【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及悬索振动的，尤其涉及一种桥梁悬索振动预警系统。
技术介绍
1、随着交通运输的快速发展，桥梁作为重要的交通基础设施，承载着日益增加的交通流量和重量，然而，桥梁的安全性和稳定性受到多种因素的影响，包括材料疲劳、环境变化、交通荷载和自然灾害等，特别是悬索桥，其结构特性使其在外界干扰下可能表现出显著的振动特性，因此，及时监测和预警其振动状况显得尤为重要，悬索桥的振动特性可以反映其结构的健康状况。过大的振动可能导致结构损伤，甚至引发安全事故，通过对桥梁振动进行监测，可以评估桥梁的健康状况、预测潜在的结构问题和提供及时的维护和修复建议。
2、目前，申请号为cn202210544483.6的中国专利技术专利公开了一种大跨悬索桥主梁涡激振动监测预警方法，该申请包括：通过监测主梁的多点振动加速度功率谱，确定主梁发生多模态涡激振动的起始和结束时刻，运用主成分分析评价不同模态对应的能量集中系数的比重，遴选涡激振动的多阶模态频率，从而实时判定悬索桥主梁的多模态涡激振动结果；解决了现有技术中无法解决监测主梁涡激振动中的多模态涡激振动问题，导致运用主梁功率谱数据很难实现主梁异常振动状态感知。但是该申请在进行桥梁预警时，无法通过详细的检测和计算步骤以及与软件的结合对桥梁悬索的振动情况进行预测和警示，不能通过不同角度对桥梁的振动进行特性研究，从而完成完整的振动预测和警示。
技术实现思路
1、本专利技术解决的技术问题是：传统方法在对桥梁进行预警时，没有通过详细的检测和计算步骤以及与软件的结
2、为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：一种桥梁悬索振动预警系统，包括：振动感知模块、数据处理模块、驱动模块和预警模块；
3、所述振动感知模块包括阻尼特性单元、参数振动单元和气动特性单元，用于通过传感器获取得到第一特性数据集、第二特性数据集和第三特性数据集；
4、所述数据处理模块包括信号处理单元和深度处理单元，用于处理所述第一特性数据集、第二特性数据集和第三特性数据集，得到第一信号线性图像，根据所述第一信号线性图像通过模态提取方法得到第二信号线性图像；
5、所述驱动模块包括驱动分析单元和程序驱动单元，用于根据第二信号线性图像分析所述桥梁悬索的振动特性，并编写单片机的捕获功能程序，所述捕获功能程序用于通过转换算法将所述振动特性转换为对应的动力学数据，得到动力驱动数据集，根据所述动力驱动数据集得到驱动指令集；
6、所述预警模块包括预测单元和警报单元，用于根据所述驱动指令集和第二信号线性图像通过预测模型对所述桥梁悬索振动特性及幅度根据时间序列进行预测，并将预测结果转化为对应的警报信号序列。
7、作为本专利技术所述的一种桥梁悬索振动预警系统的一种优选方案，其中：所述阻尼特性单元用于通过传感器采集第一特性数据集，所述第一特性数据集包括桥梁悬索根据所述信号处理单元划分的单元分别对应的阻尼和质量。
8、作为本专利技术所述的一种桥梁悬索振动预警系统的一种优选方案，其中：所述参数振动单元用于通过传感器和拉伸试验采集第二特性数据集，所述第二特性数据集包括悬索长度、材料属性、悬索截面面积、悬索张拉力、悬索截面形状，所述材料属性包括杨氏模量和泊松比。
9、作为本专利技术所述的一种桥梁悬索振动预警系统的一种优选方案，其中：所述气动特性单元用于通过传感器采集第三特性数据集，所述第三特性数据集包括静态荷载参数和动态荷载参数，所述荷载参数包括自重和风荷载。
10、作为本专利技术所述的一种桥梁悬索振动预警系统的一种优选方案，其中：所述信号处理单元用于构建悬索模拟模型，并根据所述悬索模拟模型绘制第一信号线性图像；
11、构建悬索模拟模型包括：通过有限差分法将所述桥梁悬索划分为(a+1)个单元，各个单元长度的数学表达式为： ；
12、其中，表示节点数， l为悬索长度；
13、所述桥梁悬索自由振动的运动方程的数学表达式为： ；
14、其中，表示n维的位移向量，表示x的2阶导，表示x的1阶导，、和分别表示n×n维的质量、阻尼和刚度矩阵，所述刚度矩阵获取逻辑包括：根据所述桥梁悬索的材料属性、悬索截面面积和n维的位移向量单位进行积分运算，得到所述刚度矩阵；
15、根据所述桥梁悬索自由振动的运动方程通过复模态特征值分析方法计算得到所述桥梁悬索的模态频率、振型和阻尼比，建立所述桥梁悬索的有限差分数值模型，所述有限差分数值模型的数学表达式为： ；
16、其中，表示有限差分数值模型，表示第i个节点的单位长度质量，所述单位长度质量由所述质量、阻尼、模态频率、振型和阻尼比加权平均计算后得到；
17、根据经典弦振动索力理论公式计算所述桥梁悬索的模态频率的理论解，所述经典弦振动索力理论公式的数学表达式为： ；
18、其中，表示n维模态理论解，表示单位长度质量的单位积分值，表示计算涉及悬索的长度，表示模态的阶数，表示所述桥梁悬索的水平张拉力；
19、通过matleb工具库根据所述有限差分数值模型模拟拉索的振动幅度，所述振动幅度根据所述桥梁悬索的长度记录数据，根据所述桥梁悬索的模态频率的理论解和所述振动幅度得到所述桥梁悬索单位长度下的自振频率，所述自振频率获取逻辑的数学表达式为： ；
20、其中，表示自振频率，表示所述桥梁悬索的模态频率的理论解，表示振动幅度；
21、将所述阻尼特性单元采集得到的阻尼进行除法运算，得到阻尼比，将所述阻尼比作为目标阻尼比，预设阻尼比阈值；
22、若所述目标阻尼比高于所述阻尼比阈值，则表示所述桥梁悬索有粘弹性特性；若所述目标阻尼比低于所述阻尼比阈值，则表示所述桥梁悬索的粘弹性特性不足，通过施加减振措施给所述桥梁悬索附加阻尼比，所述施加减振措施包括安装质量阻尼器或动态阻尼器；分别根据阻尼比、悬索长度、悬索张拉力和所述单位长度质量逐渐增大重新排列悬索节点的编号，将重新排列的编号作为第一信号线性图像的横坐标，绘制所述桥梁悬索分别沿所述悬索长度、悬索张拉力和所述单位长度质量的分布特征，得到第一信号线性图像。
23、作为本专利技术所述的一种桥梁悬索振动预警系统的一种优选方案，其中：所述深度处理单元包括：基于所述第一信号线性图像通过模态提取方法block lanczos获取所述桥梁悬索的动力特性，所述动力特性包括模态频率和振型，基于所述动力特性、所述材料属性和悬索截面形状，通过连接更新后的节点编号成若干单元，将所述单元划分类型，所述单元的类型包括beam188、beam44、link10、combin14和mass2，计算所述单元对应的刚度矩阵，将各单元的刚度矩阵按照节点编号组装成全局刚度矩阵，施加静态或动态荷载，使用有限元分析软件ansys求解所述全局刚度矩阵，得到各个节点对应的位移和反力，绘制所述位移和反力分别沿本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种桥梁悬索振动预警系统，其特征在于，包括：振动感知模块、数据处理模块、驱动模块和预警模块；
2.如权利要求1所述的桥梁悬索振动预警系统，其特征在于：所述阻尼特性单元用于通过传感器采集第一特性数据集，所述第一特性数据集包括桥梁悬索根据所述信号处理单元划分的单元分别对应的阻尼和质量。
3.如权利要求1所述的桥梁悬索振动预警系统，其特征在于：所述参数振动单元用于通过传感器和拉伸试验采集第二特性数据集，所述第二特性数据集包括悬索长度、材料属性、悬索截面面积、悬索张拉力、悬索截面形状，所述材料属性包括杨氏模量和泊松比。
4.如权利要求1所述的桥梁悬索振动预警系统，其特征在于：所述气动特性单元用于通过传感器采集第三特性数据集，所述第三特性数据集包括静态荷载参数和动态荷载参数，所述荷载参数包括自重和风荷载。
5.如权利要求1所述的桥梁悬索振动预警系统，其特征在于：所述信号处理单元用于构建悬索模拟模型，并根据所述悬索模拟模型绘制第一信号线性图像；
6.如权利要求5所述的桥梁悬索振动预警系统，其特征在于：所述深度处理单元包括：基于所
7.如权利要求1所述的桥梁悬索振动预警系统，其特征在于：所述驱动分析单元用于根据所述第二信号线性图像分析所述桥梁悬索的振动特性，分析所述桥梁悬索的振动特性包括：通过ANSYS-MATLAB联合仿真对所述信号线性图像进行仿真，进行抖振响应分析，通过开展全桥气弹模型实验对所述桥梁所处流场进行模拟，获取所述桥梁位置所处的紊流场的风场类型，采用矩形粗糙元加尖劈的形式布置风场，将风洞实验结果与数值模拟结果对比分析，对比分析的逻辑过程包括：计算所述风洞实验结果与仿真模拟结果数值的置信度，预设置信度阈值；
8.如权利要求1所述的桥梁悬索振动预警系统，其特征在于：所述程序驱动单元用于编写单片机的捕获功能程序，所述捕获功能程序用于通过转换算法将所述振动特性转换为对应的动力学数据，所述捕获功能程序编写的逻辑包括：通过captureVibration函数代码块读取传感器的数据，通过convertToDynamicsData函数代码块通过积分计算动力学数据，通过generateDriveCommands函数代码块根据转换后的动力学数据生成驱动指令，将获得的所有驱动指令合为驱动指令集，通过MQTT协议将所述驱动指令集传输到OneNet云平台，通过手机客户端在云平台获取驱动指令获取所述桥梁悬索的振动特性，所述振动特性包括各个节点对应的位移与反力、悬索张拉力和单位长度质量。
9.如权利要求1所述的桥梁悬索振动预警系统，其特征在于：所述预测单元用于根据所述驱动指令集和第二信号线性图像通过预测模型对所述桥梁悬索振动特性及幅度根据时间序列进行预测，预测逻辑包括：将所述驱动指令集和第二信号线性图像分别输入embedding层进行重要特征提取，得到振动特性特征集，将所述振动特性特征集输入时间序列预测模型LSTM，将所述时间序列预测模型LSTM输出的数据反归一化，得到预测出的振动特性对应的振动幅度随时间的变化。
10.如权利要求1所述的桥梁悬索振动预警系统，其特征在于：所述警报单元用于将预测结果转化为对应的警报信号序列，并将所述警报信号序列传输到所述程序驱动单元自动报警，转化的逻辑包括：将所述预测出的振动特性对应的振动幅度随时间的变化根据节点存储成队列形式，各个节点对应一个预测队列，所述预测队列包括所述节点预测的根据时间产生的振动特性对应的振动幅度，预设振动阈值，比较所有预测队列中的振动幅度；
...【技术特征摘要】
1.一种桥梁悬索振动预警系统，其特征在于，包括：振动感知模块、数据处理模块、驱动模块和预警模块；
2.如权利要求1所述的桥梁悬索振动预警系统，其特征在于：所述阻尼特性单元用于通过传感器采集第一特性数据集，所述第一特性数据集包括桥梁悬索根据所述信号处理单元划分的单元分别对应的阻尼和质量。
3.如权利要求1所述的桥梁悬索振动预警系统，其特征在于：所述参数振动单元用于通过传感器和拉伸试验采集第二特性数据集，所述第二特性数据集包括悬索长度、材料属性、悬索截面面积、悬索张拉力、悬索截面形状，所述材料属性包括杨氏模量和泊松比。
4.如权利要求1所述的桥梁悬索振动预警系统，其特征在于：所述气动特性单元用于通过传感器采集第三特性数据集，所述第三特性数据集包括静态荷载参数和动态荷载参数，所述荷载参数包括自重和风荷载。
5.如权利要求1所述的桥梁悬索振动预警系统，其特征在于：所述信号处理单元用于构建悬索模拟模型，并根据所述悬索模拟模型绘制第一信号线性图像；
6.如权利要求5所述的桥梁悬索振动预警系统，其特征在于：所述深度处理单元包括：基于所述第一信号线性图像通过模态提取方法block lanczos获取所述桥梁悬索的动力特性，所述动力特性包括模态频率和振型，基于所述动力特性、所述材料属性和悬索截面形状，通过连接更新后的节点编号成若干单元，将所述单元划分类型，所述单元的类型包括beam188、beam44、link10、combin14和mass2，计算所述单元对应的刚度矩阵，将各单元的刚度矩阵按照节点编号组装成全局刚度矩阵，施加静态或动态荷载，使用有限元分析软件ansys求解所述全局刚度矩阵，得到各个节点对应的位移和反力，绘制所述位移和反力分别沿所述悬索长度、悬索张拉力和所述单位长度质量的分布特征，将所述分布特征加入所述第一信号线性图像，得到第二信号线性图像。
7.如权利要求1所述的桥梁悬索振动预警系统，其特征在于：所述驱动分析单元用于根据所述第二信号线性图像分析所述桥梁悬索的振动特性，分析所述桥梁悬索的振动特性包括：通过ansys-matlab联合...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐洪珊，王岑，王军，柏明，袁毅，闫攀飞，唐蜀波，
申请(专利权)人：中铁二十三局集团有限公司，
类型：发明
国别省市：
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