参评发明专利“一种利用单测点响应的桥梁实时安全状态监测方法，发明人：聂振华、沈兆丰、谢永康、邓杰龙、刘思雨、赵晨、马宏伟，专利号：ZL201910898394.X”是多项国家级和省部级项目支持及多年的系统研究下，构筑了基于单测点响应的桥梁实时安全监测关键技术。该项目构建了贯穿基础研究、关键技术和工业应用的研究体系。与港珠澳大桥管理局，广东省地震局，深圳防灾减灾技术研究院等政府部门及企事业单位协同攻关，成功实现了专利产品的应用。中国工程院院士刘人怀教授和中国科学院院士王立军教授评价该专利技术突破了技术瓶颈，显著促进了桥梁安全监测科技的进步，应用前景广阔。研究成果已广泛推广应用于港珠澳大桥、黄埔大桥、虎门大桥、九江大桥、中国散裂中子源、乐昌水利枢纽等重大建构筑物。

背景技术

当前，桥梁结构健康监测系统大多安装了大量的传感器，导致系统造价高昂、维养困难、难以推广应用和产业化的瓶颈问题。因此，减少传感器数量，不仅能降低桥梁结构健康监测系统的建设和维养成本，还能减少数据储存的规模，提高监测效率。针对这一问题，本专利提出了一种利用单传感器信息的移动嵌入主成分（MEPCA）的桥梁安全状态实时监测方法。

技术流程

利用单测点响应的移动嵌入主成分的桥梁结构安全状态监测流程框架如图1所示，具体步骤如下：

（1）利用自相关函数求取训练集数据的延迟时间r；

（2）根据训练集数据的带宽极限频率确定临时嵌入维数p；

（3）根据（1）、（2）中的延迟时间r和临时嵌入维数p，将训练集数据重构成临时嵌入状态空间矩阵，并且利用PCA计算矩阵的主成分累计贡献率，从而最终确定嵌入维数n；

（4）根据（1）、（3）中的延迟时间r、嵌入维数n，将训练集数据重构成临时嵌入状态空间矩阵B，并且利用PCA计算矩阵B的第一主成分贡献率收敛谱，确定收敛值以及窗口长度；

（5）根据（1）、（3）、（4）中的延迟时间r、嵌入维数n和窗口长度，将实时监测数据重构成嵌入状态空间矩阵C，并且利用PCA计算矩阵C的各阶特征值，进一步求取监测指标R；

（6）按照移动步长移动窗口，从而获取监测指标R的时间序列。

图1. 基于MEPCA的桥梁结构安全状态监测框架

工程应用示范

应用本专利成果，监测系统监测到一大跨度悬索桥某日早上8点发生的船只桅杆轻微剐蹭桥梁钢箱梁底部的事故，如图2所示。在8点时刻，受船只桅杆剐蹭桥梁主跨底部的影响，桥梁与船只发生耦合效应，改变了结构的动力特性，监测指标显示在事故时刻有数值大幅度增加，有效地反映桥梁实时状态地变化，而在船只桅杆离开桥梁后，监测指标数值恢复到事故前，说明该事故并未对桥梁结构造成破坏。

图2. 工程示范结果

该研究成果后期以学术论文形式发表在结构监测领域顶级期刊《Structural Health Monintoring-An International Journal》上。（Zhenhua Nie, Zhaofeng Shen, Jun Li, Hong Hao, Yizhou Lin, Hongwei Ma*, Hui Jiang. Using a single sensor for bridge condition monitoring via moving embedded principal component analysis. Structural Health Monitoring-An International Journal, 2021, 20(6):3123-3149.）。

图文来源：马宏伟 聂振华教授课题组微信公众号