韓玉仲，宋立軍，焦衛(wèi)強(qiáng).中國(guó)建筑科學(xué)研究院，北京　0003 .中電投工程研究檢測(cè)評(píng)定中心，北京　004

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橋梁監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的處理與分析

韓玉仲1，宋立軍2，焦衛(wèi)強(qiáng)1
1.中國(guó)建筑科學(xué)研究院，北京100013 2.中電投工程研究檢測(cè)評(píng)定中心，北京100142

摘要本文首先闡述了土木工程結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估、健康監(jiān)測(cè)及損傷診斷的必要性和迫切性。然后詳細(xì)介紹了橋梁監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理和分析的方法：遺漏數(shù)據(jù)的處理、噪聲數(shù)據(jù)的處理、異常數(shù)據(jù)的處理與分析。

關(guān)鍵詞健康監(jiān)測(cè)；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，復(fù)雜的大型土木結(jié)構(gòu)越來(lái)越多，一些超大跨度的橋梁和隧道相繼建成。由于結(jié)構(gòu)的特殊性，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性越來(lái)越受到重視。橋梁的建設(shè)是具有重大的顯示意義，投資規(guī)模巨大，使用周期長(zhǎng)。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)和診斷，及時(shí)地發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損傷，對(duì)可能出現(xiàn)的災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測(cè)，評(píng)估其安全性已經(jīng)成為未來(lái)工程的必然要求。橋梁監(jiān)控過(guò)程中，由于傳感器種類多，數(shù)量大，面對(duì)巨大的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，有必要采用合理的手段和方法分析出有價(jià)值的信息；為橋梁的評(píng)估提供可靠的依據(jù)。

1　橋梁監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的處理和分析

對(duì)于橋梁監(jiān)控大量的數(shù)據(jù)都通過(guò)傳感器感應(yīng)出來(lái)，由于傳感器品種多、數(shù)量大，整個(gè)采集形成了巨大的數(shù)據(jù)庫(kù)。在海量的數(shù)據(jù)中，絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)有效可靠，偶爾會(huì)有異常數(shù)據(jù)的出現(xiàn)。

異常數(shù)據(jù)的加入對(duì)數(shù)據(jù)的評(píng)估帶來(lái)很大的麻煩，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的安全預(yù)警毫無(wú)意義。通過(guò)統(tǒng)計(jì)和濾波的方法可以處理異常數(shù)據(jù)，把無(wú)效數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫(kù)中剔除掉，提高評(píng)估效率。梳理統(tǒng)計(jì)方法主要有以下幾種：生成遺漏數(shù)據(jù)、清除異常數(shù)據(jù)、擬合數(shù)據(jù)等3類。

1.1丟失數(shù)據(jù)的處理

在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)中，會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況，數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)和實(shí)際采集的數(shù)據(jù)量不一致?？梢酝ㄟ^(guò)線面的方法處理遺漏的數(shù)據(jù)。

1）人工生成丟失數(shù)據(jù)。這種方法效率低，成功的概率小，對(duì)于丟失很多數(shù)據(jù)的情況難處理。

2）采用丟失的值生成遺漏的值。同一個(gè)類型所有丟失的值采用事先選取好的值來(lái)填補(bǔ)。如果同一類數(shù)據(jù)遺漏的值較多，就可能影響數(shù)據(jù)分析的近程，對(duì)數(shù)據(jù)分析帶來(lái)不良的影響。這種方法雖然簡(jiǎn)單，但是需要仔細(xì)分析數(shù)據(jù)填補(bǔ)后的情況，盡量避免數(shù)據(jù)填補(bǔ)后橋梁結(jié)構(gòu)分析的誤判。

3）忽略丟失數(shù)據(jù)。如果數(shù)據(jù)庫(kù)中某個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)丟失了，在分析處理數(shù)據(jù)庫(kù)的時(shí)候，不考慮丟失的數(shù)據(jù)。如果數(shù)據(jù)丟失比較多，數(shù)據(jù)庫(kù)的分析處理會(huì)帶來(lái)很大的誤差。

4）采用數(shù)據(jù)的平均值填補(bǔ)數(shù)據(jù)的遺漏值。計(jì)算出一段數(shù)據(jù)的平均值，把平均值作為丟失數(shù)據(jù)的有效值。

5）通過(guò)曲線擬合的方式（最小二乘法、回歸分析）獲得有效可靠的數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)丟失的數(shù)據(jù)。

1.2對(duì)于噪聲數(shù)據(jù)的處理

在橋梁監(jiān)控系統(tǒng)中（特別是動(dòng)態(tài)監(jiān)控），監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量巨大。在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)中通常包含異常數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)往往是外部原因造成的，這些數(shù)據(jù)和真實(shí)的數(shù)據(jù)存在著很大的差異，我們需要采用很多方法來(lái)判別數(shù)據(jù)干擾和實(shí)際數(shù)據(jù)的差異。隨機(jī)的噪聲數(shù)據(jù)分布在整個(gè)時(shí)域空間內(nèi)，在整個(gè)的數(shù)據(jù)庫(kù)中都會(huì)存在。為了獲取有效的數(shù)據(jù)，我們需要去除噪聲數(shù)據(jù)。通?？梢圆捎脭?shù)據(jù)平滑的方法來(lái)處理異常數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)平滑的方法處理數(shù)據(jù)（xi，yi），（i=0，1，2…，n），數(shù)據(jù)處理結(jié)果是要得到一組有效的數(shù)據(jù)（xi，），（i=0，1，2…，n），數(shù)據(jù)處理的結(jié)果是需要獲得良好的平滑計(jì)算公式，而不是把工作重心放到多項(xiàng)式參數(shù)的擬合上。數(shù)據(jù)平滑的方法引用非常廣泛，它可以減少噪聲對(duì)數(shù)據(jù)帶來(lái)的影響，尤其是一些特殊的原因帶來(lái)的影響，例如帶通濾波，低通濾波和高通濾波。數(shù)據(jù)平滑的數(shù)據(jù)處理方法主要用到五點(diǎn)二次平滑。這種方法在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理過(guò)程中有效可靠，是一種非常高效的方法。

這種方法公式的推導(dǎo)是根據(jù)測(cè)量的前兩個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)和后兩個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)，這幾個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)用一個(gè)多項(xiàng)式來(lái)平滑擬合，通過(guò)擬合的曲線作為平滑后的有效值。從數(shù)據(jù)苦衷喝的一組數(shù)據(jù)值：y0，y1，……yi-2，yi-1，yi，yi+1，yi+2，……ym-2ym-1，ym

根據(jù)公式的修正結(jié)果是：

兩邊的數(shù)據(jù)修正后的結(jié)果是：

下圖1為橋梁監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)擬合前后的圖形

對(duì)比。

圖1

1.3異常數(shù)據(jù)庫(kù)的處理與分析

大型結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，異常值指明顯不符合監(jiān)測(cè)規(guī)律的特殊數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)。處理異常數(shù)據(jù)庫(kù)中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需要監(jiān)測(cè)軟件采用相關(guān)的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。通常在異常數(shù)據(jù)的處理中，采用的識(shí)別周期較長(zhǎng)，通常以周為單位對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)處理通常也采用的類似平滑的方法、肖維方法、格拉布斯方法。由于肖維方法、格拉布斯方法在運(yùn)算上非常復(fù)雜，處理不方便。3σ方法處理簡(jiǎn)單，對(duì)于大數(shù)據(jù)量的處理意義重大，采用這個(gè)方法得到良好的處理模型。在統(tǒng)計(jì)學(xué)中，統(tǒng)計(jì)大部分?jǐn)?shù)據(jù)，如果測(cè)試值的差值超過(guò)3σ的概率已經(jīng)非常小。在實(shí)際的分析處理中，通常認(rèn)為差值超過(guò)3σ的測(cè)量值是由于外部環(huán)境原因造成的是異常數(shù)據(jù)，需要處理。通過(guò)3σ方法的處理方法，把數(shù)據(jù)庫(kù)中測(cè)量值和平均值進(jìn)行比較，如果差值不負(fù)責(zé)準(zhǔn)則認(rèn)為是異常值。

2　結(jié)論

橋梁監(jiān)測(cè)工程周期長(zhǎng)、傳感器布設(shè)點(diǎn)數(shù)多、采樣數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)處理和分析難度高。數(shù)據(jù)的處理和分析是一個(gè)系統(tǒng)工程，采用有效的手段可以提高數(shù)據(jù)處理的能力可以預(yù)測(cè)和預(yù)警橋梁結(jié)構(gòu)的安全性能。在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，第一要對(duì)橋梁監(jiān)控的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，去掉由于外部原因帶來(lái)的誤差數(shù)據(jù)，剔除異常數(shù)據(jù)，通過(guò)平滑的相關(guān)方法獲得可靠的數(shù)據(jù)。然后將數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度修正，因?yàn)闇囟葘?duì)傳感器的影響很大，建立良好的溫度場(chǎng)模型是環(huán)境數(shù)據(jù)修正的基礎(chǔ)。對(duì)于橋梁監(jiān)控的數(shù)據(jù)處理需要各個(gè)方面的人員提供技術(shù)支持，在這個(gè)系統(tǒng)工程中，這個(gè)專業(yè)人員需要掌握方方面面的知識(shí)：傳感器的特點(diǎn)及選型、數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)、橋梁結(jié)構(gòu)分析計(jì)算。通過(guò)大量的數(shù)據(jù)處理分析可以提高處理的能力，為橋梁的良好運(yùn)行提供保障。

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中圖分類號(hào)TU19

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1674-6708（2016）165-0194-01

作者簡(jiǎn)介：韓玉仲，中國(guó)建筑科學(xué)研究院。宋立軍，中電投工程研究檢測(cè)評(píng)定中心。焦衛(wèi)強(qiáng)，中國(guó)建筑科學(xué)研究院。