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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
CECS 333：2012

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

1．0．1 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。

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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

    MAC_ij——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；
    σ_m——模态矩阵的最小奇异值；
    F——Fisher信息阵；
    J_rls——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；
    MKE_ij——与第k个模态第i个自由度相对应的模态动能；
    Φ_ik——第k个模态在i点的分量；
    M_ij——有限元质量阵的第(i，j)个元素；
    Φ_jk——第k个模态在j点的分量；
    ECP_i——第i个自由度的特征向量乘积指标；
    MSSP_i——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；
    E_D——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。

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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

3．2．1 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

3．3．1 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。

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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

4．2．1 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。

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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

5．2．1 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

5．3．1 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。

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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

6．2．1 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

6．3．1 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

6．4．1 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

6．5．1 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

6．6．1 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。

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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

7．2．1 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

7．3．1 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。

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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．2．1 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：ε_g——应变片的应变；
          ε_m——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；
          E_c——粘接层的弹性模量；
          E_g——应变片的弹性模量；
          r_m——结构表面至应变片中心的距离；
          r_g——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．3．1 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．4．1 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。

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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：MAC_ij——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σ_m——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：J_r/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．2．1 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：MKE_ik——与第k个模态第i个自由度相对应的模态动能；
          Φ_ik——第k个模态在i点的分量，M_ij为有限元质量阵中的相应元素；
          M_ij——有限元质量阵的第(i，j)个元素；
          Φ_jk——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：ECP_i——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：MSSP_i——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：E_D——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Φ^T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……K_n——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

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”。

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