文章题目

Bridge damage detection using PCA-DWT with limited sensors

基于少量传感器的主成分分析与离散小波变换桥梁损伤识别

导读

传统的桥梁损伤检测方法需要布设大量传感器，这限制了其在工程实际中的应用。为降低健康监测系统成本并提高损伤识别精度，本文提出一种基于主成分分析与离散小波变换的桥梁损伤检测方法。该方法对移动荷载作用下的位移响应进行主成分分析，提取由动态分量和振型构成的第一主成分。通过低通滤波器分离出结构一阶模态的动态分量，再经离散小波变换获得小波系数，并利用该系数重构信号，最终基于重构信号构建损伤指标进行识别。当结构发生损伤时，损伤指标将在损伤位置呈现峰值。为验证方法的有效性，分别对简支梁桥进行数值模拟与钢梁桥进行实验。模拟及实验结果均表明：在有限传感器布置条件下，该方法能准确识别多种工况下的损伤位置。

图文介绍

本文提出了一种基于主成分分析与离散小波变换的桥梁损伤检测方法，该方法通过少量传感器采集移动交通荷载作用下桥梁动态位移响应，利用主成分分析获得所测数据矩阵的主成分矩阵。理论推导获得关键的主成分矩阵动力学物理解释，即其每一列是结构模态振型与该阶振型对应固有频率的动态分量信息的叠加。由于移动交通荷载难以激发出桥梁高阶模态，其一阶模态动力信息占据整个桥梁动态成分的绝大部分信息，并且体现在第一主成分中。因此，本文提取第一主成分，根据上述关键物理解释，采用截止频率为桥梁基频的低通滤波器，通过滤波分离出第一阶模态动态分量成分，其包含桥梁结构的局部损伤信息。采用离散小波变换提取所得动态分量信息的近似小波系数来重构信号，最终通过定义重构信号残差的损伤指数DIDC实现损伤定位。当结构发生损伤时，DIDC在损伤位置呈现明显峰值。

研究通过数值模拟与实验来验证方法的有效性，数值模拟在ANSYS中建立简支梁桥模型，设置不同损伤位置与严重程度，使用七个传感器采集数据；实验室试验采用空心钢梁桥，布置5个电涡流位移传感器，通过车辆移动加载并人工设置裂缝模拟损伤。结果表明，该方法在单损伤与多损伤工况下均能准确识别损伤位置，且在传感器数量减少至2个时仍保持良好检测性能，同时具有一定抗噪声能力。该方法结合主成分分析与离线小波变换，能在有限传感器条件下实现桥梁损伤的精确定位，降低监测系统成本并提升检测准确性。数值模拟与试验结果一致表明，该方法对损伤程度、位置及噪声具有较好的鲁棒性。该方法适用于桥梁结构的轻量化监测，具有较强的实际工程应用价值，特别是中小跨径桥梁安全监测的推广应用，更具潜力。

图（1）为损伤指标提取流程图；图（2）为数值模拟结果；图（3）为实验结果图。

图（1）损伤指标提取流程图

图（2）数值模拟单损和多损识别结果

图（3）实验识别结果

论文引用：

Zheng X, Li H, Nie Z, et al. Bridge damage detection using PCA-DWT with limited sensors. Lifeline Emergency and Safety, 2026, 1(1): 9660010. https://doi.org/10.26599/LLES.2025.9660010 

论文网址：

https://www.sciopen.com/article/10.26599/LLES.2025.9660010 

作者介绍

通讯作者：聂振华，暨南大学；暨南大学力学与建筑工程学院院长、党委副书记，研究领域为结构动力学、结构安全监测。

第一作者：郑晓杰，暨南大学；暨南大学力学与建筑工程学院土木工程专业，硕士研究生，研究领域为结构损伤检测。

期刊介绍

Lifeline Emergency and Safety（中文名：生命线应急与安全）期刊是生命线工程安全应急领域理论研究和应用技术的国际领先平台，由东莞理工学院主办，由清华大学出版社出版，依托广东省城市生命线工程智慧防灾与应急技术重点实验室建设。

期刊旨在宣传城市及海岸海洋生命线工程安全监测、风险评估与应急救援等方面的先进理论与前沿技术，应急救援设备集成及防灾减灾平台的构建，以及最新的实验观测与计算模拟技术，特别关注多灾耦合下的社会及其生命线设施的安全运维工作，以提高我国相关地区在极端灾害下的安全运行和应急处置能力。

主编团队

马宏伟，东莞理工学院校长、党委副书记，国家级人才

郑  愚，东莞理工学院副校长，广东省城市生命线工程智慧防灾与应急技术重点实验室副主任

编委团队

诚邀投稿

我们诚挚地邀请您为Lifeline Emergency and Safety (eISSN:3078-3747)，中文刊名《生命线应急与安全》期刊投稿。

欢迎涉及以下主题的原创综述、研究论文，同时也接受技术集成、案例研究、综述和讨论、通信等稿件：

· 防灾减灾和应急管理理论与方法 

· 结构安全监测与风险评估 

· 智能监测设备和安全预警技术

· 应急救援装备

· 先进的物理与数学模型 

· 防灾减灾系统平台 

· 学术界、产业界和政府之间就生命线工程防灾应急的先进案例和前沿思想

全文开放获取，免费阅读、下载。欢迎分享！

出版优势

1. 当前免费开放获取（Open Access），不收取论文处理费；

2. 评审速度快，评审周期30-50天；

3. 出版周期短，文章被录用后一周内，可以已Just Accepted的形式优先发表；

4. 全球主动推广，国内外科技新闻媒体、社交媒体报道。

联系方式

期刊主页 :

https://www.sciopen.com/journal/3078-3747 

投稿系统 :

https://mc03.manuscriptcentral.com/lles 

邮箱 :

lles@dgut.edu.cn