[論文レビュー] Frequency-based tension assessment of an inclined cable with complex boundary conditions using the PSO algorithm

Wenming Zhang, Zhiwei Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 11, 2021

Structural Health Monitoring Techniques参考文献 34被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、粒子群最適化（PSO）アルゴリズムを用いて、複雑な境界条件を有する傾斜ケーブルの周波数ベースの張力同定手法を提案する。ケーブルの傾斜角、たるみ・延長性、曲げ剛性、境界回転・横方向剛性をモデル化し、有限差分離散化を用いて振動モード方程式を解くことで、PSOを用いた多パラメータ同定が、実際の吊り橋における現場測定データを用いて、従来手法よりも優れた性能を示す高精度な張力推定を達成した。

ABSTRACT

The frequency-based method is the most commonly used method for measuring cable tension. However, the calculation formulas for the conventional frequency-based method are generally based on the ideally hinged or fixed boundary conditions without a comprehensive consideration of the inclination angle, sag-extensibility, and flexural stiffness of cables, leading to a significant error in cable tension identification. This study aimed to propose a frequency-based method of cable tension identification considering the complex boundary conditions at the two ends of cables using the particle swarm optimization (PSO) algorithm. First, the refined stay cable model was established considering the inclination angle, flexural stiffness, and sag-extensibility, as well as the rotational constraint stiffness and lateral support stiffness for the unknown boundaries of cables. The vibration mode equation of the stay cable model was discretized and solved using the finite difference method. Then, a multiparameter identification method based on the PSO algorithm was proposed. This method was able to identify the tension, flexural stiffness, axial stiffness, boundary rotational constraint stiffness, and boundary lateral support stiffness according to the measured multiorder frequencies in a synchronous manner. The feasibility and accuracy of this method were validated through numerical cases. Finally, the proposed approach was applied to the tension identification of the anchor span strands of a suspension bridge (Jindong Bridge) in China. The results of cable tension identification using the proposed method and the existing methods discussed in previous studies were compared with the on-site pressure ring measurement results. The comparison showed that the proposed approach had a high accuracy in cable tension identification.

研究の動機と目的

• 境界条件が単純化されすぎているため、従来の周波数ベース手法で生じる顕著な張力同定誤差を是正すること。
• 傾斜角、たるみ・延長性、曲げ剛性、および未知の境界剛性（回転および横方向）を含む包括的なケーブルモデルの構築。
• 測定された複数次の固有振動数を用いて、同時に張力、軸方向剛性、曲げ剛性、境界剛性を同定する手法の実現。
• 実際の吊り橋（吉東橋）における現場の圧力リング測定値と照合して、提案手法の正確性を検証すること。

提案手法

• 傾斜角、たるみ・延長性、曲げ剛性、境界回転および横方向支持剛性を組み込んだ洗練されたストレイトケーブルモデルを構築した。
• ケーブルモデルの振動モード方程式を有限差分法を用いて離散化し、固有値問題の数値的解法を可能にした。
• 粒子群最適化（PSO）アルゴリズムに基づく多パラメータ同定フレームワークを提案し、同時に張力、軸方向剛性、曲げ剛性、境界剛性を推定した。
• PSOアルゴリズムは、複数モードにおける測定値と計算値の周波数誤差を最小化することで、一度の最適化プロセスで全パラメータを最適化した。
• 数値的に実装し、合成データを用いた検証を経てから、吉東橋の実地データに適用した。
• 地面真値としての現場圧力リング測定値を用いて、既存手法と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 回転および横方向剛性を含む複雑な境界条件の取り入れが、周波数ベースのケーブル張力同定の精度に与える影響は何か？
• RQ2 PSOアルゴリズムは、測定された複数次の周波数から、同時に張力、剛性、境界制約を効果的かつ一括して同定できるか？
• RQ3 提案手法は、理想化されたヒンジ支持または固定支持を仮定する従来の周波数ベース手法と比較して、張力同定誤差をどの程度低減できるか？
• RQ4 現場測定値による検証がなされた状態で、未知の境界条件を有する実際の傾斜ケーブルに適用した際、本手法の正確性はどの程度か？

主な発見

• 提案手法は、吉東橋における現場の圧力リング測定値と非常に近い結果を達成し、高精度なケーブル張力同定を実現した。
• 境界の回転および横方向剛性をモデルに組み込むことで、ヒンジ支持または固定支持を仮定する手法と比較して、張力推定の精度が顕著に向上した。
• PSOを用いた多パラメータ同定は、複数の数値的ケースにおいて安定した解に収束し、そのロバスト性と信頼性を示した。
• 特に、非理想的な境界条件を有する傾斜ケーブルにおいて、従来の周波数ベース手法を上回る性能を示した。
• 振動モード方程式の有限差分離散化により、複雑なケーブルモデルに対する正確で効率的な数値的解法が得られた。
• 現場応用の結果、本手法が実際の土木インfraストラクチャのモニタリングに実用的かつ効果的であることが確認された。