楊嬴政

【摘 要】 目前我國的經(jīng)濟建設(shè)發(fā)展迅速，國家對城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入不斷加大，很多大型建筑工程相繼完工，但是我們在享受新型建筑帶給我們的舒適和快捷之余，建筑的結(jié)構(gòu)損失進入了我們的視線。我國對建筑結(jié)構(gòu)的安全系統(tǒng)評價主要來自對結(jié)構(gòu)的可靠性研究，對土木工程的結(jié)構(gòu)缺陷和檢測方法開展較少，所以對建筑工程的結(jié)構(gòu)健康診斷中的統(tǒng)計識別方法分析是勢在必行的。

【關(guān)鍵詞】 統(tǒng)計 識別 模式

引言：建筑結(jié)構(gòu)受到的相應(yīng)數(shù)據(jù)和建筑結(jié)構(gòu)的物理特性有著直接的關(guān)系，建筑的結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)可以有效的將建筑結(jié)構(gòu)的物理特性反應(yīng)出來。結(jié)構(gòu)在識別結(jié)構(gòu)損壞的過程中利用了結(jié)構(gòu)的物理性和響應(yīng)數(shù)據(jù)的關(guān)系來評估和監(jiān)控結(jié)構(gòu)的狀態(tài)并進行基本的識別，最后通過識別后的數(shù)據(jù)有效的反映出結(jié)構(gòu)的整體性，和隱藏的結(jié)構(gòu)隱蔽部位的缺陷。這種方法在建筑工程領(lǐng)域應(yīng)用的前景十分廣闊。是未來建筑結(jié)構(gòu)健康診斷的主要發(fā)展方向。

一. 統(tǒng)計系統(tǒng)識別方法

系統(tǒng)識別最常用的結(jié)構(gòu)模型為有限元模型。有限元模型在結(jié)構(gòu)應(yīng)變和位移的過程中能提供與材料結(jié)構(gòu)形式相互關(guān)聯(lián)的信息和物理特性，并且可以通過分析為結(jié)構(gòu)提供完整的分析模型參數(shù)，但是模型在建立的過程中本身存在誤差，所以結(jié)構(gòu)有限元模型在進行結(jié)果分析和參數(shù)設(shè)定的過程中會出現(xiàn)不確定性，在進行模態(tài)觀測中，會因數(shù)據(jù)的分布情況和實測獲得不同觀測結(jié)果，由于模型誤差的存在結(jié)構(gòu)的分析預測和實測相應(yīng)有不確定和不匹配，這就造成系統(tǒng)在識別的過程中需要求解，并出現(xiàn)反演問題，造成結(jié)果的不穩(wěn)定，所以在進行結(jié)構(gòu)損傷識別過程中要考慮模型誤差及預測誤差導致的不確定性以及觀測誤差導致的不確定性對識別結(jié)果的影響。在系統(tǒng)識別的過程中，可以通過框架內(nèi)求解來修復模型問題，在統(tǒng)計中結(jié)構(gòu)模型可以只使用一組數(shù)據(jù)進行特定結(jié)構(gòu)模型中確定最優(yōu)結(jié)構(gòu)模型的系統(tǒng)識別。并根據(jù)基本統(tǒng)計參數(shù)來推段出各種原理的不同，在結(jié)構(gòu)健康參數(shù)的統(tǒng)計系統(tǒng)識別方法主要分為隨機有限元模型修正法和Bayes模型修正法。

二. 統(tǒng)計模式識別方法

典型的局部結(jié)構(gòu)損傷是模態(tài)觀測的結(jié)構(gòu)模型修正或模式識別方法在實際應(yīng)用中面臨解決的最大問題。在實際的參數(shù)觀測過程中所記錄的低頻整體響應(yīng)產(chǎn)生的影響很小，這不利于建筑在早期發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損壞。另外結(jié)構(gòu)狀態(tài)在觀測過程中未發(fā)生退化也會因環(huán)境、溫度、和結(jié)構(gòu)發(fā)生位移等問題使觀測響應(yīng)發(fā)生改變， 這就造成了在模態(tài)觀測階段對結(jié)構(gòu)損傷形成的原因缺乏分析，會將環(huán)境因素和運行狀態(tài)相互混淆。這時進行結(jié)構(gòu)健康診斷的統(tǒng)計模式識別就不能依靠模態(tài)觀測數(shù)據(jù)，而可以直接利用時程觀測響應(yīng)，所以在考慮環(huán)境因素和運行狀態(tài)的變化過程中，如果可以不使用模太觀測參數(shù)，進行能直接使用時程觀測響應(yīng)。這是因為在考慮環(huán)境和運行狀態(tài)變化的過程中時，可以直接利用觀測響應(yīng)的統(tǒng)計分析提取結(jié)構(gòu)狀態(tài)及損傷敏感特征來直接對結(jié)構(gòu)的損傷和狀態(tài)進行分析。

三.結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測統(tǒng)計模式識別方法的統(tǒng)一模式及研究重點

在建立結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測統(tǒng)計模式識別方法模式的過程中，會因模式分為四個過程。分別為運行評估、 數(shù)據(jù)采集、 特征提取與數(shù)據(jù)壓縮以及統(tǒng)計模型建立。在這四個階段中特征提取與數(shù)據(jù)壓縮以和統(tǒng)計模型建立是統(tǒng)計識別研究的主要項目。

對結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測的識別和診斷其實是一個整體，并以識別過程為主，并且做到解決同一結(jié)構(gòu)系統(tǒng)之間的不同狀態(tài)問題。區(qū)分系統(tǒng)的不同狀態(tài)的同時，要根據(jù)系統(tǒng)的特性和系統(tǒng)的性質(zhì)，進行正確的檢測和識取，并注意能夠反映結(jié)構(gòu)真實變化的特征信號。單一的根據(jù)結(jié)構(gòu)的特征信號是不能獲得有效的觀測特征信號的，所以正確的在特征信號中提取相關(guān)的敏感特征量是關(guān)鍵，在對狀態(tài)和損傷敏感特征及逆行那個結(jié)構(gòu)健康識別時要利用統(tǒng)計識別模式對結(jié)構(gòu)狀態(tài)和損傷進行識別就成為了統(tǒng)計識別模式的關(guān)鍵，在利用統(tǒng)計模式識別方法對結(jié)構(gòu)狀態(tài)和損傷的敏感特征提取一般來自于能夠表征結(jié)構(gòu)狀態(tài)的模式向量， 這些向量是因為統(tǒng)計模型中的自回歸模型、回歸模型、外源自回歸模型等進行觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。在通過狀態(tài)和損傷敏感特征進行多維向量的分析，多維向量中很多參數(shù)的重要性是不相同的，而且很多參數(shù)不能相互獨立，這就會使識別的工作量增大，這同時為識別帶來了困難，所以在通過數(shù)據(jù)降維的過程中要挑選有代表性和有效性的成為構(gòu)成分析，所以結(jié)構(gòu)的狀態(tài)和損傷敏感特征一旦提出，所識別的結(jié)構(gòu)異常狀態(tài)的主要任務(wù)就可以進行相應(yīng)的特征統(tǒng)計分析，所以要根據(jù)某種判別和函數(shù)及判據(jù)進行狀態(tài)分類。

結(jié)構(gòu)狀態(tài)及損傷敏感特征統(tǒng)計分析的算法主要可以分為兩種： 監(jiān)督學習算法和無監(jiān)督學習算法。前者需要同時獲得損傷狀態(tài)和完好狀態(tài)的訓練數(shù)據(jù)樣本， 而后者則只需要完好狀態(tài)的訓練數(shù)據(jù)樣本。因為土木工程結(jié)構(gòu)普遍具有的唯一性， 很少能夠獲得具有相似損傷狀態(tài)的不同結(jié)構(gòu)的響應(yīng)觀測數(shù)據(jù)， 所以應(yīng)用無監(jiān)督的損傷識別算法對土木工程結(jié)構(gòu)的健康診斷具有重要意義。

四.X-bar控制圖的統(tǒng)計

在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測統(tǒng)計模式識別的統(tǒng)一范式框架內(nèi)， 再通過引入一種稱為X-bar控制圖的統(tǒng)計過程控制技術(shù)， 研究了基于動力觀測的損傷診斷問題， 分別使用完好和不同損傷階段的動力響應(yīng)數(shù)據(jù)建立AR 統(tǒng)計模型， 將AR模型系數(shù)作為損傷敏感特征， 采用離群值分析的方法識別不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上在將結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的統(tǒng)計模式識別方法拓展到損傷定位的研究。張啟偉采用統(tǒng)計模式識別方法研究了橋梁的結(jié)構(gòu)異常診斷問題， 通過時間序列 AR 模型的相似分析將未知狀態(tài)結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)信號與正常結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)基準進行歸一化， 然后根據(jù) AR 模型殘差分析提取結(jié)構(gòu)損傷特征， 進而在正態(tài)分布的假定下通過統(tǒng)計分析進行結(jié)構(gòu)異常診斷。

基于狀態(tài)及損傷敏感特征的正常結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)歸一化是結(jié)構(gòu)損傷識別的基礎(chǔ)， 有多種方法可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)歸一化。常用的較為簡單的方法是使用先驗訓練數(shù)據(jù)直接尋找正常結(jié)構(gòu)的狀態(tài)及損傷敏感特征的概率分布， 其中最簡單的方法之一是離群值分析較為復雜的數(shù)據(jù)歸一化方法是使用Gauss混合模型或核密度估計的方法。盡管統(tǒng)計模式識別問題的重點在于數(shù)據(jù)的離群值或極值， 也就是分布拖尾處的那些點， 但是基于正態(tài)分布假定的門檻值選擇方法仍然給予數(shù)據(jù)中心點以較大的權(quán)重。所有這些方法的局限性在于無法保證敏感特征拖尾分布的統(tǒng)計特性。因此， 這種正態(tài)分布假定或許有可能導致?lián)p傷分類錯誤， 進而可能導致診斷錯誤。將極值統(tǒng)計量與統(tǒng)計模式識別相結(jié)合， 研究具有拖尾分布的結(jié)構(gòu)損傷識別問題， 降低了錯誤識別的可能性。

結(jié)束語

本文通過對系統(tǒng)識別方法的分析，總結(jié)出采用建立實際建筑數(shù)學模型的方法來獲得結(jié)構(gòu)模型參數(shù)，并根據(jù)此進行結(jié)構(gòu)的安全評估，但是目前在結(jié)構(gòu)施工中施工方法很多，施工環(huán)境對測量的數(shù)據(jù)產(chǎn)生了一定影響，所以利用統(tǒng)計識別的方法并不能對安全評估獲得理想的效果，并且對實際的建筑結(jié)構(gòu)還需要多方位的測量手段，來達到測量效果。所以要利用多方面分析對識別中產(chǎn)生的因素影響進行驗證，來達到對建筑模式的優(yōu)化，是結(jié)構(gòu)參數(shù)更加精確，將健康診斷中的識別方法能更好的進行應(yīng)用。

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