辛榮亞， 張啟偉

(1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092； 2.珠海大橫琴股份有限公司，廣東 珠海 519000)

過(guò)去幾十年間，索支承橋梁得到了蓬勃發(fā)展，我國(guó)索支承橋梁的建設(shè)尤為突飛猛進(jìn).拉索作為索支承橋梁中的主要承重構(gòu)件，較易損壞，常在遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)使用壽命時(shí)發(fā)生銹蝕、斷絲等損傷，甚至發(fā)生斷裂，威脅橋梁與人員安全[1-2].拉索的無(wú)損檢測(cè)與評(píng)估對(duì)于指導(dǎo)索支承橋梁的科學(xué)管養(yǎng)、保障索支承橋梁的安全運(yùn)營(yíng)具有重要意義.學(xué)者們?cè)趯?duì)多種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行調(diào)研后認(rèn)為，漏磁(MFL)檢測(cè)是一種頗具潛力的橋梁拉索鋼絲無(wú)損檢測(cè)方法[3-4]，并在實(shí)橋上測(cè)出了吊桿內(nèi)部的斷絲[5].

漏磁檢測(cè)的原理為：使用永磁體或通電線圈對(duì)一段鋼絲進(jìn)行勵(lì)磁使之趨近磁化飽和；鋼絲的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)高于鋼絲銹蝕物、防護(hù)材料和空氣，當(dāng)鋼絲完好時(shí)，磁通量被約束在鋼絲內(nèi)部；當(dāng)鋼絲因局部銹蝕或斷絲產(chǎn)生鋼絲截面的突變時(shí)，附近位置將產(chǎn)生顯著的磁場(chǎng)擾動(dòng)，即漏磁場(chǎng)；漏磁場(chǎng)可用磁敏元件測(cè)得，進(jìn)而用于鋼絲損傷的判別(見圖1).通過(guò)設(shè)備沿拉索的爬升掃描，實(shí)現(xiàn)索體全長(zhǎng)的檢測(cè).

漏磁檢測(cè)技術(shù)主要用于鋼絲繩、鋼棒和鋼管等裸露構(gòu)件的測(cè)試，并逐步拓展到傳送帶、橋梁拉索等有防護(hù)的構(gòu)件.該技術(shù)在各類構(gòu)件中的應(yīng)用大體上包括三個(gè)階段：硬件的設(shè)計(jì)與優(yōu)化以適應(yīng)構(gòu)件構(gòu)造并開展無(wú)損檢測(cè)、損傷的存在性判別以及缺陷的定量識(shí)別.例如，在技術(shù)應(yīng)用較成熟的鋼絲繩中，近年來(lái)的文獻(xiàn)報(bào)道多注重定量識(shí)別，在判定損傷存在的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)損傷進(jìn)行定位、分類與量化[6-10].

圖1 漏磁檢測(cè)原理

漏磁檢測(cè)在橋梁拉索中的應(yīng)用則處于起步與初級(jí)階段.拉索外部的護(hù)套增大了磁敏元件與鋼絲表面的距離，降低了漏磁場(chǎng)信號(hào)的信噪比，使得內(nèi)層鋼絲缺陷的定性判別難以實(shí)現(xiàn).因此，目前的研究主要針對(duì)大直徑索體進(jìn)行硬件適配，再通過(guò)簡(jiǎn)略的試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證方法的有效性.然而，現(xiàn)有研究往往回避了拉索實(shí)際損傷的漏磁信號(hào)信噪比低的問(wèn)題，而是將缺陷人為設(shè)置在靠近索體表面處或者設(shè)置較大的缺陷以獲取較高的信噪比[8,11-12].例如，文獻(xiàn)[11]中使用鋼絞線整股切斷的方式模擬拉索中的局部損傷，損傷引起的拉索面積損失率為4.17%～16.67%，但是實(shí)際拉索中的斷絲更可能是在一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)呈離散分布的單根斷絲，而不是多根鋼絲在同一斷面上平整地?cái)嗔?此時(shí)，拉索的面積損失率很可能在1%以下，再加上斷絲可能位于內(nèi)層鋼絲上，使得漏磁信號(hào)微弱.因此，在當(dāng)前的索支承橋梁拉索漏磁檢測(cè)中，局部小缺陷的定性判別更具有現(xiàn)實(shí)意義.

損傷的定性判別方法主要在鋼絲繩的漏磁檢測(cè)應(yīng)用中得到發(fā)展.文獻(xiàn)[13]中提出差分超限數(shù)法對(duì)是否存在斷絲進(jìn)行判別；文獻(xiàn)[14]中基于三層反向傳播(BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)0～4根斷絲產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)進(jìn)行分類識(shí)別；文獻(xiàn)[15]中提出基于事例推理的方法，通過(guò)數(shù)據(jù)比對(duì)的方式進(jìn)行漏磁檢測(cè)數(shù)據(jù)分析與損傷判別；文獻(xiàn)[16]中提出了一種基于信號(hào)錯(cuò)位自相關(guān)函數(shù)的斷絲判別方法，根據(jù)相關(guān)系數(shù)曲線中的谷值判定斷絲部位.除此之外，常被用作損傷識(shí)別的特征量還有短時(shí)能量、峰值等.峰值法通過(guò)設(shè)置特定的閾值來(lái)判斷是否存在損傷[11]，但誤差較大，相關(guān)結(jié)果可直接通過(guò)人眼觀察得到；錯(cuò)位自相關(guān)分析主要用于股波信號(hào)明顯的鋼絲繩測(cè)試中，該方法對(duì)于平行鋼絲拉索內(nèi)的損傷識(shí)別效果不理想.

上述方法中可直接用于拉索鋼絲損傷定性判別的方法主要有差分超限數(shù)法和短時(shí)能量法.差分超限數(shù)法通過(guò)對(duì)漏磁場(chǎng)測(cè)試信號(hào)求差分并設(shè)置閾值，形成無(wú)缺陷段為0、有缺陷段為1的差分超限序列，實(shí)現(xiàn)缺陷與非缺陷的分離，詳細(xì)算法見文獻(xiàn)[13].短時(shí)能量[17]在漏磁檢測(cè)中也稱作短距能量，相當(dāng)于信號(hào)的短時(shí)二階中心距，反映一定空間內(nèi)漏磁場(chǎng)波動(dòng)部分的能量或信號(hào)的離散程度，它的增大表示信號(hào)有較大波動(dòng)，進(jìn)而說(shuō)明可能有缺陷存在.

對(duì)于索支承橋梁拉索而言，漏磁檢測(cè)的首要任務(wù)是定性判別索體中是否存在鋼絲損傷.為提高漏磁檢測(cè)對(duì)于拉索鋼絲損傷的識(shí)別能力，提出了一種損傷識(shí)別方法.制作了拉索足尺模型并開展漏磁檢測(cè)，索體中設(shè)置了多種位置與損傷的斷絲，尤其是低信噪比的內(nèi)層斷絲.基于本文方法和漏磁檢測(cè)信號(hào)對(duì)不同程度的鋼絲損傷進(jìn)行識(shí)別，并與差分超限數(shù)法和短時(shí)能量法的識(shí)別結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以檢驗(yàn)本文方法的效果.

1 斷絲損傷識(shí)別方法

索支承橋梁拉索的漏磁檢測(cè)信號(hào)具有以下特點(diǎn)：①漏磁信號(hào)在空間中的衰減快，表現(xiàn)為不平穩(wěn)的局部短時(shí)信號(hào)；②測(cè)試可重復(fù)進(jìn)行，與噪聲相比，缺陷漏磁信號(hào)具有較好的可重復(fù)性.拉索漏磁檢測(cè)時(shí)信號(hào)按照空間采樣，測(cè)得的漏磁信號(hào)包括斷絲引起的漏磁場(chǎng)SB和噪聲SN.重復(fù)測(cè)試時(shí)，兩個(gè)測(cè)試序列之間信號(hào)分量SB的相關(guān)性較高，信號(hào)分量SN的相關(guān)性較低.因此，對(duì)拉索進(jìn)行重復(fù)測(cè)試，提取相應(yīng)的信號(hào)片段進(jìn)行互相關(guān)分析，有缺陷的信號(hào)片段相關(guān)性較高，無(wú)缺陷的信號(hào)片段相關(guān)性較低.缺陷信息將在短時(shí)互相關(guān)序列的局部極大值位置顯現(xiàn)出來(lái).

1.1 短時(shí)互相關(guān)

兩個(gè)時(shí)間序列間的短時(shí)互相關(guān)(STCC)如下所示[18]：

rst(n,k)=S1(n,k)?S2(n,k)=

(1)

(2)

(3)

式中：Si(n,k)(i=1,2)是序列Si中以(k+K/2)為中心、窗寬為K的片段.

1.2 有效互相關(guān)

重復(fù)測(cè)試時(shí)，鋼絲斷絲引起的漏磁場(chǎng)應(yīng)出現(xiàn)在漏磁信號(hào)序列的相同位置.實(shí)際檢測(cè)中位移傳感器可能打滑，導(dǎo)致重復(fù)測(cè)試信號(hào)之間有位置偏差.通過(guò)式(2)對(duì)互相關(guān)函數(shù)取最大值可消除位置偏差的影響，增強(qiáng)兩個(gè)序列中信號(hào)分量SB之間的相關(guān)性，但此過(guò)程也可能增強(qiáng)了兩個(gè)序列中信號(hào)分量SN之間的相關(guān)性.由于位移傳感器的誤差通常較小，式(2)對(duì)噪聲SN的增強(qiáng)作用可能會(huì)超出對(duì)信號(hào)SB的增強(qiáng)作用.因此，互相關(guān)計(jì)算時(shí)應(yīng)綜合考慮相關(guān)系數(shù)R與序列間的時(shí)移τ，采用文獻(xiàn)[18]中提出的有效互相關(guān)(ECC)來(lái)代替式(2)，如下所示：

(4)

式中：A為常數(shù)，用來(lái)調(diào)整R(k)的幅值.A>1時(shí)，recc(k)隨著時(shí)間差τ(k)的增大而減小.當(dāng)時(shí)間差τ(k)=0時(shí)，式(4)的分母為1；當(dāng)時(shí)間差τ(k)取最大值時(shí)，式(4)的分母為A.本文中取A=10.

式(2)與式(4)中的短時(shí)互相關(guān)與有效互相關(guān)均未歸一化.在文獻(xiàn)[18]中，S1(n,k)和S2(n,k)有效互相關(guān)的歸一化采用式(5)，如下所示：

(5)

式中：r1,2(k)是序列S1(n,k)和S2(n,k)采用式(4)計(jì)算的互相關(guān)系數(shù);r1,1(k)、r2,2(k)分別是序列S1(n,k)和S2(n,k)的自相關(guān)系數(shù).

1.3 有效互相關(guān)的重新歸一化

式(5)計(jì)算得到的互相關(guān)系數(shù)單純反映了相關(guān)性，實(shí)際上漏磁信號(hào)的幅值與短時(shí)能量也是較有效的特征參數(shù).因此，本文中提出一種算法對(duì)有效短時(shí)互相關(guān)進(jìn)行歸一化，如下所示：

(6)

式(6)中采用了統(tǒng)一的分母對(duì)整個(gè)r1,2(k)序列進(jìn)行歸一化，這一過(guò)程保留了漏磁信號(hào)的相對(duì)幅值信息.由于式(1)與信號(hào)的短時(shí)能量計(jì)算公式相似，因此式(6)可看作是漏磁信號(hào)短時(shí)能量特征與有效短時(shí)互相關(guān)特征的結(jié)合.

1.4 損傷識(shí)別方法與流程

將有效互相關(guān)系數(shù)引入漏磁信號(hào)分析，并基于重新歸一化的有效短時(shí)互相關(guān)進(jìn)行斷絲識(shí)別.具體流程如圖2所示，算法在Matlab軟件平臺(tái)中編程實(shí)現(xiàn).詳細(xì)步驟如下所示：

步驟1采用維納濾波對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行降噪，具體算法此處不展開討論，可參考文獻(xiàn)[19].

步驟2對(duì)于多組重復(fù)測(cè)試信號(hào)，可選定一組作為基準(zhǔn)信號(hào)，分別與其他測(cè)試信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)分析，根據(jù)互相關(guān)函數(shù)最大值的位置可求得兩組信號(hào)之間的時(shí)延，之后可通過(guò)循環(huán)補(bǔ)位的方法將各信號(hào)調(diào)整到與基準(zhǔn)信號(hào)同步的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)同步.

圖2 基于有效短時(shí)互相關(guān)的損傷識(shí)別方法流程

步驟3使用矩形窗對(duì)同步后的信號(hào)進(jìn)行分幀，漏磁信號(hào)為空間采樣，經(jīng)試算，設(shè)置信號(hào)分幀的窗寬60 mm為宜.在基于短時(shí)能量法進(jìn)行損傷識(shí)別時(shí)也使用該窗寬.

(7)

步驟5設(shè)置閾值T1，預(yù)判局部極大值所在的每一幀信號(hào)是否屬于有損傷段.取兩組無(wú)損傷索體測(cè)試信號(hào)有效短時(shí)互相關(guān)序列的最大值加上0.05×(最大值-最小值).在差分超限數(shù)和短時(shí)能量的計(jì)算中，也采用類似的閾值.

步驟6計(jì)算有效短時(shí)互相關(guān)序列中局部極大值與相鄰局部極小值間的差值(記作DMESC).

步驟7設(shè)置閾值T2，若DMESC大于T2，則判定為有局部損傷，否則判定為無(wú)損傷.DMESC以分貝為單位，T2取0.7 dB.

2 試驗(yàn)布置

2.1 測(cè)試系統(tǒng)

基于索支承橋梁拉索足尺模型試驗(yàn)對(duì)本文所提出的損傷識(shí)別方法進(jìn)行驗(yàn)證.拉索漏磁檢測(cè)的實(shí)物照片如圖3所示.測(cè)試系統(tǒng)主要由以下部分構(gòu)成：待測(cè)拉索、漏磁檢測(cè)設(shè)備、卷?yè)P(yáng)機(jī)、信號(hào)采集箱和計(jì)算機(jī).

圖3 漏磁檢測(cè)試驗(yàn)實(shí)物圖

試驗(yàn)中的拉索采用φ7-121平行鋼絲索，拉索護(hù)套采用單護(hù)層，拉索外徑為100 mm，索長(zhǎng)為10.5 m.拉索上端固定在混凝土墻上，下端放置于地面支座上，索體基本處于無(wú)應(yīng)力狀態(tài).漏磁檢測(cè)設(shè)備采用LRM-XXI?鋼絲繩診斷系統(tǒng)，包括檢測(cè)設(shè)備主體與信號(hào)采集箱兩部分.測(cè)試時(shí)，設(shè)備在變頻卷?yè)P(yáng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下沿拉索全長(zhǎng)掃描，按照2.5 mm的間隔對(duì)漏磁信號(hào)進(jìn)行等空間采樣.測(cè)試傳感器嵌固在檢測(cè)設(shè)備內(nèi)部，測(cè)量索體外部漏磁場(chǎng)的軸向分量.采集的信號(hào)可通過(guò)有線或無(wú)線方式實(shí)時(shí)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上.

2.2 鋼絲損傷設(shè)定

試驗(yàn)中使用的拉索共兩根：一根為無(wú)損傷拉索，護(hù)套為光滑護(hù)套，用于確定漏磁檢測(cè)的系統(tǒng)噪聲水平；另一根拉索的護(hù)套外設(shè)置雙螺旋線，并在拉索內(nèi)部設(shè)置斷絲損傷.鋼絲缺陷產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)隨著缺陷與測(cè)試傳感器之間的距離呈平方衰減，并與斷口寬度有關(guān)[20].大體上，越靠近索體中心、斷口寬度越小，漏磁信號(hào)越弱.為全面衡量鋼絲缺陷的檢出能力，在拉索中設(shè)置8種內(nèi)層缺陷、10種中層缺陷和10種外層缺陷，缺陷部位如圖4所示；缺陷的斷口寬度為0～40 mm，如表1所示.各缺陷均為單根斷絲，缺陷占鋼絲總橫截面積的比例為0.83%.

由于內(nèi)部斷絲無(wú)法在制作完成的成品索上直接加工，試驗(yàn)時(shí)使用預(yù)先截?cái)嗟匿摻z片段拼裝成拉索，并在上海浦江纜索股份有限公司按照成品索工藝擠塑成成品拉索.在拉索拼裝時(shí)，為確保鋼絲斷口保持在預(yù)設(shè)的寬度，在斷絲位置使用特定長(zhǎng)度的尼龍柱銜接并固定鋼絲.由于尼龍為非鐵磁性材料，因此不會(huì)對(duì)漏磁檢測(cè)產(chǎn)生任何信號(hào)擾動(dòng).在鋼絲拼裝完成后，對(duì)鋼絲進(jìn)行纏包，并在索體端部將所有鋼絲焊接到同一個(gè)斷面上，以免在索體加工過(guò)程中發(fā)生鋼絲與鋼絲缺陷位置的錯(cuò)動(dòng).

圖4 拉索內(nèi)部鋼絲缺陷位置以及斷絲模擬方式(單位：mm)

2.3 測(cè)試條件

拉索加工完成后，分別對(duì)無(wú)損傷拉索和有損傷拉索使用如圖3所示系統(tǒng)開展漏磁檢測(cè)試驗(yàn).對(duì)拉索模型進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)試，以評(píng)估各損傷識(shí)別方法的準(zhǔn)確性.對(duì)每根拉索重復(fù)測(cè)試9次，設(shè)備在卷?yè)P(yáng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下的行走速度約為0.43 m·s-1.在測(cè)試過(guò)程中，為了避免設(shè)備爬行至端部時(shí)發(fā)生碰撞，設(shè)備的自由行走長(zhǎng)度設(shè)定為9 m左右.

表1 拉索內(nèi)部缺陷鋼絲的斷口寬度

3 結(jié)果與討論

3.1 實(shí)測(cè)漏磁信號(hào)

對(duì)無(wú)損傷拉索和有損傷拉索進(jìn)行漏磁檢測(cè)，典型的測(cè)試信號(hào)如圖5所示.漏磁檢測(cè)中采用感應(yīng)線圈傳感器，傳感器輸出與設(shè)備掃描速度成正比，在設(shè)備啟動(dòng)與停止時(shí)(測(cè)試長(zhǎng)度為0和9 m位置)，速度突變產(chǎn)生了明顯的信號(hào)擾動(dòng).在索體的中部區(qū)域，掃描速度平穩(wěn)，隨機(jī)噪聲產(chǎn)生的信號(hào)波動(dòng)通常在±8 mV以內(nèi).

從有損傷拉索的測(cè)試信號(hào)可知，漏磁信號(hào)強(qiáng)度受斷絲部位與斷口寬度影響顯著.外層斷絲O2～O10引起了明顯的漏磁信號(hào)，可直接通過(guò)觀察來(lái)判定存在的鋼絲局部損傷，損傷面積與索體鋼絲總面積之比約為0.83%，漏磁信號(hào)對(duì)于外層斷絲的敏感性與識(shí)別能力較高.隨著缺陷部位向索體中心移動(dòng)，缺陷與傳感器之間的距離逐漸增大，漏磁場(chǎng)強(qiáng)度迅速衰減并且受到外層鋼絲的屏蔽作用，測(cè)得的漏磁信號(hào)微弱且信噪比很低.由圖5b可知，斷口寬度較大的中層缺陷M3～M10引起了輕微的信號(hào)擾動(dòng)，而M1～M2和C1～C8等缺陷引起的信號(hào)則淹沒(méi)在噪聲中.

此外，外層O1缺陷引起的漏磁信號(hào)也不明顯，主要原因在于該缺陷距測(cè)試的起點(diǎn)較近(約0.30 m)，此時(shí)檢測(cè)設(shè)備尚在加速，掃描速度低，使得感應(yīng)線圈傳感器的輸出微弱.

a 無(wú)損傷拉索

b 有損傷拉索

基于維納濾波對(duì)漏磁信號(hào)進(jìn)行降噪，結(jié)果如圖6所示.維納濾波時(shí)無(wú)損傷信號(hào)截自無(wú)損傷拉索測(cè)試信號(hào)的中間7 m，之后與有損傷拉索的測(cè)試信號(hào)相接，以便于對(duì)比.降噪后，鋼絲斷絲引起的漏磁信號(hào)更加凸顯，但對(duì)于信噪比較低的內(nèi)層斷絲，漏磁信號(hào)的波形嚴(yán)重失真，人工判斷損傷有較大的誤差和隨機(jī)性，更精確的識(shí)別應(yīng)基于自動(dòng)化的方法進(jìn)行.

3.2 斷絲識(shí)別結(jié)果

基于差分超限數(shù)法、短時(shí)能量法和本文方法進(jìn)行鋼絲斷絲識(shí)別.對(duì)于某一次測(cè)試，基于漏磁信號(hào)的損傷判別結(jié)果如圖7所示.圖7中，虛線對(duì)應(yīng)實(shí)際損傷位置，點(diǎn)劃線對(duì)應(yīng)由各方法識(shí)別的損傷位置.

圖6 降噪后漏磁信號(hào)

圖7a～c中，0～7 m對(duì)應(yīng)無(wú)損傷拉索的測(cè)試信號(hào)，7～16 m對(duì)應(yīng)有損傷拉索的測(cè)試信號(hào).圖7a中柱狀圖的高度代表差分超限數(shù)，寬度代表差分超限的區(qū)間.由圖7a可知，對(duì)于信噪比較高位置的缺陷(如O2～O10)，差分超限數(shù)的幅值和區(qū)間均很平穩(wěn)，并且對(duì)損傷的定位較準(zhǔn)確.

圖7b表明，短時(shí)能量在損傷位置形成局部最大值，并且對(duì)于損傷信號(hào)和非損傷信號(hào)具有較大的區(qū)分度.本文方法的識(shí)別結(jié)果如圖7c所示，其中R1,2,3表示互相關(guān)系數(shù)，由測(cè)試1和測(cè)試2之間的互相關(guān)系數(shù)R1,2、測(cè)試1和測(cè)試3之間的互相關(guān)系數(shù)R1,3以及測(cè)試2和測(cè)試3之間的互相關(guān)系數(shù)R2,3取平均得到.基于本文方法的識(shí)別結(jié)果與基于短時(shí)能量法的識(shí)別結(jié)果相似，但剔除了部分高頻噪聲的干擾.例如，短時(shí)能量法在O1和O2缺陷之間多檢出了一處缺陷，而本文方法在此位置不存在可能造成誤判的干擾波形.這說(shuō)明，本文方法融合了短時(shí)能量與有效互相關(guān)兩種特征后，提高了識(shí)別精度.

由于測(cè)試結(jié)果中存在隨機(jī)誤差，并且損傷識(shí)別的準(zhǔn)確率受損傷部位與大小的影響，通常外層的大缺陷(斷口寬度大)容易識(shí)別，內(nèi)層的小缺陷難以識(shí)別.為精確評(píng)估各損傷識(shí)別方法的效果，基于多次測(cè)試結(jié)果，針對(duì)每一處損傷計(jì)算各方法的識(shí)別精度.為便于量化對(duì)比，提出檢出率、漏檢率與多檢率三項(xiàng)指標(biāo)，定義如下所示：

(1)檢出率.在設(shè)定的缺陷位置檢出損傷的次數(shù)與測(cè)試次數(shù)之比.檢出率中包括多檢的情況，可能大于100%.

(2)漏檢率.在設(shè)定的缺陷位置未檢出損傷的次數(shù)與測(cè)試次數(shù)之比.考慮到加工過(guò)程中索體缺陷位置可能因吊裝時(shí)受力發(fā)生錯(cuò)動(dòng)以及測(cè)試過(guò)程中位移傳感器可能打滑，統(tǒng)計(jì)時(shí)允許判定的損傷位置有±15 cm的誤差，超出此范圍則認(rèn)為缺陷未被檢出.

a 差分超限數(shù)法

b 短時(shí)能量法

c 本文方法

(3)多檢率.在設(shè)定的缺陷位置檢出多個(gè)缺陷或在未設(shè)定缺陷處檢出缺陷的次數(shù)與測(cè)試次數(shù)之比.多檢的情形包括在第一處缺陷之前和最后一處缺陷之后誤判的“缺陷”以及在中部缺陷設(shè)定位置前后15 cm范圍內(nèi)判定的個(gè)數(shù)超過(guò)1的“缺陷”.多檢率計(jì)算時(shí)考慮誤判的次數(shù).例如，若在一次測(cè)試中某一特定位置判定的缺陷個(gè)數(shù)為3，則計(jì)算多檢率時(shí)該次測(cè)試按2次計(jì)入.在極端的情形下，多檢率可能會(huì)大于100%.

三種方法對(duì)應(yīng)的損傷檢出率、漏檢率和多檢率的對(duì)比如表2所示.由于測(cè)試重復(fù)了9次，差分超限數(shù)法和短時(shí)能量法基于單次測(cè)試進(jìn)行損傷識(shí)別，可得到9組結(jié)果；本文方法基于3次測(cè)試的兩兩互相關(guān)的平均值進(jìn)行損傷識(shí)別，可得到84組結(jié)果.因此，在進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的計(jì)算時(shí)，這三種方法分別基于9組結(jié)果與84組結(jié)果進(jìn)行計(jì)算.

O2缺陷檢出率最高的是短時(shí)能量法，為100.0%(=9/9)，本文方法檢出率為98.8%(=83/84).C2、C4、C6、C7缺陷檢出率最高的為差分超限數(shù)法，檢出率分別為77.8%、100.0%、44.4%、77.8%.本文方法對(duì)應(yīng)的檢出率分別為56.0%、95.2%、35.7%、70.2%，與最高檢出率較接近.對(duì)于其他23處缺陷，本文方法的檢出率均為三種方法中的最高值.

表2 三種方法的損傷識(shí)別結(jié)果

注：加粗字體為缺陷的最高檢出率.

對(duì)比各層缺陷可知，本文方法對(duì)于外層、中層和內(nèi)層斷絲的平均檢出率分別為97.4%、94.1%和76.2%，檢出率隨著缺陷靠近索體中心而遞減.這一規(guī)律同樣存在于其他兩種方法中.對(duì)于差分超限數(shù)法，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)為88.9%、71.7%和69.5%；對(duì)于短時(shí)能量法，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)為96.7%、71.1%和55.6%.對(duì)于各層斷絲，本文方法均有最高的檢出率.

差分超限數(shù)法、短時(shí)能量法和本文方法對(duì)各缺陷的檢出率平均值分別為77.0%、75.8%和90.1%，檢出率標(biāo)準(zhǔn)差分別為20.3%、26.7%和16.8%，多檢率平均值分別為6.3%、6.3%、3.7%.顯然，本文方法的識(shí)別精度更高.

此外，檢出率與多檢率呈同步變化，調(diào)整算法參數(shù)(如閾值)可進(jìn)一步提高檢出率，但同時(shí)也會(huì)提高多檢率.若采用檢出率與多檢率之差來(lái)衡量判別方法的精度，則差分超限數(shù)法、短時(shí)能量法和本文方法的判別精度分別為70.7%、69.5%和86.4%.差分超限數(shù)法的判別精度略高于短時(shí)能量法，本文方法的損傷判別精度則比前兩者提高了15.7%～16.9%.

3.3 斷絲定位結(jié)果

采用三種方法進(jìn)行損傷判別，可得到各損傷在拉索縱向的位置.基于差分超限數(shù)法定位損傷時(shí)取一個(gè)獨(dú)立的差分超限序列的中間位置(見圖7)，其余兩種方法則取短時(shí)能量或互相關(guān)的局部極大值作為損傷位置.損傷定位的誤差統(tǒng)計(jì)參數(shù)如表3所示.由表3可知，從定位誤差平均值的角度看，各方法的定位誤差中短時(shí)能量法最小、本文方法居中、差分超限數(shù)法最大，誤差的平均值分別為16.6 mm、20.6 mm和39.7 mm.考慮到正負(fù)誤差在計(jì)算中可能相互抵消，先對(duì)定位誤差取絕對(duì)值再求平均，則相應(yīng)的平均值為26.5 mm、34.7 mm和48.7 mm.

表3 三種方法的損傷定位誤差

對(duì)比不同缺陷的定位誤差可知，表層斷絲的定位誤差最小、中層斷絲次之、內(nèi)層斷絲誤差最大.這是由斷絲漏磁場(chǎng)的特點(diǎn)決定的，漏磁場(chǎng)以缺陷為中心向周圍擴(kuò)散、衰減，內(nèi)層斷絲的漏磁場(chǎng)幅值更小、范圍更大，損傷定位時(shí)更易受噪聲干擾.然而，從定位誤差的數(shù)值上看，各方法的損傷定位精度均已足夠高，基本滿足橋梁檢測(cè)的實(shí)際需求.

4 結(jié)論

(1)拉索內(nèi)部斷絲的可識(shí)別性與斷絲的部位和斷口寬度有關(guān).斷絲越靠近外層、斷口寬度越大，產(chǎn)生的漏磁信號(hào)越強(qiáng)，缺陷越容易被識(shí)別出來(lái).在評(píng)估鋼絲損傷的識(shí)別效果時(shí)，必須充分考慮斷絲的部位與斷口寬度的影響.

(2)在本文試驗(yàn)中，斷口寬度大于0.5 mm的外層單根斷絲可直接從漏磁信號(hào)中識(shí)別出，對(duì)應(yīng)的損傷面積占索體鋼絲總面積的0.83%，漏磁檢測(cè)對(duì)于外層斷絲具有較高的損傷識(shí)別能力.

(3)本文方法融合了有效互相關(guān)與短時(shí)能量?jī)煞N特征，對(duì)于各層斷絲的識(shí)別能力均有所提升，中層和內(nèi)層斷絲的識(shí)別能力提升效果尤其顯著，在低信噪比下仍取得了較高的損傷識(shí)別精度.從整體上看，本文方法的損傷判別精度比既有方法提高了15.7%～16.9%.

(4)本文方法對(duì)于斷絲在索體軸向的平均定位誤差約為3.5 cm，基本滿足橋梁檢測(cè)的實(shí)際需求.