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结构检测监测理论与技术第八章-信息融合理论.pdf

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结构检测、监测理论与技术 THEORYANDTECHNOLOGYOFSTRUCTURALDETECTIONANDMONITORING 第8章信息融合理论 Chapter8DataFusionTheory 闫维明何浩祥 2011年5月23日 结构损伤信息融合 对于大型复杂的结构或者系统，其监测、识别 与决策问题非常复杂。传统的单传感器监测识 别系统往往只能适用于结构的局部损伤，无法 满足实际工程需求。将多类及多个传感器联合 起来，同时进行信息采集、协同工作，这就形 成了多传感器系统。多传感器系统不仅利用多 个传感器采集信息，还要对其信息联合处理以 得到最终结果。 结构损伤信息融合 •多传感器系统信息处理过程中的关键技术之 一是数据或信息融合，其目的是充分利用不 同时间与空间的多传感器信息资源，采用计 算机技术对按时序获得的多传感器观测信息 在一定准则下加以自动分析、综合、支配和 使用，获得被测对象的一致性解释或描述， 以完成所需的决策和估计任务，使系统获得 比它的各组成部分更优越的性能。 结构损伤信息融合框架 数据层信息融合 数据层信息融合是对同一结构或部位的多类多种 传感器数据进行配准、合成，以克服单一传感器在 物理性能和空间布置等方面的欠缺或局限性，使相 关信息更趋完备，便于分析处理。同时便于进行下 一步的特征提取，为特征层的信息融合奠定基础， 属于低层次的融合。例如，在数据层可以对加速度、 应变等信号进行比较组合和滤波处理，也可以进行 简单的时频分析。这种融合主要优点是能保持尽可 能多现场数据，提供其他融合层次所不能提供的细 微信息。但其缺点也是很明显的，直接进行数据融 合数据量太大，费用高、抗干扰性差。 特征层信息融合 特征层信息融合是指对通过软计算方法表征结构健 康状态或特征的数据进行提取、配准和关联，增加 描述结构健康状态或特征的维数，使有关健康状态 的知识更加准确或完备，并且对特征信息进行综合 分析和处理。例如，特征层信息融合可以进行诸如 小波频段能量、应变峰值等特征的获取，也包括对 监测层信息融合的结果与已知的损伤模式相关联， 以进行损伤预警和报警。特征融合的优点在于实现 了可观的信息压缩，有利于实时处理，并且由于所 提取的特征直接与决策分析相关，因而融合结果能 够最大限度地给出决策信息所需要的特征信息。 决策层信息融合 决策层信息融合以特征层的数据为信息来 源，根据先验诊断知识，通过诊断样本库和智能 决策系统进行知识融合，可以得到更加确切或更 加明确的诊断结果。决策层信息融合的主要技术 手段是知识融合，同时要将数据关联结果和本地 决策变换为可以进行融合的知识。决策层信息融 合是最高层次的融合，在信息处理方面具有很高 的灵活性，系统对信息传输带宽要求较低，能有 效地融合反映诊断对象各个侧面的不同类型的信 息，而且可以处理非同步信息。 结构损伤信息融合框架 特征层融合 损伤诊断矩阵 ⎡SS1112S1n⎤ ⎢SSS⎥ SDM=⎢212221⎥ ⎢⎥ ⎢⎥ ⎣SSnn12Snn⎦ 损伤预测集合Xi中的事件编号为x的杆件损伤自信息I()x定义为： 1m I()x=−logpx()px()=∑Sl()x ml=1 事件编号为x的杆件的损伤信息熵为自信息的加权平均值： 1m HX()il==−CEIx[()]cpx()logpx() px()∑ ml=1 决策层融合 考虑4个等级的损伤，模糊损伤论域为V={基本完好， 轻微损伤，中等损伤，严重损伤}。 损伤评估因子组成了因素论域{挠度,应变,小波支持 向量机结果,模态曲率}。 ⎧rr1111⎫⎡rn⎤ ⎪⎪ 模糊关系矩阵⎢⎥ R==⎨⎬⎢⎥ ⎪⎪rr⎢r⎥ ⎩⎭⎣mm1mn⎦mn× ⎡rr111n⎤ 模糊损伤向量[,bb,,b]=⋅[,aa,,a]⎢⎥ 12nm12⎢⎥ ⎣⎢rrmm1n⎦⎥ 55 综合损伤指数kk GFD=∑biiDa∑bi ii==11 多重模糊损伤评估方法的计算步骤 (1)选定模糊损伤论域，描述不同损伤程度的等 级。该论域上的模糊子集对应的模糊向量； (2)选定因素论域，即选定结构损伤的因素，给出 相应的模糊向量； (3)通过监测数据和损伤识别，求出各损伤因素的数值； (4)计算隶属函数,得到由隶属度组成的模糊关系矩 阵R； (5)求出模糊损伤向量B＝A·R； (6)计算结构综合损伤指数GFD，由GFD值定性地 定出结构属于某一损伤等级。 物元理论 经典域物元 ⎡NCab(,)⎤ ⎡NCX⎤⎡⎤R0jjj10101 111⎢Ca(,b)⎥ ⎢CX⎥⎢⎥RRNCX==(,,)⎢202jj02⎥ R==⎢22⎥⎢⎥200jji0ji⎢⎥ ⎢⎥⎢⎥⎢⎥ ⎢⎥⎢⎥⎣⎢C