基于车辆无关相干滤波的行车模态频率识别对运行变量的敏感性

《Engineering Structures》：Sensitivity to operational variables in drive-by modal frequency identification using vehicle-independent coherence filtering

　　

•无需特定车辆动力信息即可实现桥梁的动力识别。
•开发了通用参数，在四辆车辆中实现了 86.0% 的精度。
•轮胎状况成为一个关键参数，而速度和车道的影响被观察到相对较小。
•在新桥梁上验证了跨桥泛化能力，精度为 84.2%。
•开发了具有车辆无关行驶通过式传感的运行包线。

引言
全球民用基础设施日益恶化，增加了支持结构安全和提高社区韧性的数据驱动方法的紧迫性 [1], [2], [3]。尽管传统的结构健康监测（SHM）系统可以提供连续的高质量数据进行状况评估 [4], [5]，但其广泛实施仍受限于高昂的安装和长期维护成本。因此，永久传感系统通常仅安装在主要或高价值结构上，而大多数桥梁在周期性的人工检查之间仍未配备仪器，这些检查耗时、主观且劳动密集 [6], [7]。仅在美国，就有约 40% 的桥梁被报告处于一般、差或极差的状态，突显了延迟维护问题的规模 [2]。这种持续的“监测差距”使得基础设施所有者在检查周期之间掌握的信息有限，并凸显了对可扩展且经济的评估策略的需求 [8], [9], [10]。

一种更移动式的传感形式作为解决这一差距的有希望替代方案应运而生 [11], [12]。在这些方法中，传感是使用现有或故意安装在移动平台（如车辆、智能手机和其他移动设备）上的传感器进行的，这些平台经常穿越建成环境 [13]。这些方法通常与群体感知 [14] 相关联，其中关于结构状况的信息是从许多移动单元收集的间接测量中推断出来的 [15], [16]，而不是从永久安装的直接接触式 SHM 系统中推断出来的 [17]。利用通过的车辆作为桥梁监测的移动传感器的概念最初由 [18] 通过解析建立，他们表明车辆 - 桥梁相互作用机制将结构特性印记在车辆加速度信号上，并由 Lin 和 Yang [19] 在真实桥梁上通过实验证实。这两项基础研究表明了行驶通过式监测概念的理论合法性和实际可行性，随后的二十年来，该领域迅速发展，朝着越来越雄心勃勃的目标迈进，包括高阶模态提取、模态形状估计、阻尼识别和损伤检测 [11], [20], [21], [22]。

然而，这种潜力带来了一个关键挑战：在通过车辆上测量的信号并非纯粹的结构信号。相反，它是桥梁响应、车辆悬挂动力学、发动机和传动系统激励以及粗糙度引起的振动的叠加，所有这些因素在通过过程中都会发生相互作用 [13], [18]。车辆特定特性，如质量、悬挂刚度、轮胎状况和动力总成特性，可能会显著改变测量频谱，而操作变量，如速度、车道位置和桥梁类型，会进一步影响桥梁模态的可见性 [23], [24], [25]。因此，许多现有的间接监测方法仍然依赖于特定的车辆型号、专用校准或严格控制的条件，限制了它们在异构车队和实际群体感知场景中的适用性 [13], [16], [17]。该领域的综述一贯将车辆依赖性确定为基本的可扩展性障碍，指出缺乏一种同时具备车辆无关性、数据驱动性并在实际交通条件下经真实桥梁验证的信号分离方法，代表着一个持续存在的差距 [13], [17], [21]。此外，现有的敏感性研究主要通过数值模拟而非受控现场测试进行，使得车道位置、轮胎状况和跨桥转移性等在操作上重要的变量特征尚不充分 [13], [16]。

本文通过研究多车辆现场条件下的车辆无关一致性（VIC）滤波框架来解决这些差距，用于桥梁模态频率识别。基于 [26] 中引入的 VIC 框架（用于单车辆验证）以及 [27] 中扩展到四辆车队及群体感知模拟的工作，本研究引入了一种系统的组合式参数选择程序，以从多辆车辆中推导出单一通用参数集，然后通过涉及轮胎状况、车速、车道位置和桥梁身份的控制敏感性分析来评估其鲁棒性。方法论方法总结于图 1。通过这样做，该研究将间接桥梁监测从特定的车辆概念验证推进为更具可扩展性和操作特征的框架，用于实际部署。

先前的行驶通过式研究对操作变量对间接桥梁监测性能的敏感性的现场验证有限。此外，[26] 和 [27] 中引入的 VIC 滤波研究从每辆车固定的单次运行子集中校准了滤波器参数（α, β, ζ）；最优参数在所有可能的校准子集之间的变化程度仍未表征。因此，需要一种更系统的参数选择方法，并结合对框架在现实操作变异性下鲁棒性的经验评估。为了解决这些差距，本研究做出了以下贡献：
•一种严格的组合式参数选择程序，它表征了所有 455 个三次运行校准子集中最优滤波器参数的分布，并通过跨车辆评估推导出单一通用参数集。
•一种系统的多层操作敏感性分析，评估 VIC 框架在轮胎状况、车速和行驶车道轨迹变化下的鲁棒性。
•一项跨桥转移性评估，在不修改的情况下将通用参数应用于另一座桥梁，使用不同的车辆、行驶速度和采样频率，提供了框架在原始校准条件之外的多因素泛化性验证。

片段章节
背景与研究差距
利用通过的车辆作为桥梁结构健康监测的移动传感器的概念最初由 [18] 提出，他们通过模拟弹簧 - 质量车辆模型跨越简支梁，证明记录在车辆上的动态响应包含桥梁固有频率处的频谱内容。随后的实验确认由 [19] 进行，他们在台湾的大无伦桥的一段跨度上部署了一辆拖拉机半挂车，并

方法论
本研究完全由数据驱动：所有结果均来自现场测量，在任何阶段均未使用数值车辆 - 桥梁相互作用模型或模拟。本研究中使用的 VIC 滤波程序在作者的先前研究 [26] 中引入并验证用于单车辆环境，并在作者的后续跟进工作 [27] 中扩展到四辆车队；读者请参考那些工作以获取完整的推导和实验验证。简而言之，

测试桥梁与仪器
主要实验活动是在 Alafaya Trail Little Econ River (ATLER) 桥进行的，这是一座位于佛罗里达州奥兰治县的短跨、多跨预应力混凝土梁桥。该桥承载 Alafaya Trail（州道 434）跨越 Little Econ River，总长约为 90 米，由六个约 15 米长的简支跨组成。上部结构由预制、预应力混凝土 I 型梁支撑钢筋混凝土桥面

结果与讨论
本节报告并解释第 3 节中描述的两个主要贡献的结果。第 5.1 节呈现参数选择结果，追溯候选提名到通用参数识别的组合网格搜索，并将所选参数集置于更广泛的参数景观中。第 5.2 节呈现操作敏感性分析，并讨论每个敏感性维度对 VIC 框架实际部署的影响。

结论
本研究在两个方向上扩展了车辆无关一致性（VIC）滤波框架，解决了行驶通过式桥梁模态频率识别中的关键开放问题。首先，它引入了一种组合式参数选择程序，表征了所有 455 个可能的三次运行校准子集中最优 VIC 滤波器参数的完整分布，并通过跨越所有 455 个子集的跨车辆评估推导出通用参数集，这是此类

局限性及未来工作
在解释结果时应考虑几个局限性。首先，三次运行组合是由有限数量的运行形成的重叠子集，因此并不完全独立。组合级结果应被解释为基于重采样的对子集选择的鲁棒性评估，而不是来自独立重复的证据。每个组合的运行次数为三次，继承自 [26], [27]，以便结果在跨

CRediT 作者贡献声明
Abdulrrahman AlGadi：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，形式分析，数据整理，概念化。Furkan Luleci：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿，可视化，调查，数据整理。F. Necati Catbas：写作 – 审阅与编辑，可视化，验证，监督，资源，项目管理，调查，资金获取，数据整理，概念化。

资金声明
本项目部分由以下项目支持：1) UCF MAPS——使用结构健康监测（SHM）和建筑信息模型（BIM）进行民用基础设施保存的移动评估项目；2) 洛克希德·马丁圣劳伦斯教授职位。

利益冲突
作者声明，就本研究的进行、作者身份和/或发表而言，不存在潜在的利益冲突。

竞争利益声明
作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能会影响本论文中报告的工作。

致谢
作者非常感谢本研究提供的资金支持。作者还感谢 UCF CITRS（用于韧性和安全的民用基础设施技术）实验室的多名现任和前任成员，他们做出了各种贡献，从现场支持到技术讨论。作者还感谢博士生 Sadig Nuraliyev、Haider Ali 和 Jovdat Babazade 在 Nairn 桥数据收集方面提供的支持。本Abdulrrahman AlGadi|Furkan Luleci|F. Necati Catbas