專利名稱：：基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)的海洋平臺(tái)整體無(wú)損檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種海洋平臺(tái)無(wú)損檢測(cè)方法，特別是涉及一種基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)的海洋平臺(tái)整體無(wú)損檢測(cè)方法。
背景技術(shù)：
：海洋平臺(tái)，工作環(huán)境惡劣，易發(fā)生正常的疲勞破壞和意外的事故破壞，因此需定期對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行無(wú)損安全檢測(cè)。海洋平臺(tái)的主體結(jié)構(gòu)是導(dǎo)管架，因此海洋平臺(tái)的安全檢測(cè)主要是檢測(cè)導(dǎo)管架有無(wú)損傷(裂紋)發(fā)生，但是導(dǎo)管架的大部分結(jié)構(gòu)在水下，水面上只有很小的一部分，由于腐蝕和結(jié)構(gòu)承載特點(diǎn)，海洋平臺(tái)的導(dǎo)管架破壞主要發(fā)生在水下部分，因此，海洋平臺(tái)的安全檢測(cè)主要是針對(duì)導(dǎo)管架的水下部分進(jìn)行的，這就造成檢測(cè)難度大，成本高的問題。不僅如此，由于無(wú)法判斷海洋平臺(tái)是否已有損傷發(fā)生，以及發(fā)生損傷的位置，往往要對(duì)一個(gè)龐大的海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的無(wú)損檢測(cè)，但是很難實(shí)現(xiàn)的。目前，海洋平臺(tái)的定期安全檢測(cè)主要采取目測(cè)和局部無(wú)損檢測(cè)的方法，如水下超聲波探傷和水下射線探傷，順序地檢測(cè)每一條焊縫。采用這些局部的無(wú)損檢測(cè)方法，必須動(dòng)用潛水員，專用儀器設(shè)備和水面工作船，且工作量大，檢測(cè)周期長(zhǎng)，一次的檢測(cè)成本較高。并且，水下檢測(cè)要求潛水員要掌握無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，不僅檢測(cè)周期長(zhǎng)，且檢測(cè)結(jié)果取決于操作人員的技術(shù)水平，漏檢和誤檢的概率較大。結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別或診斷方法是一種無(wú)損檢測(cè)方法，該技術(shù)也屬于振動(dòng)檢測(cè)方法，主要是通過識(shí)別結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)(剛度)來(lái)判斷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷，采用此方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別或診斷時(shí)需要在結(jié)構(gòu)的每個(gè)結(jié)點(diǎn)安裝三個(gè)傳感器，通過分析這些傳感器的振動(dòng)信號(hào)來(lái)識(shí)別結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)，該方法主要用于陸地上的結(jié)構(gòu)，如用于海洋平臺(tái)則需要在平臺(tái)建造階段將傳感器封裝就位，并不再拆卸。因此，傳感器不能反復(fù)使用，不僅成本高，且給平臺(tái)的建造安裝造成困難，延長(zhǎng)了平臺(tái)建造和安裝周期。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是解決海洋平臺(tái)整體無(wú)損檢測(cè)難度大，成本高的問題。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是提供一種基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)的海洋平臺(tái)整體無(wú)損檢測(cè)方法，包括以下步驟51、傳感器的優(yōu)化配置，在海洋平臺(tái)的水上部分選取若干結(jié)點(diǎn)并經(jīng)過尋優(yōu)計(jì)算最終確定傳感器的安裝位置，將若干壓電式加速度傳感器固定在所述安裝位置；52、信號(hào)的采集，海上有風(fēng)浪時(shí)，可采集環(huán)境條件引起的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，每個(gè)數(shù)據(jù)段的采集長(zhǎng)度大于5分鐘，數(shù)據(jù)段的采集數(shù)量大于3;如果海上風(fēng)平浪靜，采用人工激勵(lì)方法使海洋平臺(tái)產(chǎn)生振動(dòng)并采集該振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)；53、對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，完成損傷診斷；其中，Sl步驟中，傳感器優(yōu)化配置中的尋優(yōu)計(jì)算基于模態(tài)置信度矩陣準(zhǔn)則，并通過二重結(jié)構(gòu)編碼遺傳算法進(jìn)行；S3步驟中，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)處理采用改進(jìn)的CHC遺傳算法。上述方案中，步驟S1中模態(tài)置信度矩陣準(zhǔn)則的計(jì)算公式為式中MACij表示相應(yīng)兩模態(tài)向量的交角狀況，A和(Dj別為第i階和第j階不完備模態(tài)向量。進(jìn)一步地，二重結(jié)構(gòu)編碼遺傳算法在搜索進(jìn)化的過程中用適應(yīng)度來(lái)評(píng)估串或解群的優(yōu)劣，適應(yīng)度滿足以下公式-F"(/(x))=1_/(x)/(x)=ma^g)(/^)式中X表示傳感器配置方案，f(X)表示不同傳感器配置方案引起的模態(tài)向量之間的交角變量，maxMAc表示不同階模態(tài)向量之間交角的最大值，i、j表示模態(tài)向量階數(shù)。步驟S3中改進(jìn)的CHC算法包括選擇算法改進(jìn)、交叉算法改進(jìn)和變異算法改進(jìn)。所述選擇算法改進(jìn)是指簡(jiǎn)化了跨世代精英選擇步驟，將上世代的種群與交叉產(chǎn)生的個(gè)體群混合起來(lái)，從中選取較優(yōu)的個(gè)體，即將父代與子代按適應(yīng)度大小排序后，選出適應(yīng)度大的個(gè)體作為新一代種群。所述交叉算法改進(jìn)是指采用多點(diǎn)交叉的方法，根據(jù)設(shè)定的交叉概率，隨機(jī)地從種群中挑選個(gè)體進(jìn)行交叉操作，交叉位置可無(wú)重復(fù)隨機(jī)地選擇，在交叉點(diǎn)之間的變量間續(xù)地相互交換，產(chǎn)生兩個(gè)新的后代，但在第一位變量與第一個(gè)交叉點(diǎn)之間的一段不作交換。所述變異算法改進(jìn)是指在進(jìn)化初期不進(jìn)行變異操作，只有當(dāng)海明距離d<0吋，種群才進(jìn)行變異，根據(jù)事先設(shè)定的變異概率，隨機(jī)選出相應(yīng)位置進(jìn)行變異，并從當(dāng)前種群中按適應(yīng)度從大到小選取合適的個(gè)體與變異后的個(gè)體組合形成新的子代，當(dāng)父代種群中個(gè)體相同數(shù)超過某一規(guī)定閥值時(shí)，則令種群中部分個(gè)體初始化，初始化方法同CHC算法。本發(fā)明，基于模態(tài)置信度矩陣準(zhǔn)則，并通過二重結(jié)構(gòu)編碼遺傳算法對(duì)傳感器進(jìn)行優(yōu)化配置，傳感器安裝在平臺(tái)的水上部分，采用的儀器也是常規(guī)的振動(dòng)測(cè)試儀器，整個(gè)檢測(cè)工作可在平臺(tái)甲板上進(jìn)行，不需要作業(yè)船只，大大減小了檢測(cè)的工作量和作業(yè)難度。通過ICHC遺傳算法分析結(jié)構(gòu)的振動(dòng)信號(hào)，從而判斷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷，如果發(fā)生損傷，則診斷出損傷的具體位置，并給出損傷程度的估計(jì)。這樣，平臺(tái)管理人員就可以根據(jù)該方法給出的檢測(cè)信息來(lái)決定是否需要作進(jìn)一步的局部無(wú)損檢測(cè)，或確定進(jìn)一步進(jìn)行局部無(wú)損檢測(cè)的具體位置。從而大大降低了海洋平臺(tái)安全檢測(cè)的盲目性，大大減少了局部無(wú)損檢測(cè)的工作量。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了少量傳感器的振動(dòng)信息來(lái)診斷結(jié)構(gòu)損傷，與現(xiàn)有最相近的實(shí)現(xiàn)方案相比，需要的傳感器數(shù)量少，無(wú)需在海洋平臺(tái)的水下部分安裝傳感器，工作量小，工作難度降低。圖l為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖2為采用本發(fā)明方法進(jìn)行檢測(cè)時(shí)傳感器配置圖；圖3為海洋平臺(tái)損傷檢測(cè)結(jié)果圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作出詳細(xì)的說明。本發(fā)明提出的方法是基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)的海洋平臺(tái)整體無(wú)損檢測(cè)方法，其關(guān)鍵技術(shù)在于基于二重結(jié)構(gòu)編碼遺傳算法的傳感器優(yōu)化配置方法和基于振動(dòng)信號(hào)處理的ICHC遺傳算法識(shí)別結(jié)構(gòu)變異并診斷損傷。通過二重結(jié)構(gòu)編碼遺傳算法對(duì)傳感器的位置進(jìn)行分析，不僅解決了水下安裝傳感器的問題，而且使傳感器的數(shù)量大大減少。本發(fā)明包括以下步驟。51、傳感器的優(yōu)化配置，在海洋平臺(tái)的水上部分選取若干結(jié)點(diǎn)并經(jīng)過尋優(yōu)計(jì)算最終確定傳感器的安裝位置，將若干壓電式加速度傳感器固定在所述安裝位置；52、信號(hào)的采集，海上有風(fēng)浪時(shí)，可采集環(huán)境條件引起的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，每個(gè)數(shù)據(jù)段的采集長(zhǎng)度大于5分鐘，數(shù)據(jù)段的采集數(shù)量大于3;如果海上風(fēng)平浪靜，采用人工激勵(lì)方法，比如使用船拉，拉力大小根據(jù)具體平臺(tái)計(jì)算，拉力控制采用限力器，使海洋平臺(tái)產(chǎn)生振動(dòng)并采集該振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)；53、對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，完成損傷診斷；在S1步驟中，傳感器的優(yōu)化配置是指根據(jù)給定的傳感器數(shù)量(可根據(jù)用戶的條件，傳感器的多少、測(cè)試儀器的能力等確定)，基于模態(tài)置信度(ModalAssuranceCriterion,縮寫為MAC)矩陣準(zhǔn)則，通過二重結(jié)構(gòu)編碼遺傳算法對(duì)給定數(shù)量的傳感器進(jìn)行優(yōu)化配置，確定傳感器安裝的具體位置。下面再進(jìn)一步地具體描述如下1、MAC矩陣準(zhǔn)則由結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理可知，結(jié)構(gòu)完備的模態(tài)向量是一組正交向量，但實(shí)際工程中，由于可測(cè)自由度的限制，很難得到完備的模態(tài)向量，同時(shí)，由于噪聲的影響，實(shí)際得到的非完備模態(tài)向量是不滿足正交條件的，在極端的情況下，還會(huì)因?yàn)槟B(tài)向量間的空間交角過小而在識(shí)別過程中丟失模態(tài)。因此，在選擇測(cè)點(diǎn)時(shí)有必要使量測(cè)的模態(tài)向量保持較大的空間交角，從而盡可能地把結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性最大限度地保留下來(lái)。模態(tài)置信度(ModalAssuranceCriterion,縮寫為MAC)矩陣是評(píng)價(jià)模態(tài)向量空間交角的一個(gè)很好的工具，其表達(dá)公式為，jl^4Cu^:::」;一(1)式中-MACij表示相應(yīng)兩模態(tài)向量的交角狀況，①i和0)j別為第i階和第j階不完備模態(tài)向量。由式(l)可以看出，MAC矩陣表達(dá)的是振型矩陣列空間的度量特性，MAC矩陣的非對(duì)角元MACij代表了相應(yīng)兩模態(tài)向量的交角狀況。換句話說，當(dāng)MAC矩陣的某一非對(duì)角元MACpq等于l時(shí)，表明第p階向量與第q階向量間的交角為零，兩向量不可分辨；而當(dāng)MACpq等于零時(shí)，則表明第p階向量與第q階向量正交，兩向量較易識(shí)別，故測(cè)點(diǎn)的布置應(yīng)力求使MAC矩陣的最大非對(duì)角元向最小化發(fā)展。目前，結(jié)構(gòu)損傷診斷方法主要以結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識(shí)別為基礎(chǔ)，因此，傳感器的優(yōu)化配置應(yīng)以模態(tài)參數(shù)識(shí)別為目標(biāo)，采用MAC準(zhǔn)則，對(duì)max(MACij)(的)進(jìn)行極小化處理。2、二重結(jié)構(gòu)編碼遺傳算法遺傳算法(GeneticAlgorithm)簡(jiǎn)稱GA，是美國(guó)著名科學(xué)家J.H.Holland教授于七十年代中期首先提出來(lái)的，它是一種在思想上和方法上都別具特色的新的搜索與優(yōu)化方法。遺傳算法作為一種借鑒生物界自然選擇和自然遺傳機(jī)制的高度并行、隨機(jī)、自適應(yīng)的搜索算法，把優(yōu)化問題的解的搜索空間映射為遺傳空間，把每一可能的解編碼為一個(gè)稱為染色體的串，染色體的每一位稱為基岡。毎個(gè)染色體(對(duì)應(yīng)一個(gè)個(gè)體)代表一個(gè)解，一定數(shù)量的個(gè)體組成群體。GA首先隨機(jī)地產(chǎn)生一些個(gè)體組成初始群體(即問題的一群候選解)，按預(yù)先根據(jù)目標(biāo)函數(shù)確定的適應(yīng)度函數(shù)計(jì)算各個(gè)體對(duì)問題函數(shù)的適應(yīng)度，再根據(jù)個(gè)體適應(yīng)度對(duì)個(gè)體對(duì)應(yīng)的染色體進(jìn)行選擇，抑制適應(yīng)度低的染色體，弘揚(yáng)適應(yīng)度高的染色體，然后進(jìn)行交叉變異等遺傳操作產(chǎn)生進(jìn)化了的一代群體。如此反復(fù)，不斷向更優(yōu)解方向進(jìn)化，最后得到滿足某種終止條件的最適應(yīng)問題環(huán)境的群體，從而獲得問題的最優(yōu)解，如圖l所示。遺傳算法是一個(gè)解群體型的操作，該操作以解群中的所有串為對(duì)象。選擇(Selection)、交叉(Crossover)和變異(Mutation)是它的3個(gè)主要操作算子，它們構(gòu)成了遺傳操作，使遺傳算法有別于其他一切傳統(tǒng)方法。遺傳算法的核心內(nèi)容是5個(gè)要素參數(shù)編碼、初始解群的確定、適應(yīng)度的設(shè)計(jì)、遺傳操作的設(shè)計(jì)和控制參數(shù)的設(shè)定(主要指解群的大小和使用遺傳操作的概率)。在組合優(yōu)化問題，遺傳編碼以及交叉和變異操作需要滿足某種約束條件，而簡(jiǎn)單的二進(jìn)制編碼和浮點(diǎn)數(shù)編碼在交叉和變異操作中往往會(huì)破壞這種約束條件，從而導(dǎo)致問題環(huán)境的改變。傳感器配置問題(Sensorplacement)是一類特殊的背包問題，將給定數(shù)量的傳感器配置在最優(yōu)位置上，使其能夠采集到盡可能多的結(jié)構(gòu)參數(shù)信息，其數(shù)學(xué)模型實(shí)際上是一個(gè)01規(guī)劃問題，若第j位基因碼為1時(shí)，則將傳感器配置于菊個(gè)自由度；若第j位基因碼為0時(shí)，則不將傳感器配置于第j個(gè)自由度。如果采用傳統(tǒng)的編碼方法，在進(jìn)行交叉和變異操作時(shí)就會(huì)因改變基因碼l的個(gè)數(shù)而改變傳感器配置的數(shù)量，下述的二重結(jié)構(gòu)遺傳編碼用于解決約束條件的滿足問題。二重結(jié)構(gòu)編碼方法如表1所示，表1中的n為染色體的基因位數(shù)，在傳感器優(yōu)化配置問題中，n是可測(cè)量自由度數(shù)。一個(gè)個(gè)體的二重結(jié)構(gòu)編碼由附加碼和變量碼組成，附加碼表示用戶選擇的所有適合安裝傳感器的結(jié)點(diǎn)，如全部水上結(jié)點(diǎn)；變量碼表示某結(jié)點(diǎn)是否應(yīng)設(shè)置傳感器，0表示不設(shè)置。其中Si為變量Xj的附加碼，Xs(i)為對(duì)應(yīng)于附加碼Si的變量碼的值。附加碼變量碼s(l)s(2)s(3)s(i)s(n)Xs(1)Xs(2)Xs(3)Xs(i)Xs(ii)表l二重結(jié)構(gòu)編碼對(duì)某個(gè)個(gè)體編碼時(shí)，首先按洗牌方式產(chǎn)生附加碼(s(i),(i=l，2...,n)}列于上行；然后隨機(jī)產(chǎn)生下行的變量碼值(0或1)，這樣構(gòu)成一個(gè)個(gè)體的二重結(jié)構(gòu)編碼。例如，對(duì)于一個(gè)12位基因的染色體，如果隨機(jī)產(chǎn)生的附加碼序列為4，2，11，5，8，9，12，7，1，3，6，10，則該個(gè)體的二重結(jié)構(gòu)編碼如表2所示，它對(duì)應(yīng)于一個(gè)可行解，即選擇了序號(hào)為l，6，7，8，ll的傳感器配置位置。4<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>表2—個(gè)個(gè)體的二重結(jié)構(gòu)編碼對(duì)于二重結(jié)構(gòu)編碼，交叉操作和變異操作都需要重新設(shè)計(jì)。對(duì)于交叉操作，用通常的操作算子產(chǎn)生新個(gè)體的上行附加碼會(huì)出現(xiàn)重復(fù)，而采用部分匹配交叉算子(PMX)則可以很好的解決這個(gè)問題。PMX操作要求在父?jìng)€(gè)體中隨機(jī)選取兩個(gè)交叉點(diǎn)，確定交叉點(diǎn)間的中間段為匹配段，匹配段相互交換，而交叉點(diǎn)兩邊的部分首先保留從其父?jìng)€(gè)體中繼承的未選定碼，剩余部分則根據(jù)匹配段所確定的映射關(guān)系確定,下行的變量碼順序保持不便，從而生成子個(gè)體，如表3所示526948731734596812001011001100101010527496831639548712001011001100101010交叉點(diǎn)交叉點(diǎn)映射關(guān)系9<~~^4，6<~~>8<~~^7，6<~~表3二重結(jié)構(gòu)的PMX對(duì)于變異操作，采用逆位遺傳算子，對(duì)父?jìng)€(gè)體隨機(jī)選擇兩個(gè)變異點(diǎn)，兩點(diǎn)間的上行附加碼按相反順序重新排列，下行變量碼順序不變，如表4所示。384762951382674951110001010110001010變異點(diǎn)變異點(diǎn)表4變異點(diǎn).重結(jié)構(gòu)的逆位變異變異點(diǎn)3、傳感器優(yōu)化配置的適應(yīng)度遺傳算法在搜索進(jìn)化的過程中直接用適應(yīng)度來(lái)評(píng)估串或解群的優(yōu)劣，并以此作為遺傳操作的依據(jù)，因此適應(yīng)度在遺傳算法中非常重要。優(yōu)化的準(zhǔn)則是力13求使MAC的最大非對(duì)角元向最小化發(fā)展，目標(biāo)函數(shù)為最小，另一方面，兩模態(tài)向量相關(guān)性的最大值為1，因此在選擇傳感器最優(yōu)布點(diǎn)時(shí)，設(shè)計(jì)了下列的適應(yīng)度函數(shù)。F"(/(x))=1-/(x)/(x)=ma^;i(/-J.)式中經(jīng)上述三個(gè)方法的統(tǒng)一最終確定傳感器的安裝位置。以下為一傳感器優(yōu)化配置具體實(shí)例。以圖2所示的海洋平臺(tái)為例，采用上述的適應(yīng)度函數(shù)，用二重結(jié)構(gòu)編碼遺傳算法對(duì)傳感器進(jìn)行優(yōu)化配置。該平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)水下部分為20米，水上部分為21.5米，因此，選取了水上部分37個(gè)結(jié)點(diǎn)的x方向和y方向?yàn)榕渲脗鞲衅鞯哪繕?biāo)結(jié)點(diǎn)，一共有74個(gè)自由度。通過遺傳算法的尋優(yōu)過程，最終確定了12個(gè)傳感器的配置方案，如圖2所示。表5為12個(gè)傳感器配置的結(jié)點(diǎn)及方向，表6為平臺(tái)模型各階模態(tài)的最大值位置，可以看出，各階模態(tài)的最大值均包含于所選取的配置中。表5海洋平臺(tái)傳感器最優(yōu)位置<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>表6各階振型前三個(gè)最大值的位置振型階數(shù)結(jié)點(diǎn)號(hào)方向結(jié)點(diǎn)號(hào)方向結(jié)點(diǎn)號(hào)方向一階99y向76y向92y向二階98x向76x向99x向三階46X向92x向56x向四階29y向10y向11y向五階4x向10x向16x向六階4X向10x向16y向確定傳感器位置后，采用壓電式加速度傳感器進(jìn)行海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試。壓電式加速度傳感器可采用磁座安裝，也可采用粘結(jié)安裝，傳感器安裝就位后，即可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集環(huán)境條件引起的振動(dòng)，每個(gè)數(shù)據(jù)段的長(zhǎng)度應(yīng)大于5分鐘，數(shù)據(jù)段的數(shù)量應(yīng)大于3。海上有風(fēng)浪時(shí)，可采集環(huán)境條件引起的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)。如果海上風(fēng)平浪靜，則也可采用人工激勵(lì)方法時(shí)平臺(tái)產(chǎn)生振動(dòng)。振動(dòng)測(cè)試完成后，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)處理采用改進(jìn)的CHC遺傳算法，包括選擇算法改進(jìn)、交叉算法改進(jìn)和變異算法改進(jìn)。首先介紹CHC算法基本原理。1、選擇CHC算法中，上世代種群與通過新的交叉方法產(chǎn)生的個(gè)體群混合起來(lái)，從中按一定概率選擇較優(yōu)的個(gè)體，這一策略稱為跨世代精英選擇。其明顯特征表現(xiàn)在a.健壯性，即使當(dāng)交叉操作產(chǎn)生較劣個(gè)體偏多時(shí)，由于原種群大多數(shù)個(gè)體的殘留，不會(huì)引起個(gè)體的評(píng)價(jià)值降低；b.遺傳多樣性保持，由于大個(gè)體群操作，可以更好地保持進(jìn)化過程中的遺傳多樣性。2、交叉CHC算法使用的重組操作是對(duì)均勻交叉的一種改進(jìn)。均勻交叉對(duì)父?jìng)€(gè)體位值的各位位置以相同的概率實(shí)行交叉操作。CHC算法為當(dāng)兩個(gè)父?jìng)€(gè)體位值的位數(shù)為，時(shí)，從中隨機(jī)選取m/2個(gè)位置，實(shí)行父?jìng)€(gè)體位值的互換。顯然，這樣的操作對(duì)模式具有很強(qiáng)的破壞性。因此，確定一閥值，當(dāng)個(gè)體間的海明距離低于該閥值時(shí)，不進(jìn)行交叉操作，并且與種群進(jìn)化收斂的同時(shí)，逐漸地減小該閥值。3、變異CHC算法在前期不采取變異操作，當(dāng)種群進(jìn)化到一定的收斂時(shí)期，從優(yōu)秀個(gè)體中選擇一部分個(gè)體進(jìn)行初始化。初始化的方法是選擇一定比例的基因座，隨機(jī)決定它們的位值地。這個(gè)比例值稱為擴(kuò)散率，一般取為O.35。對(duì)大型結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷診斷時(shí)，用簡(jiǎn)單遺傳算法處理?yè)p傷問題常導(dǎo)致很低的收斂速度，原因是a.設(shè)計(jì)變量增多導(dǎo)致算法效率低；b.損傷診斷問題需要的結(jié)構(gòu)分析時(shí)間長(zhǎng)。遺傳算法是以群體和代的方式工作，每代中的個(gè)體須先計(jì)算適應(yīng)值方能進(jìn)行遺傳操作產(chǎn)生后代群體，從而導(dǎo)致群體規(guī)模越大，耗費(fèi)機(jī)時(shí)越多，進(jìn)化的速度慢。當(dāng)群體規(guī)模大到一定程度時(shí)，遺傳算法由于運(yùn)行速度太慢而失去其原有的優(yōu)越性。本發(fā)明所述的改進(jìn)的CHC算法，在CHC算法的基礎(chǔ)上，結(jié)合SGA算法的優(yōu)點(diǎn)，提出一種改進(jìn)的CHC算法。該方法保留了CHC算法跨時(shí)代精英選擇方法，采用多點(diǎn)交叉操作方法，在保證搜索的健壯性的同時(shí)，提高了搜索效率。改進(jìn)的CHC算法對(duì)3種遺傳操作作出了如下改進(jìn)。1、選擇算法改進(jìn)改進(jìn)的CHC算法簡(jiǎn)化了跨世代精英選擇步驟，將上世代的種群與交叉產(chǎn)生的個(gè)體群混合起來(lái)，從中選取較優(yōu)的個(gè)體。與CHC算法不同的是改進(jìn)的CHC16算法是將父代與子代按適應(yīng)度大小排序后，選出適應(yīng)度大的個(gè)體作為新一代種群；而CHC算法則是將兩代比較后再進(jìn)行替換。2、交叉算法改進(jìn)改進(jìn)的CHC算法采用多點(diǎn)交叉方法，該方法保留了CHC算法對(duì)父代種群與子代種群的混合種群進(jìn)行交叉操作。但CHC算法的交叉操作前要將個(gè)體分別配對(duì)，并計(jì)算每一對(duì)個(gè)體之間的海明距離。因此，當(dāng)種群數(shù)及染色體長(zhǎng)度增大時(shí)，程序運(yùn)行時(shí)間也將隨之增加。而多點(diǎn)交叉只根據(jù)設(shè)定的交叉概率，隨機(jī)地從種群中挑選個(gè)體進(jìn)行交叉操作，這就在一定程度上縮短了程序運(yùn)行時(shí)間。多點(diǎn)交叉的思想源于控制個(gè)體特定行為的染色體表示信息的部分無(wú)須包含于鄰近的子串中，多點(diǎn)交叉的破壞性可以促進(jìn)解空間的搜索，避免過早地收斂，使得搜索更加健壯。對(duì)于多點(diǎn)交叉，個(gè)交叉位置可無(wú)重復(fù)隨機(jī)地選擇，在交叉點(diǎn)之間的變量間續(xù)地相互交換，產(chǎn)生兩個(gè)新的后代，但在第一位變量與第一個(gè)交叉點(diǎn)之間的一段不作交換。表7給出了兩個(gè)11位變量父?jìng)€(gè)體的交叉操作示例，交叉點(diǎn)的位置是2，6和10，交叉得到的子個(gè)體如表7(b)所示。3、變異算法改進(jìn)-由于CHC算法在進(jìn)化初期不變異，比普通遺傳算法減少了一個(gè)環(huán)節(jié)，會(huì)在一定程度上減少程序運(yùn)行時(shí)間，因此改進(jìn)的CHC算法采取了與CHC方法相同的變異方法，在進(jìn)化初期不進(jìn)行變異操作，只有當(dāng)海明距離dO時(shí)，種群才進(jìn)行變異。根據(jù)事先設(shè)定的變異概率，隨機(jī)選出相應(yīng)位置進(jìn)行變異，并從當(dāng)前種群中按適應(yīng)度從大到小選取合適的個(gè)體與變異后的個(gè)體組合形成新的子代。另外，由于變異過程中收斂過快，容易導(dǎo)致局部最小，因此改進(jìn)的CHC算法增加了一項(xiàng)，即當(dāng)父代種群中個(gè)體相同數(shù)超過某一規(guī)定閥值時(shí)，則令種群中部分個(gè)體初始化，初始化方法同CHC算法。<table>tableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table>(b》子個(gè)體表7多點(diǎn)交叉示意圖采用改進(jìn)的CHC遺傳算法的具體實(shí)例如下采用本發(fā)明的方法對(duì)圖2所示的渤海灣某油田一導(dǎo)管架平臺(tái)進(jìn)行了檢測(cè)。該平臺(tái)共有91個(gè)結(jié)點(diǎn)、193個(gè)桿件。按照最相近的方法，需測(cè)量273個(gè)自由度的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，因此，共需273個(gè)傳感器。而采用本發(fā)明的方法，僅僅使用了12個(gè)傳感器，傳感器的配置采用本發(fā)明提出的二重結(jié)構(gòu)編碼遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化，具體位置如圖2所示。損傷檢測(cè)采用改進(jìn)的CHC遺傳算法，其目標(biāo)函數(shù)由頻率誤差函數(shù)和振型誤差函數(shù)組成，頻率誤差函數(shù)和振興誤差函數(shù)分別由結(jié)構(gòu)的前三階模態(tài)頻率和前三階模態(tài)振型構(gòu)成。為了減少結(jié)構(gòu)分析時(shí)間，采用了逐階濾頻法計(jì)算結(jié)構(gòu)的前三階模態(tài)參數(shù)。算例中假定39單元?jiǎng)偠冉档?5%，圖3給出了無(wú)噪聲(左圖)和5%噪聲水平(右圖)的損傷檢測(cè)結(jié)果。從圖3中可以看出，本發(fā)明提出的方法能夠準(zhǔn)確地診斷出損傷發(fā)生的位置，且具有對(duì)噪聲的魯邦性。本發(fā)明不局限于上述最佳實(shí)施方式，任何人應(yīng)該得知在本發(fā)明的啟示下作出的結(jié)構(gòu)變化，凡是與本發(fā)明具有相同或相近的技術(shù)方案，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。19權(quán)利要求1、基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)的海洋平臺(tái)整體無(wú)損檢測(cè)方法，其特征在于包括以下步驟S1、傳感器的優(yōu)化配置，在海洋平臺(tái)的水上部分選取若干結(jié)點(diǎn)并經(jīng)過尋優(yōu)計(jì)算最終確定傳感器的安裝位置，將若干壓電式加速度傳感器固定在所述安裝位置；S2、信號(hào)的采集，海上有風(fēng)浪時(shí)，可采集環(huán)境條件引起的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，每個(gè)數(shù)據(jù)段的采集長(zhǎng)度大于5分鐘，數(shù)據(jù)段的采集數(shù)量大于3；如果海上風(fēng)平浪靜，采用人工激勵(lì)方法使海洋平臺(tái)產(chǎn)生振動(dòng)并采集該振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)；S3、對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，完成損傷診斷；其中，S1步驟中，傳感器優(yōu)化配置中的尋優(yōu)計(jì)算基于模態(tài)置信度矩陣準(zhǔn)則，并通過二重結(jié)構(gòu)編碼遺傳算法進(jìn)行；S3步驟中，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)處理采用改進(jìn)的CHC遺傳算法。2、如權(quán)利要求1所述的基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)的海洋平臺(tái)整體無(wú)損檢測(cè)方法，其特征在于步驟Sl中模態(tài)置信度矩陣準(zhǔn)則的計(jì)算公式為嗎-)'《一式中MACjj表示相應(yīng)兩模態(tài)向量的交角狀況，Oi和O)j別為第i階和第j階不完備模態(tài)向量。3、如權(quán)利要求1所述的基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)的海洋平臺(tái)整體無(wú)損檢測(cè)方法，其特征在于二重結(jié)構(gòu)編碼遺傳算法在搜索進(jìn)化的過程中用適應(yīng)度來(lái)評(píng)估串或解群的優(yōu)劣，適應(yīng)度滿足以下公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>式中x表示傳感器的配置方案，f(x)表示不同傳感器配置方案引起的模態(tài)向量之間的交角變量，maXMAC表示不同階模態(tài)向量之間交角的最大值，i、j表示模態(tài)階數(shù)。4、如權(quán)利要求l所述的基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)的海洋平臺(tái)整體無(wú)損檢測(cè)方法，其特征在于步驟S3中改進(jìn)的CHC算法包括選擇算法改進(jìn)、交叉算法改進(jìn)和變異算法改進(jìn)。5、如權(quán)利要求4所述的基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)的海洋平臺(tái)整體無(wú)損檢測(cè)方法，其特征在于所述選擇算法改進(jìn)是指簡(jiǎn)化了跨世代精英選擇步驟，將上世代的種群與交叉產(chǎn)生的個(gè)體群混合起來(lái)，從中選取較優(yōu)的個(gè)體，即將父代與子代按適應(yīng)度大小排序后，選出適應(yīng)度大的個(gè)體作為新一代種群。6、如權(quán)利要求4所述的基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)的海洋平臺(tái)整體無(wú)損檢測(cè)方法，其特征在于所述交叉算法改進(jìn)是指采用多點(diǎn)交叉的方法，根據(jù)設(shè)定的交叉概率，隨機(jī)地從種群中挑選個(gè)體進(jìn)行交叉操作，交叉位置可無(wú)重復(fù)隨機(jī)地選擇，在交叉點(diǎn)之間的變量間續(xù)地相互交換，產(chǎn)生兩個(gè)新的后代，但在第一位變量與第一個(gè)交叉點(diǎn)之間的一段不作交換。7、如權(quán)利要求4所述的基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)的海洋平臺(tái)整體無(wú)損檢測(cè)方法，其特征在于所述變異算法改進(jìn)是指在進(jìn)化初期不進(jìn)行變異操作，只有當(dāng)海明距離(1<0時(shí)，種群才進(jìn)行變異，根據(jù)事先設(shè)定的變異概率，隨機(jī)選出相應(yīng)位置進(jìn)行變異，并從當(dāng)前種群中按適應(yīng)度從大到小選取合適的個(gè)體與變異后的個(gè)體組合形成新的子代，當(dāng)父代種群中個(gè)體相同數(shù)超過某一規(guī)定閥值時(shí)，則令種群中部分個(gè)體初始化，初始化方法同CHC算法。8、如權(quán)利要求1所述的基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)的海洋平臺(tái)整體無(wú)損檢測(cè)方法，其特征在于步驟S2中的壓電式加速度傳感器可采用磁座安裝，也可采用粘結(jié)安裝。全文摘要本發(fā)明涉及一種海洋平臺(tái)無(wú)損檢測(cè)方法，是一種基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)的海洋平臺(tái)整體無(wú)損檢測(cè)方法。包括以下步驟，S1.在海洋平臺(tái)的水上部分選取若干結(jié)點(diǎn)，基于模態(tài)置信度矩陣準(zhǔn)則，并通過二重結(jié)構(gòu)編碼遺傳算法，最終確定傳感器的安裝位置；S2.信號(hào)采集，海上有風(fēng)浪時(shí)，可采集環(huán)境條件引起的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)；如果海上風(fēng)平浪靜，采用人工激勵(lì)方法使海洋平臺(tái)產(chǎn)生振動(dòng)并采集該振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)；S3.采用改進(jìn)的CHC遺傳算法對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，完成損傷診斷。本發(fā)明進(jìn)行海洋平臺(tái)無(wú)損檢測(cè)，傳感器數(shù)量少，水下結(jié)構(gòu)不需要安裝傳感器，因此，檢測(cè)工作量和工作難度小，抗噪聲干擾能力強(qiáng)，方法的魯邦性好。文檔編號(hào)G01H11/00GK101498688SQ20091000945公開日2009年8月5日申請(qǐng)日期2009年2月25日優(yōu)先權(quán)日2009年2月25日發(fā)明者娟劉,王曉燕,黃維平申請(qǐng)人:中國(guó)海洋大學(xué)