基于导波与光纤布拉格光栅（FBG）传感器的并行小生境粒子群优化多损伤同步定位及几何幻影抑制

《Ultrasonics》：Parallel Niching particle swarm optimisation for simultaneous localisation of multiple structural damages using guided waves and fibre Bragg grating sensors

　　

采用光纤布拉格光栅（FBG）传感器的导波监测可对薄壁结构中的损伤进行定位，但同时定位多个损伤需要寻找多模态损伤指数（damage index）的多个极大值，其计算代价在检测开始前难以界定。顺序小生境粒子群优化（particle swarm optimisation, PSO）通过每个损伤重启一次粒子群来解决该问题。该研究提出一种并行小生境PSO，其中混合适应度共享（hybrid fitness sharing）与基于物种的局部拓扑（species-based local topology）使不同的粒子子群在同一个粒子群内收敛至多个损伤位置；该粒子群仅初始化一次，且无需预先告知损伤数量。当所有候选最优值共存于同一群体中时，两个真实损伤之间的位置可能达到与真实散射体无法区分的损伤指数，因为飞行时间（time-of-flight）公式未将反射与产生该反射的散射体绑定。引入排他性支持检验（exclusive-support test）以抑制这些几何幻影（geometric phantoms），仅当候选者至少三个支持峰未被更强候选者占用时才接受该候选者。该方法应用于一块500 mm × 500 mm铝板，配置一个FBG传感器和七个压电作动器（piezoelectric actuators），覆盖包含一个、两个或三个同时损伤的八种场景。从独立初始化出发对每种场景重复1000次，得到96.4%的检测率、1.57 cm的平均定位误差和每次运行0.037个假阳性。这些数值描述的是八个实测案例在重复运行中的结果分布，而非对损伤配置的普查。评估次数固定为3582，方差为零，可在执行前获知，且与损伤数量无关。

研究背景与问题：薄壁金属和复合材料中的未检测损伤会在服役载荷下扩展至临界失效。导波结构健康监测（structural health monitoring, SHM）因单个换能器可 interrogate 较大板域而具优势，光纤布拉格光栅（FBG）传感器轻量、抗电磁干扰并适合复用。实时部署的主要障碍是计算：像素化损伤指数评估需O(M²)次，随分辨率二次增长。将定位转为优化可去除对地图分辨率的依赖，粒子群优化（PSO）以O(N·K)次评估定位损伤指数极大值。多损伤时标准PSO全群收敛到单一全局最优；顺序小生境通过惩罚与重启寻找多个峰，但重启次数与成本函数评估次数（cost function evaluation, CFE）在执行前不可知，重复搜索浪费，且单次运行缺乏统计可靠性。因此需要一次初始化、一次运行、成本可预知且可统计表征的多损伤定位方法。
研究人员提出并行小生境PSO：在单群中通过混合适应度共享和物种局部拓扑维持多个子群同时收敛多个峰；引入排他性支持检验抑制候选最优共存后出现的几何幻影；给出确定性CFE且不含损伤数项；在八个实测场景各重复1000次进行统计验证；使用与顺序基线相同的实验数据和板配置以隔离优化策略影响。结论为总体检测96.4%、平均误差1.57 cm、FP 0.037/run，CFE=3582且零方差；意义是计算预算可在检测前确定，适合固定监测周期调度与认证。
关键技术方法（≤250字）：采用500 mm × 500 mm × 1 mm铝板，中心一个FBG边缘滤波传感器，七个PZT作动器（CTS NCE51）位于12 cm半径半圆阵列，0—180°每30°布置；50 kHz五周期Hann窗toneburst，每作动器每场景50次平均；损伤由两面钕磁铁总质量15 g、2 cm直径接触区模拟局部质量不连续；八个场景导波信号来自既往采集数据并原样使用，未重新采集。算法先在优化前完成信号预处理与峰值提取，再以N=200、K=15运行单群并行小生境PSO，候选经局部搜索和三项验收，CFE固定为200×15+6×(12×8+1)=3582。
研究结果：4.1 所提并行小生境PSO的性能。对八场景各1000次独立初始化（8000次运行、15000个损伤位置）统计，总体检测96.4%、平均定位误差1.57 cm、FP 0.037/run。场景2为2.17±0.056 cm，千次均在1.64—2.42 cm，说明误差为系统性而非随机，源于损伤指数最大值偏移；原因包括D3等距浅角交叉导致宽平盆地、D5近传感器与直达波尾波重叠、D2位于阵列角度覆盖窄的左下角。场景6检测93.55%，因D3—D4间中间极大值偶尔排前；场景8检测92.93%、FP 0.167/run，因D1—D5间距16.7 cm（2.8σ₀）接近分辨率极限；场景7三损伤98.60%、0.86±0.096 cm、FP 0.006/run。无损伤分半重复1000次零接受，95%置信上限0.37%。结论：可靠性受损伤位置限制而非数量。
4.2 几何幻影的抑制。关闭排他性时FP 0.150/run；要求1、2、3个未占用支持峰分别0.144、0.075、0.037—0.038/run，约降四分之三，检测94.3—96.8%无损失；阈值5和6使检测降至86.5%和75.8%，2—4可用、3居中。路径计数替代失败：145个artefacts与55个genuine峰完全重叠，genuine最少5路径、artefact最多7路径；时序残差也不区分：3路径artefact匹配0.6 μs，7路径genuine平均10.1 μs。结论：区分幻影靠证据归属而非数量；成本为每候选1次评估（6/3582）。
4.3 与顺序小生境PSO比较。以CFE为度量，单损伤顺序均值3000对3582，并行贵19.4%；两损伤5133对3582，降30.2%；三损伤6900对3582，降48.1%；交叉约1.3损伤，平均节省13.6%。所有场景CFE标准差为零。局部精度与基线基本不变，因为优化同一成本函数。与像素化比较，M=50—500的2500—250000次评估复现检测，但FP数恒为6?N_dam，提高分辨率不降FP。结论：成本不随损伤数增长，可预先调度。
4.4 参数敏感性分析。扫描σ₀、γ、n_excl、K、N。σ₀呈地板效应：2 cm检测83.6%、3 cm 90.6%、4 cm 94.9%、5—12 cm 95.6—98.0%；FP 2 cm 0.188对5/6 cm 0.019，选6 cm。γ有双侧边界：FP 0.80 0.213、0.82 0.231降至0.84 0.100、0.86 0.025、0.88 0.006；检测0.88 96.7%、0.90 92.2%、0.96 83.5%，平台0.84—0.88，选0.86。K从15至20、25，检测96.87%至97.22%、98.16%，误差1.574—1.579 cm，增加迭代买可靠性非精度。N=100、150、200检测84.7%、95.6%、98.8%，至350无进一步增益；FP由0.213降至0.006；选200匹配基线，K=15在拐点。结论：参数由物理推理、文献指导和扫描确定。
4.5 噪声鲁棒性。预处理前对健康/损伤信号加0—30%归一化峰值幅度高斯噪声，每水平每场景50次；零噪声复现检测率差2.5个百分点内。0—5%残余噪声检测从94—100%降至18—54%，FP升至2—4/run，5—30%保持退化水平不再继续恶化。原因固定绝对峰高阈值；当前实现不耐受接近固定检测阈值的噪声；自适应阈值是未来方向而非已证明能力。结论：噪声鲁棒性有限。
讨论与结论翻译：讨论将结果归纳为统计可靠性、幻影抑制与计算可预测性。Paresh Mirgal与Rohan Soman强调三点：八场景各1000次重复（8000次、15000位置）总体检测96.4%、误差1.57 cm、FP 0.037/run，场景7三损伤98.60%、0.86±0.096 cm、CV 11.1%；三未占用支持峰使FP由0.150降至0.037/run而检测无成本，负结果是路径计数不分离（145 artefacts/55 genuine完全重叠）；CFE固定3582、零方差、无损伤数项，比顺序基线单损伤贵19.4%、两损伤便宜30.2%、三损伤便宜48.1%，交叉1.3。两个局限：场景2/3/5系统位移2.17—3.30 cm继承峰值损伤指数和作动器几何，优化器不能减少，需改成本函数；分辨率极限约16 cm（场景8 D1—D5 2.8σ₀），边界未映射。三个方向：映射分辨率包络与分离/路径/群速度；将排他性检验软化为按时间残差分配峰；大型结构采用粒子密度比例和分层初始化。结论强调可靠性已被表征、成本恒定，基于评估次数公式的监测系统可调度、资源分配并按固定计算预算认证。