[发明专利]光纤光栅传感器网络智能健康监测自修复系统及方法

说明书

本发明公开了一种光纤光栅传感器网络智能健康监测自修复系统及方法，属于工程结构健康监测技术领域。针对大型工程结构中光纤光栅传感器智能健康监测系统的可靠性问题，采用多主体协作和决策技术，将常规分布式光纤光栅智能健康监测系统中信息采集、提取及分析评估等功能，转化为能够感知自身与环境，并可与其它主体通信与相互协作的智能主体，通过主体间的相互协作，以受损区域附近存活的光纤光栅传感器为基础，对失效传感器进行功能补偿，从而在不更换被监测对象中光纤光栅传感器网络的前提下使整个智能健康监测系统恢复正常工作，实现光纤光栅传感器网络局部失效的功能补偿，最终以较高的精度和可靠性实现被监测对象健康状态的智能评估。

技术领域

本发明涉及一种光纤光栅智能健康监测自修复系统及方法，属于工程结构健康监测技术领域。

背景技术

光纤光栅传感器作为一种新型传感器，相对于传统的传感器具有传感一体化、重量轻、体积小、直径细、柔韧性好、灵敏度高、分辨率高、抗电磁干扰、本质安全、易于埋入结构中、易于构建分布式或准分布式网络等独特优点，已成为国内外智能健康监测系统中研究和应用领域最重要的传感器类型之一，在桥梁隧道、航空航天器、大型水坝、巨型船舶、海上石油平台，电力系统等大型、复杂工程结构中得到了广泛的应用。

在智能健康监测系统中，为了充分发挥光纤光栅传感器传、感一体化的优点，光纤光栅传感器通常以混联拓扑结构组成分布式或准分布式传感网络。在混联拓扑结构中，如果某个串联支路的某段传输或传感光纤发生断裂，则其后面的所有传感器信号均得不到正常传输，从而使光纤光栅传感器网络出现局部失效，进而影响整个监测系统性能。根据美国“智能维护系统中心”的研究报告显示，对于一个监测系统，由于传感器网络自身的故障而产生的错误报警率达到40%以上。在智能健康监测系统中，光纤光栅传感器网络通常埋置或粘贴于被监测对象中，如要修复或更换失效传感器，不仅会造成较大经济损失，甚至会影响被监测对象本身力学性能。因此，需要探索如何在不修复或更换失效传感器网络的前提下尽可能对监测系统进行补偿、修复，使监测系统性能损失降到最低，从而提高整个监测系统的可靠性。

目前各国学者对光纤光栅智能健康监测系统的自修复性能进行了研究，主要方法分为两类。

第一类是对监测系统的前端光纤光栅传感器网络进行修复，即在传统光纤光栅传感器网络中引入光开关、光纤放大器、波长插分复用器等辅助器件，通过光路的切换为失效的光纤光栅传感器重新寻找传输路径，使失效传感器对整个网络的影响降至最低，进而使监测系统的性能损失降至最低。如英国阿斯顿大学的Andrew M.Gillooly等人在串行和并行结构光纤光栅传感器网络基础上，提出了一种耦合链阵列的光纤光栅网络拓扑结构，此种设计提高了传统光纤光栅传感器网络的可靠性。台湾国立交通大学Peng-Chun Peng等人通过在网络中引入光纤放大器、光开关及中央节点提出了星形-环形-总线结构的光纤光栅传感器网络拓扑结构，此种拓扑结构提高了网络的生存能力。台湾国立交通大学Kai-MingFeng通过在光纤光栅传感器网络中引入2x2的光开关，提出了3-D环形网络拓扑结构，当网络中某个传输或传感节点断裂时，通过光开关的切换实现传感器网络的自修复功能。这类方法在网络中引入较多的光开关，不仅增加了整个监测系统的成本，而且引入光开关的同时带来一定的光损，如果光损过大，可能导致传感器采集到的信号无法得到解调。

第二类是直接对监测系统功能进行修复，即利用监测系统中仍完好的传感器，通过人工智能算法对网络中失效传感器功能进行补偿。如山东大学王正方采用支持向量回归机建立相应的非线性函数关系模型，对桥隧工程安全监测系统中光纤光栅传感器的缺失数据进行修补，从软件角度提高了智能监测系统的可靠性。信阳师范学院张晓丽以航空结构健康监测系统中的静态载荷和动态载荷为研究对象，采用支持向量回归机模型重构技术对光纤光栅传感器网络局部失效数据进行修复，提高了监测系统的可靠性。这种方法不需要增加光开关等辅助器件，具有较大的优势。但目前的人工智能算法修复研究主要面向小型光纤传感器网络，研究中所采用的传感器件数量相对较少，所需辨识和评估的结构参量单一，各分系统之间的管理和协调功能要求较为简单，因此仅适用于作为一种原理性和功能验证性研究。