柔性结构强风诱振响应GPS阵列监测方法与系统集成

针对"GPS阵列监测技术"在柔性结构风振监测中的关键科学问题开展系统性的研究工作。提出基于图论最短路径来分离GPS天线阵列监测网中基本回路的方法，建立兼顾双重标准的GPS天线阵列优化布置方法；解决GPS阵列监测中采样速率随机性的问题，提出基于自适应模糊调节的GPS阵列监测多速率采样方法，给出相应的调节规则；对GPS数据进行信息不完备条件下的不确定性分析，建立GPS阵列监测数据传输系统的稳定性判定法则及失效分类预警机制；将不同采集终端信号通道间的存储任务进行关联，建立基于显著性水平且具有动态控制界限的GPS阵列监测休哈特控制图；将以上成果在LabVIEW平台上进行集成，通过模型试验和原型监测共同验证所提出理论和方法的正确性与有效性。项目的完成可使监测系统各子系统在物理上、逻辑上和功能上能够更好地联动和协同工作，对于推进GPS阵列监测技术的自动化、集成化和标准化具有重要的理论价值和现实意义。

1）为了有效地布置GPS这种多维传感器，将传感器优化布置方法中经典的三维有效独立法EfI3推广到了其他维数，给出了EfI2和EfI5算法；针对以往算法不能考虑结构自身不适定性的问题，提出了能够综合考虑结构反应信息敏感性以及系统鲁棒性相协调的优化方法，该方法通过E测试矩阵使Fisher信息矩阵获得最大值，且能够保证在迭代过程中振型矩阵的条件数最小。2）研究了高速率载波相位GPS接收器的可靠性和实用性，通过短基线实验研究了GPS信号的精度和频带特性；通过控制实验测试了高速率GPS接收机的动态响应跟踪性能；开展了不同速率的GPS信号接收机高速采样问题研究，完成了基于多类型GPS信号接收机的大桥动态监测；利用ANSYS软件建立大桥的有限元模型，分析了大桥在环境激励下的频率和振型，为GPS流动站的布置提供参考；利用GrafNav/Net坐标解算软件完成了GPS监测数据的动态解算，获得大桥的高速动态位移。3）提出基于维纳过程加速度模型的多速率卡尔曼滤波数据融合方法，给出基于维纳过程的多速率卡尔曼滤波数融合模型，在加速度和GPS位移观测值的基础上，通过多速率卡尔曼滤波数据融合得到位移、速度以及加速度的最优估计，数值分析了不同噪声水平和采样频率比对融合算法的影响，而且与文献方法作了对比分析，结果表明方法合理有效且具有一定的噪声鲁棒性。4）建立了GPS监测序列异常检验的数学模型，提出了利用统计过程控制中的控制图对监测序列进行异常检验和预警的新方法；针对GPS监测数据不服从正态分布的问题，提出利用累积分布函数的核密度估计将其转换为Q统计量，并以此为基础构建基于Q统计量的控制图用于GPS异常波动数据的检验；对比分析了休哈特控制图与累积和控制图对不同异常偏移值的检验效果，结果表明休哈特控制图对于3倍以上标准差的异常偏移能够给出有效的预警，但缺乏小偏移检测的能力，累积和控制图能够精确检测出最小达0.5倍标准差的连续小偏移，但是随着偏移值的增大其误警率会有所增加。5）建立了GPS监测序列的关联模型，针对关联分析中无法准确判定异常数据发生范围的问题，提出了基于关联负选择的异常监测数据分步识别算法；对于固定数目和固定半径的检测器，通过设定空间覆盖率来自动生成合适数目的可变半径检测器，并采用蒙特卡洛的方法解决了可变半径检测器的空间重叠问题；对于负选择算法中自体空间动态变化的问题，提出了自适应半径的自