(青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院 山東 青島 266033)

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)中傳感器最優(yōu)布點(diǎn)方法研究

劉斌熊泉祥郝佳佳李壯

(青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院山東青島266033)

如何在滿足測試要求的前提下確定傳感器的布置位置，已成為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中亟待解決的問題。提出了基于粒子群算法的傳感器優(yōu)化布置方法。首先，討論了粒子群算法的基本原理和優(yōu)點(diǎn)；其次，針對不同的傳感器類型及不同目的定義不同的適應(yīng)度，它們分別由位移模態(tài)和應(yīng)變模態(tài)表示；最后，以網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為例，采用粒子群算法對其監(jiān)測系統(tǒng)中加速度傳感器和應(yīng)變傳感器布點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明：基于粒子群算法的傳感器優(yōu)化布點(diǎn)結(jié)果穩(wěn)定可靠、且收斂迅速。

大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)；監(jiān)測系統(tǒng)；傳感器優(yōu)化布置；粒子群算法；網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

一、粒子群算法的基本原理

粒子群算法(Particle Swarm optimization，PSO)的基本概念最早在1995年由Kenndy和Eberhart等人提出[1]，該算法源于對鳥群捕食行為的簡化社會模型的模擬。

粒子更新公式如下[2]：

vid(t+1)=ωvid(t)+c1r1(pid-xid(t))+c2r2(pgd-xid(t))

(1)

xid(t+1)=xid(t)+vid(t+1)

(2)

當(dāng)vid>Vmax時，取vid=Vmax

當(dāng)vid<-Vmax時，取vid=-Vmax

二、適應(yīng)度函數(shù)的選取

(3)

三、算例

(一)有限元模型

論文模型為四角錐型網(wǎng)架，尺寸為：長度30m×寬度30m，高度為2.0m；采用鉸支座支撐，限制三向線位移，荷載情況為：0.5KN/m2的靜載和1.0kN/m2的活載。桿件截面類型為：

1-Φ60×3.50，2-Φ76×4.00，3-Φ114×4.00。

(二)傳感器優(yōu)化布置結(jié)果

以適應(yīng)度f1作為評價函數(shù)，傳感器的布置結(jié)果如圖1～圖3所示，算法的收斂曲線和適應(yīng)度變化曲線分別如圖4,5所示。

圖3 網(wǎng)架基頻32個應(yīng)變傳感器布置(上弦)

圖4 網(wǎng)架基頻16個應(yīng)變傳感器適應(yīng)度收斂曲線

圖5 網(wǎng)架基頻32個應(yīng)變傳感器適應(yīng)度變化趨勢

四、結(jié)論

1.由圖1～圖3可知，測點(diǎn)的布置基本對稱，這是結(jié)構(gòu)本身對稱的結(jié)果，這與最優(yōu)布點(diǎn)的理論邏輯是吻合的。

2.由圖4可知，PSO算法的迭代過程是穩(wěn)定收斂的。

3.由圖5可知，收斂適應(yīng)度值隨測點(diǎn)數(shù)增加而減小，這與傳感器布置的一般規(guī)律相符：測點(diǎn)布置越多，結(jié)構(gòu)振型描述越準(zhǔn)確，實(shí)測結(jié)果越精確。

[1]Kennedy J,Eberhart R.Particle swarm optimization.In:oc.IEEE Intl.Conf.on Neural Networks,IV.Piscataway,IEEE Ser vice Center.1995:1942-1948.

[2]Yue,K.V.Katafygiotis,L.S.Bayesian model updating using complete input and incomplete response noisy measurements[J].Journal of Engineering Mechanics,2002,VOL.128,No.3.340～350.

[3]李戈,秦權(quán),董聰.用遺傳算法選擇懸索橋監(jiān)測系統(tǒng)中傳感器的最優(yōu)布置點(diǎn)[J].工程力學(xué),2000,17(1)：25-34.

LiGe,Qin Quan,Dong Cong.Optimal placement of sensors for monitoring systems on suspension bridges using genetic algorithms[J].Engineering Mechanics.2000,17(1)：25-34.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51068019)、山東省高等學(xué)?？萍加媱濏?xiàng)目資助(J12LG09)、山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2013EEL013)