基于应变能治理信号的自适应窗口裂缝检测方法及系统与流程

本发明涉及工程结构检测，具体而言，涉及一种基于应变能治理信号的自适应窗口裂缝检测方法及系统。

背景技术：

1、在风电、航空复材、压力容器、桥梁和轨道交通等大型工程领域，裂缝检测已形成多类成熟的检测方法，包括超声无损探伤、声发射监测、光纤光栅传感阵列、电阻应变片分布式采集以及视觉图像识别等多个技术路线，均通过将各类传感检测设备布置于易损伤结构表面与内部，通过对应的物理信号捕捉结构损伤特征，结合固定阈值判别逻辑完成裂缝识别与风险预警。

2、在相关技术中，各类检测方法均采用统一恒定的监测参数对工程结构全域的同步采集，难以捕捉裂缝萌生阶段微弱局部应变能异常，同时会在大范围低风险完好区域持续产生无效采样与数据传输，在此基础上，长期运行造成传感器能耗、通信传输负载以及边缘计算算力的大量浪费，导致现有技术难以兼顾微裂缝早期识别与大型构件长效低功耗在线监测的工程需求。

技术实现思路

1、本发明解决的问题是如何实现裂缝检测精度与全域监测功耗的协同平衡。

2、为解决上述问题，本发明提供一种基于应变能治理信号的自适应窗口裂缝检测方法及系统。

3、第一方面，本发明提供一种基于应变能治理信号的自适应窗口裂缝检测方法，包括：

4、通过设置于待监测结构的检测设备，获取所述检测设备的检测位置的局部应变测量数据；

5、根据所述检测设备的检测位置对应的预设固定局部代表区域，将所述检测设备的局部应变测量数据转换为所述检测设备的检测位置的局部应变能；

6、根据所述检测设备的检测位置的局部应变能，生成所述检测设备的检测位置的应变能治理信号；

7、根据所述检测设备的检测位置的应变能治理信号，确定所述检测设备的检测位置对应的检测窗口的窗口半径和所述检测窗口内被调用的相邻设备数量；

8、根据所述检测设备的检测位置的窗口半径，确定所述检测设备的检测位置对应的空间检测范围，并在所述空间检测范围内按照所述被调用的相邻设备数量，调用其他检测设备按照预设的工作状态进行检测，得到所述其他检测设备的检测位置的局部应变能，所述工作状态包括采样频率、通信频率以及工作模式；

9、基于所述其他检测设备的检测位置的局部应变能进行裂缝异常判定，确定所述空间检测范围的裂缝异常位置和损伤评估结果。

10、可选地，所述检测设备设置于所述待监测结构的关键位置，所述关键位置与所述检测设备的检测位置相对应，其中，所述关键位置包括所述待监测结构的表面、内部、夹层、关键受力路径、焊缝附近、连接区域以及易损伤区域中的一种或多种；

11、所述待监测结构包括风电叶片、航空复合材料翼面、压力容器、桥梁、轨道交通结构、船舶结构、储能壳体、大型复合材料构件以及长期在线监测工程结构。

12、可选地，所述根据所述检测设备的检测位置对应的预设固定局部代表区域，将所述检测设备的局部应变测量数据转换为所述检测设备的检测位置的局部应变能，包括：

13、根据所述检测设备的局部应变测量数据，确定所述检测设备的检测位置在当前时刻的应力张量和应变张量；

14、基于所述检测设备的检测位置对应的预设固定局部代表区域，结合所述检测设备的检测位置在当前时刻的应力张量和应变张量，得到所述检测设备的检测位置在当前时刻的局部应变能。

15、可选地，所述根据所述检测设备的检测位置的局部应变能，生成所述检测设备的检测位置的应变能治理信号，包括：

16、获取所述检测设备的检测位置的历史最大局部应变能；

17、根据所述检测设备的检测位置在当前时刻的局部应变能进行求导，确定所述检测设备的检测位置的局部应变能变化率；

18、获取所述检测设备与所述检测设备的检测位置对应预设范围内的所有相邻检测设备之间的空间距离；

19、根据所述检测设备的检测位置和每个所述相邻检测设备的检测位置在当前时刻的局部应变能，结合所述检测设备与每个所述相邻检测设备的空间距离，确定所述检测设备的检测位置在所述预设范围内的局部应变能空间差异特征；

20、将所述历史最大局部应变能、所述局部应变能变化率以及所述预设范围内的局部应变能空间差异特征作为所述检测设备的检测位置的局部应变能特征参数，并根据所述局部应变能特征参数，生成所述检测设备的检测位置在当前时刻的应变能治理信号。

21、可选地，所述根据所述检测设备的检测位置的应变能治理信号，确定所述检测设备的检测位置对应的检测窗口的窗口半径和所述检测窗口内被调用的相邻设备数量，包括：

22、获取所述检测窗口的预设最小半径值和预设最大半径值以及所述检测窗口内的预设最小设备调用数量和预设最大设备调用数量；

23、基于所述检测设备的检测位置的应变能治理信号，结合所述预设最小半径值和所述预设最大半径值确定所述检测设备的检测窗口的窗口半径；

24、基于所述检测设备的检测位置的应变能治理信号，结合所述预设最小设备调用数量和所述预设最大设备调用数量，确定所述检测设备的检测位置对应的检测窗口内被调用的相邻设备数量；

25、其中，所述应变能治理信号分别与所述窗口半径和所述被调用的相邻设备数量成反比。

26、可选地，所述根据所述检测设备的检测位置的应变能治理信号，确定所述检测设备的检测位置对应的检测窗口的窗口半径和所述检测窗口内被调用的相邻设备数量，还包括：

27、当所述应变能治理信号大于或等于预设高风险信号阈值时，将所述检测设备的检测窗口的窗口半径减小至所述预设最小半径值，并将所述被调用的相邻设备数量减小至所述预设最小设备调用数量；

28、当所述应变能治理信号小于或等于预设低风险信号阈值时，将所述检测设备的检测窗口的窗口半径增大至所述预设最大半径值，并将所述被调用的相邻设备数量增大至所述预设最大设备调用数量；

29、其中，所述预设高风险信号阈值大于所述预设低风险信号阈值。

30、可选地，所述根据所述检测设备的检测位置的窗口半径，确定所述检测设备的检测位置对应的空间检测范围，并在所述空间检测范围内按照所述被调用的相邻设备数量，调用其他检测设备按照预设的工作状态进行检测，得到所述其他检测设备的检测位置的局部应变能，包括：

31、以所述检测设备的检测位置为中心，按照所述窗口半径确定所述检测设备的检测位置对应的空间检测范围；

32、获取所述空间检测范围内的所有所述其他检测设备的实际可用数量；

33、当所述实际可用数量大于或等于所述被调用的相邻设备数量时，根据每个所述其他检测设备与所述检测设备之间的空间距离以及每个所述其他检测设备的信号质量和结构关键性权重，选取数量等于所述被调用的相邻设备数量的所述其他检测设备作为被调用设备；当所述实际可用数量小于所述被调用的相邻设备数量时，将所述空间检测范围内的所有所述其他检测设备作为被调用设备；

34、基于所述检测设备的检测位置的应变能治理信号，确定所述被调用设备的工作状态，并根据所述被调用设备的工作状态，获取所有所述被调用设备的检测位置的局部应变测量数据；其中，当所述应变能治理信号大于或等于所述预设高风险信号阈值时，所述被调用设备的工作状态为预设的高功耗工作状态，通过检测窗口缩减掉的检测设备的工作状态为预设的低功耗非工作状态；当所述应变能治理信号小于或等于所述预设低风险信号阈值时，所述被调用设备的工作状态为预设的低功耗工作状态；当所述应变能治理信号小于所述预设高风险信号阈值且大于所述预设低风险信号阈值时，所述被调用设备的工作状态为预设的正常功耗工作状态；

35、根据所述被调用设备的检测位置对应的预设固定局部代表区域，将所述被调用设备的局部应变测量数据转换为所述被调用设备的检测位置的局部应变能。

36、可选地，所述基于所述其他检测设备的检测位置的局部应变能进行裂缝异常判定，确定所述空间检测范围的裂缝异常位置和损伤评估结果，包括：

37、根据所述检测设备的检测位置和每个所述被调用设备的检测位置的局部应变能，结合所述检测设备与每个所述被调用设备的空间距离，确定所述空间检测范围的局部应变能空间差异特征；

38、根据所述空间检测范围的局部应变能空间差异特征，确定所述空间检测范围的裂缝异常位置和损伤评估结果。

39、可选地，所述根据所述空间检测范围的局部应变能空间差异特征，确定所述空间检测范围的裂缝异常位置和损伤评估结果，包括：

40、根据所述空间检测范围的局部应变能空间差异特征，结合每个所述被调用设备的局部应变能进行裂缝异常判定，确定所述空间检测范围内的裂缝异常位置；

41、获取所述裂缝异常位置的历史最大局部应变能和局部应变能变化率；

42、根据所述裂缝异常位置的局部应变能幅值、所述历史最大局部应变能以及所述局部应变能变化率，综合评估所述裂缝异常位置的损伤程度，得到所述损伤评估结果。

43、第二方面，本发明还提供一种基于应变能治理信号的自适应窗口裂缝检测系统，包括：

44、检测单元，用于通过设置于待监测结构的检测设备，获取所述检测设备的检测位置的局部应变测量数据；

45、数据转换单元，用于根据所述检测设备的检测位置对应的预设固定局部代表区域，将所述检测设备的局部应变测量数据转换为所述检测设备的检测位置的局部应变能；

46、信号生成单元，用于根据所述检测设备的检测位置的局部应变能，生成所述检测设备的检测位置的应变能治理信号；

47、自适应调节单元，用于根据所述检测设备的检测位置的应变能治理信号，确定所述检测设备的检测位置对应的检测窗口的窗口半径和所述检测窗口内被调用的相邻设备数量；

48、所述检测单元还用于，根据所述检测设备的检测位置的窗口半径，确定所述检测设备的检测位置对应的空间检测范围，并在所述空间检测范围内按照所述被调用的相邻设备数量，调用其他检测设备按照预设的工作状态进行检测，得到所述其他检测设备的检测位置的局部应变能，所述工作状态包括采样频率、通信频率以及工作模式；

49、异常判定单元，用于基于所述其他检测设备的检测位置的局部应变能进行裂缝异常判定，确定所述空间检测范围的裂缝异常位置和损伤评估结果。

50、本发明的基于应变能治理信号的自适应窗口裂缝检测方法及系统，首先通过设置于待监测结构的检测设备获取局部应变测量数据，并结合预设固定局部代表区域将其转换为局部应变能，建立以应变能为表征的结构局部力学状态量化基础，由于应变能对局部刚度衰减和应力集中具有较高的灵敏度，能够在微裂缝萌生阶段捕捉到传统位移或应变测量难以发现的微弱异常信号，同时利用预设固定局部代表区域确保各检测位置应变能计算的标准化和一致性。在此基础上，根据局部应变能生成应变能治理信号，将原始应变能数据通过数学变换为一个可量化的控制指标，应变能治理信号本质上反映了结构局部能量集中程度和状态偏离强度；进而，根据应变能治理信号确定检测窗口的窗口半径及窗口内被调用的相邻设备数量，实现检测资源在空间维度和设备维度的优化分配，从而克服了传统方法以统一参数遍历全域所导致的高风险区域分辨率不足且低风险区域资源严重浪费的结构性矛盾；随后，根据窗口半径确定空间检测范围，并按照被调用的相邻设备数量精准调用相应设备进行检测，将窗口半径和设备数量落地为实际检测行动，确保检测资源的分配方案能够执行，在保证局部检测精度的前提下最大限度减少全时全域采样所带来的无效数据产生和冗余传输。最后，基于被调用设备的局部应变能进行裂缝异常判定，确定裂缝异常位置及损伤评估结果，在已完成聚焦的检测窗口内完成精准识别与量化评估。综上所述，本发明既保证了微裂缝早期识别所需的空间分辨率和检测灵敏度，又显著降低了长期在线监测中检测设备采集能耗、通信传输负载以及边缘计算压力，从而实现了裂缝检测精度与全域监测功耗的有效协同与动态平衡。