结构健康监测系统设计标准 CECS 333：2012
中国工程建设协会标准
结构健康监测系统设计标准
Design standard for structural health monitoring system
CECS333：2012
中国工程建设标准化协会公告
第128号
关于发布《结构健康监测系统设计标准》的公告
根据中国工程建设标准化协会《关于印发<2009年工程建设协会标准制订、修订计划(第一批)>的通知》(建标协字[2009]55号)的要求，由大连理工大学、大连金广建设集团有限公司等单位编制的《结构健康监测系统设计标准》，经本协会建筑振动专业委员会组织审查，现批准发布，编号为CECS 333：2012，自2013年3月1日起施行。
中国工程建设标准化协会
二〇一二年十二月十日
前言
根据中国工程建设标准化协会《关于印发<2009年工程建设协会标准制订、修订计划(第一批)>的通知》(建标协字[2009]55号)的要求，制定本标准。
本标准在编制过程中，编制组经广泛调查研究，认真总结实践经验，参考有关国际标准和国外先进标准，并广泛征求意见，最后经审查定稿。
本标准主要技术内容包括：总则、术语和符号、传感器的选择和布置、数据采集和处理、数据传输、数据存储和管理、结构状态识别和健康评估方法。
根据原国家计委计标[1986]1649号文《关于请中国工程建设标准化委员会负责组织推荐性工程建设标准试点工作的通知》的要求，推荐给工程建设、设计、施工、监理等使用单位及工程技术人员采用。
本标准由建筑振动专业委员会归口管理，由大连理工大学负责具体技术内容的解释。执行过程中如有意见或建议，请寄送解释单位(地址：辽宁省大连市凌工路2号大连理工大学建设工程学部，邮政编码：116023)，以供今后修订时参考。
主编单位：大连理工大学
大连金广建设集团有限公司
参编单位：东南大学
哈尔滨工业大学
北京工业大学
香港理工大学
河海大学
主要起草人：李宏男 李爱群 滕军 闫维明 何秀凤 伊廷华 夏勇 衣景斌 肖仪清 徐幼麟 李东升 丁幼亮 何浩祥 桑文刚 任亮 王浩 卢伟 陈彦江 王拥鹏 贾东振 缪长青 宋钢兵 柳成荫 李建慧 王伟
主要审查人：李忠献 李庆斌 李云贵 杨庆山 袁慎芳 胡俊锋 任鸿鹏 张同亿
1 总 则
1 总 则
1．0．1 为了规范结构健康监测系统的设计，提高结构健康监测系统设计质量，制定本标准。
1．0．2 本标准适用于土木工程结构在施工及服役期间的健康监测系统设计。
1．0．3 结构健康监测系统的设计应坚持长远规划的原则，结合工程结构的具体特点和场地条件，综合考虑工程结构各阶段的健康监测需求、特征以及环境条件变化的影响，为结构设计验证、结构模型校验与修正、结构损伤识别、结构养护和维修以及新方法、新技术的发展提供支持。整个系统应做到安全可靠、方案可行、技术先进、经济合理、便于维护。
1．0．4 结构健康监测系统宜包括传感器系统、数据的采集和处理系统、数据传输系统、数据存储和管理系统、结构状态识别和健康评估系统。
1．0．5 结构健康监测系统的设计，应合理选用和布置传感器及采集系统，使之满足监测的目的和功能。监测系统硬件的布置宜有一定的冗余度，宜优先采用标准成熟的产品。
1．0．6 结构健康监测系统硬件应有适当的保护措施和可维护性，并能保证设计使用寿命。
1．0．7 结构健康监测系统软件应与硬件相匹配，且具有兼容性、可扩展性、易维护性和良好的用户使用性能。
1．0．8 结构健康监测系统的设计，除应执行本标准外，尚应符合国家现行有关标准的规定。
2 术语和符号
2．1 术 语
2 术语和符号
2．1 术 语
2．1．1 健康监测 health monitoring
利用现场的、无损的、实时的方式采集结构与环境信息，分析结构反应的各种特征，获取结构因环境因素、损伤或退化而造成的改变。
2．1．2 施工监测 construction monitoring
体现结构设计思路、保证施工过程的安全且为施工控制提供数据的一种手段。
2．1．3 连续监测 continuous monitoring
以连续或触发控制的方式进行监测。
2．1．4 长期监测 long-term monitoring
在一段较长的时间或在结构整个剩余寿命期间进行的连续监测。
2．1．5 传感器 transducer／sensor
能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
2．1．6 传感器布置 sensor placement
利用尽可能少的传感器，将其布置在结构的适当位置，使其能够达到某一特定目标。
2．1．7 有线传输 wire transmission
在两个通信设备之间通过物理连接，将信号从一方传输到另一方的技术。
2．1．8 无线传输 wireless transmission
在两个通信设备之间不使用任何物理连接，而是通过空间传输的一种技术。
2．1．9 同步传输 synchronous transmission
发送方和接收方的时钟是统一的、字符与字符间的传输是同步无间隔的数据传输方式。
2．1．10 异步传输 asynchronous transmission
不要求发送方和接收方的时钟完全一样，字符与字符间的传输是异步的数据传输方式。
2．1．11 结构性能 structural performance
结构在安全性和适用性方面的状态。
2．1．12 缺陷 defect
结构性能的欠缺或不完整。
2．1．13 损伤 damage
引起结构性能降低的结构状态的不利变化。
2．1．14 退化 deterioration
结构性能随时间推移而发生的不利变化。
2．1．15 失效 failure
结构系统失去原有设计功能的过程。
2．1．16 损伤识别 damage identification
利用结构的响应数据来分析结构物理参数的变化，进而识别结构的损伤的过程。
2．1．17 模态特性 modal property
结构的固有振动特性，每阶模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。按照模态参数是实数还是复数，可分为实模态和复模态。
2．1．18 模态分析 modal analysis
通过测量得到的结构动力响应信息，以获得结构模态特性的过程。
2．1．19 模态参数识别 parameter identification
在系统模型已知的情况下，用实测的输入与输出数据来识别描述系统特性的各种模态参数的过程。
2．1．20 耐久性 durability
结构抵抗自身和自然环境双重因素长期破坏作用的能力。
2．1．21 安全等级 safety class
根据构件或结构破坏后果的严重程度划分的等级。
2．1．22 安全评估 safety assessment
通过各种可能的测试手段，分析结构当前的工作状态，并与其临界失效状态进行比较，评价其安全等级。
2．1．23 预警 warning
在危险发生之前，根据结构监测、损伤诊断和安全评定结果，向相关部门发出紧急信号的过程。
2．1．24 维护 maintenance
为保持结构应有的性能而进行的例行检查修复活动。
2．1．25 数据库 database
长期储存在计算机内的、有组织的、可共享的数据集合。
2．1．26 数据库管理系统 database manage system
借助操作系统的支持对数据库和系统资源进行统一管理和控制的软件。其主要功能包括：数据库的建立、数据定义、数据操作、数据库的运行管理和维护。
2．2 符 号
2．2 符 号
MACij——模态保证准则矩阵的第(i，j)个元素；
Φ——归一化后的模态矩阵，其每一列为结构的一个模态；
T——矩阵的转置；
S——模态矩阵的奇异值比；
σ1——模态矩阵的最大奇异值；
σm——模态矩阵的最小奇异值；
F——Fisher信息阵；
Jrls——表征最小二乘法准则的目标函数；
OLS——利用较多传感器取得的模态坐标的最佳最小二乘估计；
s——采用某待选传感器组合时模态坐标的最小二乘估计；
MKEij——与第k个模态第i个自由度相对应的模态动能；
Φik——第k个模态在i点的分量；
Mij——有限元质量阵的第(i，j)个元素；
Φjk——第k个模态在j点的分量；
ECPi——第i个自由度的特征向量乘积指标；
MSSPi——第i个自由度的模态分量加和指标；
DPR——原点留数法的指标；
——矩阵Φ与Φ相对应的元素点点相乘；
Λ——对角的结构特征值矩阵；
ED——有效独立系数；
Q——与Φ维数相同的n×m维的单位正交矩阵；
diag(．)——提取括弧内矩阵的对角元；
R——m×m维的上三角矩阵。
3 传感器的选择和布置
3．1 传感器的选择
3 传感器的选择和布置
3．1 传感器的选择
3．1．1 传感器的选型应符合下列原则：
1 结构健康监测应根据具体的项目要求和实际应用条件，本着力争实现“监测完整、性能稳定兼顾性价比最优”的主要原则选择合理的传感器类型和数量。
2 传感器应根据结构状态、体系和形式以及经济条件选择，并结合健康监测中具体内容和目的选择适宜的传感器类型和数量。
3 传感器应在监测期间具有良好的稳定性和抗干扰能力，采集信号的信噪比应满足实际工程需求。
4 宜选择具有补偿功能的传感器。
3．1．2 传感器选型应符合下列规定：
1 宜建立比较精确的力学模型，对结构的内力分布和动力特性作全面的分析，并结合监测数据寻找结构静动力反应较大的部位，确定需要监测的结构反应类型和监测参数。
2 应根据力学模型分析的结果、工程经验判断以及当前传感器产品的制作水平、性能参数和价格确定传感器的类型。
3 应根据现场调研和力学分析结果确定必要和合理的监测位置、数量和安装方式。
4 应根据传感器类型，选择操作方便、耐候性好且精度合适的数据采集及信号通讯系统，保证监测结果的可信度。
3．1．3 常用传感器的选型和使用注意事项宜按本标准附录A的规定进行。
3．1．4 传感器的性能参数应符合下列要求：
1 传感器的量程宜为满量程的80％～90％，且最大工作状态点不应超过满量程。
2 应根据监测参数和传感器类型选择适当的采样频率。当在对结构加速度等动态反应进行监测时，传感器采样频率应为需监测到的结构最大频率的2倍以上，采样频率宜为结构最大频率的(3～4)倍。
3 传感器应具有良好而稳定的线性度，在对结构位移及应变等反应进行监测时需要满足较高的线性度要求。
4 传感器应具有良好而稳定的灵敏度和信噪比。
5 传感器应具有良好而稳定的分辨率，且不应低于所需监测参数的最小单位量级。
6 传感器应具有满足监测要求且足够小的迟滞差值。
7 传感器应具有良好而稳定的重复性。
8 传感器测量值的漂移应严格控制。
3．1．5 传感器除应符合本标准第3．1．4条的性能参数要求外，尚应符合下列规定：
1 不同类型传感器的供电方式应根据实际情况和监测要求确定。
2 传感器应满足结构实际使用环境的要求。
3 传感器的使用年限应满足结构健康监测持续的时间。
3．1．6 对于实时监测要求比较高的传感器，尚应考虑下列动态特性：
1 传感器的传递函数。
2 传感器的频率响应函数。
3 传感器的静态标定与校准。
4 传感器的动态标定与校准。
3．2 传感器的布置原则
3．2 传感器的布置原则
3．2．1 传感器布置应遵循下列原则：
1 测得的数据应对实际结构的静、动力参数或环境条件变化较为敏感。
2 测得的数据应能充分并准确地反应结构的动力特性。
3 测得的参数应能够与理论分析结果建立起对应关系。
4 应能通过合理添加传感器对敏感区域进行数据重点采集。
5 宜在结构反应最不利处或已损伤处布置。
6 可合理利用结构的对称性原则，达到减少传感器的目的。
7 传感器的布置宜便于安装和更换。
8 宜减少信号的传输距离。
3．2．2 传感器布置应包括下列内容：
1 环境监测、几何监测、外部荷载监测和结构反应监测等传感器在结构上的布置。
2 加速度传感器的布置。
3．2．3 加速度传感器布置宜符合本标准附录B的准则。
3．3 传感器的布置方法
3．3 传感器的布置方法
3．3．1 环境监测、几何监测、外部荷载监测和结构反应监测等传感器可通过有限元分析确定极值或关键控制位置，风速仪等特殊类型的传感器可依其测量特点进行布置。
3．3．2 加速度传感器的布置宜按本标准附录B的方法执行。
4 数据采集和处理
4．1 数据的采集
4 数据采集和处理
4．1 数据的采集
4．1．1 采集设备的性能应与对应传感器性能匹配，并满足被测物理量的要求。
4．1．2 采集设备与传感器之间应有明确的拓扑关系。根据工程特点与现场具体条件，可选择数据集中采集和分散采集两种模式。
4．1．3 采集设备宜对信号进行放大、滤波、去噪、隔离等预处理，对信号强度量级有较大差异的不同信号，应严格进行采集前的信号隔离。
4．1．4 采集设备不应设置在潮湿、有静电和磁场环境之中，信号采集仪应有不间断电源保障。
4．1．5 结构健康监测系统可根据监测的频度划分为3个等级：在线实时监测系统(一级)、定期在线连续监测系统(二级)、定期监测系统(三级)。
4．1．6 数据的采样频率应能反映被监测结构的行为和状态，并满足结构健康监测数据的应用条件。对于动力信号，数据的采样频率应在被测物理量预估最高频率的5倍以上。传感器可视具体情况选择相同或不同采集时间间隔。
4．1．7 数据的采样时间应有足够的长度。当测点较多而传感器数量不足时，可分批测量，每批测试应至少保留一个共同的参考点。
4．1．8 当同类或不同类数据需要做相关分析(含模态分析)时，所有相关数据应同步采集；否则，可选择伪同步采集或异步采集。
4．2 数据的处理
4．2 数据的处理
4．2．1 数据采集前，应对含噪信号进行降噪处理，提高信号的信噪比。
4．2．2 数据分析处理之前，应正确处理粗差、系统误差、偶然误差等。
4．2．3 应正确判断异常数据是由结构状态变化引起还是监测系统自身异常引起，应剔除由监测系统自身引起的异常数据。
4．2．4 对于交变类型的较高频连续监测数据，可根据数据存储准则存储数据。
4．2．5 监测系统中存储数据的单位，宜采用国际单位制。
4．2．6 数据的时间应采用公历，最低精度为秒。
5 数据传输
5．1 设计要求
5 数据传输
5．1 设计要求
5．1．1 数据传输可采用下列方式：
1 基于信号的同步技术。
2 基于时间的同步技术。
3 有线传输。
4 无线传输。
5．1．2 数据传输系统应具有对来自数据采集系统的各种数据予以接收、处理、交换和传输的能力。数据传输系统设计，应保证数据传输的可靠性、高效性和数据传输质量，并符合下列规定：
1 当历史数据平均值有效数字不统一时，应与最多有效数字位数的情况一致。
2 采集得到的数据和历史数据的差值应在一定范围内，可根据具体情况设定阈值，当超过阈值时，应检查系统的运行状态。
5．1．3 数据传输系统按照传输速度不同，可设计为同步传输和异步传输两种方式。
1 低速数据传输可采用异步传输。
2 高速数据传输可采用同步传输。
5．1．4 当数据传输系统选择同步传输时，应结合现场实际情况，综合考虑传感器间距离、工程各阶段特征及工程现场地形条件等因素，选择合适的同步技术。
1 对于小范围的结构健康监测系统，宜采用基于信号的同步技术。当采用基于信号的同步技术时，在设计时尚应考虑路线最优化，并注意外部的突发事件对信号可能造成的干扰。
2 对于大范围的结构健康监测系统，宜采用基于时间的同步技术。
3 根据工程实际需要，可选取一种或两种同步技术组合使用。
5．1．5 数据传输系统的设计应坚持因地制宜的原则，并综合考虑数据传输距离、工程各阶段特征和工程现场地形条件、网络覆盖状况、已有的通信设施等因素，灵活选取合适的数据传输方式。
1 当工程现场存在无线发射设备或在有强电磁场的环境下，应采取有效的电磁屏蔽措施，当无法实施电磁屏蔽时，应采用有线传输方式。
2 对于交通不便的深山峡谷、复杂地形、物理线路布设和维护困难的环境下，宜采用无线传输方式。
3 需要构建临时传输网络的工程现场，宜采用无线传输方式。
4 根据工程实际需要，可选择一种或多种、传输方式进行组合使用。
5．1．6 采用有线传输数据，设计时宜利用监测系统已有的光纤通信网或部门局域互联网等数据传输线路，设置必要的中继器或转发器，选取适当的传输介质；同时应以现场数据采集器的接口为基础，以增加最少的接口转换器为原则，选取适当的接口类型。
5．1．7 采用无线传输数据，应根据工程现场营运的网络、成本和现场实际情况选择合适的无线传输方式。
5．1．8 数据传输系统中应设计数据备份机制，以保证在传输线路故障时数据的完整性和可靠性。
1 数据采集子站应至少保存最近7d的监测数据做备份。
2 宜设置双卡槽的数据存储介质以满足连续观测需要，其容量应根据结构健康监测系统每天接收的数据量选取。
5．1．9 数据传输系统设计宜具备下列基本资料：
1 工程场地的现状平面图，包括交通设施、高压架空线、地下管线和地下构筑物的分布。
2 电力及有关建筑材料的供应条件。
3 周围建筑物振动、噪声源等信息资料。
4 工程总平面布置图。
5 工程基础平面图和剖面图。
6 工程施工方案。
5．2 质量控制
5．2 质量控制
5．2．1 应根据系统前端传感器单位时间采集的数据量大小，结合设计的传输实际通信能力，对数据进行分包处理，以包为单位实施传输。开发的相应数据传输软件在设计中应采用应答模式，并引入检校-重发-补发机制进行误码控制。数据包设计宜符合下列格式要求：
1 数据包应加入开始位和结束位。
2 在每组数据的开头和结束位置，应加入控制参数信息，定义请求发送包和文件结束包。
3 在每个数据段前应加人标识信息。
4 传输数据应进行校验，可采用奇偶校验或循环冗余校验，并将校验码加入数据段后的校验位。
5．2．2 数据传输系统中应设计校验机制，在传送和接收两方对数据进行确认。
5．2．3 当数据通道发生故障而中断，在故障排除后，数据传输系统应具有补发功能，将中断时间段内所有数据发送到接收端。
5．2．4 对于数据传输系统的应答、重发和补发模块应设置时限，避免因应答等待、重发及补发影响正常数据发送，宜利用数据通道空闲时段完成补发数据传输。
5．3 其他要求
5．3 其他要求
5．3．1 工程现场应有安置传输设备的观测室，观测室应符合下列要求：
1 电力应稳定可靠，交通应方便，自然环境应清洁。
2 应远离产生粉尘、油烟、有害气体以及生产或贮存具有腐蚀性、易燃、易爆物品的工厂、仓库、堆场等。
3 应远离强振源和强噪声源。
4 宜避开强电磁场干扰，无法避开时应采取有效的电磁屏蔽措施。
5 应具有防雷、防火设施。
6 观测室内部温度、湿度等条件应满足通信及其他设备的工作环境要求。
5．3．2 数据传输系统的线路应满足设备安装的相关要求，并采取一定的防护措施。
5．3．3 数据传输应根据实际情况制定应对特殊突发情况的应急预案。
6 数据存储和管理
6．1 数据库系统的功能和设计原则
6 数据存储和管理
6．1 数据库系统的功能和设计原则
6．1．1 结构健康监测数据库应将采集系统收集到的实时数据和历史数据，提供给数据处理系统进行数据处理，并提供给评估系统进行数据分析，最终将处理及分析结果进行保存以便查询。
6．1．2 数据库设计应遵循数据库系统的可靠性、先进性、开放性、可扩展性、标准性和经济性的基本原则，并保证数据的共享性、数据结构的整体性、数据库系统与应用系统的统一性。
6．2 数据库设计基本要求
6．2 数据库设计基本要求
6．2．1 数据库系统在使用时应支持在线实时数据处理分析、离线数据处理分析以及两种工作方式的混合模式。
6．2．2 结构健康监测系统涉及的数据库功能应包括监测设备管理、监测信息管理、结构模型信息管理、评估分析信息管理、数据转储管理、用户管理、安全管理以及预警信息管理等方面。
6．2．3 监测设备管理应包括传感器和采集设备(包括采集子站和总站)的添加、更换、状态查询以及故障检测等功能。传感器设备宜按监测信息内容和功能进行分类管理。
6．2．4 监测信息管理应包括监测信息的自动导入、图形或文件形式导出数据、历史监测信息的查询，并宜具备监测信息的可视化功能。
6．2．5 结构模型信息管理应提供结构的基本参数和评估分析所需要的计算机数值模型。
6．2．6 评估分析信息管理应提供评估准则、保存评估结果并供查询统计。
6．2．7 数据转储管理应支持海量数据的归档以及相应的元数据管理。归档的数据可以存储在大容量存储设备中并应支持使用时的可访问性。
6．2．8 用户管理应支持用户权限的定义和分配功能。系统根据用户的权限来操作不同模块，提供基于角色的用户组管理、用户授权、注册账号和认证管理等。
6．2．9 系统安全管理应提供系统运行环境的网络安全管理和安全保护、数据库的容灾备份机制、敏感信息标记以及用户使用日志审计等功能。数据库系统安全管理应有相应的硬件、软件和人员来支持。
6．2．10 系统应具备预警信息处理功能，并能将各种预警信息以电子邮件和短信等形式通知相关人员。
6．2．11 数据装载应包括数据的筛选、输入、校验、转换和综合等主要步骤。
6．2．12 结构监测数据和分析数据的精度应满足监测目的，并根据结构特性、监测内容确定。
6．2．13 查询的响应级别应为秒级，分析结果及可视化等方面应能满足实际使用的要求。
6．3 数据库的组成
6．3 数据库的组成
6．3．1 数据库按主题可划分为监测设备数据库、监测信息数据库、结构模型信息数据库、评估分析信息数据库和用户数据库等。
1 监测设备数据库的内容宜包括设备标识、设备名称、所属子站、几何位置、设备功能、出厂参数、安装时间、采样频率、警戒值、运行状况、维修记录等。
2 监测信息数据库应包括监测到的原始环境信息、荷载信息、结构反应信息、结构形态信息以及原始数据经简单处理后的附加信息。各种原始监测信息的记录应能满足监测目的。环境信息的内容宜包括气压、风速和风向、环境温度和太阳辐射强度、湿度、腐蚀；荷载信息的内容宜包括风压、地面加速度、车辆荷载、结构温度；结构反应信息的内容宜包括结构位移、速度、加速度、应变、倾角、沉降；结构形态信息宜包括结构的几何坐标或线形。
3 结构模型信息数据库的内容宜包括结构设计图纸、基本设计参数、结构分析所需要的有限元模型。
4 评估分析信息数据库的内容宜包括评估所采用的准则和方法，评估时的主体、时间、参数、对象、结果和报告。
5 用户数据库的内容宜包括用户名、用户标识、用户组、个人信息。
6．3．2 数据库应建立在清晰、简明、标准化的数据元上，保证用户方便、快速、准确地检索到所需的信息。
6．3．3 数据元标准应包括数据元的定义、命名／标识和一致性。
6．3．4 监测单位应遵照“国际标准、国家标准、行业标准和企业标准”来建立适合结构物实际情况的健康监测信息分类与编码标准，应做好名词俗语的标准化，确定信息分类与编码对象、编码原则和编码表标准。
6．4 数据库选型的要求
6．4 数据库选型的要求
6．4．1 选择数据库管理系统宜考虑下列因素：
1 系统支持对海量数据的高效管理机制。
2 异常情况下的容错功能。
3 系统恢复功能。
4 系统宜支持分布式数据管理功能，包括分布式数据存储、复制、数据透明访问等。
6．4．2 异常情况下的容错功能可按下列内容进行评价：
1 有无操作系统故障、网络故障硬件的容错。
2 有无磁盘镜象处理功能软件的容错。
3 有无应用软件异常情况的容错功能。
6．4．3 当突然停电、出现硬件故障、软件失效、病毒或严重错误操作时，系统应提供恢复数据库的功能，如定期转存、恢复备份、回滚等，使系统将数据库恢复到损坏以前的状态。
6．5 系统交互方式
6．5 系统交互方式
6．5．1 系统交互可采用人机交互、监测系统与数据库系统交互，也可采用分布式环境下的协作交互。
6．5．2 系统交互应符合下列规定：
1 人机交互系统应具有友好的、符合专业操作习惯的用户界面。
2 监测系统可通过数据传输与控制系统将监测数据存储到数据库系统中，也可从数据库中请求和提取需要处理和分析的数据。处理分析完的相关信息应存储在数据库系统中，以便系统能够进一步进行各种深入分析和评估。
3 在分布式环境下，可通过数据的分片等技术将系统数据进行分布存储。
6．6 数据库的运行管理
6．6 数据库的运行管理
6．6．1 数据库的工作环境应满足下列要求：
1 数据库管理系统应处于安全的物理环境。对数据库管理系统资源的处理应限定在一些可控制的访问设备内，防止未授权的访问。系统硬件和软件应受到保护以免未授权用户的物理修改。
2 应有一个或多个能胜任的授权用户来管理数据库管理系统和它所包含信息的安全。管理员应经过培训，以便能正确有效地建立和维护安全策略。被授权的管理员应严格遵从系统管理员文档的要求进行操作，不应蓄意破坏数据库管理系统，不应蓄意违反操作规程。授权用户应具备必要的授权来访问由数据库管理系统管理的少量信息。
3 数据库管理系统应在系统管理员的配置下正常运行，用户可通过网络远程访问和使用数据库管理系统。授权用户可获得他们希望得到的适当服务。
6．6．2 在应用程序调试完成后，应对数据库进行试运行操作，包括功能测试和性能测试。试运行操作期间，应做好数据库的备份和恢复工作。
6．6．3 数据库的维护应符合下列规定：
1 数据库管理员应针对不同的应用要求制定不同的数据备份计划，定期对数据库和日志文件进行备份，以保证一旦发生故障，能利用数据库备份和日志文件备份，尽快将数据库恢复到某种一致性状态，并尽可能减少数据库的丢失。
2 数据库管理员应根据用户的实际需要授予其不同的操作权限。在数据库运行过程中，宜根据环境的变化适当调整原有的安全性和完整性控制，以满足用户要求。
3 数据库管理员应借助数据库管理系统的系统性能监测工具，来监督系统运行状态，判断当前系统是否处于最佳运行状态；否则，需要通过调整某些参数来进一步改进数据库性能。
4 数据库管理员在必要时应借助数据库管理系统提供的实用程序对数据库进行重组织和重新构造。
7 结构状态识别和健康评估方法
7．1 模态参数识别
7 结构状态识别和健康评估方法
7．1 模态参数识别
7．1．1 模态参数识别应满足下列要求：
1 应通过结构振动监测数据，获取结构自振频率、振型、阻尼比。当有特殊要求时，应获取模态刚度、模态质量。
2 获取的结构动力特性参数，可为结构模型修正及损伤识别提供基础数据。
7．1．2 模态参数识别可采用下列方法：
1 频域识别方法。可采用分量估计法、Levy法等人工激励方法和峰值拾取法、频域分解法、增强频域分解法等随机激励法。
2 时域识别方法。可采用随机子空间法、特征系统实现法等。
3 时频域识别方法。可采用小波分析、希尔伯特-黄变换(HHT)等方法。
7．2 损伤识别
7．2 损伤识别
7．2．1 损伤识别宜由浅入深逐次分为损伤判断、损伤定位、损伤定量、损伤评估，并符合下列规定：
1 损伤判断应给出结构是否发生损伤的明确判断，并对相应的判断准则或阈值进行说明。
2 损伤定位宜给出具体的结构损伤单元或构件发生的位置。
3 损伤定量应给出发生损伤的单元或构件的损伤程度。
4 损伤评估应对结构损伤后的性能退化做出综合评估，对结构损伤后的剩余寿命进行预测。
7．2．2 损伤识别可采用下列方法：
1 静力参数法可采用结构刚度(包括结构单元刚度)、位移、应变、残余力、材料参数如弹性模量、单元面积或惯性矩等。
2 动力参数法可采用固有频率比、固有振型变化、振型曲率、应变模态振型、MAC、COMAC、柔度曲率、模态应变能、里兹向量等。
3 模型修正法可采用矩阵型修正方法、元素型修正方法、误差因子修正方法(子矩阵修正方法)、设计参数修正方法。
4 结构损伤识别也可采用神经网络法、遗传算法、小波变换、希尔伯特-黄变换方法(HHT方法)等。
7．3 安全评估
7．3 安全评估
7．3．1 安全评估应符合下列原则：
1 结构在规定的设计使用年限内应具有足够的可靠度。
2 结构在施工和设计使用年限内应满足下列功能要求：
1)在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的作用。
2)在正常使用时具有良好的工作性能。
3)在正常维护下具有足够的耐久性。
4)在设计规定的偶然事件发生时及发生后，仍能保持规定要求的整体稳定性。
3 施加在结构上的荷载宜采用随机过程概率模型描述。
4 结构构件的可靠指标宜采用考虑基本变量概率分析类型的一次二阶矩方法进行计算。
7．3．2 安全评估可采用下列方法：
1 确定性方法。包括层次分析法、极限分析法。
2 可靠度分析方法。包括构件可靠度分析法、体系可靠度分析法。
附录A 传感器的选择和注意事项
A．1 传感器的分类和性能参数
附录A 传感器的选择和注意事项
A．1 传感器的分类和性能参数
A．1．1 结构健康监测用传感器和相关仪器类型按所监测的参数可分为下列几类：
1 环境监测类传感器，包括温度传感器、湿度传感器、风速传感器和地震动传感器等。
2 外部荷载监测类传感器，包括车速传感器和车载传感器等。
3 几何监测类传感器，包括位移传感器、转动传感器和全球卫星定位系统(GPS)等。
4 结构反应监测类传感器，包括应变传感器、位移传感器、加速度传感器和内力传感器等。
5 材料特性监测类传感器，包括锈蚀传感器、裂缝传感器和疲劳传感器等。
A．1．2 监测用传感器和相关仪器宜包括下列类型：
1 环境监测类传感器，包括温度传感器、湿度传感器、风速传感器、地震动传感器。
1)温度传感器包括接触式温度传感器和非接触式温度传感器。接触式温度传感器又包括热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器、半导体温度传感器、膨胀式温度计、光纤温度计。非接触式温度传感器又包括红外温仪、光学温度计。
2)湿度传感器有电子湿度计。
3)风速传感器包括机械式风速仪、超声风速仪、多普勒雷达、多普勒SODAR。
4)地震动传感器包括地震仪、强震仪。
2 外部荷载监测类传感器，包括车速传感器、车载传感器。
车速传感器包括雷达检测、激光检测、红外线视频检测、超声波检测、感应线圈检测、磁传感器检测、视频检测。
车载传感器包括石英压电传感器、光纤称重传感器、压电薄膜传感器、弯板式称重系统、动态称重系统。
3 几何监测类传感器，包括位移计、倾角仪、全球卫星定位系统(GPS)、电子测距器(EDM)、全站仪。
4 结构反应监测类传感器，包括应变传感器、位移传感器、转角传感器、加速度传感器、速度传感器、内力传感器。
应变传感器包括电阻应变计、钢弦式应变计、光纤光栅应变计。
位移传感器包括百分表、连通管、线性可变差动变压位移传感器(LVDT)、电阻电位计、激光测距仪、综合型加速度计(位移档)、微波干涉仪。
车专角传感器包括倾角仪。
加速度传感器包括压电加速度计、伺服式加速度计、电容式加速度计、雷达测速仪、激光多普勒速度仪(Laser Doppler Vibrome-ter，简称LDV)。
速度传感器包括综合型加速度计(速度挡)。
内力传感器包括：
1)应变式压力传感器：筒式应变测压传感器、活塞式应变压力传感器、平膜片式应变压力传感器。
2)压电式压力传感器。
3)压阻式压力传感器：膜片式压电压力传感器、固态压阻式压力传感器。
4)磁弹性仪。
5)剪力销。
6)索力：压力传感器、压力环、磁通量索力计、频率方法(加速度计)。
5 材料特性监测类传感器，包括监测锈蚀、裂缝、疲劳的传感器。
1)监测锈蚀的传感器包括：钢筋锈蚀仪、埋入式钢筋混凝土的腐蚀检测系统。
2)监测裂缝的传感器包括：裂缝数显显微镜、裂缝宽度测试仪、裂缝深度测试仪。
3)监测疲劳的传感器包括：混凝土疲劳计、钢结构疲劳计。
A．1．3 传感器主要性能参数应包括下列内容：
1 量程：传感器能测量的物理量的极值范围。
2 最大采样频率：传感器每秒从实际连续信号中提取并组成离散信号的采样最大个数。
3 线性度：传感器的输出与输入成线性关系的程度。
4 灵敏度：传感器在稳态下输出量变化对输入量变化的比值。
5 分辨率：传感器能够感知或检测到的最小输入信号增量。
6 迟滞：在相同测量条件下，对应于同一大小的输入信号，传感器正反行程的输出信号大小不相等的现象。
7 重复性：传感器在输入量按同一方向做全量程多次测试时所得的输入-输出特性曲线的一致程度。
8 漂移：传感器在输入量不变的情况下，输出量随时间变化的现象。
9 供电方式：传感器采用直流电供电还是交流电供电。
10 寿命：传感器的有效期。
A．2 应变传感器
A．2 应变传感器
A．2．1 应变传感器宜根据监测目的和要求，可按表A．2．1进行选择。
表A．2．1各种传感器特性
A．2．2 应变计的选择应充分考虑测量结构在制作、养护、施工及服役阶段的环境条件。对于监测长期处于潮湿、易腐蚀和高电磁干扰的结构应变时，宜采用光纤应变计；对于需要监测动荷载作用下的结构应变时，应采用电阻应变计和光纤应变计。
A．2．3 电阻应变计可按全桥或半桥方式制作。传感器的测量片和补偿片应选用同一规格同一批号的产品。电阻应变计和裸露焊点应采用绝缘胶保护；测点的连接应采用屏蔽电缆，导线的对地绝缘电阻值应在500MΩ以上；电缆屏蔽线应与被测物绝缘；测量和补偿所用连接电缆的长度和线径应相同。
A．2．4 电阻应变计及其连接电缆均应有可靠的防潮绝缘防护措施；电阻应变片及电缆的系统绝缘电阻不应低于200MΩ。
A．2．5 不同材质的电阻应变计应使用不同的粘贴剂。在选用电阻应变片、粘贴剂和导线时，应充分考虑监测对象在制作、养护和施工工程中的环境条件。
A．2．6 钢弦式应变计应按被测对象规格大小选择。仪器的可测频率范围应大于被测对象在最大加载时频率的1．2倍。使用前应对钢弦式应变计逐个标定，得出应变与频率之间的关系。
A．2．7 钢弦式应变计应通过与之匹配的频率仪进行测量，频率仪的分辨率应优于或等于1Hz。
A．2．8 结构健康监测所用的光纤光栅的性能参数应满足下列要求：
1 光纤光栅应进行退火处理，以保证其长期稳定性。
2 光纤光栅反射光3dB带宽应低于0．25nm。
3 光纤光栅反射率应大于90％。
4 边模抑制比应高于15dB。
5 对于0．25nm的带宽，光纤光栅的物理长度宜为10mm。
6 光纤光栅阵列波长间隔应大于3nm。
7 厂商所标出的传感器中心波长误差应控制在±0．5nm之内。
A．2．9 结构健康监测所用的光纤光栅解调设备的选型应符合下列规定：
1 对于静态测量，波长测量精度应小于3pm，重复性应小于5pm，波长年漂移量应低于30pm。
2 对于动态测量，波长测量精度应小于5pm，重复性应小于10pm，波长年漂移量应低于60pm。
3 宜采用气体(HCN及C2H2)吸收光谱作为波长。
A．2．10 光纤光栅测量时，对于采用可调谐滤波器解调原理的波长解调设备应考虑光在光缆中的有限传播速度造成的相位差。同一对象不同时期的监测，宜采用相等长度的光缆。光缆长度引起的解调波长误差，可按下式进行计算：
式中：X——光缆长度引起的解调波长误差(nm)；
A——波长解调设备的扫描波长范围(nm)；
f——波长解调设备的采样频率(Hz)；
L——测量用光缆长度(m)；
c——光速(m／s)。
A．2．11 应变片上任一点的应变，可按下列公式进行计算：
式中：εg——应变片的应变；
εm——结构的应变；
k——与应变片等材料有关的应变传递系数；
L——粘接长度；
μ——粘接层的泊松比；
Ec——粘接层的弹性模量；
Eg——应变片的弹性模量；
rm——结构表面至应变片中心的距离；
rg——应变片的厚度。
A．2．12 应变监测数据整理应符合下列规定：
1 采用电阻应变计测量时，可按下列公式对实测应变值进行导线电阻修正：
式中：ε——修正后的应变值；
ε＇——修正前的应变值；
r——导线电阻(Ω)；
R——电阻应变计电阻(Ω)。
2 采用光纤光栅应变计和钢弦式应变计测量时，应按给定的标定系数进行换算。
A．3 位移传感器
A．3 位移传感器
A．3．1 位移传感器可分为接触式和非接触式。监测用接触式位移传感器按测量原理可分为应变式、电位式、变压器式、磁弹性式等。
A．3．2 导电塑料电位器传感器宜包括下列参数：
1 要求的准确度、线性度。
2 期望量程范围。
3 可重复性／分辨率。
4 要求扭矩。
5 环境、振动、粉尘温度、湿度。
6 要求速度以及期望价格和寿命。
A．3．3 线性可变差动变压位移传感器(LVDT)应由一个初级线圈、两个次级线圈、铁芯、线圈骨架、外壳等部件组成。LVDT工作过程中，铁心的运动不应超出线圈的线性范围。
A．3．4 磁致伸缩位移传感器不宜用于小位移的测量。
A．3．5 采用GPS动态差分载波相位方法监测时，在GPS现场操作过程中，应符合下列要求：
1 接收机周围10°以上应无遮挡。
2 应采取有效的抗多路径措施。
3 接收机应远离电磁干扰源。
4 接收机应同时接收5颗以上卫星的信号。
5 接收机在满足数据采样频率要求的前提下，宜尽量高，且不宜低于5Hz。
6 接收机应具有良好的避雷措施和可靠的电力供应方案。
A．4 加速度传感器
A．4 加速度传感器
A．4．1 加速度传感器可分为压阻式、压电式和压容式，并应符合下列规定：
1 压阻式加速度传感器在使用时应避免环境冲击。
2 压电式加速度传感器可对很宽频率和很高辐值的振动讯号获得很准确的量测，并具有很好的环境抗力。
3 电容式加速度传感器应对温度效应进行温度补偿。
A．4．2 加速度传感器的选择宜考虑重量、频率响应和灵敏度等因素。
A．4．3 传感器内部结构宜根据晶体片感受振动的方式和安装形式选择。
附录B 常用的传感器布置准则和方法
B．1 传感器的布置准则
附录B 常用的传感器布置准则和方法
B．1 传感器的布置准则
B．1．1 加速度传感器布置宜符合下列准则：
1 模态保证准则。
2 模态矩阵的奇异值比准则。
3 平均模态动能。
4 Fisher信息阵。
5 模态的可视化程度。
6 表征最小二乘法准则。
B．1．2 模态保证准则矩阵可按下式进行计算：
式中：MACij——模态保证准则矩阵的第(i，j)个元素；
Φ——归一化后的模态矩阵，其每一列为结构的一个模态；
T——表示矩阵的转置。
B．1．3 模态矩阵的奇异值比可按下式进行计算：
式中：S——模态矩阵的奇异值比；
σ1和σm——分别为模态矩阵的最大与最小奇异值。
B．1．4 平均模态动能宜选择所有自由度模态动能中较大一部分的结构测点，以使得测试信号具有较高的信噪比，且得到的模态识别结果精度较高。
B．1．5 有效独立法的Fisher信息阵可按下式进行计算：
式中：F——Fisher信息阵。
B．1．6 模态的可视化程度是待识别的模态宜在结构的特征点或者整体上有一定分布，具有一定的可视化。
B．1．7 表征最小二乘法准则可按下式进行计算：
式中：Jr/s——表征最小二乘法准则的目标函数，其值越小越好，传感器位置所测数据估计的模态越准确；
OLS——利用较多传感器取得的模态坐标的最佳最小二乘估计；
s——采用某待选传感器组合时模态坐标的最小二乘估计。
B．2 传感器布置方法
B．2 传感器布置方法
B．2．1 加速度传感器可按下列方法进行布置：
1 模态动能法。
2 特征向量乘积法。
3 原点留数法。
4 有效独立法。
5 改进的MinMAC法。
6 QR分解法。
7 特征值灵敏度法。
B．2．2 模态动能法可按下式进行计算：
式中：MKEik——与第k个模态第i个自由度相对应的模态动能；
Φik——第k个模态在i点的分量，Mij为有限元质量阵中的相应元素；
Mij——有限元质量阵的第(i，j)个元素；
Φjk——第k个模态在j点的分量。
B．2．3 特征向量乘积指标可按下式进行计算：
式中：ECPi——第i个自由度的特征向量乘积指标。
模态分量加和指标可按下式进行计算：
式中：MSSPi——第i个自由度的模态分量加和指标。
B．2．4 原点留数法的指标可按下式进行计算：
式中：DPR——原点留数法的指标；
——矩阵Φ与Φ相对应的元素点点相乘；
Λ——对角的结构特征值矩阵，其每一个对角元为结构圆频率的平方。
B．2．5 有效独立法的有效独立系数可按下列公式进行计算：
式中：ED——有效独立系数；
Q——与Φ维数相同的n×m维的单位正交矩阵；
diag(．)——提取括弧内矩阵的对角元；
R——m×m维的上三角矩阵。
Q与R共同构成模态矩阵的“瘦”正交三角分解。
B．2．6 改进的MinMAC法可按下列步骤进行：
1 根据经验和结构特点选择初始若干传感器位置(少于所需传感器数目)。
2 增加一个待选传感器位置，按照式(B．1．2)计算其MAC矩阵并存储最大的非对角元，然后更换增加的传感器为另一个待选传感器位置，重新计算其MAC矩阵并存储最大的非对角元，这样继续下去直至所有的待选传感器位置都被计算过。然后比较所存储的各个最大的非对角元，选择其中最小者，在其所对应的位置布设一个传感器。
3 按照第2步的方法重复增加传感器，直到所需要的传感器数目为止。MinMAC法通过这种方式使每一个新增加的传感器都能使MAC矩阵非对角元素最大值最小化。
应用改进的MinMAC法时，可选择几个不同的“某个较大数值”进行比较，然后选择进行前向和后向搜索以便找到更加合理的布置位置组合。
B．2．7 模态矩阵的QR分解法可按下列步骤进行：
1 首先对结构振型矩阵的转置ΦT进行正交三角分解(QR分解)。
2 然后选择分解后的正交矩阵Q的前s列所对应的位置布设传感器。
B．2．8 特征值灵敏度法可按下列步骤进行：
1 设结构损伤只引起刚度的变化，而质量的变化可忽略不计。
2 计算特征向量的变化。
特征向量的变化可按下列公式计算：
式中：K1、K2……Kn——相应的结构刚度；
F(K)——第i阶模态振型改变对损伤系数向量δA的灵敏度。
3 按照有效独立法的相似过程构造Fisher信息矩阵。
4 依次删除对信息阵独立性贡献最小的行，最后保留的行即为传感器的布设位置。
本标准用词说明
本标准用词说明
1 为便于在执行本标准条文时区别对待，对要求严格程度不同的用词说明如下：
1)表示很严格，非这样做不可的：
正面词采用“必须”，反面词采用“严禁”；
2)表示严格，在正常情况下均应这样做的：
正面词采用“应”，反面词采用“不应”或“不得”；
3)表示允许稍有选择，在条件许可时首先应这样做的：
正面词采用“宜”，反面词采用“不宜”；
4)表示有选择，在一定条件下可以这样做的，采用“可”。
2 条文中指明应按其他有关标准执行的写法为：“应符合……的规定”或“应按……执行”。
条文说明
中国工程建设协会标准
结构健康监测系统设计标准
CECS333：2012
条文说明
1 总 则
1 总 则
1．0．1 近些年来结构健康监测技术发展迅速，但国内外还没有这方面的设计标准。促进该技术在我国得到进一步发展是制定本标准的目的。
1．0．2 宜进行健康监测的土木结构包括超长超高超限的结构、处于特殊环境的结构、形式特殊的结构、新型结构以及应用新技术的结构。对于了解较少或理解不成熟的结构参数也要进行适当监测。
1．0．3 结构健康监测的目的和功能主要包括：
1)验证结构设计、分析、试验时的假定和所采用的参数。
2)提高结构在施工过程中的安全性并使施工后的结构尽可能符合设计要求。
3)为结构的日常保养和管理提供建议。
4)当发生意外或灾害后，为结构状态评估和处理提供实际数据。
5)为新方法新技术的发展及应用提供建议。
设计监测系统时要根据结构物所处的环境、地理位置和地质条件、使用功能以及重要性、结构型式、受力特点来确定监测目的、监测内容、监测的频率和持续时间。做到目的明确，有的放矢，避免盲目跟从或追求形式。
1．0．5 各种传感器的性能指标(包括测量精度、线性范围、量程、使用环境及使用寿命)要与监测目的和监测要求相匹配，不能采用性能达不到监测要求的产品，也不宜采用高于监测要求太多的产品。各种硬件之间也要尽量相互匹配，避免资源浪费。
实际使用过程中部份硬件可能不能正常工作甚至完全损坏，因此对关键参数的监测或特别重要部位的监测，可配备多个同类型的设备或多种不同类型的设备，避免出现重要的监测数据质量不高或丢失的现象。
1．0．6 监测系统的硬件特别是传感器及传输线缆应有适当的保护措施以避免遭到人为或环境的破坏。除特殊位置的传感器外，大部分重要的传感器、所有的数据子站和数据总站宜考虑到后期维护的可行性，方便维护人员检查。
监测系统的使用寿命应以能达到监测目的为标准。施工监测系统宜贯穿整个施工期间；长期监测系统一般可使用三年以上，并且宜与施工监测系统(若有)有良好的过渡衔接。
3 传感器的选择和布置
3．2 传感器的布置原则
3 传感器的选择和布置
3．2 传感器的布置原则
3．2．3 模态保证准则MAC(Modal Assurance Criterion)是判断结构的实测模态向量是否相互线性独立的基本要求。模态保证准则要求该矩阵非对角元的值愈小愈好，表明各振型的线性相关性愈小。
模态矩阵的奇异值比(Maximum Singular Value Decomposi-tion Ratio)是指模态矩阵奇异值的最大值与最小值之比，可以作为衡量传感器布置位置好坏的一个尺度。该值越小，传感器组合位置越优。模态矩阵的最大奇异值比的下限是1，此时是最理想的情况，所选择的传感器位置定义的结构模态矩阵完全规则正交。
有三点理由说明采用奇异值比准则的必要性：(1)模态正交性的要求；(2)模态扩阶的要求；(3)模态可观性的要求。第一个要求说明，在模态测试时各阶模态要求尽可能线性独立，这也同时是模态保证准则的要求。当得到的模态矩阵完全正交时，其模态保证准则矩阵的最大非对角元为0，模态矩阵的所有奇异值都为1，其最大比值也为1，二者都达到最理想状态。因此，在模态正交性的意义上，这两个准则是等价的。模态扩阶的要求是指，试验识别的结构模态维数一般小于有限元的理论模态，因此如果想利用试验模态对理论模态进行验证就需要将试验模态进行扩阶或者理论模态进行缩聚。而试验模态扩阶通常需要计算模态矩阵的广义逆，如果该模态矩阵的最大奇异值比较大，则这样计算的矩阵广义逆或者得到的模态扩阶结果误差会相对较大。因此，试验模态扩阶要求模态矩阵的最大奇异值比尽可能小。采用模态矩阵的最大奇异值比的第三个理由是模态可观性的要求。因为当一个结构的运动方程写成状态方程的形式后，结构的模态可观性或者是模态的识别性是由系统可观性矩阵的秩来决定。如果模态矩阵的最大奇异值比太大，则计算机截断误差会导致可观性矩阵的数值秩小于其理论秩，而使某些结构模态不可识别。
平均模态动能要求在测点处关心的模态具有相对较大的动能，从而提高信噪比。结构的模态动能并不是平均地分配到结构的每个模态中，在结构的各个待选自由度上的分配也不均匀。因此希望结构测点所包含的结构模态动能能占结构所有自由度中所包含的模态动能中较大的一部分。因为只有这样，才能得到较好的测试信号信噪比，也才能得到精度相对较高的模态识别结果。
Fisher信息阵(Fisher Information Matrix)等价于待估参数估计误差的最小协方差矩阵，也同时度量了测试响应中所包含信息的多少。实践中，Fisher信息阵有不同的指标，它们是信息阵的值，迹和最小的奇异值。信息阵的值和迹越大越好，提高最小奇异值则能相对增加信息量，也就同时降低了被估参数的不确定性。极大化Fisher信息阵F会得到模态坐标的最佳估计，从而使各目标模态线性独立。
在实际试验时测试工程师首先应对结构的整个运动状况有一个初步了解，从模态试验中对待识别的模态有个基本印象，也即待识别的模态要在结构的特征点或者整体上有一定分布，要有一定的可视化程度。
模态的可视化程度准则依赖于测试工程师的直觉，具有一定程度的主观性。可视化程度是进行测试模态与理论模态比较的前提，对进行模态校验与验证和结构损伤识别等非常必要。这个准则不像前面的四个准则那样有具体的数学公式，它依赖于结构的特点，通常结构的中间或是角落的点对于动态显示结构的模态非常有益。
表征最小二乘法准则可以评价在总体的测试数据中选出一部分来近似总体估计的优劣。
3．3 传感器的布置方法
3．3 传感器的布置方法
3．3．2 加速度传感器布置的方法和注意事项如下：
(1)模态动能法考虑了结构各待选传感器位置对目标模态的动力贡献，粗略地计算在相应位置可能的最大模态响应。其优点在于可能通过选择模态动能较大的点提高结构动态响应信号测量时的信噪比，这对于结构健康监测中环境噪音较大的特点较为合适。因此，模态动能法一般用于在较复杂的测点布设中初选传感器位置，例如有效独立法。
模态动能法考虑了结构各待选传感器位置对目标模态的动力贡献，粗略地计算在相应位置可能的最大模态响应。其优点在于可能通过选择模态动能较大的点提高结构动态响应信号测量时的信噪比，这对于结构健康监测中环境噪音较大的特点较为合适。因此，模态动能法一般用于在较复杂的测点布设中初选传感器位置，例如有效独立法。
(2)特征向量乘积法和模态分量加和法比较符合一般的结构测试经验，而且计算简单，较受测试工程师青睐。然而实践表明，这两种方法虽然有助于避免选择结构各阶模态节点或者模态动能较小的位置，但是它们只能粗略地算出较好的传感器布设位置，并不能得出最佳的传感器位置组合。所以特征向量乘积法和模态分量加和法与模态动能法相似，只能用于初选传感器的位置。
特征向量乘积法和模态分量加和法比较符合一般的结构测试经验，而且计算简单。然而实践表明，这两种方法虽然有助于避免选择结构各阶模态节点或者模态动能较小的位置，但是它们只能粗略地算出较好的传感器布设位置，并不能得出最佳的传感器位置组合。所以特征向量乘积法和模态分量加和法与模态动能法相似，只能用于初选传感器的位置。原点留数法考虑了结构各待选测点的可激励程度。因为根据互易性定理，适合作结构激励的点也一般是结构较容易被激振的点，这些点适合布设传感器。
(3)有效独立法从所有可能测点出发，利用模态矩阵形成信息阵，按照各测点对目标模态矩阵独立性的贡献排序。依次删除对其秩贡献最小的待选测点，从而优化Fisher信息阵而使感兴趣的模态向量尽可能保持线性无关。有效独立法计算过程为：删除ED中最小的元素所对应的传感器位置，也即删除对目标模态矩阵Φ独立性贡献最小的行；再重新组成目标模态矩阵Φ计算式(B．2．5-2)，然后根据式(B．2．5-1)删除ED中最小的元素所对应的传感器位置；这样每次删除一个位置，直到达到所需要的传感器数量为止。
对于均匀质量分布的系统，有效独立法可看成是模态动能法的迭代形式。从线性回归的角度分析，有效独立法所选择的测点是振形矩阵所张成向量空间投影矩阵的对角元，实际上就是那些在回归时权重较大的点。物理意义上来说，这些点远离整体中心(可以看作全体待选测点的平衡位置)，是正交归一化后振形模态动能较大的点。实践中，有许多有效独立法的导出方法，例如能量优化技术，或者对不同的模态进行加权等选择。
(4)在应用MinMAC法时一个经常遇到的问题是：最大的非对角元素并不如预期的那样随着传感器数量的增加而单调减小。此时，可采用改进的MinMAC法，其计算过程如下：第一步和第二步与原法相同；第三步，增加传感器到所需要的传感器数目时并不停止计算，而是继续增加传感器数量直到某个较大数值，比如110％s，或者继续计算直至所有的待选传感器位置都被依次选中，这样所有待选传感器有一个前向依次增加的顺序。然后从所有这些选中的传感器中，逐次删除一个传感器使每次删除时MAC矩阵非对角元素最大值最小，直至达到所需要的传感器数量时停止计算。最后，比较前向增加过程和后向删除过程达到所需要的传感器数量时的两个MAC矩阵非对角元素的最大值，选择最小者所对应的那个传感器组合。与原来的前向连续增加的MinMAC法相比，这样扩展的MinMAC混合搜索算法一般能获得更小的最大非对角元，也即得到的结构振型有更好的分离度。
(5)QR分解法的核心思想在于找到模态矩阵线性独立的行，这样同时也使MAC矩阵的非对角元得到最小化。一般认为m个传感器已经足够，多余的(s—m)个传感器益处不多，还会使原先的m个传感器与后增加的(s—m)个传感器线性相关，会增大MAC矩阵的非对角元。
(6)特征值灵敏度法比较适合于基于模型修正的结构损伤识别，但是在应用需要注意损伤因该较小，否则线性化的灵敏度展开公式并不成立。
4 数据采集和处理
4．1 数据的采集
4 数据采集和处理
4．1 数据的采集
4．1．1 采集站和中心采集仪应满足数据的幅值、分辨率和容量的要求。
4．1．2 传感器系统空间分布较分散时宜考虑设置多个采集站，各采集站与中心信号采集仪相连，传感器与采集站，采集站与中心采集仪的连接须可靠、稳定。
4．1．3 监测系统应做到防雷击、防渗水；机箱应有接地措施；当所测光、电等信号微弱以致不易获得时，宜选择能满足采集系统要求的信号放大器；信号放大前应进行合理滤波以提高信噪比；信号放大器的安装位置应满足其所需的环境要求。
4．1．4 信号采集时，数据采集站位置应明确，能满足采集站安全、环境、电力、通信路径等要求。建议设置在结构物的计算机或消防控制中心，并采用稳定的工控机。
4．1．5 一级监测(在线实时监测系统)要求传感器系统、数据采集与传输系统、损伤识别与安全评定系统、数据管理系统全天候工作，实现在线监测；二级监测(定期在线连续监测系统)只在规定的连续时间(如每年1个月)传感器系统、数据采集与传输系统、损伤识别与安全评定系统、数据管理系统工作，实现在线监测；三级监测(定期监测系统)不需要监测系统，只在规定的时间采用无损检测技术获取需要的结构信息，并借以评定结构的安全性。一般而言，一级监测需要的费用投入最大、二级监测次之、三级监测最少。
4．1．8 严格同步要求信号时间的时间差不超过0．1ms，伪同步的时间差要满足响应的安全评估需要。
4．2 数据的处理
4．2 数据的处理
4．2．2 剔除粗差，保证监测数据的准确可靠；对于观测值中的系统误差，应尽可能按其产生的原因和规律加以改正、抵消或削弱；增加测量次数，减小偶然误差。数据净化，需要结合科学分析和经验判断并有确切依据，否则应慎重进行，避免损害正常信号。
4．2．3 对短时间内频繁发生的异常数据进行报警，要求现场技术人员查看现场状况、检查传感器的工作状态以及相应传输线路和数据采集硬件的工作状态，但采集系统仍正常工作。在此过程中，对偶然的，瞬时的异常数据一般不作处理和存储。
4．2．4 在所有经判断无异常的数据存储之前还需经过数据存储准则的判断，满足一定的要求，具有分析价值的数据将被存入数据库，以减小数据存储量，阈值的设定需视具体情况而定。
4．2．5 建议长度单位为米(m)，时间单位为秒(s)，温度单位为摄氏度(℃)。
4．2．6 建议同时输出以“公元1年1月1日1分1秒”为“1”，每隔一秒增量为“1”的时间码体系；如有必要则采用更高精度，时间码精度同时提高。
5 数据传输
5．1 设计要求
5 数据传输
5．1 设计要求
5．1．1 常用的数据传输方式包括以下几类：
1 基于信号的同步技术采用基于时钟同步模块的时钟频率共享技术，每个采集设备中装有时钟同步模块，再用有线介质将各个设备相连，以其中之一作为主模块，其余的作为从模块。主模块内部的时钟信号通过电缆同步从模块内部的时钟信号。采集设备的时间戳同步应采用同一网络时间服务器。
2 基于时间的同步技术是系统各部分具有一个公共的时间基准参考，可以基于该基准时间生成事件、触发和时钟。对于长距离传输，可以利用包括GPS、NTP、IEEE 1588和IRIG-B等各种时间参考，借助绝对定时实现测量结果的关联与同步。
3 有线传输是指两个通信设备之间使用物理连接，将信号从一方传到另一方。常用的介质有双绞线、同轴电缆和光缆等，常用的接口有RS232、RS422、RS485和RJ45等。
4 无线传输是指两个通信设备之间不使用任何物理连接，将信号通过空间传输的一种技术。通常可分为无线广域通信网(无线公网)和无线局域通信网两种方式。无线广域通信网络可采用GPRS和CDMA等方式；无线局域通信网可采用TCP／IP协议。
5．1．4 现场实际情况，包括工程进度、工程各阶段等现场情况。
1 注意外界事件的干扰，如土方开挖，电磁场干扰等，设计时要采取一定的保护措施。
2 大范围的结构健康监测系统是指占地面积较大或施工范围较广的工程建筑，如跨江跨海桥梁，高速公路等。
5．1．5 坚持因地制宜的原则，即要了解工程场地现场的各种条件，充分考虑到工程过程中可能遇到的各种问题，灵活选取合适的方式。
根据工程各阶段施工特点和需要组建临时通信网络的，尽量选择无线传输方式，便于布设和维护。
5．1．6 为提高系统可靠性，在选取传输介质时要充分利用现有条件，并以增设最少的中继器和转发器为原则；同时选取数据转换接口时也应以增加最少转换器为原则。
5．1．8 为保证数据传输线路故障时监测数据的完整性和可靠性，应设计数据备份机制。
1 数据发送端应保存一定时长的监测数据作为备份。具体时长应大于故障发生后维护人员现场处理的时间。
2 设置双卡槽以便在对存储介质数据进行读取时保证连续观测。
鉴于大型建筑物健康监测关系到生命财产的安全和工程施工的正常开展，因此作为联系监测现场和远程控制中心的数据通道要确保高效率无差错的传送。但任何一种通信线路上都不可避免受到一定程度的干扰，尤其在恶劣的施工环境下。信道噪声所造成的后果是接收端接收的数据与发送端不一致，即造成传输差错。为避免传输差错，应采取质量控制机制。
5．2 质量控制
5．2 质量控制
5．2．1 通信设备之间任何实际应用信息总是伴随着一些控制信息的传递，他们按照既定的通信协议工作，将应用信息安全、可靠、高效地传送到目的地。
5．2．2 健康监测涉及的传感器种类繁多、数量庞大，此外对于重点工程或重点时期(台风、洪水)需要进行全天时观测，存在海量数据的传输问题。若将海量数据整体传输必然导致可靠性下降，为此可将数据按照采集时间及采用通信线路的实际通信能力，对数据进行分包处理，以“包”为单位实施传输。在通信中，“包”(Pack-et)和“帧”(Frame)的概念相同，均指通信中的一个数据块。串行通信的数据格式有面向字符型的数据格式，如单同步、双同步、外同步；也有面向比特型的数据格式，以“包”为单位传输，每包根据需要可全部或部分采用以下六个部分组成，分别是标志区、地址区、控制区、信息区、帧校验区和标志区。采用“包”为单位传输机制后，为避免数据传输过程中因电源、信号中断或干扰造成的“包”丢失现象，因引入应答模式，具体设计可采用校验-重发-补发机制进行误码控制，以确保数据的可靠性和完整性。CRC的全称为Cyclic Redundancy Check，中文名称为循环冗余校验。它是一类重要的线性分组码，编码和解码方法简单，检错和纠错能力强，在通信领域广泛地用于实现差错控制。利用CRC进行检错的过程可简单描述为：在发送端根据要传送的k位二进制码序列，以一定的规则产生一个校验用的r位监督码(CRC码)，附在原始信息后边，构成一个新的二进制码序列数共k＋r位，然后发送出去。在接收端，根据信息码和CRC码之间所遵循的规则进行检验，以确定传送中是否出错。
常用的校验方法有奇偶校验和循环冗余校验两种。
1 奇偶校验是在传送字符的各位之外，再传送1位奇校验位或偶校验位，分别为奇校验方式或偶校验方式。奇偶校验不能纠错，但发现错误后可以要求重发。
2 循环冗余校验采用除法及余数的原理进行错误侦测。对数据质量要求较高或数据传输量较大的场合，宜采用循环冗余校验。常用的循环冗余校验码位数有8、16、32位，大型工程结构健康监测系统的数据通信设计时宜采用16位的循环冗余校验。
3 接收端将计算得到的奇偶校验或循环冗余校验校验码与数据包包含的校验码进行比较，二者一致，接收端给发送端确认信息，继续发送下一数据包。若校验不合格，接收端发送相应信息，要求发送端重新发送该数据包。
6 数据存储和管理
6．1 数据库系统的功能和设计原则
6 数据存储和管理
6．1 数据库系统的功能和设计原则
6．1．1 结构健康监测数据库系统是一个实时运行，集数据存储、查询、维护和分析于一体的软件系统，是存储介质、处理对象和管理系统的集合体。系统由软件、数据库和管理员组成。其软件主要包括操作系统、应用程序以及数据库管理系统。数据库由数据库管理系统统一管理，数据的导入、修改和检索均要通过数据库管理系统进行操作。管理员负责创建、监控和维护整个数据库，使数据能被授权用户有效使用。
6．1．2 数据库设计是建立数据库及其应用系统的核心技术，它是指利用现有的数据库管理系统，构造最优的数据模式，建立可用的数据库和应用系统，以便能够更有效地存储、管理和利用数据，满足用户的应用需求。
(1)可靠性是指数据库软件产品成熟，具有可靠的技术支持，确保系统稳定运行。
(2)先进性是指数据库软件产品采用最新、最成熟和有生命力的技术，以保证一定时期内不被淘汰。
(3)开放性是指数据库软件产品容易与其它数据库协作。由于各种软硬件平台日趋多样化，为了满足各种不同平台系统的要求，应用软件的设计应遵循开放系统的原则，与平台无关。
(4)可扩展性是指数据库软件产品能满足监测系统扩容的要求，便于必要时进行数据库升级并能够根据需要扩展新的功能。
(5)标准性是指数据库软件产品遵循公共的国际技术标准，以方便今后的升级维护。
(6)经济性是指数据库软件产品有良好的性价比。
(7)数据共享是指系统所有用户可同时访问数据库中的数据。数据库的设计强调多种应用、多用户共建共用，共享数据服务。同文件系统相比，由于数据库实现了数据共享，避免了用户各自建立应用文件而带来的数据冗余问题，同时数据共享有利于维护数据的一致性。
(8)数据库存储、管理和操作的对象是海量的数据，进行系统数据库设计时需要根据传感器数量、采样频率、监测时间等因素估计数据库的容量，保证数据有效的存储和使用，从整体上考虑系统设计的合理性。
6．2 数据库设计基本要求
6．2 数据库设计基本要求
6．2．1 在线实时数据处理分析包括对实时采集的数据进行处理和分析，用户处于在线工作状态。离线数据处理分析则主要是对某一时段以前的存档数据进行处理和分析。
6．2．3 监测设备一般包括对环境信息、荷载信息、结构反应信息和结构形态信息进行监测的传感器以及采集子站和采集总站设备，常用的传感器类型详见本标准附录A。故障检测包括定时轮询检测及报警，用户可根据实际设定检测及报警周期。
6．2．4 监测信息的自动导入指的是将观测数据通过传输模块进行预处理后导入到数据库中。数据导出的目的是便于为专业分析软件工具进行进一步的数据分析。
6．2．5 结构模型信息描述了进行评估分析时所需要的模型。如果分析模型有所改进，系统要支持利用新的评估模型进行分析的机制。
6．2．6 评估分析模块依据监测数据和结构模型对结构进行定量或定性的分析，并依据一定的准则评估结构的性能。评估准则本身可以添加、修改或删除。
6．2．7 数据转储主要利用数据库管理系统自身提供的归档功能进行数据归档。归档使用的大容量存储设备包括大容量磁盘、光盘、磁带等二级存储设备。
6．2．8 用户管理内容涉及以下几方面：
(1)用户角色定义。用户角色用来将系统使用的各种用户按照一定的业务要求划分为不同的角色，系统操作权限可以按照角色进行操作授权，同一种角色可以包含多个用户。通过角色授权以简化系统对用户管理的复杂度。
(2)用户属性定义。数据库管理系统应给出每个用户与角色相关的属性，如用户标识、角色组等，并应保证每个用户在数据库管理系统和其他系统中信息一致。
(3)用户标识。数据库管理系统要能成功地标识每个用户，对注册到数据库管理系统中的用户进行标识。用户标识信息是公开信息，一般以用户名和用户ID实现。为了管理方便，可将用户分组，也可使用别名。无论用户名、用户ID、用户组还是用户别名，都要遵守标识的唯一性原则。
(4)标识信息管理。应对用户标识信息进行管理、维护，确保其不被非授权地访问、修改或删除。
(5)用户鉴别。数据库管理系统要能成功地鉴别每个用户，对登录数据库管理系统的用户身份进行真实性鉴别。通过对用户所提供的鉴别信息进行验证，证明该用户确有所声称的某种身份，这些鉴别信息应是保密的，不可伪造的。
(6)鉴别失败处理。数据库管理系统应检测到与鉴别事件相关的不成功的鉴别尝试，当不成功鉴别尝试的次数达到或超过了定义的界限时，安全功能应终止会话建立的进程。
(7)访问历史。在会话成功建立的基础上，数据库管理系统应显示用户上一次不成功会话尝试的日期、时间、方法、IP地址等，以及从上一次成功会话建立以来的不成功尝试次数。
6．2．9 系统安全包含两层含义：第一层是指系统运行安全，系统运行通常受到的威胁包括一些网络不法分子通过网络入侵计算机系统使系统无法正常启动，或让系统超负荷运行以及其他损坏系统硬件设备的破坏性活动。第二层是指系统信息安全，系统信息通常受到的威胁包括黑客对数据库入侵，修改或窃取系统内的资料。因此系统安全既要考虑对数据库管理系统的安全保护，也要考虑对数据库管理系统中数据信息的保护(包括以库结构形式存储的用户数据信息和以其他形式存储的由数据库管理系统使用的数据信息)。所以系统安全保护的功能要求从系统安全运行和信息安全保护两方面综合进行考虑。
(1)网络安全管理与安全保护：主要指系统运行的外部安全环境，一般包括网络管理软件和安全保护系统。前者用于防止外部用户入侵系统所在的网络，后者则主要是各种防病毒软件。
(2)数据库容灾备份主要防止系统因一些不可抗因素导致硬件设备的损坏而采取的备份策略，建议有条件的地方建立异地容灾备份机制。
(3)敏感信息标记用于标识数据库系统中需要特别保护的数据或对象，依据使用方式的不同可以标识为公开、秘密、机密和绝密四个等级。敏感信息的安全设置一般由系统安全员进行设置。对于支持有效期的各种安全属性，数据库管理系统的安全功能应限制授权管理员规定有效期的能力。数据库管理系统的安全功能应支持授权管理员对有效期后所采取的活动做出规定。
(4)用户使用日志审计：一般由系统审计员进行审计，审计内容涉及一般信息与敏感信息操作使用的历史，以便追踪信息被破坏、泄漏的原因。
数据库系统安全管理还应考虑硬件、软件和人员方面的要求。
(1)由于数据库存放大量数据，数据库管理系统自身体积大，因此对硬件资源提出了较高要求，主要包括：
①应有足够大的内存来运行操作系统、数据库管理系统核心模块和应用程序及数据缓冲区。
②应有大容量的直接存储设备和用作数据备份的存储介质。
③应有较高的数据传输能力，应尽量降低因安全策略(如加密传输、事务处理)的实施带来的附加开销，保证系统的可用性。
④实现某些安全功能(如数据加密／解密)可能需要附加硬件及对附加硬件的管理。
(2)在软件方面，操作系统及接口的安全应为数据库管理系统的安全提供支持。
(3)人员管理方面，数据库管理系统应有专门的安全管理机构和人员设置。
6．2．10 预警信息处理包括监测信息预警机制以及相应处理措施的描述信息等。
6．2．11 数据装载的主要步骤包括：
(1)筛选数据：原始数据可能存在于各个部门中，首先将需要入库的数据筛选出来。
(2)输入数据：借助系统提供的输入界面，将原始数据输入到计算机中。
(3)校验数据：系统应采用多种检验技术，保证输入数据的正确性，防止非法的、不一致的错误数据进入数据库。
(4)转换数据：对于不符合数据库要求的数据，应进行数据格式转换。
(5)综合数据：对转换好的数据，根据系统的要求进一步综合成最终数据。
6．3 数据库的组成
6．3 数据库的组成
6．3．1 数据库的组成与数据库的功能相对应。
风速和风向属于环境信息，而风压是直接作用在结构上的风荷载；同样地，环境温度属于环境信息，构件温度与温度作用直接相关。各类原始信息和附加信息的记录存储依监测内容而异。比如，风速一般要记录三秒钟极值风速、十分钟平均风速、每小时平均风速、风玫瑰图、风谱图。地面脉动加速度要记录时程曲线、功率谱；车辆荷载一般要记录轮轴重量、总量、数量、车辆类型；环境温度和太阳辐射强度要记录每小时信息，统计日月年的最高温度、最低温度和温差；结构加速度要记录存储时程曲线、功率谱；静态应变、位移、倾角宜与环境温度同步记录，混凝土应变应记录徐变和收缩；结构坐标包括三个方向的几何坐标。
评估主体指评估人员或操作人员。评估结果以定期和以专题事件为单位的方式记录；定期记录指每个月、季度或年的分析评估结果；专题事件记录指突发事件(地震或台风)发生后的专题分析评估结果。
6．3．2 数据元是最小的不可再分的信息单位，是一类数据的总称，是对数据对象的抽象。
6．3．4 信息分类是根据信息内容属性，将信息按一定的原则和方法进行区分和归类，并建立起一定的分类系统和排列顺序，以便管理和使用信息。信息编码是在信息分类的基础上，将信息对象赋予有一定规律的、易于计算机和用户识别与处理的符号。
传感器信息宜根据传感器的类型分类并根据所在空间位置或所属子站编码，比如某加速度计的一个通道的编码可按表1进行编码。
表1某加速度计通道编码
子站信息宜根据子站所在空间位置编码。
6．4 数据库选型的要求
6．4 数据库选型的要求
6．4．1 由于监测数据的流量较大，为了保证数据处理和分析的效率，选择数据库系统时应考虑对海量数据的有效存储管理，并应考虑系统的扩展性。数据库系统要有较好的数据分布管理策略，如数据的分片存储、透明访问、分布备份等，必要时要求支持数据网格集成等技术。
6．5 系统交互方式
6．5 系统交互方式
6．5．1 监测系统按照应用交互要求自上而下可以分为三个层面：应用层(或表现层)、逻辑层和模型层(或数据存储层)。表现层主要是人机交互，体现的是用户与系统之间的互动；逻辑层包括监测系统与数据库系统之间的交互，体现对采集数据的处理逻辑和建立于各种数据模型之上的业务逻辑；模型层主要体现于系统建立的数据模型，包括数据库中存储的各种数据信息模式以及各种分析、评估模型等。
1 人机交互要充分考虑用户的使用习惯和感受。系统设计和实现时要界定哪些信息应由用户输入，尽量避免因为人为因素造成的数据输入错误和操作错误。在出现各种人为输入异常时系统要具有出错提醒、容错的能力，并建议系统能够给用户提供实时的智能帮助信息。
此外，为帮助系统进行适当的审计跟踪，建议系统在人机交互方面对于用户所操作的一些关键业务点采用日志进行自动记录。
2 监测系统与数据库的交互包括监测系统对监测设备数据库、监测信息数据库、结构模型信息数据库、评估分析信息数据库和用户数据库等进行数据储存、处理请求和提取；数据库管理系统利用自身的管理和处理功能为监测系统提供相应的信息服务。为确保采集数据正确送达并储存，数据传输系统和数据库系统之间需要采用一定的数据报文协议进行通信，协议要包含传感器自身的标识信息、监测数据信息、校验信息和应答信息等。如果采集的信息不能够正确送达，监测系统根据接收的内容可以要求数据传输系统再次发送之前缓存的信息，正确接收后，监测系统要向数据传输系统发送应答信息。
3 分布式数据库之间的协作交互要求系统实现时充分利用商业数据库管理系统所支持的分布式数据管理能力，实现系统数据存储的用户透明性、系统业务的协作性。
6．6 数据库的运行管理
6．6 数据库的运行管理
6．6．2 功能测试包括：实际运行应用程序，执行各类数据库操作，检验各种功能是否正确无误，是否满足设计要求。
性能测试包括：测量系统的性能指标，检验是否符合设计指标。
在数据库试运行阶段，由于系统还不稳定，软硬件故障随时都可能发生，因此应做好数据库的备份和恢复工作。
6．6．3 在数据库运行一段时间后，由于数据记录的不断增、删、改，会使数据库的物理存储变坏，从而降低数据库存储空间的利用率和数据的存取效率，使数据库性能下降；这时数据库管理员应借助数据库管理系统提供的实用程序对数据库进行重组织或部分重组织。同样，随着数据库的应用环境的变化，可能会导致实体或对象发生变化，从而不得不适当调整数据库的模式，这时数据库管理员需要对数据库进行重新构造。
7 损伤识别和安全评估
7．1 模态参数识别
7 损伤识别和安全评估
7．1 模态参数识别
7．1．1 结构模态测试的基本要求包括对设备的要求和测试要求。
1 设备要求：
动力检测试验设备一般包括激振设备，振动控制设备，测量和记录仪器，数据处理设备；若量程设置过大，测试信号过低，信噪比将降低；反之，若量程设置过小，则容易过载。体积小，重量轻的激振器可以减小对被测试系统的影响。
2 测试要求：
1)模型测试的结构模型可参考现行行业标准《建筑抗震试验方法规程》JGJ 101中的相关要求制作。
2)如果激振点正好选在结构某阶模态的节点上，则该阶模态不能被激发出来。即使激振点在节点附近，该阶模态的振动信号也很弱。如果激振点正好落在某阶模态的反节点附近，则激振力能有效激起该阶模态，但是由于反节点的振动幅值最大，可能超出测量仪器量程范围，并需要较大预应力才能使推力杆与力传感器(或结构)不脱离，这将增大预压力和传感器附加质量对结构的影响。
3)激振点的选取可由两种方法确定；根据经验确定，如果结构有自由端，激振点宜选在自由端附近，如果结构对称，不宜选在结构对称面上；根据试验确定，在通过经验初步确定的基础上，可选定几个激振点进行激励试验，测量若干个频响函数，观察由哪几个激振点激励所得到的频响函数不丢失重要模态，则此点为最佳激振点。
7．1．2 大跨桥梁、大型建筑等土木工程结构，通常难以对其实施人工激励，可以采用随机振动识别理论，通过测量“环境激励”下的输出响应来识别结构的模态参数。
环境激励下的工程结构模态参数识别方法可以分为三大类：
1 时域识别方法。可以克服频域法的一些缺陷，特别是对大型复杂结构受到风、浪及大地脉动的作用，它们在工作中承受的荷载很难测量，但响应信号很容易测得，直接利用响应的时域信号进行参数识别无疑是很有意义的。时域法是将振动信号直接进行识别，最基本、最常用的有Ibrahim时域法、最小二乘复指数法(LSCE法)、多参考点复指数法(PRCE法)、特征系统实现法(ERA法)、ARMA时序分析法、随机子空间识别法(SSI)。
时域参数法的主要优点是可以只使用实测响应信号，无需傅里叶变换，因而可以利用时域方法对连续工作的结构进行“在线”参数识别，这种在运营状态下识别的参数真正反映了结构的实际动态特性。由于时域法参数识别技术只需要响应的时域信号，从而减少了激励设备，大大节省了测试时间与费用，这些都是频域法所不具有的优点。但同时由于不使用平均技术，因而分析信号中包含噪声干扰，所识别的模态中除系统模态外，还包含噪声模态。如何区分和剔除噪声模态，一直是时域法中的重要课题。
2 频域识别方法。可分为单模态识别法、多模态识别法、分区模态识别法和频域总体识别法。对小阻尼且各阶模态耦合较小的系统，用单模态识别法可达到满意的识别精度。而对模态耦合较大的系统，应用多模态识别法。频域法的最大优点是利用频域平均技术，最大限度地抑制了噪声影响，使模态定阶问题容易解决，但也存在若干不足。
3 时频域识别方法。
实际工程中的很多环境激励是非平稳的随机过程，处理这种非平稳的时变信号需要能同时在时、频两域进行局部分析的方法和技术。联合时频域方法既有频域法的优点又有时域法的优点，既利用了直观的频率分布信息，又利用了包含丰富结构信息的时程响应数据。联合时频域方法将结构响应在时一频两域展开，有利于识别非线性响应结构的特征，是一种很有前途的动力学系统辨识方法。
基于小波变换以及基于希尔伯特-黄变换(HHT)的模态参数识别方法是两种主要的模态参数时频域方法，后者需要与经验模态分解(Empirical Mode Decomposition，简称EMD)联合使用来识别模态参数，而EMD技术尚有许多问题需要解决。
基于小波变换或希尔伯特-黄变换的联合时频域方法在处理非平稳激励下的模态参数识别方面得到了广泛的应用。基于小波的结构模态参数识别技术将信号变换到时-频域，这有利于识别结构的动态特征参数频率、阻尼和振型。
可参考的结构模态参数识别方法及特点如表2所示。
表2可参考的结构模态参数识别方法及特点
7．2 损伤识别
7．2 损伤识别
7．2．1 本条内容定义了结构损伤识别的目标。可供利用的结构响应数据，包括静力响应数据和动力响应数据，然而由于结构静力加载十分不便，并且响应测量一般要求在工作状态下进行，因而在实际工作中，往往较多采用动力响应数据。
本条内容定义了结构损伤识别的4个层次，即损伤判断、损伤定位、损伤定量、损伤评估，并针对不同情况提出了具体的要求。其中损伤定位可给出损伤位置的几何坐标，也可给出损伤单元或者构件的编号。
7．2．2 静力参数法通常在单元层次上，利用参数的残差分析来识别损伤。加静力荷载比较直观，也是结构状态评估目前普遍使用的方法。
结构的模态参数(固有频率、振型等)反应了结构固有的动力特性，是结构物理参数的函数。结构发生损伤后，结构的刚度(或质量)将发生改变，从而使结构的模态参数发生相应变化，因而可以根据结构动力参数的变化来辨识结构的损伤。典型的动力参数法是将观察到的动力参数改变与基准参数比较，并选择其中最有可能的改变来判断结构的真实状况。
常见的结构动力参数的计算方法如表3所示。
表3常见动力参数的计算方法
模型修正是利用结构实测数据(一般是模态参数)来修正结构的初始理论模型，使修正后的结构模型的响应与结构的实测响应相一致。而用模型修正法进行损伤识别时，应把有限元基准模型作为结构的初始理论模型，把损伤后的结构响应作为结构实测数据修正后的结构模型与初始基准模型的差异即反映为结构的损伤。
若有高精度的有限元基准模型可供利用时，可采用模型修正的方法进行结构物理参数辨识进而实现结构损伤识别的目的。模型修正法进行损伤识别是根据实测数据修正现有模型，修正后模型与原模型的差异即为结构损伤，因此在用模型修正方法进行损伤识别前，应具备与损伤前实测数据吻合的高精度有限元基准模型。模型修正方法已经较为成熟，可根据实际需要选用适当的方法。
神经网络是一种基于数据的非参数化非线性建模方法，其用于损伤识别的基本步骤，是构建结构的损伤数据集合，对神经网络进行训练，校验神经网络的有效性，利用训练得到的神经网络模型进行损伤识别。结构的损伤数据应根据用途划分为训练集、校验集、测试集。为了得到较好的结果，训练集一般应进行归一化。
神经网络近年来在结构损伤识别中得到了广泛应用。常用的神经网络模型有：BP神经网络、RBF神经网络，概率神经网络、自组织神经网络和模糊神经网络等，其中，最为常见的神经网络模型为BP神经网络和RBF神经网络。神经网络的拓扑结构应根据所解决的问题来选择，也可采用试错法或遗传算法以及其他优化方法确定。
遗传算法是模拟达尔文生物进化论的自然选择和遗传学机理的生物进化过程的计算模型，是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法。遗传算法将问题的求解表示成染色体(在计算机语言中一般用二进制码串表示)，从而构成一个染色体群，将他们置于问题的环境中，遵循优胜劣汰的原则，通过不断循环执行选择、交叉、变异等操作，逐渐逼近全局最优解。遗传算法对其目标函数既不要求连续，也不要求可微，仅要求可以计算，而且它的搜索范围始终遍及整个空间，操作方便，鲁棒性强，容易得到全局最优解。
小波变换法先对采集的数据进行离散，再对局部信号放大和聚焦，可以检验出信号突变的位置，从而精确的指出损伤发生的时刻，非常适合于分析和识别结构响应中其他方法难以发泄的局部损伤信息。小波变换对应的每一个小波基都有自己的结构和特性，分析效果也有所不同，因此小波基的选取很关键，目前主要凭借经验选取。
希尔伯特-黄变换(HHT)是美籍华人Norden E Huang在Hibert变换的基础上发展的一种方法，是一种专门针对非线性、非稳态时间序列进行分析的时域分析方法，适合分析非平稳过程的信号处理。该方法主要分两步，首先对信号进行经验模态分解，得到一系列的本征模函数或称本征模信号，然后对IMF进行Hil-bert变换，即可得到Hibert-Huang谱。基于Hibert-Huang变换的额Hibert谱比小波谱更能清晰地刻画信号能量随时间、频率的分布。该方法以瞬时频率为基本量，以本征模信号为基本时域信号，比以往的时域分析方法更能反应信号的时域特征。
结构损伤识别是一个正在蓬勃发展的新兴研究领域，大量的新的研究成果不断涌现，如ARMA模型方法、响应面法、奇异值检验方法等，因而，在实际工作中，也可采用其他的有效的损伤识别方法。
7．3 安全评估
7．3 安全评估
7．3．2 层次分析法是系统分析的工具之一，是一种定性与定量分析相结合的方法。层次分析法的基本思想，是将结构安全性指标按由粗到细、由整体到局部的原则分解为不同层次的详细指标，然后用求解判断矩阵特征向量的办法，求得每一层次的各元素对上一层次某元素的优先权重，最后再利用加权和的方法递阶归并各详细指标的贡献而最终求得结构安全性指标。结构承载能力即第二类稳定问题的计算方法与非线性有限元是密不可分的。运用非线性有限元计算结构承载能力的关键，是在单元分析中引入几何非线性、材料非线性、极限荷载的求解方法。
可靠度分析方法包括构件可靠度分析法、体系可靠度分析法。构件可靠度又包括FORM、JC、SORM、Monte Carlo。体系可靠度分析法又包括界限估算法、串联及并联和混联体系法、概率网络估算技术法、分枝界限法。
FORM(First-Order Reliability Method)即一次二阶矩可靠度方法。结构构件的可靠度指标宜采用考虑基本变量概率分析类型的一次二阶矩方法进行计算。
JC是国际结构安全性联合委员会(JCSS)推荐采用的方法，适应于随机变量为任意分布下结构可靠指标的求解，其基本原理：首先将随机变量原来的非正态分布“当量”化为正态分布，冉采用一次二阶矩方法求解可靠度指标。
SORM(Second-Order Reliability Method)即二次可靠度方法，采用结构极限状态曲面在设计验算点处的二次曲面来近似结构极限状态曲面，从而求取结构可靠度指标。
蒙特卡罗方法(Monte Carlo Method，简称MC法)是一种采用统计抽样理论近似地求解数学问题或物理问题的方法。
界限估算方法是一阶方法，取两种极限状态作为体系可靠度的上下限，利用基本事件的失效概率来研究多重模式的失效概率。
串联及并联和混联体系法：当结构体系中任意杆件失效时，即引起结构体系失效，称为“串联体系”；结构体系中的若干构件失效，才会引起结构失效，称为“并联体系”；结构体系的失效模式由一系列并联体系所组成的串联体系，即为“混联体系”。
概率网络估算技术法是把结构体系所具有的失效模式，根据其间的相关分析分成若干组，每组中的失效模式间具有很高的相关性，然后选取各组中失效概率最大的失效模式作为各组的代表，称为该体系的主要失效模式。
分枝界限法是通过分枝界限的途径，从众多的失效模式中，找出主要失效模式，计算结构体系可靠度的方法。分枝界限法包括分枝和界限两个步骤。
附录A 传感器的选择和注意事项
A．3 位移传感器
附录A 传感器的选择和注意事项
A．3 位移传感器
A．3．2 导电塑料电位器(又称电子尺)，其功能是把一个机械位移转换成电气信号，并且该信号能够与机械运动成正比。电刷装配连接到机械激励器，继而使塑料阻轨产生一个电压分配器。电位计的阻轨两端连接到稳定的直流电压(允许小电流)。当在电刷和修正阻轨之间测量时，信号电压是电压分配器的主要部分，并且与阻轨上的电刷位置成正比。导电塑料电位器作为一个电压分配器，可以不必着重于阻轨上的总电阻的准确度，因为温度波动只对电阻产生作用，不会影响到测量结果。
导电塑料电位器在低温下输出变化小，低扭矩操作和高速应用是导电塑料技术的独有特征。
A．3．3 LVDT的优点在于：①无摩擦测量；②无限的机械寿命；③无限的分辨率；④零位可重复性；⑤轴向抑制；⑥坚固耐用；⑦输入／输出隔离。
LVDT的主要限制是：①为得到线性性能，传感器的外壳要比行程长；②输出信号对输入被测量存在一定的非线性；③价格相对昂贵。
A．3．4 磁致伸缩位移传感器是利用磁致伸缩原理，通过两个不同磁场相交产生一个应变脉冲信号来准确地测量位置的。这种传感器的输出信号是一个真正的绝对值，而不是比例的或放大处理的信号，所以不存在信号漂移或变值的情况，更无需定期标定。
磁致伸缩位移传感器特点：①内部非接触式测量；②性能价格比高；③多种输出方式可供选择；④防浪涌、防射频干扰；⑤不需定期标定和维护；⑥安装方便；⑦高精度、高稳定性、高可靠性；⑧使用寿命长；⑨具有输入电源反向极性保护功能；⑩结构精巧、环境适应性强。它的缺点是不适于小位移的测量需求。
A．3．5 GPS动态差分载波相位方法的优点是：①各测站间无需通视，是相互独立的观测值；②可以全天候作业；③定位精度较高。实时定位精度平面可达10mm，高程可达20mm；④能同时测定点的动静态三维绝对坐标，无漂移现象；⑤操作方便，易于建成无人值守的自动监测系统。
A．4 加速度传感器
A．4 加速度传感器
A．4．1 压阻式加速度传感器的原理为压阻效应，即半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化，因此传感器可通过此原理来感测位移的变化。压阻式加速度传感器结构简单，外形小巧，性能优越，尤其可测量低频加速度。压阻式加速度传感器产生误差的主要原因是温度。由于传感器中扩散电阻的温度系数较大，电阻值随温度变化而变化，引起传感器的零位漂移和灵敏度漂移。零位温度的漂移一般可用串联电阻的方法进行补偿；灵敏度则随温度变化：当温度升高时，压阻系数减小，感测器的灵敏度也随之减小；反之则灵敏度随温度减小而增大。
压电式加速度传感器基于压电陶瓷等非晶方性结构材料对高频微小机械振动的优良响应特性，具有不受温度变化影响、防水性佳、电磁干扰保护和绝缘处理性强等技术特性。
电容式加速度传感器可将非电量的变化转换为电容量变化。传感器具有结构简单、分辨能力高、可非接触测量、耐冲击、可微型化的优点。但它在使用时受温度波动影响，因此应能对其温度效应进行温度补偿。
A．4．2 为获得高保真度的监测数据，需要根据监测的使用要求，选择最合适的加速度传感器。通常选择加速度传感器考虑的最主要因素是：质量、频率响应和灵敏度。
1 质量：
传感器作为被测物体的附加质量，会影响其运动状态。要求传感器的质量ma远小于被测物体安装点的动态质量m。
由于传感器质量影响，会使被测构件的振动加速度a降低，其降低的加速度△a＝a[1—m／(ma+m)]。
2 频率响应：
低频响应特性：加速度传感器的下限频率为—10％频响。当测试信号频率在5Hz以下时，应选择诸如隔离剪切结构等隔离基座应变、热释电效应等环境干扰性能好的加速度传感器。应变类加速度传感器具有响应静态信号的特性。
高频响应特性，可按式(1)进行计算：
式中：f0——谐振频率；
K——敏感结构的组合刚度；
M——质量块大小。
在敏感结构的组合刚度一定的前提下，质量块越大，谐振频率越低。大的质量块将产生高机械增益，传感器的灵敏度高、噪声低、频率范围窄。相反，小质量块将产生低机械增敏，传感器灵敏度低，输出小，但频率范围宽。
传感器的安装方式也会影响传感器的频率响应(不影响振幅)，安装面要平整、光洁，安装选择应根据方便、安全的原则。以下为同一只压电加速度传感器不同安装方式的使用频率：螺钉刚性连接(±10％误差)10kHz；环氧胶或502粘接安装6kHz；磁力吸座安装2kHz；双面胶安装1kHz。
3 灵敏度：
在电路不放大的基础上，质量块越大，传感器的灵敏度越高，系统的信噪比越高，抗干扰能力和分辨率也越强。灵敏度的选择受重量、频率响应和量程的制约。一般来讲，在满足频响、重量和量程的要求下，应尽量选择高灵敏度的传感器，这样可降低信号调理器的增益，提高系统的信噪比。
A．4．3 内部结构有压缩和剪切两大类，常见的有中心压缩、平面剪切、三角剪切、环型剪切。中心压缩型频响高于剪切型，剪切型对环境适应性好于中心压缩型。如压电式加速度传感器配用积分型电荷放大器测量速度、位移时，最好选用剪切型产品，这样所获得的信号波动小，稳定性好。