本發(fā)明涉及橋梁工程，具體而言，涉及一種橋梁阻尼的多尺度混合策略的協(xié)調(diào)控制方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著橋梁工程技術(shù)的不斷發(fā)展和交通負(fù)荷的增加，橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性成為工程界關(guān)注的重點(diǎn)。其中，橋梁振動(dòng)控制作為保障橋梁結(jié)構(gòu)安全的重要手段，已得到廣泛研究。

2、然而，當(dāng)前技術(shù)在橋梁振動(dòng)阻尼方面仍存在一些問題：?jiǎn)我坏淖枘峒夹g(shù)難以覆蓋橋梁結(jié)構(gòu)中不同部位的全頻率范圍振動(dòng)，導(dǎo)致控制效果不理想；此外，現(xiàn)有的阻尼控制策略通常依賴于固定參數(shù)的阻尼器，無(wú)法根據(jù)實(shí)時(shí)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整和優(yōu)化，從而不能實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜振動(dòng)環(huán)境的有效控制。

3、現(xiàn)有技術(shù)中曾嘗試通過增加阻尼器數(shù)量或改進(jìn)單一阻尼器性能來(lái)解決這些問題，但效果有限。原因在于：傳統(tǒng)的阻尼控制方法主要依賴于被動(dòng)阻尼器，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)多種頻率成分的有效控制，并且由于橋梁不同部位（如主梁、橋墩、橋面）具有不同的振動(dòng)特性，現(xiàn)有方法難以對(duì)所有部位進(jìn)行同步、精確的振動(dòng)控制。因此，上述問題使得橋梁結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期運(yùn)行中面臨較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，亟需一種能夠動(dòng)態(tài)適應(yīng)不同部位和頻率范圍的橋梁振動(dòng)阻尼控制方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種橋梁阻尼的多尺度混合策略的協(xié)調(diào)控制方法及系統(tǒng)，以改善上述問題。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下：

2、第一方面，本技術(shù)提供了一種橋梁阻尼的多尺度混合策略的協(xié)調(diào)控制方法，包括：

3、獲取橋梁不同部位的振動(dòng)信號(hào)，根據(jù)橋梁振動(dòng)分布原理，利用傳感器采集振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行融合處理，得到多源振動(dòng)數(shù)據(jù)矩陣，其中不同部位包括主梁、橋墩和橋面；

4、基于多源振動(dòng)數(shù)據(jù)矩陣，經(jīng)過第一次分解處理，得到各尺度的振動(dòng)信號(hào)分量，再次經(jīng)過第二次分解處理，將信號(hào)分解為多個(gè)本征模態(tài)函數(shù)，得到細(xì)化后的頻率成分；

5、根據(jù)多尺度分解得到的頻率成分，使用維格納準(zhǔn)概率分布法進(jìn)行頻域分析，應(yīng)用核主成分分析，對(duì)頻域分析結(jié)果進(jìn)行降維，分析本征模態(tài)函數(shù)的瞬時(shí)頻率和振幅，得到各尺度振動(dòng)能量的頻域分布，應(yīng)用希爾伯特黃變換法，分析本征模態(tài)函數(shù)的瞬時(shí)頻率和振幅，得到振動(dòng)能量分布；

6、基于密度的空間聚類算法對(duì)振動(dòng)能量分布的頻率范圍劃分為若干簇，每簇對(duì)應(yīng)一個(gè)主要振動(dòng)頻率范圍，得到不同頻率范圍內(nèi)的主要振動(dòng)能量的分布情況，進(jìn)而確定各頻率范圍的阻尼需求；

7、根據(jù)各個(gè)阻尼需求，經(jīng)過模擬退火算法處理，在參數(shù)空間內(nèi)搜索最佳阻尼器配置方案，以最小化各頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)能量為目標(biāo)，并應(yīng)用遺傳算法進(jìn)行細(xì)化搜索，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同頻率范圍振動(dòng)的多尺度混合策略的協(xié)調(diào)控制的最優(yōu)解。

8、優(yōu)選地，所述獲取橋梁不同部位的振動(dòng)信號(hào)，根據(jù)橋梁振動(dòng)分布原理，利用傳感器采集振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行融合處理，得到多源振動(dòng)數(shù)據(jù)矩陣，其中包括：

9、利用加速度計(jì)和應(yīng)變計(jì)，捕捉主梁結(jié)構(gòu)變形和由于振動(dòng)作用下的動(dòng)力響應(yīng)的第一原始振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)，利用位移傳感器和加速度計(jì)，監(jiān)測(cè)橋墩的位移和具有振動(dòng)特性的第二原始振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)，利用加速度計(jì)和應(yīng)變計(jì)，監(jiān)測(cè)橋面車輛荷載和環(huán)境振動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的第三原始振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)，其中第一原始振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)、第二原始振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)和第三原始振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)中的每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)均對(duì)應(yīng)的時(shí)間和位置；

10、根據(jù)第一原始振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)、第二原始振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)和第三原始振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)，經(jīng)過拓?fù)浣Ｌ幚恚瑯?gòu)建傳感器數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，將每個(gè)傳感器視為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，并形成橋梁的圖結(jié)構(gòu)，得到包含每個(gè)節(jié)點(diǎn)位置、類型及振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)的圖結(jié)構(gòu)；

11、基于構(gòu)建的圖結(jié)構(gòu)和圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行嵌入處理，經(jīng)過節(jié)點(diǎn)特征提取，將每個(gè)節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為特征向量，得到包含時(shí)空特征的節(jié)點(diǎn)嵌入向量；

12、根據(jù)節(jié)點(diǎn)嵌入向量，使用圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的消息傳遞機(jī)制進(jìn)行多次迭代計(jì)算，經(jīng)過圖網(wǎng)絡(luò)的層級(jí)傳遞處理，將每個(gè)節(jié)點(diǎn)的嵌入向量與相鄰節(jié)點(diǎn)的嵌入向量進(jìn)行融合，通過鄰域聚合函數(shù)處理，得到多源振動(dòng)數(shù)據(jù)矩陣。

13、優(yōu)選地，所述基于多源振動(dòng)數(shù)據(jù)矩陣，經(jīng)過第一次分解處理，得到各尺度的振動(dòng)信號(hào)分量，再次經(jīng)過第二次分解處理，將信號(hào)分解為多個(gè)本征模態(tài)函數(shù)，得到細(xì)化后的頻率成分，其中包括：

14、將多源振動(dòng)數(shù)據(jù)矩陣經(jīng)過離散小波變換處理，選擇適合橋梁振動(dòng)信號(hào)特性的母小波，對(duì)多源振動(dòng)數(shù)據(jù)矩陣中的每一列向量進(jìn)行分解，將信號(hào)在不同尺度上分解為細(xì)節(jié)系數(shù)和逼近系數(shù)，得到各尺度的振動(dòng)信號(hào)分量，其中振動(dòng)信號(hào)分量包括主梁、橋墩和橋面的不同振動(dòng)特性數(shù)據(jù)；

15、基于各尺度振動(dòng)信號(hào)分量，經(jīng)過矩陣構(gòu)建處理，將這些分量重組為一個(gè)多尺度信號(hào)分量矩陣；

16、遍歷多尺度信號(hào)分量矩陣中的每個(gè)信號(hào)分量，并挑選出各尺度振動(dòng)信號(hào)分量中的所有極大值和極小值，通過極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)分別構(gòu)建上包絡(luò)線和下包絡(luò)線，并計(jì)算上包絡(luò)線和下包絡(luò)線的均值；從信號(hào)中減去均值得到初步本征模態(tài)函數(shù)，反復(fù)迭代，直到滿足本征模態(tài)函數(shù)的預(yù)設(shè)條件，將本征模態(tài)函數(shù)從信號(hào)中分離出來(lái)，剩余部分作為新的信號(hào)，循環(huán)計(jì)算，直到剩余信號(hào)中沒有本征模態(tài)函數(shù)為止，得到細(xì)化后的頻率成分，其中細(xì)化后的頻率成分包括主梁、橋墩和橋面的振動(dòng)頻率成分，其上包絡(luò)線和下包絡(luò)線的計(jì)算公式如下：

17、

18、式中，u（t）為上包絡(luò)線，l（t）為下包絡(luò)線，m（t）為均值。

19、優(yōu)選地，所述根據(jù)多尺度分解得到的頻率成分，使用維格納準(zhǔn)概率分布法進(jìn)行頻域分析，應(yīng)用核主成分分析，對(duì)頻域分析結(jié)果進(jìn)行降維，分析本征模態(tài)函數(shù)的瞬時(shí)頻率和振幅，得到各尺度振動(dòng)能量的頻域分布，應(yīng)用希爾伯特黃變換法，分析本征模態(tài)函數(shù)的瞬時(shí)頻率和振幅，得到振動(dòng)能量分布，其中包括：

20、基于多源振動(dòng)數(shù)據(jù)矩陣分解得到的頻率成分，經(jīng)過維格納準(zhǔn)概率分布法處理，得到主梁振動(dòng)信號(hào)的時(shí)頻能量分布、橋墩振動(dòng)信號(hào)的時(shí)頻能量分布和橋面振動(dòng)信號(hào)的時(shí)頻能量分布，并分別記作主梁時(shí)頻分布、橋墩時(shí)頻分布和橋面時(shí)頻分布，其維格納準(zhǔn)概率分布法的計(jì)算公式如下；

21、

22、式中，中的w為維格納-維爾分布，x為時(shí)間信號(hào)， t為時(shí)間變量， ?f為頻率變量，x（t）表示時(shí)間t處的信號(hào)值，表示為時(shí)間t處信號(hào)的復(fù)共軛，表示為積分變量，代表時(shí)間延遲，表示指數(shù)項(xiàng)，表示頻率f和時(shí)間延遲的復(fù)指數(shù)函數(shù)，表示對(duì)時(shí)間延遲進(jìn)行積分；

23、根據(jù)主梁時(shí)頻分布、橋墩時(shí)頻分布和橋面時(shí)頻分布，經(jīng)過核主成分分析進(jìn)行降維，得到降維后的主梁頻域分布數(shù)據(jù)、橋墩頻域分布數(shù)據(jù)和橋面頻域分布數(shù)據(jù)；

24、基于主梁頻域分布數(shù)據(jù)、橋墩頻域分布數(shù)據(jù)和橋面頻域分布數(shù)據(jù)，利用希爾伯特黃變換法，對(duì)本征模態(tài)函數(shù)進(jìn)行瞬時(shí)頻率和振幅分析，得到主梁的瞬時(shí)頻率和振幅數(shù)據(jù)、橋墩的瞬時(shí)頻率和振幅數(shù)據(jù)和橋面的瞬時(shí)頻率和振幅數(shù)據(jù)；

25、根據(jù)主梁的瞬時(shí)頻率和振幅數(shù)據(jù)、橋墩的瞬時(shí)頻率和振幅數(shù)據(jù)以及橋面的瞬時(shí)頻率和振幅數(shù)據(jù)，計(jì)算主梁、橋墩和橋面的瞬時(shí)能量，并將與主梁、橋墩和橋面相對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)頻率的頻率范圍劃分為若干個(gè)頻段，對(duì)每個(gè)頻段內(nèi)的瞬時(shí)能量進(jìn)行積分，得到該頻段內(nèi)的總能量，即主梁總能量、橋墩總能量和橋面總能量，并分析每個(gè)總能量的集中情況，確定主要集中的頻率范圍，識(shí)別出能量較高的頻段，確定該頻率范圍的振動(dòng)特性，進(jìn)而得到振動(dòng)能量分布情況。

26、優(yōu)選地，所述根據(jù)各個(gè)阻尼需求，經(jīng)過模擬退火算法處理，在參數(shù)空間內(nèi)搜索最佳阻尼器配置方案，以最小化各頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)能量為目標(biāo)，其中包括：

27、根據(jù)主梁、橋墩以及橋面的振動(dòng)能量分布，計(jì)算主梁、橋墩以及橋面在不同頻率范圍內(nèi)的阻尼需求，其中阻尼需求與能量成正比；

28、根據(jù)阻尼需求和實(shí)際需求，設(shè)置阻尼器參數(shù)的取值范圍，在每個(gè)頻率范圍內(nèi)隨機(jī)生成阻尼器參數(shù)，并在參數(shù)空間內(nèi)隨機(jī)生成初始阻尼器配置方案；

29、基于初始阻尼器配置方案和各橋梁部位的振動(dòng)能量分布情況，通過模擬退火算法在始阻尼器配置方案內(nèi)進(jìn)行搜索，每次迭代中，根據(jù)當(dāng)前配置方案，生成新的配置方案，并計(jì)算其能量目標(biāo)函數(shù)值，經(jīng)過多次迭代，直到趨于最小振動(dòng)能量的阻尼器配置方案，即記作搜索到最優(yōu)阻尼器配置方案。

30、第二方面，本技術(shù)還提供了一種橋梁阻尼的多尺度混合策略的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，包括：

31、獲取模塊：用于獲取橋梁不同部位的振動(dòng)信號(hào)，根據(jù)橋梁振動(dòng)分布原理，利用傳感器采集振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行融合處理，得到多源振動(dòng)數(shù)據(jù)矩陣，其中不同部位包括主梁、橋墩和橋面；

32、分解模塊：用于基于多源振動(dòng)數(shù)據(jù)矩陣，經(jīng)過第一次分解處理，得到各尺度的振動(dòng)信號(hào)分量，再次經(jīng)過第二次分解處理，將信號(hào)分解為多個(gè)本征模態(tài)函數(shù)，得到細(xì)化后的頻率成分；

33、分析模塊：用于根據(jù)多尺度分解得到的頻率成分，使用維格納準(zhǔn)概率分布法進(jìn)行頻域分析，應(yīng)用核主成分分析，對(duì)頻域分析結(jié)果進(jìn)行降維，分析本征模態(tài)函數(shù)的瞬時(shí)頻率和振幅，得到各尺度振動(dòng)能量的頻域分布，應(yīng)用希爾伯特黃變換法，分析本征模態(tài)函數(shù)的瞬時(shí)頻率和振幅，得到振動(dòng)能量分布；

34、確定模塊：用于基于密度的空間聚類算法對(duì)振動(dòng)能量分布的頻率范圍劃分為若干簇，每簇對(duì)應(yīng)一個(gè)主要振動(dòng)頻率范圍，得到不同頻率范圍內(nèi)的主要振動(dòng)能量的分布情況，進(jìn)而確定各頻率范圍的阻尼需求；

35、搜索模塊：用于根據(jù)各個(gè)阻尼需求，經(jīng)過模擬退火算法處理，在參數(shù)空間內(nèi)搜索最佳阻尼器配置方案，以最小化各頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)能量為目標(biāo)，并應(yīng)用遺傳算法進(jìn)行細(xì)化搜索，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同頻率范圍振動(dòng)的多尺度混合策略的協(xié)調(diào)控制的最優(yōu)解。

36、本發(fā)明的有益效果為：

37、本發(fā)明基于橋梁振動(dòng)分布原理，獲取橋梁不同部位的振動(dòng)信號(hào)，使用多種傳感器如加速度計(jì)、位移傳感器和應(yīng)變計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)多源傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，構(gòu)建包含時(shí)空特征的多源振動(dòng)數(shù)據(jù)矩陣。在數(shù)據(jù)處理階段，應(yīng)用小波變換和經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行多尺度分解，得到細(xì)化的頻率成分；隨后，使用維格納準(zhǔn)概率分布法和核主成分分析進(jìn)行頻域分析，確定各頻率范圍內(nèi)的主要振動(dòng)能量分布；并基于密度的空間聚類算法對(duì)振動(dòng)能量分布進(jìn)行頻率范圍劃分，識(shí)別各頻率范圍的阻尼需求；最終，采用模擬退火算法和遺傳算法對(duì)阻尼器配置方案進(jìn)行優(yōu)化，動(dòng)態(tài)調(diào)整阻尼器參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同頻率范圍振動(dòng)的多尺度混合策略的協(xié)調(diào)控制；因此，本方法能夠有效覆蓋橋梁各部位的全頻率范圍振動(dòng)，提高振動(dòng)控制效果，增強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。

38、本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說明書闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實(shí)施本發(fā)明實(shí)施例了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點(diǎn)可通過在所寫的說明書、權(quán)利要求書、以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)和獲得。