基于信息融合的结构损伤诊断方法和结构损伤诊断系统技术领域
本发明实施方式涉及结构健康监测技术领域，特别是涉及一种基于信息融合的结
构损伤诊断方法和结构损伤诊断系统。
背景技术
结构健康监测是指利用现场的无损传感技术，通过包括结构响应在内的结构系统
特性分析，达到检测结构损伤或退化的目的。它的研究目的就是通过结构中的传感器网络
来实时获取结构对环境激励(人为的或自然的)的响应，并从中提取结构的损伤和老化信
息，为结构的使用和维护工作提供参考。由于有线传感器网路具有稳定性好、准确性高、数
据传递速度快、抗干扰能力好、维修成本低及产品系列化等特点，所以实际工程多采用有线
传感器网络。
但是有线传感器网络也有不可避免的难题：(1)有线传感器必须通过电缆连接到
控制中心，大量的铺设电缆，不仅昂贵、耗时，而且监测过程中不易维护；(2)需要监测的点
必须是可以接近的，否则有线传感器难以胜任；(3)铺设的电缆受环境影响比较大，不利于
监测点信号的采集。为了克服有线传感器网络的这些问题，伴随着传感技术、机械电子技术
和无线通信技术的快速发展，低成本、小体积、多功能及低功耗的无线传感器应运而生，以
无线传感器为基础构建的无线传感器网络也逐渐应用于结构健康监测领域
然而，现有的无线传感器网络多采用集中式数据采集方式和独立式数据处理方
式。如图1所示，是采用集中式数据采集方式的无线传感器网络的架构示意图。该无线传感
器网络由基站11和与基站11分别通信的多个无线传感节点12组成，各个无线传感节点将采
集的数据，直接发送到基站进行处理，这种无线传感器网络与传统的有线传感器网路采集
数据传送到基站是一样的，只进行数据采集，并没有利用无线传感节点的数据计算能力对
采集的数据处理。而且该无线传感器网络只能勉强适用于土木工程结构简单，数据通信量
较少的情况，随着土木工程结构日益趋向复杂和庞大，结构健康监测需要布置大量的无线
传感器，随着节点数的增加，数据通信量将成千上万的递增，集中存储的数据量会因超过带
宽而溢出。此外，将传感节点上的数据全部传递给基站，需要大量的时间，而且对无线传感
节点的能量单元也是极大的挑战
采用独立数据处理方式的无线传感器网络的网络架构与图1相同，这种无线传感
器网络中的各传感节点之间不进行组网，仅把处理后的数据传送到基站。该无线传感器网
络的各传感节点之间并没有共享信息，空间信息易被丢弃。因此，这种无线传感器网络不能
求出类似于整体模态振型这种需要多个传感节点数据融合才可计算出的结果，因此制约了
其在结构健康监测领域中的发展。
发明内容
本发明实施方式主要解决的技术问题是提供一种基于信息融合的结构损伤诊断
方法和结构损伤诊断系统，能够提高结构损伤诊断精度、减少通信量、实现对结构的实时诊
断。
为解决上述技术问题，本发明实施方式采用的一个技术方案是：提供一种基于信
息融合的结构损伤诊断方法，基站与至少一个簇头通信，每一所述簇头与至少一个传感节
点通信，所述所有簇头之间进行信息共享，所述结构损伤诊断方法包括：每一所述簇头接收
来自所述基站的采集指令，并根据所述采集指令向簇内的各所述传感节点分配需求信息；
每一所述传感节点根据所述需求信息采集结构在时域下的特征量信号，采用自然激励技术
NExT/随机减量技术RTD转化函数提取所述特征量信号的相关函数和权值，并将所述相关函
数和权值发送给所在簇的簇头；每一所述簇头根据簇内每一所述传感节点的相关函数和权
值以及每一所述传感节点的位置估算出簇内结构的相关函数矩阵，采用特征系统实现ERA/
易卜拉欣时域ITD算法获得所述相关函数矩阵的模态参数，将所述模态参数与预设健康状况
参数进行对比得到簇内结构的损伤诊断信息，并将所述损伤诊断信息发送给所述基站；所
述基站根据每一所述簇头发送的损伤诊断信息生成损伤诊断报告。
其中，每一所述簇头在将所述损伤诊断信息发送给所述基站的步骤具体包括：每
一所述簇头与相邻簇头进行损伤诊断信息的信息共享，以分析得到损伤系数；每一所述簇
头根据损伤系数确定损伤位置及损伤程度；所有簇头中预先指定的母簇头从所有簇头中选
择一个簇头作为控制器簇头；所述控制器簇头将每一所述簇头的损伤位置及损伤程度发送
给所述基站。
其中，所有簇头中预先指定的母簇头从所有簇头中选择一个簇头作为控制器簇头
的步骤具体包括：每一所述簇头将所述权值和所述模态参数进行数据融合得到损伤特征向
量；所有簇头中预先指定的母簇头将每一所述簇头的损伤特征向量进行比对，并根据比对
结果选择一个簇头作为控制器簇头。
其中，所述每一所述簇头接收来自所述基站的采集指令，并根据所述采集指令向
簇内的各所述传感节点分配需求信息之前，所述结构损伤诊断方法还包括：所述基站与每
一所述簇头和每一所述传感节点进行时间同步。
其中，所述预设健康状况参数在所述基站、所述簇头和所述传感节点进行初始通
信部署时设定。
为解决上述技术问题，本发明实施方式采用的另一个技术方案是：提供一种基于
信息融合的结构损伤诊断系统，所述结构损伤诊断系统包括基站、簇头和传感节点，所述基
站与至少一个簇头通信，每一所述簇头与至少一个传感节点通信，所述所有簇头之间进行
信息共享，其中：每一所述簇头用于接收来自所述基站的采集指令，并根据所述采集指令向
簇内的各所述传感节点分配需求信息；每一所述传感节点用于根据所述需求信息采集结构
在时域下的特征量信号，采用自然激励技术NExT/随机减量技术RTD转化函数提取所述特征
量信号的相关函数和权值，并将所述相关函数和权值发送给所在簇的簇头；每一所述簇头
还用于根据簇内每一所述传感节点的相关函数和权值以及每一所述传感节点的位置估算
出簇内结构的相关函数矩阵，采用特征系统实现ERA/易卜拉欣时域I TD算法获得所述相关
函数矩阵的模态参数，将所述模态参数与预设健康状况参数进行对比得到簇内结构的损伤
诊断信息，并将所述损伤诊断信息发送给所述基站；所述基站用于根据每一所述簇头发送
的损伤诊断信息生成损伤诊断报告。
其中，每一所述簇头具体用于与相邻簇头进行损伤诊断信息的信息共享，以分析
得到损伤系数；以及根据损伤系数确定损伤位置及损伤程度；所有簇头中预先指定的母簇
头用于从所有簇头中选择一个簇头作为控制器簇头；所述控制器簇头用于将每一所述簇头
的损伤位置及损伤程度发送给所述基站。
其中，所有簇头中预先指定的母簇头从所有簇头中选择一个簇头作为控制器簇头
之前，每一所述簇头用于将所述权值和所述模态参数进行数据融合得到损伤特征向量；所
有簇头中预先指定的母簇头用于将每一所述簇头的损伤特征向量进行比对，并根据比对结
果选择一个簇头作为控制器簇头。
其中，所述基站在每一所述簇头接收来自所述基站的采集指令之前，还用于与每
一所述簇头和每一所述传感节点进行时间同步。
其中，所述预设健康状况参数在所述基站、所述簇头和所述传感节点进行初始通
信部署时设定。
本发明实施方式的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明实施方式在原有
无线传感器网络基础上从无线传感器网络的传感节点结构进行进一步划分，还对每一级结
构进行数据融合处理，从而能够提高结构损伤诊断精度、减少通信量、实现对结构的实时诊
断，可以有效降低系统的能耗，大大降低系统的负荷，有利于结构健康监测的智能化。
附图说明
图1是采用集中式数据采集方式的无线传感器网络的架构示意图；
图2是本发明实施方式基于信息融合的结构损伤诊断方法的流程示意图；
图3是本发明实施方式基于信息融合的结构损伤诊断系统的架构示意图。
具体实施方式
参阅图2，是本发明实施方式基于信息融合的结构损伤诊断方法。其中，基站与至
少一个簇头通信，每一簇头与至少一个传感节点通信，所有簇头之间进行信息共享，结构损
伤诊断方法包括：
步骤101：每一簇头接收来自基站的采集指令，并根据采集指令向簇内的各传感节
点分配需求信息。
需求信息包括每个传感节点的触发条件cj。
步骤102：每一传感节点根据需求信息采集结构在时域下的特征量信号，采用NExT
(Natural Excitation Technique，自然激励技术)/RTD(Random Decrement Technique，随
机减量技术)转化函数提取特征量信号的相关函数和权值，并将相关函数和权值发送给所
在簇的簇头。
NExT/RTD转化函数用来获取随机激励下的振动响应相关函数，用来代替原始响应
信号。具体而言，各传感节点对采集到的数据执行NExT转换，然后通过NExT技术提取特征量
信号的相关函数和权值。
相关函数记为E(xi(t)/cj)，E()表示期望函数，xi(t)表示振动响应，cj表示簇头分
配触发条件，权值记为Aij。
步骤103：每一簇头根据簇内每一传感节点的相关函数和权值以及每一传感节点
的位置估算出簇内结构的相关函数矩阵，采用ERA(Eigensystem Realization Algorithm,
特征系统实现)/ITD(Ibrahim time domain，易卜拉欣时域)算法获得相关函数矩阵的模态
参数，将模态参数与预设健康状况参数进行对比得到簇内结构的损伤诊断信息，并将损伤
诊断信息发送给基站。
模态参数包括模态振型，固有频率，结构阻尼比等。预设健康状况参数在基站、簇
头和传感节点进行初始通信部署时设定。
在本实施方式中，将损伤诊断信息发送给基站的步骤具体包括：
每一簇头与相邻簇头进行损伤诊断信息的信息共享，以分析得到损伤系数；每一
簇头根据损伤系数确定损伤位置及损伤程度；所有簇头中预先指定的母簇头从所有簇头中
选择一个簇头作为控制器簇头；控制器簇头将每一簇头的损伤诊断信息发送给基站。
母簇头可以是任意一个簇头。进一步地，所有簇头中预先指定的母簇头从所有簇
头中选择一个簇头作为控制器簇头的步骤具体包括：每一簇头将权值和模态参数进行数据
融合得到损伤特征向量；所有簇头中预先指定的母簇头将每一簇头的损伤特征向量进行比
对，并根据比对结果选择一个簇头作为控制器簇头。
损伤特征向量记为[D]，[D]＝Aij*δij，δij表示模态参数，Aij为前述的权值。
步骤104：基站根据每一簇头发送的损伤诊断信息生成损伤诊断报告。
在本实施方式中，每一簇头接收来自基站的采集指令，并根据采集指令向簇内的
各传感节点分配需求信息之前，结构损伤诊断方法还包括：基站与每一簇头和每一传感节
点进行时间同步。进行时间同步可以保证基站、簇头与传感节点的协同性。
本发明实施方式的结构损伤诊断方法具有四级数据融合，首先是第一级的数据融
合：簇头接收到采集指令并向传感节点分配需求信息时，传感节点采用NExT/RTD转化函数
进行相关函数和权值的提取。然后是第二级的数据融合：传感节点将相关函数和权值发送
给所在簇的簇头，簇头估算出簇内结构的相关函数矩阵，并采用ERA/ITD算法获得所述相关
函数矩阵的模态参数。其次是第三级的数据融合：簇头在得到损伤诊断信息时，与相邻簇头
进行损伤诊断信息的信息共享，以分析得到损伤系数。最后是第四级的数据融合：母簇头从
所有簇头中选择一个簇头作为控制器簇头，控制器簇头向基站报告损伤位置及损伤程度
时。通过这四级数据融合，不仅降低了系统的通信量，也大大加强了系统的稳定性和安全
性，避免了信息的丢失与损伤情况的误判。
对于上述第一级数据融合和第二数据融合，首先由每个簇头簇内的各个传感节点
来采集结构的特征量信号，然后传感节点采用NExT/RTD转化函数对数据进行融合处理得到
相关函数。此后，再由传感节点将求得的相关函数发送给所在簇的簇头。最后，簇头接收到
传感节点发送的相关函数后，采用ERA/ITD算法获得模态参数。
需要说明的是，传感节点采集到的特征量信号为表征结构损伤的敏感信号，例如
是加速度信号、应变信号、温度信号中的一种或多种。
参见图3，是本发明实施方式基于信息融合的结构损伤诊断系统的架构示意图。本
实施方式的结构损伤诊断系统包括基站201、簇头202和传感节点203，基站201与至少一个
簇头202通信，每一簇头202与至少一个传感节点203通信，所有簇头202之间进行信息共享。
每一簇头202用于接收来自基站201的采集指令，并根据采集指令201向簇内的各
传感节点203分配需求信息。需求信息包括每个传感节点的触发条件cj。
每一传感节点203用于根据需求信息采集结构在时域下的特征量信号，采用NExT/
RTD转化函数提取特征量信号的相关函数和权值，并将相关函数和权值发送给所在簇的簇
头202。NExT/RTD转化函数用来获取随机激励下的振动响应相关函数，用来代替原始响应信
号。具体而言，各传感节点203对采集到的数据执行NExT转换，然后通过NExT技术提取特征
量信号的相关函数和权值。相关函数记为E(xi(t)/cj)，E()表示期望函数，xi(t)表示振动
响应，cj表示簇头分配触发条件，权值记为Aij。
每一簇头202还用于根据簇内每一传感节点203的相关函数和权值以及每一传感
节点203的位置估算出簇内结构的相关函数矩阵，采用ERA/ITD算法获得相关函数矩阵的模
态参数，将模态参数与预设健康状况参数进行对比得到簇内结构的损伤诊断信息，并将损
伤诊断信息发送给基站201。模态参数包括模态振型，固有频率，结构阻尼比等。预设健康状
况参数在基站、簇头和传感节点进行初始通信部署时设定。
基站201用于根据每一簇头202发送的损伤诊断信息生成损伤诊断报告。
在本实施方式中，每一簇头202具体用于与相邻簇头进行损伤诊断信息的信息共
享，以分析得到损伤系数；以及根据损伤系数确定损伤位置及损伤程度；所有簇头202中预
先指定的母簇头用于从所有簇头202中选择一个簇头202作为控制器簇头；控制器簇头用于
将每一簇头202的损伤位置及损伤程度发送给基站201。
母簇头可以是任意一个簇头202。进一步地，所有簇头202中预先指定的母簇头从
所有簇头202中选择一个簇头202作为控制器簇头之前，每一簇头202用于将权值和模态参
数进行数据融合得到损伤特征向量；所有簇头202中预先指定的母簇头用于将每一簇头202
的损伤特征向量进行比对，并根据比对结果选择一个簇头202作为控制器簇头。损伤特征向
量记为[D]，[D]＝Aij*δij，δij表示模态参数，Aij为前述的权值。
在本实施方式中，基站201在每一簇头202接收来自基站201的采集指令之前，还用
于与每一簇头202和每一传感节点203进行时间同步。进行时间同步可以保证基站201、簇头
202与传感节点203的协同性。
需要说明的是，传感节点203采集到的特征量信号为表征结构损伤的敏感信号，例
如是加速度信号、应变信号、温度信号中的一种或多种。
本实施方式的结构损伤诊断系统采用协同式数据处理方式，该组网方式是以局部
识别法为基础的一种无线组网方式。低成本、小体积、多功能及低功耗的无线传感器为土木
工程结构密集布满无线传感器提供了先决条件。该组网方式是一种分层协同式组网方式，
能够克服集中式和独立式处理数据的局限。在这种组网方式里，无线传感节点被分成不同
的层协调处理数据，传感节点之间互相融合数据，降低了需要传送的通信量，并且该组网方
式可以保存空间信息，能很好的融合多个节点信息，能够求解出类似于整体模态振型这种
需要多个节点数据融合才可计算出的结果，可以扩展到密集布置无线传感器的大型土木工
程结构上。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本
发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的
技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。