感知對象的描述或解釋。信息融合一般分為3個級別:數(shù)據(jù)級信息融合、特征級信息融合和決策級信息融合[1]。國外在信息融合技術(shù)方面的研究相對于國內(nèi)起步較早,在20世紀(jì)70年代,已將該技術(shù)用于軍事方面,如地面戰(zhàn)車、水上艦船等目標(biāo)的檢測。隨著信息融合技術(shù)的發(fā)展,這項技術(shù)被廣泛運用于多個領(lǐng)域,在壩體安全監(jiān)測領(lǐng)域的研究多集中于對壩體同類型多測點監(jiān)測信息融合方面,帥常娥等[2]基于多個測點的監(jiān)測信息,采用Kalman濾波融合算法建立了多個固定的狀態(tài)方程和量測方程來描述壩基水平位移；Zhang Xue-jie[3]應(yīng)用多傳感器信息融合,建立了壩體變形監(jiān)測模型；段峰虎[4]基于D-S證據(jù)理論,將靜態(tài)應(yīng)變信息和模態(tài)頻率信息進(jìn)行融合,對弧形閘門主框架進(jìn)行了損傷診斷。

本文以信州水利樞紐泄洪閘閘墩為研究對象,利用相關(guān)函數(shù)融合算法動態(tài)適應(yīng)性和抗噪能力強(qiáng)的特點,對泄流激勵下的多測點振動信號進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。通過對融合前后信號頻率識別結(jié)果對比分析,驗證了基于相關(guān)函數(shù)融合算法的可行性,表明經(jīng)過相關(guān)函數(shù)融合后的信號能夠有效整合多個測點信號的動力特性,挖掘出淹沒在噪聲中的有效信號。

2 基本相關(guān)函數(shù)的信息融合方法

2.1 相關(guān)函數(shù)

假設(shè)x(n)和y(n)是2個具有有限能量的確定性信號,并且具有因果關(guān)系,那么x(n)和y(n)的相關(guān)系數(shù)為[5-6]

式中Rxy為x(n)和y(n)的相關(guān)函數(shù)。根據(jù)許瓦茲不等式有ρxy＜1。當(dāng)2個信號完全相等時,其相關(guān)系數(shù)和相關(guān)函數(shù)等于1,即Rxy=1,ρxy=1；當(dāng)2個信號在某種程度上相似時,其相關(guān)函數(shù)不等于0,即Rxy≠0,則0＜ρxy＜1；當(dāng)2個信號完全無關(guān)時,其相關(guān)函數(shù)和相關(guān)系數(shù)都等于0,即Rxy=0,ρxy=0。因此,x(n)和y(n)的相似程度可用Rxy和ρxy來描述。

在振動信號中,用相關(guān)函數(shù)來表述隨機(jī)振動的樣本函數(shù)在不同時刻瞬時值間的相關(guān)程度,互相關(guān)函數(shù)的大小反映2個信號間的相關(guān)性。我們認(rèn)為,離散性隨機(jī)振動信號x(n)和y(n)的互相關(guān)函數(shù)表達(dá)式為[7-8]

當(dāng)x(n)=y(n)時,稱為自相關(guān)函數(shù),則離散性隨機(jī)振動信號的互相關(guān)函數(shù)表達(dá)式為

2.2 基于相關(guān)函數(shù)加權(quán)法的數(shù)據(jù)融合

假設(shè)由測試所得到的振動信號x1(n),x2(n), x3(n),…,xm(n)對任何2個信號進(jìn)行互相關(guān)運算時,其表達(dá)式為

離散信號的能量公式為

假設(shè)Eij是每個信號兩兩進(jìn)行互相關(guān)運算得到的信號能量,那么

則可以表示為第i個傳感器得到的信號和其他傳感器得到的信號的總相關(guān)能量。

根據(jù)權(quán)值Pi與相關(guān)程度(即相關(guān)函數(shù)的能量)成正比例[9],則推出:p1∶p2∶…∶pn=E1∶E2∶…∶En；又有p1+p2+…+pn=1,則由這2個式子即可推出各個信號的權(quán)值,其融合結(jié)果為

3 工程應(yīng)用實例

3.1 工程概況及測點布置

信州水利樞紐工程位于江西省上饒市城區(qū),信江上游。樞紐泄洪建筑物由37孔泄洪閘組成,從左至右排列依次為1#—37#,樞紐建筑物采用深孔閘和淺孔閘相結(jié)合的方式,在主河槽處布置17孔深孔閘(1#—17#),深孔閘采用弧形鋼閘門擋水,泄洪閘孔口尺寸為12.0 m×8.0 m(寬×高),堰頂高程58.5 m,采用折線堰與下游消力池銜接。為方便對弧形鋼閘門進(jìn)行檢修,在弧門上游側(cè)處設(shè)有檢修門槽,檢修門采用疊梁式；左側(cè)灘地處布置20孔淺孔閘(18#—37#),淺孔閘采用平板鋼閘門擋水,泄洪閘孔口尺寸為10.0 m×4.5 m(寬×高),堰頂高程62 m,下部為折線堰,檢修閘門采用疊梁式。閘室順?biāo)鞣较蜷L6 m,1#孔左閘墩和37#孔右閘墩為滿足施工期導(dǎo)流需要,閘墩與縱向?qū)Y(jié)合設(shè)計,頂部厚3 m,12#孔右閘墩和17#孔右閘墩厚2 m,其余深孔閘墩厚均為1.5 m,淺孔閘墩厚均為1.2 m。泄洪閘按50 a一遇洪水設(shè)計(Q=8 844 m3/s),500 a一遇洪水校核(Q=11 729 m3/s),泄洪閘布置及泄洪閘閘墩傳感器布置示意圖見圖1。

圖1 泄洪閘及閘墩傳感器布置示意圖Fig.1 Layout of sluice and sensors on the sluice pier

為測量信州水利樞紐攔河閘在水流自由泄流情況下動態(tài)響應(yīng),本次測試選擇15#泄洪孔的左、右閘墩作為原型動力檢測對象。振動測試傳感器采用LC0106加速度傳感器,頻率響應(yīng)范圍0.05～1 500 Hz,靈敏度為991 mv/g。測點布置于閘墩側(cè)面頂部,測試方向為水平(側(cè)向),15#和16#閘墩順?biāo)鞣较蚍謩e依次布置H1—H7 7個加速度傳感器。H1位于閘墩首部；H2和H6位于排架上距,離壩頂約1.5 m處；其余4個測點(H3,H4,H5,H7)位于閘墩側(cè)面距壩頂約0.1 m處。信號連續(xù)采集,采樣頻率為100 Hz。閘墩振動測試現(xiàn)場及傳感器布置見圖2。

圖2 閘墩振動測試現(xiàn)場及傳感器布置Fig.2 Photo of vibration test of sluice pier and layout of sensors

3.2 閘墩結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)多測點融合

通過振動特性測試得到各測點在閘門全開工況下的加速度時程信號,選擇信噪比較高的H2,H3,H5這3個測點的振動信號進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。圖3為測點H2,H3和H5的加速度時程線及相應(yīng)的頻譜圖。

由圖3可以看出,H2,H3,H5測點均含有一階明顯峰值,信號的主要頻率成分分別為19.8,40.33, 5.15 Hz；由于閘墩及其上部排架的多模態(tài)特性以及各測點的振動強(qiáng)度和噪聲水平不盡相同,以致不同測點的振動主頻不同。基于相關(guān)函數(shù)融合算法融合H2, H3,H5測點的加速度振動信號,通過式(5)計算任意2個信號的相關(guān)函數(shù),由式(6)計算各個離散信號的相關(guān)能量Eij,由信號相關(guān)能量Ei分配各個測點信號的融合P1=0.402 9,P2=0.286 3,P3=0.310 7,實現(xiàn)不同測點信號的加權(quán)融合,其融合后的信號加速度時程線及頻譜圖如圖4所示?；谙嚓P(guān)函數(shù)融合算法的頻率識別結(jié)果如表1。

圖3 測點H2，H3，H5加速度時程線及頻譜Fig.3 Time-history curves of acceleration and spectrum of points H2，H3 and H5

圖4 基于相關(guān)函數(shù)融合后的加速度信號時程線及頻譜圖Fig.4 Time-history curve of acceleration signal and spectrum based on correlation function fusion

表1 基于相關(guān)函數(shù)融合算法的頻率識別結(jié)果Table 1 Result of frequency identification based on algorithm of correlation function fusion

通過表1可看出,基于相關(guān)函數(shù)融合算法融合所得信號具有4階頻率(5.127,19.800,26.810, 40.360 Hz),該信號頻譜圖不僅含有H2,H3,H5測點信號頻譜圖中的明顯波峰(19.8,40.33,5.15 Hz,),而且挖掘出淹沒在噪聲中的微弱信號(圖4(b)中第3個波峰26.81 Hz),該階頻率可視為不同傳感器采集到的信號相關(guān)信息。可見,對于泄洪閘閘墩結(jié)構(gòu)振動,基于相關(guān)函數(shù)融合算法能夠全面、準(zhǔn)確地識別泄流結(jié)構(gòu)的頻率。

基于泄流結(jié)構(gòu)約束條件的限制,對于同類傳感器的多測點信號,不同測點的振動信號含有的頻率成分不盡相同,甚至差異很大。為充分利用不同測點信號的相關(guān)信息、冗余信息和互補(bǔ)信息,利用信息融合技術(shù)將多測點振動信號融合為一個能夠準(zhǔn)確、全面反映結(jié)構(gòu)整體振動特性的振動信號,實現(xiàn)泄流結(jié)構(gòu)頻率模態(tài)的準(zhǔn)確識別,對泄流結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識別和安全監(jiān)測具有極其重要的意義。

4 結(jié) 語

由于泄流結(jié)構(gòu)泄流工作環(huán)境復(fù)雜,環(huán)境背景噪聲的強(qiáng)干擾對模態(tài)參數(shù)的提取影響較大,本文利用相關(guān)函數(shù)融合算法,將多測點振動信號融合為一個反映結(jié)構(gòu)整體特性的振動信號,有利于泄流激勵下泄流結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識別與損傷診斷問題的研究。以信州水利樞紐泄洪閘閘墩為工程實例,通過對融合前后的振動信號頻率識別結(jié)果分析對比,得出以下結(jié)論:

(1)基于相關(guān)函數(shù)態(tài)融合算法在研究泄流結(jié)構(gòu)多測點信號融合問題上具有可行性,基于該算法融合后的信號不僅包含已知單測點頻率成分的信號,而且挖掘出噪聲中的微弱信號,全面反映了結(jié)構(gòu)整體振動特性。

(2)基于相關(guān)函數(shù)融合算法融合后的信號識別結(jié)果與單個測點的頻率識別結(jié)果相近,融合后的信號能夠準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)整體振動特性。

[1]韓崇昭,朱紅艷,段戰(zhàn)勝.多源信息融合(第二版)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2010.(HAN Chong-zhao,ZHU Hong-yan,DUAN Zhan-sheng,Multi-source Information Fusion(Second Edition)[M].Beijing:Tsinghua University Press,2010.(in Chinese))

[2]帥常娥,彭 鵬,石 成.基于Kalman濾波融合算法的某壩基水平位移綜合信息提取[J].鹽城工學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2010,(2):61-65.(SHUAI Chang-e, PENG Peng,SHI Cheng.Extraction of Comprehensive Information of Dam Foundation Horizontal Displacement Based on Kalman Filter Fusion Algorithm[J].Chinese Journal of Yancheng Institute of Technology(Natural Science), 2010,(2):61-65.(in Chinese))

[3]ZHANG Xue-jie.Application Research on Multi-sensor Information Fusion Technique in Deformation Monitoring of Dam Body[C]//Test and Measurement Section of China Ordnance Society.Proceedings of the 7th International Symposium on Test and Measurement.Beijing,August 5-8,2007:1657-1659.

[4]段峰虎.基于信息融合技術(shù)的水工結(jié)構(gòu)損傷識別方法研究[D].南昌:南昌大學(xué),2011.(DUAN Feng-hu.Study on Damage Identification of Hydraulic Structure Using Information Fusion Technique[D].Nanchang:Nanchang University,2011.(in Chinese))

[5]葛新成,羅大成,曹 勇.相關(guān)函數(shù)在數(shù)字信號處理中的應(yīng)用[J].電光與控制,2006,13(6):78-80.(GE Xincheng,LUO Da-cheng,CAO Yong.Application of Correlation Function in Digital Signal Processing[J].ChineseJournal of Electronics Optics&Control,2006,13(6):78-80.(in Chinese))

[6]王 濟(jì),胡 曉.Matlab在振動信號處理中的應(yīng)用[M].北京:中國水利水電出版社,2006:114-117.(WANG Ji,HU Xiao.The Application of Matlab in Vibration Signal Processing[M].Beijing:China Water Power Press,2006: 114-117.(in Chinese))

[7]劉建書,李人厚,常 宏.基于相關(guān)性函數(shù)和最小二乘的多傳感器數(shù)據(jù)融合[J].控制與決策,2006,21(6): 714-716.(LIU Jian-shu,LI Ren-hou,CHANG Hong.Multisensor Data Fusion Based on Correlation Function and Least Square[J].Chinese Journal of Control and Decision, 2006,21(6):714-716.(in Chinese))

[8]劉敏華,蕭德云.基于相似度的多傳感器數(shù)據(jù)融合[J].控制與決策,2004,19(5):534-537.(LIU Min-hua, XIAO De-yun.Multi-sensor Data Fusion Based on Similitude Degree[J].Chinese Journal of Control and Decision, 2004,19(5):534-537.(in Chinese))

[9]RONG L,WANG W C,LOGAN M,et al.Multiplatform Multisensor Fusion with Adaptive-rate Data Communication[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,1997,33(1):274-281.

(編輯:曾小漢)

長江科學(xué)院參與承辦的第八屆全國水利工程滲流學(xué)術(shù)研討會順利召開

由中國水利學(xué)會巖土力學(xué)專業(yè)委員會和中國水利學(xué)會工程管理專業(yè)委員會主辦,中國水利水電科學(xué)研究院、長江科學(xué)院、南京水利科學(xué)研究院、清華大學(xué)以及國家大壩安全工程技術(shù)研究中心等9家單位聯(lián)合承辦的第八屆全國水利工程滲流學(xué)術(shù)研討會于2015年9月18—22日在北京順利召開。

來自全國的150多位專家代表參加了本次會議,數(shù)十位學(xué)者作了報告和學(xué)術(shù)交流。研討會以工程建設(shè)為背景,以“滲流安全和地下水污染防治”為主題,以滲流基本理論、工程材料滲透與滲透變形特性、滲流控制理論和技術(shù)、多場藕合及多相滲流理論、滲流數(shù)值模擬與程序開發(fā)、滲流監(jiān)測及隱患探測技術(shù)、滲流安全評價及除險加固技術(shù)、土工合成材料在滲流控制中的應(yīng)用、地下水開采與污染防治和地下水環(huán)境生態(tài)修復(fù)技術(shù)等為主要議題,對我國近年來工程建設(shè)領(lǐng)域有關(guān)滲流和地下水污染防治的最新研究進(jìn)展進(jìn)行廣泛的學(xué)術(shù)交流。

長江科學(xué)院吳昌瑜教高,以及巖土力學(xué)與工程重點實驗室土工所副所長張家發(fā)教高、張奇華教高、朱國勝教高和滲流學(xué)科全室職工等共18人應(yīng)邀參加會議,其中14人作了學(xué)術(shù)報告并主持了部分單元的會議,充分展示了長江科學(xué)院在滲流理論及相關(guān)工程應(yīng)用方面取得的成果和開展的探索工作,增進(jìn)了與同行的學(xué)術(shù)交流；也了解了滲流相關(guān)理論在國內(nèi)的整體進(jìn)展以及工程應(yīng)用的最新成果；參會期間與參會代表們建立了密切的學(xué)術(shù)聯(lián)系,達(dá)到了預(yù)期效果。

會議期間還召開了滲流學(xué)組會議,長江科學(xué)院吳昌瑜教高連任學(xué)組組長,會議商定第九屆全國水利工程滲流學(xué)術(shù)研討會于2018年在南京召開。

(摘自：長江水利科技網(wǎng))

Fusion of Vibration Signals from Multiple Observation Points of Flood Discharge Sluice Pier Based on Correlation Function

XU Wang-min1,ZHANG Yu-chi2,LIU Wu-gen1,LIU Shi-li2
(1.Shangrao Municipal Hydraulic Scientific Research Institute,Shangrao 334000,China；2.School of Civil Engineering and Architecture,Nanchang University,Nanchang 330031,China)

With the sluice pier of Xinzhou hydraulic project as an engineering background,the vibration signals of several observation points were acquired through pier dynamic characteristics test.In light of low signal-to-noise ratio and incomplete frequency component of a single measurement point,the vibration signals from several measuring points were fused into one signal through correlation function fusion algorithm.This signal could reflect the vibration signal of the overall structure accurately and fully.By comparing the results of signal frequency identification before and after the fusion,we conclude that the multi-point fusion algorithm based on correlation function is feasible.Effective frequency of the structure submerged in noise could be excavated very well.Finally,It povides important basis for identifying modal parameters of the structure.

sluice pier；multiple observation points；information fusion；correlation function；vibration response

TV698.1

A

1001-5485(2015)11-0110-05

10.11988/ckyyb.20140414

2014-05-19；

2014-06-12

國家自然科學(xué)基金項目(51269019,51469015)；廣東省水利科技創(chuàng)新基金項目(2014-08)

徐旺敏(1963-),男,江西上饒人,高級工程師,主要從事水利水電工程領(lǐng)域的科研工作,(電話)18979310668(電子信箱)srsksxwm @126.com。