基于稀疏光纤布拉格光栅倾斜传感的液压人字闸门全场变形重构

《Optical Fiber Technology》：Sparse fiber Bragg grating tilt sensing for full-field deformation reconstruction of hydraulic miter gates

　　

•稀疏 FBG 倾角传感实现了全场变形重构。
•引入了一种信号处理流程以提取准静态倾角响应。
•一种物理信息递归方法从稀疏倾角数据中重构变形。
•现场监测结果与有限元预测结果总体一致。

1. 引言

人字闸是内河航运系统中的关键水工结构，其运行安全直接影响通航效率和水控可靠性 [1]。在长期服役过程中，人字闸持续受到静水压力、水动力扰动和循环运行载荷的作用，这可能引起非线性变形和渐进性结构退化 [2], [3]。由于人字闸具有大跨度、薄壁和正交各向异性的特点，在实际工程条件下实现全场变形监测仍然具有挑战性，特别是在具有强流扰动和传感器部署条件受限的复杂水力环境中。因此，在复杂运行环境下实现大型水工人字闸的长期可靠变形监测仍然是水工结构健康監測领域的一个重要挑战。传统的结构变形监测方法主要包括全站仪、全球定位系统（GPS）技术和激光测距技术。Kaloop 和 Li [4] 使用 GPS 技术监测桥梁变形，而 Yu 等人 [5] 提出了一种基于深度学习的视觉结构位移监测方法。然而，这些传统监测方法普遍存在安装成本高、测量精度不足以及对恶劣水力环境适应性差等局限性，这限制了它们在大型水工结构中的长期在线应用。

光纤布拉格光栅（FBG）传感器因其高灵敏度、耐腐蚀性、复用能力、紧凑尺寸以及抗电磁干扰特性，在结构健康監測领域引起了广泛关注 [6], [7]。得益于这些优势，FBG 传感技术已广泛应用于土木工程、航空航天和海洋结构监测应用中 [8]。Kaur 等人 [9] 采用 FBG 传感单元进行结构位移监测，而 Zhong 等人 [10] 开发了一种基于 FBG 的悬臂变形传感器，用于岩土试验中的局部变形测量。与直接位移测量方法相比，倾角传感更适合具有小连续变形特征的大型柔性水工结构 [11]，因为旋转响应可以有效反映结构变形的空间演化，同时仅需稀疏的传感器部署。现有的结构变形重构方法主要包括递归曲率积分法 [12]、逆有限元法（iFEM）[13], [14]、基于卡尔曼滤波的重构方法 [15] 和视觉辅助重构技术 [16]。尽管这些方法在各种工程应用中表现出令人满意的效果，但大多数方法依赖于密集测量、稳定的监测环境或计算量大的反演模型，这限制了它们在具有强水动力扰动和稀疏传感条件的复杂水力环境中的适用性。

在实际水力运行条件下，监测信号往往受到瞬态流波动和运行振动引起的非平稳扰动的污染，这显著影响了准静态变形传感的稳定性。为了提高复杂水力环境下的信号鲁棒性，各种信号处理方法已被引入结构健康監測应用中。Xu 等人 [17] 提出了一种用于提取非平稳结构响应分量的贝叶斯盲源分离方法，而 Chen 等人 [18] 开发了一种基于变分模态分解和核密度估计的水工结构变形数据预处理方法。这些研究证明了先进信号处理技术在扰动抑制和结构响应提取方面的有效性。然而，现有研究主要集中在独立的信号分解或预处理上，而针对大型水工人字闸的非平稳信号处理与稀疏变形重构的集成仍然相对未被探索。

为解决这些挑战，本文提出了一种用于复杂水力环境中人字闸变形监测的稀疏 FBG 倾角传感方法。建立了一个结合小波包分解（WPD）与基于香农熵的自适应剪枝以及核密度估计（KDE）的信号处理框架，以从非平稳监测信号中提取准静态倾角响应。考虑到人字闸在静水载荷下主导方向的变形特征，采用了一种物理信息的一维递归重构策略，以从稀疏倾角观测中估计全场变形。此处，“全场”指的是从稀疏传感数据重构的连续变形表示，而不是直接在每一点测量的变形。利用葛洲坝二号船闸的现场监测数据对所提方法进行了评估。重构的变形进一步与有限元分析（FEA）预测进行了比较，后者作为基于物理的数值基准。重构变形与 FEA 预测变形之间的一般一致性支持了所提方法在大型水工结构变形监测中的实际适用性。

2. FBG 倾角传感系统与现场部署

2.1. FBG 倾角传感器原理

大型人字闸通常表现出“大尺度、小变形”的结构特征，即整体跨度达到数十米，而变形幅度保持在毫米级。在此条件下，与直接位移测量相比，结构倾角响应对局部变形演化更敏感，这使得倾角传感更适合大型水工结构的稀疏监测。

为了实现高灵敏度倾角测量，本研究采用摆锤式 FBG 倾角传感器进行倾角监测 [19]。如图 1 所示，传感器主要由悬臂梁、质量块和两个对称布置在悬臂上下表面的 FBG 组成。这种差分配置能够同时进行温度补偿并增强应变灵敏度。

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图 1. 摆锤式 FBG 倾角传感器：(a) 制造传感器的照片；(b) 传感原理示意图。

当被监测结构发生倾角 ?? 时，质量块在悬臂固定端产生重力引起的弯矩：
(1)??=?????????sin???≈???????????
其中 ?? 是质量块，?? 是重力加速度，?? 是悬臂长度。该近似在小角度条件下有效。诱导的弯矩导致悬臂弹性变形，使得一个表面产生拉应变，而相对表面产生压应变。在弹性弯曲条件下，纵向应变分布可表示为
(2)??=????????
其中 ?? 是杨氏模量，?? 是截面惯性矩，?? 表示距中性轴的距离。

FBG 的布拉格波长偏移满足
(3)ΔλB=λB?(1?????)???
其中 ??B 是初始布拉格波长，???? 是有效光弹系数。在悬臂弯曲过程中，两个对称布置的 FBG 经历相反的应变状态，导致波长偏移方向相反的变化。相比之下，温度变化在两个 FBG 中引起几乎相同的波长偏移作为共模响应。因此，差分解调可以有效增强弯曲引起的应变灵敏度，同时抑制温度引起的扰动。
(4)Δ???=Δ????????????1?Δ????????????2
这种差分配置有效提高了长期水力运行条件下的测量稳定性和环境鲁棒性。为了评估所提传感器的传感性能，在正向和反向加载条件下进行了重复倾角校准实验。图 2 展示了重复校准实验期间两个 FBG 的波长响应。结果表明，两个光栅之间具有良好的重复性和明显的相反波长变化。

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图 2. 重复实验期间倾角与中心波长的关系：(a) FBG1；(b) FBG2。

进一步计算了两个 FBG 之间的平均差分波长偏移，并进行线性拟合以确定传感器灵敏度。如图 3 所示，在正向和反向加载过程中，差分波长偏移与倾角表现出优异的线性关系。

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图 3. 差分波长偏移与倾角的线性拟合结果。

因此，在小角度条件下，传感器输出可以近似表示为
(5)Δ???=??????????????????????
其中 ??????????????????? 表示传感器灵敏度。根据校准结果，所提传感器的平均灵敏度约为 282.6 pm/?，表明具有高倾角分辨率和稳定的双向响应特性。表 1 总结了所提倾角传感器的关键设计参数和校准结果。

表 1. 所提倾角传感器的关键设计参数。
| 参数 | 符号 | 值 |
| :--- | :--- | :--- |
| 质量块 | m | 0.2 kg |
| 悬臂长度 | L | 30 mm |
| 悬臂厚度 | h | 0.5 mm |
| 悬臂宽度 | d | 8 mm |
| 杨氏模量 | E | 200 GPa |
| 传感器灵敏度 | ??????????????????? | 282.6 pm/° |
| 测量范围 | ??????????????? | ±5° |

2.2. 结构特性与传感器部署

所提出的监测系统部署在葛洲坝二号船闸的下游人字闸上。每个闸门叶片尺寸约为 33.3 m × 19.7 m，表现出大型正交各向异性加劲板壳结构的典型特征。在静水载荷条件下，结构变形主要由沿闸门高度方向的整体弯曲行为主导。由于人字闸由皮肤板、纵向和横向加劲肋以及主梁组成，其在两个正交方向上的弯曲刚度存在显著差异。因此，在静水压力下，变形响应主要沿闸门高度方向发展，而横向变形相对较小，从而形成了显著的主导方向变形特征。

图 4 展示了人字闸的简化结构模型以及采用的局部坐标系，其中 X 方向表示闸叶的垂直方向，Y 方向表示沿闸门宽度的横向方向。由于人字闸的正交各向异性结构特征，变形响应表现出显著的方向性差异。Y 方向受到铰支座和闸接缝连接的强烈约束，导致横向变形相对较小，而 X 方向主要在静水载荷下表现出弯曲变形，并主导整体结构响应。因此，原始二维变形问题可以近似简化为沿高度方向的一维重构问题，为所提出的基于倾角的递归重构方法提供了物理基础。

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图 4. 人字闸的结构配置与坐标定义。

为了在运行条件下实现人字闸的全场变形监测，建立了一个基于 FBG 倾角传感器的现场监测系统。初始部署设计采用了沿闸门高度方向近似均匀的传感器分布，以获得一致的空间采样分辨率。然而，由于中间高度区域的局部结构约束，包括加劲板和辅助部件，传感器安装受到部分限制，导致最终实施中的传感器布局不均匀。如图 5 所示，最终部署配置在闸门顶部和底部区域表现出相对密集的传感区域，而在中间高度区域存在约 7 m 的稀疏传感间隔。总共在单个闸叶上安装了 40 个 FBG 倾角传感器，排列成 5 × 8 网格。FBG 倾角传感器使用高斯光电子 OPM-T1622F interrogator 进行解调。该 interrogator 的标称波长分辨率为 1 pm。

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图 5. FBG 倾角传感系统的现场部署：(a) 现场的人字闸；(b) 单个闸叶上 FBG 倾角传感器的布局。

2.3. 闸门运行工况

如图 6 所示，在充水阶段 (a)，上游水位 ??????? 高于下游水位 ?????????????，水流从上游流入闸室，导致闸室水位逐渐上升。在此过程中，水流表现出显著的非稳态特征，伴随强烈的湍流扰动和压力波动。

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图 6. 人字闸的代表性运行工况：(a) 充水；(b) 高水位工况；(c) 泄水；(d) 低水位工况。

当闸室水位接近上游水位时，系统进入高水位运行工况，如图 6 (b) 所示，在此工况下水流速度显著降低，闸门变形主要由准静态静水载荷控制。在泄水过程中，如图 6 (c) 所示，水位逐渐降低且流向反转，导致显著的非平稳水动力扰动。过闸后的低水位工况如图 6 (d) 所示，此时闸门两侧的水头差接近于零。该工况被采用为传感系统的零参考状态。监测数据来自包括充水、稳态保持和泄水过程在内的多个运行周期的连续现场测量。因此，记录的响应包含了实际运行条件下的准静态变形和非平稳水动力扰动。

3. 方法论

为在强水动力扰动下运行的水工人字闸建立了一个综合变形监测与重构框架，如图 7 所示。该框架集成了稀疏 FBG 倾角传感、信号净化、准静态状态提取、变形重构和基于 FEA 的数值比较。

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图 7. 强水动力扰动下的变形监测与重构综合框架。

运行期间，测得的倾角响应受到非平稳水动力扰动的强烈污染，使得直接变形估计变得困难。

为解决这一问题，首先采用小波包分解（WPD）来抑制宽带干扰，同时保留主要的结构变形趋势。随后应用核密度估计（KDE）从滤波信号中识别准静态平衡状态。最后，通过物理信息驱动的一维递归重构方案重建全场变形，并将重构结果与有限元分析结果进行比较，作为基于物理的数值基准。

3.1. 递归变形重构方法

水力人字闸门可近似视为正交各向异性加劲板结构。由于水平主梁提供的刚度显著高于垂直加劲肋，静水荷载下的结构变形表现出明显的方向性特征。具体而言，主导弯曲响应主要沿低刚度方向发展。两个正交方向的等效弯曲刚度可用工程形式表示为：

(6) Dx = EIx / (1 - ν^2), Dy = EIy / (1 - ν^2)

其中 E 表示杨氏模量，ν 是泊松比，Ix 和 Iy 分别表示水平和垂直方向的等效惯性矩。由于水平梁提供更大的截面刚度，刚度关系通常满足：

(7) Dx ? Dy

由于正交各向异性薄壁结构两个正交方向之间刚度差异显著，人字闸门的变形响应主要由沿垂直方向的弯曲变形主导，而横向变形相对较小 [20]。因此，原始二维变形问题可近似简化为沿闸门高度方向的一维重构问题。

如图 8 所示，连续变形曲线根据传感器位置进行离散化。设 wk 和 θk 分别表示第 k 个测点的变形和倾角。

图 8. 一维变形重构原理。(a) 主导方向变形假设下的降维；(b) 递归积分的局部几何关系。

在小变形假设下，结构变形与倾角之间的几何关系可写为：

(8) dw/dx = tan(θ) ≈ θ

因此，通过对倾角响应进行空间积分可获得变形场：

(9) w(x) = ∫θ(x)dx

对于离散测点，采用梯形数值积分，得到递归重构公式：

(10) wk = wk?1 + Lk/2 * (θk?1 + θk)

其中 Lk 表示相邻测点之间的间距。选择闸门的约束顶梁作为重构参考边界，其位移被规定为重构边界条件。从该边界条件出发，沿主导变形方向逐步重构变形场。式 (10) 中的局部线性近似适用于由平滑全局弯曲主导的准静态变形。7.08 米的间距可能会增加系统的空间离散化不确定性，主要影响局部精度而非主导变形模式。未感知区间内的局部变形或突发的空间梯度可能无法被充分捕捉。

3.2. 使用 WPD-KDE 框架提取准静态状态

由于湍流、水流冲击和瞬态水动力干扰，从水力闸门收集的原始倾角信号表现出强烈的非平稳特性。测量信号可表示为：

(11) θ(t) = θqs(t) + Nhydro(t) + Vsensor(t)

其中 θqs(t) 表示目标准静态结构响应，Nhydro(t) 表示水动力干扰分量，Vsensor(t) 表示传感器噪声。在强烈干扰的水力环境中，传统的低通滤波无法在保留结构缓慢变化变形特征的同时有效抑制宽带干扰。

为解决这一问题，采用了一种结合 WPD 和 KDE 的级联信号处理策略。采用 WPD 来抑制宽带水动力干扰，同时保留主导结构响应。与常规小波分解相比，WPD 对低频和高频分量都进行递归分解，从而为非平稳信号分析提供了改进的时频分辨率 [21]。采用分解层数 J = 3 的 Daubechies-6 (db6) 小波。该层数提供了分离高频波动的足够时频分辨率，同时避免了过度的子带细分和不必要的计算负担。使用香农熵代价函数选择最佳小波包基。从终端节点开始，自下而上进行，将每个父节点的代价与其两个子节点的代价之和进行比较，保留代价较低的表示。

(12) H(s) = -∑ si^2 log(si^2)

其中 si 表示节点序列 s 的第 i 个系数，H(s) 是相应的香农熵代价。分解后，使用中位数绝对偏差 (MAD) 从最高频率终端节点的系数中估计噪声标准差：

(13) σ? = median(|ci - median(ci)|) / 0.6745

其中 ci 表示最高频率终端节点的系数。然后确定通用阈值为 λ = σ?√(2lnN)，其中 N 是系数数量。随后对选定的小波包系数应用软阈值去噪：

(14) d?j,m = { sgn(dj,m) * (|dj,m| - λ), |dj,m| ≥ λ; 0, |dj,m| < λ }

其中 λ 表示基于 MAD 噪声估计计算的通用软阈值，dj,m 和 d?j,m 分别表示原始和阈值化的小波包系数。该过程抑制了高频干扰，同时保留了缓慢变化的结构变形趋势，从而为后续的准静态状态识别提供了输入。

WPD 去噪后，使用高斯核将 KDE 应用于去噪后的监测序列。对于每个传感器通道，带宽使用正态近似规则自动确定，该规则提供了适用于估计正态参考密度的数据相关带宽。不进行针对通道的特定手动调整。概率密度函数表示为：

(15) θqs ≈ arg max f?(θ)

其中 f?(θ) 表示估计的概率密度函数。识别估计概率密度曲线的局部最大值，并根据其概率密度值进行排序。选择概率密度最高的两个局部最大值作为主导准静态状态。较小和较大倾角处的峰值分别被识别为低水位和高水位状态：

(16) Δθeff = θhigh - θlow

其中 θhigh 表示高水位条件下对应主导 KDE 峰值的代表性准静态倾角，θlow 表示低水位参考条件下对应代表性准静态倾角。Δθeff 表示两种运行状态之间的有效倾角变化，用作后续递归变形重构的输入。KDE 提供了主导准静态状态的统计表示，对瞬态干扰和异常波动不太敏感，从而能够在强烈水动力环境下更稳健地提取准静态结构响应。

4. 实验结果与分析

4.1. 准静态响应状态提取

在人字闸门实际运行期间，倾角监测信号不仅包含由水位变化引起的准静态结构响应，还包含由湍流冲击、机械振动和瞬态水动力干扰引起的高频非平稳噪声。因此，在进行连续变形重构之前，必须从原始监测数据中稳定地提取出准静态结构响应分量。

图 9 展示了经 WPD 处理的倾角信号。如图 9 (a) 所示，所提出的方法有效地抑制了高频波动，同时保留了整体响应趋势。在图 9 (b) 的局部视图中，滤波信号保持了突发的响应变化而没有明显的相位失真，表明准静态变形特征得到了很好的保留，以供后续分析使用。

图 9. 传感器 QZ36X 测量的原始倾角响应与 WPD 去噪倾角响应的比较。(a) 一天内的多个运行周期；(b) (a) 中标记周期的放大视图。

获得平滑的倾角响应后，应用 KDE 来表征其统计分布，如图 10 所示。由于对应高水位和低水位的两个主导运行状态，处理后的信号表现出多模态概率密度。估计的密度显示出明显的峰值，对应于不同的准静态运行状态。这种统计分布为从背景波动中分离主导准静态分量提供了依据，从而实现后续的变形重构。

图 10. 传感器 QZ36X 的基于 KDE 的准静态倾角状态识别：(a) 带有识别出的低水位和高水位状态值的 WPD 去噪倾角响应；(b) 估计的概率密度分布和两个主导 KDE 峰值。

为了进一步评估两个主导 KDE 峰值的物理代表性，在时域中检查了峰值位置附近的样本。选定的样本主要分布在连续的低状态和高状态区间内，而不是随机散布在整个监测期间，表明它们与不同的运行条件相对应。使用 10 分钟、20 分钟和 30 分钟窗口评估提取状态的局部稳定性。仅保留完全包含在 KDE 识别状态区间内的窗口，以排除瞬态转换期。分别使用倾角样本的标准差、前后 30 秒块的中位数差异以及窗口中位数与相应 KDE 峰值之间的绝对差异来量化窗口内波动、时间漂移和偏离 KDE 峰值位置的程度。这些指标通过两个准静态状态之间的角度间隔进行了归一化。

在三个窗口长度下，中位归一化波动、漂移和峰值偏差分别为 1.00 %–1.31 %、0.76 %–1.55 % 和 3.58 %–3.82 %。这些值远小于两个准静态状态之间的间隔，表明 KDE 峰值代表统计上稳定的运行状态。这种局部窗口分析仅作为提取状态的后期验证进行，不涉及状态提取或变形重构。

4.2. 有限元分析模拟

为了揭示代表性蓄水条件下的结构响应特性，进行了有限元分析。使用 ANSYS 平台开发了人字闸门的高保真数值模型，几何配置和主要结构部件根据葛洲坝第二船闸人字闸门的官方设计图纸建立。结构材料统一假设为结构钢。模型包含 1,936,365 个节点和 729,721 个有限元，以确保充分表示整体变形场。

模拟重点关注稳态蓄水条件下关闭人字闸门的整体静力变形响应。在每个闸门叶片的两侧边界区域施加等效固定支撑，以代表铰接侧支撑和闸门关闭后紧固人字接头侧的约束效应。这种边界处理防止了刚体运动，并为全局变形分析提供了主要支撑条件的工程近似。

根据现场记录的水位，沿闸门表面法线方向施加静水压力。考虑了两种静力蓄水条件：高水位条件，闸门两侧水深分别约为 30 米和 9 米；以及低水位参考条件，两侧水深均约为 9 米。在两种情况下，压力大小均随深度从相应的自由水面线性增加。这两种条件之间的变形差异用于与重构变形进行比较。枢轴、支撑和人字接头区域附近的局部接触应力、微小滑移和详细的非线性接触行为超出了本次全局变形比较的范围。

模拟结果如图 11 所示。变形从铰接侧向中部接头逐渐增加，最大挠度发生在闸门叶片的底部区域附近，表明这是一个高响应区域。整体变形场表现出由全局弯曲行为主导的平滑且连续的空间分布，这支持了所提出重构框架中采用的主导方向变形假设。需要注意的是，有限元模型是在理想化的静水载荷和对应于稳态蓄水的简化边界条件下建立的。因此，有限元分析结果提供了评估整体变形趋势和大小的基于物理的数值基准，而不是实际闸门位移的直接测量。在本次现场试验中，同一运行期间没有独立的位移测量，如全站仪、激光位移测量或基于视觉的位移监测。因此，重构结果与数值结果之间的差异可能源于重构不确定性以及实际水动力运行条件与模拟中采用的理想化假设之间的差异。

图 11. 人字闸门的有限元分析：(a) 结构模型；(b) 变形云图。

4.3. 变形重构与数值比较

传感器信息驱动的全场变形重构结果如图 12 所示，同时展示了相应的有限元分析结果。图 12(a) 和 (b) 中的黑色实线和空心圆标记分别表示集成的传感线结果和重构的传感点，而相邻传感线之间的彩色区域是通过使用其实际空间坐标进行二维线性插值生成的。与有限元分析结果的比较显示，在空间分布和全局变形趋势上具有一致性。在静水荷载下，变形从顶部区域向下部区域逐渐增加，而在侧向约束和中部接头区域附近分别观察到相对较小和较大的变形响应。

这些变形特征与人字闸的结构边界条件和整体弯曲行为一致，表明所提方法在稀疏传感条件下能够恢复主导变形模式。下载：下载高分辨率图像 (313KB) 下载：下载全尺寸图像 图 12. 重构变形与有限元分析（FEA）结果对比：(a) 左闸叶；(b) 右闸叶；(c) 有限元分析结果。

由于底部区域在静水荷载作用下表现出最大的整体变形响应，图 13 进一步展示了该区域重构变形与模拟变形分布的详细对比。在该主要变形区域，重构结果与有限元分析预测结果在变形幅值和空间变化方面表现出一般一致性，支持了所提框架恢复主导变形行为的能力。下载：下载高分辨率图像 (244KB) 下载：下载全尺寸图像 图 13. 沿关键承载剖面（闸底）测量点的变形对比。

然而，在宽度坐标 2850 mm 处观察到局部符号差异，左闸叶的重构变形约为 -1 mm，而有限元分析预测值约为 +4 mm。该传感线位于靠近铰接侧约束区域，此处较小的变形幅值使得符号对参考零点和建模不确定性敏感。由于该位置缺乏独立的位移测量，该差异不能归因于单一来源，可能是测量和状态提取不确定性、递归积分以及现场参考状态与理想化有限元分析边界和荷载条件之间差异的共同影响所致。因此，有限元分析预测值被视为评估整体变形趋势的物理基准，而非逐点真值数据。符号差异局限于约束边界附近的低响应区域，影响局部定量一致性，但并不改变主要响应区域整体空间变形模式的解释。

为了进一步量化重构性能，计算了皮尔逊相关系数以评估与有限元分析结果的一致性以及两闸叶之间的一致性，如图 14 所示。在主要变形区域获得的高相关系数范围为 0.91 至 0.97，表明重构变形场与模拟变形场之间具有强一致性。0.32 和 0.60 的较低相关值主要出现在边界约束区域，此处变形幅值相对较小，测量对局部扰动和重构误差更为敏感。此外，左右闸叶之间的强一致性（0.9349–0.9998）进一步证实了所提重构框架在实际工况下的稳定性和空间一致性。下载：下载高分辨率图像 (288KB) 下载：下载全尺寸图像 图 14. 基于皮尔逊相关系数的趋势一致性分析。

这些结果表明，所提方法能够有效保持水力人字闸的主导变形特征，而剩余差异主要集中在受结构约束和残余水动力扰动影响的局部低变形区域。尽管传感点的空间分布不均匀，重构变形场在主要变形区域仍保持平滑的空间连续性，证实了所提递归重构框架在稀疏传感条件下的鲁棒性。

尽管在当前工况下重构变形与有限元分析模型预测的整体变形趋势表现一致，但水力人字闸的长期结构响应仍可能受到多种实际因素的影响，包括结构老化、材料退化、反复水动力荷载以及长期服役期间的意外船舶撞击。这些因素可能会逐渐改变闸门系统的实际变形特征和结构刚度分布。因此，连续的长期监测对于评估结构行为的演化并确保大型水利设施的运行安全仍然至关重要。

5. 结论

开发了一种稀疏光纤布拉格光栅（FBG）倾斜传感框架，用于复杂工况下水力人字闸的全场变形监测。通过结合准静态倾斜提取与递归变形重构，所提框架能够在强水动力扰动和稀疏传感条件下实现稳定的变形监测。在葛洲坝二号船闸进行的现场实验表明，重构变形结果与有限元分析预测值在整体变形分布和变形幅值方面表现一致。重构变形场在主要变形区域保持了平滑的空间连续性，证明了所提框架在实际水利结构监测应用中的适用性和工程可行性。

所提框架主要适用于以平滑整体弯曲行为为主的准静态变形，而其捕捉局部变形的能力仍取决于传感布局和空间分辨率。未来的工作将集中在优化传感器部署、提高局部重构能力以及结合独立的现场位移测量，以在更广泛的工况下进一步评估该方法。

CRediT 作者贡献声明

潘建军：写作 – 审阅与编辑，监督，方法论，概念化。蒋泽宇：写作 – 初稿，可视化，数据管理。徐欣：写作 – 审阅与编辑，验证。侯伟：写作 – 审阅与编辑，验证。

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