面向航空结构的多主体协作分布式光纤智能集成监测系统及其自诊断/自修复研究

For improving the predicting accuracy and self-diagnosis/self-repairing ability of the optical fiber structural health monitoring system, a distributed optical fiber intelligent integrated monitoring system based on multi-agent cooperative mechanism for typical aerospace structure is proposed in this project, and some typical loading cases are considered for the complex mechnical structure to verify the performance of the intelligent monitoring system. The key scientific problems which the optical fiber intelligent structural health monitoring system is confronted with，such as large size, complex structure and loading types are expected to be solved..The optimal placement and topology of the optical fiber sensor network are researched in the project. A distributed optical fiber intelligent integrated monitoring system which is composed of optical fiber sensing agents, signal processing agents, intelligent assessment agents, optical fiber sensor performance self-diagnosis/self-repairing agents and system cooperative agents is constructed. Depending on the cooperation and coordination mechanisms between each agent, the health status of the integrated structure is monitored, the optical fiber sensor in the sensor agents is detected, and the self-diagnosis/self-repairing ability of the local disabled network is also implemented..The research results not only promote the applications of the optical fiber structural health monitoring system in the large aerospace structural fields such as large-scale airliner, unmanned aerial vehicle and space station etc., but also provide reference for the multi-physics coupling integrated monitoring of complex mechanical structures such as intelligent heavy-duty machinery and delivery vehicle.

本项目提出研究面向典型航空结构的多主体协作分布式光纤智能集成监测系统，以提升光纤结构健康监测系统辨识精度和自诊断/自修复能力为目标，研究复杂机械结构在典型承载情况下基于多主体协作机制的分布式光纤智能集成监测系统，以期解决大尺寸、复杂结构形式和承载下的光纤智能结构监测系统所面临的关键科学问题。.本项目研究光纤传感器优化配置及其网络拓扑结构布局，构建由光纤传感主体、信号处理主体、光纤感知性能自诊断/自修复主体、智能评估主体及系统协调主体组成的分布式光纤智能集成监测系统。通过各主体间的协作协调机制，实现对结构健康状态集成监测，以及系统中光纤传感器自身健康状态检测、局部失效网络的自诊断/自修复。.研究成果有助于促进光纤结构健康监测技术在诸如大型客机、无人机及空间站等大型航空航天器结构中的应用，而且也能为日趋智能化的重型机械、运载工具研制所涉及的复杂机械结构多物理场耦合集成监测提供理论和实践储备。

本项目提出研究面向典型航空结构的多主体协作分布式光纤智能集成监测系统，以提升光纤结构健康监测系统辨识精度和自诊断/自修复能力为目标，研究复杂机械结构在典型承载情况下基于多主体协作机制的分布式光纤智能集成监测系统，以期解决大尺寸、复杂结构形式和承载下的光纤智能结构监测系统所面临的关键科学问题。主要研究内容及结果如下：.①. 基于多主体协作的分布式光纤智能监测框架模型及其协作机制研究.项目研究中，以典型航空结构试验件为研究对象，构建了光纤传感主体、光纤感知性能自诊断/自修复主体、智能评估主体、信号处理主体构成的多主体模型。.②.光纤传感主体功能属性及实现方法研究.研究相应光纤传感主体内部监测器件、种类、结构、行为、增敏及封装等多方面个体属性；对光纤传感主体从数量优化和位置配置两个方面进行优化研究；最后对网络拓扑结构属性研究，探索适合的拓扑结构优化评价函数，从理论和实验两方面研究各网络结构的系统性能及可拓展性。.③.信号处理主体属性及实现方法研究.首先探索背景噪声的滤除方法，研究了结构受到不同物理场和损伤与光纤传感器感知信号的时域、频域、时频域等特征参数之间的定量理论关联模型，并针对不同物理场信号属性，建立基于时域、频域（以FFT为主）、时频域分析（如小波分析）及经验模式分解（EMD）方法、自适应滤波等信号处理知识库。.④.光纤感知性能主体自诊断/自修复主体属性及实现方法研究.从数值仿真角度探索光纤传感器性能退化规律、失效机理以及损伤对传感信号的影响规律与衰变模型，并研究网络中故障传感器的检测方法；建立被监测对象故障状态与光纤传感信号之间的联系特征库；在此基础上，研究相应智能规划算法实现存活传感器件智能重组规划。.⑤.智能评估主体属性及实现方法研究.针对不同的传感主体状态，采用支持向量回归机对有效传感器信号进行训练并建立相应学习机模型，基于网格搜索、遗传算法和粒子群优化算法等算法实现对静态、动态载荷的位置识别。.⑥.系统协调主体属性及实现方法研究.在多个智能主体之间引入分布式黑板结构、德尔菲法的协作技术，对大型结构冲击载荷定位准确辨识问题以及静态载荷位置识别问题进行了研究。.⑦.多主体协作分布式结构健康监测系统软硬件实现及功能验证研究.搭建了多主体光纤结构健康监测演示系统，在飞机机翼盒段试验件和航空铝板结构试验件进行了功能验证。