葉愛麗

（福建省建筑科學(xué)研究院）

小波技術(shù)在復(fù)雜巖土工程安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

葉愛麗

（福建省建筑科學(xué)研究院）

巖土工程安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)受多種因素影響，為了提高監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性，在分析了巖土工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)之上，利用小波技術(shù)對(duì)小波數(shù)據(jù)處理技術(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)果表明，小波技術(shù)以及小波奇異識(shí)別技術(shù)能識(shí)別監(jiān)測(cè)假異常值（野值），小波濾波技術(shù)能分離溫度等其他因素的影響，提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精度和準(zhǔn)確度。

應(yīng)力；小波；監(jiān)測(cè)

1　概述

隨著我國(guó)社會(huì)主義建設(shè)的逐步推進(jìn)，工程建設(shè)的規(guī)模逐步變大，涉及到的巖土工程問題也越來越復(fù)雜，安全問題突出。為了解決日益突出的安全問題，工程人員采取了很多措施，其中最有效、最常用的就是安全監(jiān)測(cè)。然而由于大型巖土工程的復(fù)雜性，加上現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)技術(shù)的局限性，使得巖土工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)受多種因素影響，這給安全評(píng)價(jià)帶來了困難。因此，尋分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的主要影響因素，并尋求方法剝離這些因素的影響是巖土工程安全評(píng)價(jià)首先要解決的問題。

本文利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析了巖土工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要的影響因素后，采用小波技術(shù)對(duì)主要影響因素進(jìn)行了剝離，為有效的安全評(píng)價(jià)奠定了基礎(chǔ)。

2　復(fù)雜巖土工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)特點(diǎn)

2.1真異常值與假異常值并存

關(guān)于真異常值與假異常值的定義，已有學(xué)者在相關(guān)文獻(xiàn)中作了規(guī)定[1]。真異常是由于結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)惡化，結(jié)構(gòu)處于不安全狀態(tài)時(shí)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)所表現(xiàn)出的異常；假異常是由于傳感器、讀數(shù)儀、人為因素等造成的數(shù)據(jù)大幅度偏離真實(shí)值，而此時(shí)結(jié)構(gòu)本身的狀態(tài)是安全的。假異常值在國(guó)際上又被稱作outlier，如圖1所示。

圖1　假異常值示意圖

2.2數(shù)據(jù)量龐大

工程規(guī)模越大，其監(jiān)測(cè)網(wǎng)也越大，傳感器的埋設(shè)數(shù)量大。單測(cè)次的數(shù)據(jù)量較大。同時(shí)，由于大型工程的工況多且十分復(fù)雜，因此，監(jiān)測(cè)頻度較高?？茖W(xué)技術(shù)的進(jìn)步，使得自動(dòng)采集系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用，自動(dòng)采集的應(yīng)用的直接作用就是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量大幅度增多，同時(shí)也給數(shù)據(jù)處理帶來了難度。

2.3受環(huán)境因素影響強(qiáng)烈

主要的環(huán)境因素有：溫度、日照輻射、潮水位（僅對(duì)近?；蚋谐焙佣喂こ潭裕?、寒流。溫度會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力，對(duì)于大型巖土工程而言，溫度應(yīng)力問題尤為突出。對(duì)于高聳建筑物而言，由于上部結(jié)構(gòu)受日照輻射的影響會(huì)改變整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，從而改變基礎(chǔ)的受力狀態(tài)。

3　小波基本理論

近年來，隨著小波理論的完善和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，小波分析法已在工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。由于其在信號(hào)處理方面的強(qiáng)大功能，因此被廣泛應(yīng)用到信號(hào)的處理過程中。小波分析是將信號(hào)分解到不同尺度上，從而得到信號(hào)在某個(gè)尺度上分量值，并能進(jìn)行不失真重構(gòu)。傳感器的監(jiān)測(cè)信息包含了各種噪聲，噪聲的在信息中主要以高頻的形式表現(xiàn)出來，而有效信息則集中在低頻段。因此，可以通過小波分析將高頻信息進(jìn)行分離，保留有效信息，以獲取傳感器所在部位的真實(shí)物理力學(xué)狀態(tài)。

如果將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)看成一個(gè)隨時(shí)間變化的信號(hào)?？梢约僭O(shè)某傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)集合為：Y={f（t1），f（t2），…，f（tn）}，將含有異常值outlier的數(shù)據(jù)信號(hào)表示為：

式中：f（ti）為第i次的采樣信息；s（ti）為第i次采樣中蘊(yùn)含的有效信息；e（ti）為第i次采樣中疊加的噪聲信號(hào)，被認(rèn)為是一個(gè)1級(jí)高斯白噪聲，通常表現(xiàn)為高頻信號(hào)；ε>0為常數(shù)，是噪聲級(jí)。

同樣地可以將一個(gè)含有環(huán)境因素影響的數(shù)據(jù)表示為：

式中：v（ti）表示環(huán)境因素所形成的信息。

對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理就是一個(gè)去偽存真的過程，即通過對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)的多層次加工，如異常值檢出、環(huán)境因素濾除，從而揭示結(jié)構(gòu)自身的真實(shí)狀態(tài)。利用小波技術(shù)的多層次濾波就可將高斯白噪聲和環(huán)境噪聲逐層濾除。

關(guān)于小波濾波技術(shù)[2～4]與奇異識(shí)別技術(shù)[5]的詳細(xì)理論，不少學(xué)者都做了介紹，此處不再詳述。

4　應(yīng)用實(shí)例

4.1異常值的處理

某基坑的鋼支護(hù)結(jié)構(gòu)在一段時(shí)間的內(nèi)力如圖2所示。從圖中可以看出兩處明顯假異常值（橢圓內(nèi)數(shù)據(jù)），由于該處數(shù)據(jù)僅是偶然出現(xiàn)的，根據(jù)異常值的連續(xù)性原則，可判別為假異常，并且是由于采集儀的原因?qū)е碌?。另外，圖中矩形框內(nèi)出現(xiàn)疑似異常值。

經(jīng)小波奇異識(shí)別技術(shù)處理后的數(shù)據(jù)如圖3所示。從圖中可以看出，小波技術(shù)不僅將明顯的異常值識(shí)別出來，并進(jìn)行了剔除，同時(shí)經(jīng)過處理之后的實(shí)測(cè)曲線連續(xù)性、平滑性更好，提高了監(jiān)測(cè)結(jié)果的精度。

圖2　支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力實(shí)測(cè)原始曲線

圖3　小波技術(shù)處理前后結(jié)果對(duì)比

4.2環(huán)境因素分離

對(duì)于一般的混凝土或鋼結(jié)構(gòu)而言，影響其受力狀態(tài)的主要因素是溫度，這主要是溫度的日變化和季節(jié)性溫度變化會(huì)改變其受力狀態(tài)，因此，在不同溫度條件下的安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是不同的，這給安全評(píng)價(jià)帶來了困難，也不利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)。因此，需要對(duì)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)進(jìn)行修正。以某基坑鋼管撐的應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析，原始數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4　應(yīng)力實(shí)測(cè)曲線

從圖4中可以看出，鋼管撐的應(yīng)力與溫度呈明顯的正相關(guān)。一般而言，對(duì)于溫度應(yīng)力的修正方法主要采用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法。選取一段時(shí)間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為樣本，進(jìn)行回歸分析。分析結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，溫度應(yīng)力是呈高度線性正相關(guān)的，按照統(tǒng)計(jì)結(jié)果，將實(shí)測(cè)結(jié)果修正到同一溫度條件下，如圖6所示?？梢钥闯鼋?jīng)過修正后的數(shù)據(jù)，總體趨勢(shì)基本能反應(yīng)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變換趨勢(shì)，但是局部存在一些突起，這主要是由于結(jié)構(gòu)對(duì)溫度變化的響應(yīng)存在滯后性，并且，存在其他偶然因素的影響。

圖5　溫度與應(yīng)力統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

圖6　應(yīng)力修正前后結(jié)果

利用小波分層濾波技術(shù)處理后的數(shù)據(jù)結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出，經(jīng)過小波濾波技術(shù)處理后的結(jié)果更平滑，也準(zhǔn)確反映了結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化的總體趨勢(shì)。這說明，小波濾波技術(shù)不僅可以濾除儀器噪聲，也可以濾除溫度應(yīng)力這樣的低頻噪聲，從達(dá)到提高監(jiān)測(cè)精度。

圖7　

5　結(jié)論

通過分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)，巖土工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)受多種因素影響，包括儀器因素，環(huán)境因素等。小波奇異識(shí)別技術(shù)能夠識(shí)別偶然因素導(dǎo)致的假異常值（outlier），而小波分層濾波技術(shù)可達(dá)到濾除溫度應(yīng)力及其他噪聲的目的，從而提高安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精度，為自動(dòng)化安全評(píng)價(jià)奠定基礎(chǔ)。

[1]陳志堅(jiān)，陳松，李筱艷，等.巖土工程安全監(jiān)測(cè)異常值屬性的識(shí)別方法[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2004，28（1）：40～44.

[2]鄒積婷，江恒彪，趙西安.基于小波去噪的地鐵沉降監(jiān)測(cè)分析[J].測(cè)繪科學(xué)，2007，32（3）：102～103.

[3]P.Moyo and J.M.W.Brownjohn.DETECTION OF ANOMALOUS STRUCTURAL BEHAVIOUR USING WAVELET ANALYSIS[J].Mechanical Systems and Signal Processing，2002，16（2～3）：429～445.

[4]萬程輝，何習(xí)平.基于小波分析回歸模型的大壩監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理[J].測(cè)繪科學(xué)，2009，34（5）：113～115.

[5]陳松.大跨徑橋梁深水群樁基礎(chǔ)安全監(jiān)控及建模研究[D].河海大學(xué)，2010.

TU452

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1673-0038（2015）23-0229-02

2015-5-20