[发明专利]一种便携式混凝土坝材料动力参数测试系统与测试方法

权利要求书

1.一种便携式混凝土坝材料动力参数测试系统的测试方法，该测试系统包含数据采集模块、数据分析模块和可视化操控模块，所述数据采集模块采集大坝的振动响应数据，识别大坝模态参数，并基于此反演大坝材料的动力参数；其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：现场采集测试对象的振动响应数据；所述测试对象为大坝和/或坝段；

步骤二：识别测试对象的实测运行模态参数；

其中，采用改进模态置信因子法和稳态图法鉴别模态真假，剔除虚假模态；

稳态图法的实现过程如下：

(1)假设模型系统的阶数为n，由于系统阶数是模态阶数的两倍，因此n为偶数；

(2)设定需要计算的系统阶数的下限n_min与上限n_max，同理n_min与n_max均取偶数，选取n_min与n_max之间的所有偶数作为系统阶数，计算模态参数；

(3)以各模态参数为横坐标，不同系统阶数的假设值为纵坐标，将计算的模态参数绘制于同一幅图中，如果系统不同假定阶数计算的模态参数分布成一列，未随着系统阶数的变化而离散，则认为这一列表示的模态参数为真实的模态；那些离散分布的模态参数值则认为是虚假模态；

模态置信因子法作为稳态图法的补充，进一步鉴别模态的真实性，其实现过程如下：

对于结构上任一测点，其在t时刻第r阶模态位移为对于同一测点，在延时Δt时间后，在t+Δt时刻测得其模态位移为与两者关系在理论上为：式中：λ_r为混凝土坝振动系统的特征值；由于系统采集的大坝振动数据中存在噪声影响和测值误差，故实际关系式为：式中：a_r为噪声影响的系数；模态置信因子

当(MCF)_r接近于1时，表明噪声水平较小，被识别的模态即为真实模态；当(MCF)_r与1的偏差较大时，则为虚假模态，进行剔除；定义偏差系数b_r越接近于0表明模态越真实，设定阈值为0.02，当b_r大于0.02则将该模态剔除，并反馈剩余模态的置信因子的值；步骤三：导入测试对象的有限元模型；

步骤四：生成材料动力参数组合，调用有限元软件模块计算各组合方案对应的大坝结构各阶模态参数；

步骤五：将步骤四所得结果与对应参数组合组成训练集，训练支持向量机；

步骤六：调用量子遗传算法，生成初始参数种群，利用训练好的支持向量机模型，算得各种群个体对应的各阶模态计算值；

步骤七：根据步骤六得到的各阶模态计算值与步骤二所得模态参数识别值，计算目标函数值；

步骤八：根据目标函数值，保留最佳个体，引导量子旋转门更新，不断生成新种群，逐渐逼近最佳参数；当目标函数值取得最优或迭代次数达到最大时，输出最佳个体，即材料动力参数。

2.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于：所述数据采集模块包括振动传感器、信号调理器和数据采集器，用于现场采集大坝的振动数据。

3.根据权利要求2所述的测试方法，其特征在于：所述信号调理器和数据采集器内嵌于便携式手提箱内。

4.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于：所述数据分析模块集成于工控机中，包含数据存储模块和计算模块；其中计算模块包括用于识别大坝模态参数的模态参数识别子模块和用于计算混凝土坝材料动力参数的反演计算模型。

5.根据权利要求4所述的测试方法，其特征在于：所述数据存储模块用于存储大坝的基本信息、数据采集模块采集的振动响应数据、可视化操控模块发送的系统管理数据和大坝材料动力参数计算过程和结果。

6.根据权利要求4所述的测试方法，其特征在于：所述反演计算模型包括调用有限元软件模块建立的数值模型和多输出支持向量机建立的数据关系模型。

7.根据权利要求4所述的测试方法，其特征在于：所述工控机内嵌于便携式手提箱内。

8.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述步骤二具体包括：

(1)根据观测样本生成Hankel矩阵；

(2)对Hankel矩阵进行正交三角分解，得到投影矩阵；

(3)对投影矩阵进行奇异值分解得到可观测矩阵；

(4)将可观测矩阵带入随机状态模型，得到系统矩阵和输出矩阵；

(5)对系统状态矩阵进行特征值分解，得到混凝土坝结构体系的频率、振型和阻尼比等模态参数；

(6)鉴别模态真假，剔除虚假模态；

(7)输出混凝土坝真实模态参数。