王興奎 李海燕

(北京市道路工程質(zhì)量監(jiān)督站，北京 100076)

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·橋梁·隧道·

談橋梁群監(jiān)測數(shù)據(jù)處理與分析

王興奎 李海燕

(北京市道路工程質(zhì)量監(jiān)督站，北京 100076)

介紹了橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)異常的表現(xiàn)形式，并針對監(jiān)測數(shù)據(jù)異常值產(chǎn)生的原因，提出了應(yīng)用SPSS軟件進(jìn)行處理的方法與步驟，給出了橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)分析的流程，以準(zhǔn)確判斷橋梁結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)。

橋梁，監(jiān)測系統(tǒng)，異常數(shù)據(jù)，SPSS軟件

1 概述

針對北京市縣級以上公路中小橋梁的結(jié)構(gòu)特點及損傷情況，于2015年我站建成了一套適合北京地區(qū)中小橋梁的橋梁群監(jiān)測系統(tǒng)雛形，其監(jiān)測系統(tǒng)主要針對橋梁結(jié)構(gòu)某一點或某一線(面)上變化規(guī)律的監(jiān)測，監(jiān)測的可控程度高，監(jiān)測對象簡單，監(jiān)測方案實施方便快捷，監(jiān)測的橋梁結(jié)構(gòu)形式帶有普遍性，與之配套開發(fā)的橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，自橋梁監(jiān)測以來采集了大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，如何準(zhǔn)確地處理和分析這些數(shù)據(jù)，剔除監(jiān)測數(shù)據(jù)中異常數(shù)據(jù)段及異常值，以為養(yǎng)護(hù)管理單位提供技術(shù)服務(wù)，是橋梁監(jiān)測技術(shù)人員面臨的重要課題。

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)異常的表現(xiàn)形式

在橋梁群監(jiān)測系統(tǒng)中，產(chǎn)生監(jiān)測數(shù)據(jù)異常的主要原因，一是來自各傳感器硬件設(shè)備，包括傳感器安裝不規(guī)范，傳感器精度偏低，以及監(jiān)測過程中傳感器出現(xiàn)故障等；二是來自外界強(qiáng)信號的干擾所致，如高壓電纜等。監(jiān)測數(shù)據(jù)異常主要表現(xiàn)為以下幾種形式。

2.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)段整體位移

在監(jiān)測時間段上各測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)保持不變，若隨著監(jiān)測時間的持續(xù)，監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大范圍的變化，在排除橋梁結(jié)構(gòu)異常的情況下，這種監(jiān)測數(shù)據(jù)上的變化就是監(jiān)測數(shù)據(jù)段整體位移，在監(jiān)測橋梁中英城橋1號梁跨中撓度在2010年7月中旬至8月下旬出現(xiàn)的數(shù)據(jù)段位移如圖1所示。

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)段變化異常

橋梁監(jiān)測初期其監(jiān)測數(shù)據(jù)保持正常的變化趨勢，隨著監(jiān)測時間的延續(xù)，監(jiān)測數(shù)據(jù)變化出現(xiàn)了一些異常情況，一般是由于采集傳感器精度的降低所引起的。英城橋3號梁跨中撓度在2010年11月～2011年2月監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)了變化異常的現(xiàn)象，如圖2所示。

2.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)陡變

在確定監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)處于正常狀態(tài)下，監(jiān)測數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)突然出現(xiàn)一個較大的陡變，且陡變后監(jiān)測數(shù)據(jù)仍保持正常狀態(tài)。其主要原因多是由于傳感器故障所致，或是由于更換、修理之后傳感器的靈敏度與初始狀態(tài)有較大差別。由此可能會導(dǎo)致對橋梁結(jié)構(gòu)安全性的誤判。

如圖3所示為英城橋5號梁撓度監(jiān)測曲線，在2010年9月2日1點監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)了大約76 mm的跳變，排除橋梁結(jié)構(gòu)異常的情況，確定是撓度傳感器補(bǔ)液平衡所造成的平衡點重新平衡，見圖3中圓圈部分。

2.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)段雜亂無序

橋梁在整個監(jiān)測過程中或相當(dāng)長的時間區(qū)段，監(jiān)測數(shù)據(jù)雜亂無序，無任何規(guī)律可循。其原因主要有：1)橋梁群監(jiān)測系統(tǒng)受車輛荷載的影響；2)監(jiān)測系統(tǒng)受外界強(qiáng)信號的干擾；3)采集傳感器儀器故障所致。永立橋4號梁跨中撓度監(jiān)測由于傳感器故障致使監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)大范圍的波動，監(jiān)測數(shù)據(jù)呈雜亂無序狀態(tài)，如圖4所示。

3 異常數(shù)據(jù)的處理方式

橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)采集后，需要對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行判別及處理，然后再對正常數(shù)據(jù)進(jìn)行初步匯總分析以獲得數(shù)據(jù)的分布特征。我們常用的EXCEL數(shù)據(jù)處理軟件，主要用來整理數(shù)據(jù)并做一些簡單的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，其功能過于單一，僅適用于日常的簡單數(shù)據(jù)處理，不適用于較復(fù)雜的模型分析，這里我們引入了SPSS專業(yè)的統(tǒng)計分析軟件，其橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)分析架構(gòu)如圖5所示。

3.1 異常數(shù)據(jù)段的剔除

將各項監(jiān)測數(shù)據(jù)用SPSS軟件繪制成時序曲線，在監(jiān)測數(shù)據(jù)時序曲線上觀察曲線的變化情況，將曲線中含有的數(shù)據(jù)整體位移段、數(shù)據(jù)變化異常段、數(shù)據(jù)陡變段、數(shù)據(jù)雜亂無序段等選擇出來，分析其原因，并與其他各項監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，若存在共性說明橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)受外界因素影響，如環(huán)境條件、自然災(zāi)害等，應(yīng)將該時間段的各項監(jiān)測數(shù)據(jù)剔除，該監(jiān)測數(shù)據(jù)已不具有代表性；若此項監(jiān)測數(shù)據(jù)不具有代表性，可能只是該項監(jiān)測的傳感器存在異常，只需對該項監(jiān)測數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除即可。

3.2 異常數(shù)據(jù)的剔除

在橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)中，導(dǎo)致單點異常數(shù)據(jù)的主要原因是傳感器性能降低或傳感器受到外部環(huán)境的干擾。由于本項目中的監(jiān)測數(shù)據(jù)受不間斷行車的影響，根據(jù)萊依達(dá)法則，將單點數(shù)據(jù)大于2σ～3σ的值均予以剔除，以減小車輛荷載的影響。采用SPSS軟件進(jìn)行單點異常值的剔除。

3.3 數(shù)據(jù)段正態(tài)分布檢驗

分析橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)時，正態(tài)分布往往是首選的分布之一。這里利用SPSS軟件對橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗，其方法主要包括以下幾種：1)偏度系數(shù)和峰度系數(shù)檢驗；2)單樣本K—S檢驗；3)P—P圖檢驗；4)Q—Q圖檢驗。

3.4 時序圖分析

為了直觀地分析橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)的動態(tài)變化特性，以時間作為橫坐標(biāo)軸，以各項參數(shù)的監(jiān)測值作為縱坐標(biāo)軸，即可得到時序圖，以觀察分析各監(jiān)測參數(shù)的變化規(guī)律。

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)的回歸與趨勢分析

回歸分析是最常用的數(shù)理統(tǒng)計方法，在橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)分析中也有著廣泛的應(yīng)用，借助回歸分析不僅可以分析變量間的因果關(guān)系，還可以研究兩個或多個變量之間的函數(shù)關(guān)系，通過建立函數(shù)關(guān)系，以達(dá)到根據(jù)一個或多個變量取值估計或預(yù)測另一個變量的目的。

4.1 一元線性回歸分析

在線性回歸分析中，一元線性回歸模型的表現(xiàn)公式為：y=bx+a，另外，可以使用一元線性回歸方程的擬合優(yōu)度檢驗的R2統(tǒng)計量來判斷一元線性回歸系數(shù)，當(dāng)R2的取值越接近1時，表明回歸方程對樣本數(shù)據(jù)點的擬合優(yōu)度越高。這里引用一元線性回歸來主要分析監(jiān)測參數(shù)與時間(天數(shù))的線性關(guān)系。

在SPSS里執(zhí)行【分析】→【回歸】→【線性】命令，彈出“線性回歸”對話框，選擇對應(yīng)的因變量和自變量(如：位移與時間(天數(shù)))，添加到相應(yīng)的列表框中，并選擇適當(dāng)?shù)姆治龇椒?進(jìn)入或逐步)，在“線性回歸”對話框中，單擊“確定”按鈕，系統(tǒng)將自動在輸出窗口中顯示分析結(jié)果，主要包括殘差統(tǒng)計量、回歸系數(shù)、方差分析等分析表，即可進(jìn)行結(jié)果分析。

4.2 多元線性回歸分析

在SPSS里執(zhí)行【分析】→【回歸】→【線性】命令，彈出“線性回歸”對話框，選擇列表框中的因變量和自變量(如：位移與天數(shù)、溫度等)，在“統(tǒng)計量”對話框中，分別選擇估計、協(xié)方差矩陣、模型擬合度、R方變化、描述性、部分相關(guān)和偏相關(guān)、共線性診斷和Durbin-Watson復(fù)選框，確定后即可進(jìn)行結(jié)果分析。

4.3 數(shù)據(jù)趨勢分析

在SPSS里執(zhí)行【圖形】→【舊對話框】→【散點/點狀】，選擇“簡單分布”選項，在簡單散點圖對話框中，將分析的參數(shù)變量添加到Y(jié)軸列表框中，將自變量添加到X軸列表框中，此時系統(tǒng)將自動在輸出窗口中顯示簡單分布散點圖，在圖中加入線性趨勢線，將回歸得到的線性方程輸入即可得到數(shù)據(jù)的變化趨勢圖形和方程，用分析結(jié)果的樣本均值作為結(jié)構(gòu)監(jiān)測的初始值，所以監(jiān)測結(jié)果的變化趨勢為回歸方程的計算結(jié)果減去監(jiān)測樣本均值，即可得到監(jiān)測結(jié)果的趨勢曲線。

進(jìn)行趨勢分析最根本的是：為了發(fā)現(xiàn)相關(guān)的監(jiān)測參數(shù)是否存在有上升或下降趨勢，然后分析這種趨勢本身是否對整個橋梁結(jié)構(gòu)或構(gòu)件產(chǎn)生不利影響，從而導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)或構(gòu)件性能下降或結(jié)構(gòu)質(zhì)量安全帶來的隱患，以為養(yǎng)護(hù)管理決策提供科學(xué)依據(jù)。

5 結(jié)語

本文以橋梁群監(jiān)測系統(tǒng)為依托，針對目前研究現(xiàn)狀，通過SPSS數(shù)據(jù)處理軟件及理論方法，對監(jiān)測系統(tǒng)中的大量實測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，從而做到了利用實時監(jiān)測數(shù)據(jù)分析橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的真正意義上的橋梁監(jiān)測。

介紹了時間序列分析的理論和方法，為大量橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)處理提供了新的思路。對大量橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理分析，對數(shù)據(jù)的異常值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而有效地消除了橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)中隨機(jī)性因素的影響，為準(zhǔn)確地確定橋梁結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)提供了有力的數(shù)據(jù)支持。

[1] 周建庭，楊建喜，梁宗保.實時監(jiān)測橋梁壽命預(yù)測理論及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[2] 岳建平，田林亞.變形監(jiān)測技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[3] 邵長橋.交通數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析理論與方法[M].北京：人民交通出版社，2012.

On treatment and analysis of inspection data of bridge groups

Wang Xingkui Li Haiyan

(BeijingRoadandBridgeEngineeringQualityInspectionStation,Beijing100076,China)

According to the abnormal value of the inspection data, the paper introduces the manifestation and reasons for the formation of the abnormal data in the bridge inspection data, and points out the SPSS software can be adopted in the treatment methods and steps, and provides the procedure for the bridge inspection data analysis, so as to have the accurate judgment of the bridge structures.

bridge, inspection system, abnormal data, SPSS software

1009-6825(2016)24-0165-03

2016-06-17

王興奎(1962- )，男，教授級高級工程師； 李海燕(1964- )，女，教授級高級工程師

U446

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