張文鋒，唐聰，楊太年

（中交天津港灣工程研究院有限公司，天津港灣工程質(zhì)量檢測中心有限公司，天津300222）

光纖光柵鋼筋腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方法

張文鋒，唐聰，楊太年

（中交天津港灣工程研究院有限公司，天津港灣工程質(zhì)量檢測中心有限公司，天津300222）

光纖光柵傳感器具有抗干擾強(qiáng)、體積小、精度高、耐久性高等優(yōu)點，現(xiàn)已成為鋼筋腐蝕監(jiān)測技術(shù)研究的熱點。文章針對典型的光纖光柵鋼筋腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)，提出了一種多傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方法，具體包括波長數(shù)據(jù)預(yù)處理（補(bǔ)償后波長、波長變化量、鋼筋腐蝕率）、異常數(shù)據(jù)檢驗與剔除（t檢驗法）、一致性檢驗（分布圖法）、基于Bayes估計的數(shù)據(jù)融合、腐蝕率融合值的模糊區(qū)間建立等過程，并通過算例驗證了監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方法的有效性。

光纖光柵；鋼筋腐蝕；監(jiān)測；數(shù)據(jù)處理；傳感器

0 引言

氯離子侵蝕引起的鋼筋腐蝕是導(dǎo)致海洋環(huán)境鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性不足的主要原因。鋼筋腐蝕在海洋環(huán)境下普遍存在，后期有加速發(fā)展的趨勢，若不及時處理，往往會造成后期維修難度和成本的增大。由此可見，盡早發(fā)現(xiàn)鋼筋腐蝕，并及時采用處理措施，不僅有利于保障結(jié)構(gòu)耐久性，而且有助于降低維護(hù)成本。鋼筋腐蝕監(jiān)測技術(shù)可在不破壞結(jié)構(gòu)完整性的基礎(chǔ)上，實時獲取混凝土中鋼筋的腐蝕信息，是盡早分析鋼筋腐蝕原因的有效手段，并可為及時采取應(yīng)對措施提供必要條件，對于保障結(jié)構(gòu)耐久性和降低結(jié)構(gòu)后期維護(hù)費用有著積極意義。

國內(nèi)外開發(fā)了一系列鋼筋腐蝕監(jiān)測傳感器，其中陽極梯、Corrowatch傳感器、ECI腐蝕傳感器等在國內(nèi)外工程中已得到廣泛應(yīng)用[1]。與傳統(tǒng)傳感器相比，光纖傳感器集傳感與信息傳輸于一體，且具有抗干擾強(qiáng)、體積小、精度高、耐久性高等優(yōu)點，現(xiàn)已成為國內(nèi)外鋼筋腐蝕監(jiān)測技術(shù)研究的新熱點。目前，用于鋼筋腐蝕監(jiān)測的光纖傳感器主要有微彎型光纖傳感器、光纖光柵傳感器、長周期光纖光柵傳感器，光波導(dǎo)型傳感器等，其中以光纖光柵傳感器研究最為廣泛。

提出一種基于鋼筋腐蝕膨脹及光纖光柵傳感原理的鋼筋腐蝕傳感器組合[2]，通過光纖并聯(lián)器、光纖轉(zhuǎn)接盒、光纜、光纖監(jiān)測儀等部件可實現(xiàn)在線監(jiān)測和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸[3]，目前已在工程結(jié)構(gòu)中得到應(yīng)用。單個傳感器組合僅從某一范圍描述鋼筋腐蝕狀況，只提供局部信息，很難準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)中鋼筋的普遍腐蝕狀況。因此，在實際工程中，通常會在結(jié)構(gòu)的典型區(qū)域埋設(shè)一定數(shù)量的傳感器組合形成多傳感器系統(tǒng)。與單個傳感器相比，多傳感器不僅能增強(qiáng)傳感器系統(tǒng)的存活能力和抗干擾能力，而且可提高數(shù)據(jù)的可信度和精度，并增加信息的利用率。以下針對典型的光纖光柵鋼筋腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)提出一種監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方法。

1 光纖光柵鋼筋腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)處理步驟

假設(shè)在某實體工程的典型區(qū)域埋設(shè)n組傳感器，每組傳感器由一個鋼筋腐蝕傳感器和一個補(bǔ)償傳感器構(gòu)成，分別對每組傳感器中的鋼筋腐蝕傳感器讀數(shù)m次，對補(bǔ)償傳感器讀數(shù)1次。某典型區(qū)域多傳感器系統(tǒng)，h時間段監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理步驟包括波長數(shù)據(jù)預(yù)處理、異常數(shù)據(jù)的檢驗與剔除、一致性檢驗、Bayes數(shù)據(jù)融合、腐蝕率融合值的模糊區(qū)間建立等。圖1為光纖光柵鋼筋腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)處理的流程圖。

圖1 光纖光柵鋼筋腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)處理的流程圖Fig.1Flow diagram for the monitoring data processing of the fiber Bragg grating sensors for steel corrosion

1.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

在數(shù)據(jù)處理前，首先通過數(shù)據(jù)預(yù)處理將光纖監(jiān)測儀采集的波長信號轉(zhuǎn)換為鋼筋腐蝕率數(shù)據(jù)。根據(jù)第j號補(bǔ)償傳感器h時間段的波長和初始時間段的波長計算補(bǔ)償波長，接著對腐蝕傳感器中心波長進(jìn)行補(bǔ)償計算，然后結(jié)合腐蝕傳感器初始波長得到波長變化量，最后根據(jù)波長變化量與腐蝕率的定量關(guān)系計算h時間段的腐蝕率。波長變化量Δλi（h，j）及腐蝕率ρi（h，j）計算公式如下：

式中：λ（ih，j）為h時間段第j號鋼筋腐蝕傳感器的第i次中心波長的讀數(shù)值；λ（Bh，j）為h時間段相應(yīng)補(bǔ)償傳感器的讀數(shù)；λ（Bh0，j）為初始時間段相應(yīng)補(bǔ)償傳感器的波長；λ（ih0，j）為初始時間段第j號鋼筋腐蝕傳感器波長讀數(shù)的平均值；ρ（ih，j）為第j號傳感器h時間段的鋼筋腐蝕率；Δλ（ih，j）為波長變化量；f[Δλ（ih，j）]為波長變化量與鋼筋腐蝕率的定量關(guān)系。

1.2 異常數(shù)據(jù)的檢驗與剔除

一般認(rèn)為監(jiān)測數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，常用的異常數(shù)據(jù)檢驗準(zhǔn)則有t檢驗（3S）準(zhǔn)則、狄克松（Dixon）準(zhǔn)則、布拉格斯（Grubbs）準(zhǔn)則等，本文采用t檢驗準(zhǔn)則[4]。對預(yù)處理得到的h時間段每個傳感器組的m個腐蝕率值ρ（ih，j）進(jìn)行t檢驗，并剔除異常數(shù)據(jù)。異常數(shù)據(jù)t檢驗的基本公式如下：

式中：ρ（kh，j）為可疑值；ρ（h，j）*和σ（h，j）*分別為不包括可疑值在內(nèi)的m-1個采集值的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差；K（m，α）為t檢驗系數(shù)，α為顯著性水平，m為讀數(shù)次數(shù)。當(dāng)確定ρ（kh，j）為異常值，將其剔除，對剩余數(shù)據(jù)繼續(xù)檢驗；當(dāng)ρ（kh，j）為非異常值時，不能剔除，檢驗結(jié)束。

1.3 一致性檢驗

腐蝕率值ρ（ih，j）通過異常數(shù)據(jù)檢驗和剔除后，進(jìn)行一致性檢驗，本文采用分布圖法[5]。分位圖法用中位數(shù)（M）、四分位數(shù)（F）、四分位數(shù)離散度（dF）、淘汰點（Θ）等統(tǒng)計量來反映數(shù)據(jù)的分布結(jié)構(gòu)，以找出數(shù)據(jù)中較不可靠的離異值。將n個傳感器組在h時間段剔除異常數(shù)據(jù)后所求得的平均值作為單個傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)，那么一致性數(shù)據(jù)的區(qū)間邊界可按式（4）計算：

式中：γ為一致性檢驗系數(shù)，其大小視系統(tǒng)的測量誤差要求而定，一般取0.5、1.0、2.0等值[6]。當(dāng)傳感器數(shù)據(jù)處于區(qū)間[Θv，Θu]時，認(rèn)為數(shù)據(jù)是有效一致的，檢驗結(jié)束；當(dāng)數(shù)據(jù)不處于該區(qū)間時，將其淘汰，并對剩余數(shù)據(jù)繼續(xù)檢驗。

1.4 基于Bayes估計的數(shù)據(jù)融合

多傳感器數(shù)據(jù)融合方法有加權(quán)平均法、卡爾曼濾波法、Bayes估計法、D-S證據(jù)推理、產(chǎn)生式規(guī)則等，本文采用Bayes估計法[6-7]。假設(shè)h時間段n個傳感器組的監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)一致性檢驗后得到一致數(shù)據(jù)集為H={ρ（h，1）**，ρ（h，2）**，…，ρ（h，r）**}，r≤n。采用Bayes估計法對一致性數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，計算公式如下：

式中：μN(yùn)為Bayes數(shù)據(jù)融合所得融合值；ρ（h，j）**為經(jīng)過一致性檢驗后的數(shù)據(jù)；σ2j為ρ（h，j）**的方差；μ0和σ20分別為單個傳感器多次有效讀數(shù)的均值和方差。

1.5 腐蝕率融合值的模糊區(qū)間建立

腐蝕率融合值μN(yùn)是點估計值，僅僅是腐蝕率數(shù)據(jù)的一個近似值。盡管這個近似值很接近真實值，但未反映出其誤差范圍。然而，鋼筋腐蝕往往是不均勻的，且傳感器數(shù)量有限，腐蝕率數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)在某個區(qū)間內(nèi)，因此僅用融合值μN(yùn)來表示鋼筋腐蝕程度顯得不夠科學(xué)。為此，采用腐蝕率模糊區(qū)間[8]來表示鋼筋的腐蝕程度，模糊區(qū)間計算公式如下：

式中：ρ?為腐蝕率數(shù)據(jù)；ω為閥值；μN(yùn)為腐蝕率融合值；σ2j為ρ（h，j）**的方差。

2 算例

假設(shè)某鋼筋混凝土構(gòu)件布設(shè)了10個傳感器組，每個腐蝕傳感器讀數(shù)6次，每個補(bǔ)償傳感器讀數(shù)1次。腐蝕傳感器的平均初始波長、補(bǔ)償傳感器的初始波長和某次采集的波長讀數(shù)見表1。腐蝕傳感器某次采集的波長讀數(shù)見表2。傳感器組腐蝕率公式為ρ=2.269 16（Δλ）2+0.643 02Δλ+ 0.232 29，其中Δλ為波長變化量。傳感器組所得腐蝕率t檢驗的顯著性水平為0.05，腐蝕率均值一致性檢驗的系數(shù)γ為1.0，腐蝕率模糊區(qū)間確定時采用的閥值為0.5。采用本文方法計算某次：1）傳感器的有效腐蝕率數(shù)據(jù)；2）有效的腐蝕率均值；3）腐蝕率融合值；4）腐蝕率的模糊區(qū)間。

表1 腐蝕傳感器及補(bǔ)償傳感器的波長讀數(shù)Table 1Wavelength of the corrosion sensors and their compensation sensors nm

表2 腐蝕傳感器采集的波長讀數(shù)Table 2Wavelength of the corrosion sensorsnm

求解過程見表3。1）根據(jù)式（1）計算腐蝕傳感器的波長變化量，然后通過式（2）計算腐蝕率。2）對各個傳感器組監(jiān)測到的腐蝕率值進(jìn)行t檢驗，有效腐蝕率和異常腐蝕率均見表3。3）計算有效腐蝕率的均值及方差，并對均值進(jìn)行一致性檢驗。4）根據(jù)上述結(jié)果及式（5）計算腐蝕率融合值。5）根據(jù)式（6）計算腐蝕率融合值的模糊區(qū)間。

表3 傳感器的腐蝕率數(shù)據(jù)Table 3Corrosion rate of the sensors %

由表3計算結(jié)果可知，本文方法有效剔除了算例中設(shè)置的異常數(shù)據(jù)，并淘汰不一致數(shù)據(jù)。為研究本文方法的有效性，對1號傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行擾動，并將其相對擾動與傳統(tǒng)均值法的相對擾動進(jìn)行比較。具體而言，假設(shè)1號傳感器的腐蝕率讀數(shù)1由1 529.506 4 nm變?yōu)? 529.356 4 nm，按本文方法計算所得腐蝕率融合值仍為5.07%，相對擾動為0；而用傳統(tǒng)均值法計算時，腐蝕率平均值由原來的4.81%變?yōu)?.63%，相對擾動為3.7%。由此可見，與傳統(tǒng)均值法相比，本文方法具有更強(qiáng)的抗干擾能力，計算結(jié)果精度更高。另外，模糊區(qū)間更能體現(xiàn)鋼筋腐蝕不均勻的特點。綜上所述，通過本文方法可有效處理光纖光柵鋼筋腐蝕多傳感器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語

本文針對典型的光纖光柵鋼筋腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)，提出一種多傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方法，并通過算例驗證了其有效性。監(jiān)測數(shù)據(jù)處理的具體過程如下：

1）波長數(shù)據(jù)預(yù)處理：根據(jù)采集的波長信息確定波長變化量，接著通過波長變化量與腐蝕率的定量關(guān)系得到腐蝕率數(shù)據(jù)。

2）異常數(shù)據(jù)的檢驗與剔除：對從某傳感器組得到的腐蝕率數(shù)據(jù)進(jìn)行t檢驗，剔除異常數(shù)據(jù)，并計算有效數(shù)據(jù)的均值和方差，以腐蝕率均值代表傳感器組h時間段的腐蝕率。

3）一致性檢驗：通過分布圖法對n組傳感器所得到的腐蝕率均值進(jìn)行一致性檢驗，并根據(jù)相應(yīng)的閥值淘汰掉無效數(shù)據(jù)。

4）Bayes數(shù)據(jù)融合：對經(jīng)異常數(shù)據(jù)剔除和一致性檢驗所得的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行Bayes融合，獲得腐蝕率融合值，作為某典型區(qū)域的腐蝕率。

5）模糊區(qū)間建立：根據(jù)模糊區(qū)間基本公式，確定某典型區(qū)域腐蝕率融合值的模糊區(qū)間，作為該區(qū)域的鋼筋腐蝕率范圍。

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Monitoring data processing method of the fiber Bragg grating sensors for rebar corrosion

ZHANG Wen-feng,TANG Cong,YANG Tai-nian
（CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,Tianjin Port Engineering Quality Testing Center,Tianjin 300222,China）

Fiber Bragg grating sensor has the advantages such as anti-interference ability,small size,high accuracy,high durability,etc.,and now it becomes the new hot spot of rebar corrosion monitoring technology research.Aiming at the typical fiber Bragg grating monitoring system for rebar corrosion,we presented a monitoring data processing method for multiple fiber Bragg grating sensors for rebar corrosion.The method includes the phases of wavelength data pre-processing(wavelength after compensating,variation of the wavelength and corrosion rate for rebar),abnormal data removing(Student′s t-test), consistency check(distribution display method),data fusion based on the Bayes estimation and fuzzy interval confirming for the fused corrosion rates,etc.And then,the effectiveness of the monitoring data processing method is validated by an example. Key words：fiber Bragg grating;rebar corrosion;monitoring;data processing;sensor

TU503

A

2095-7874（2017）07-0072-04

10.7640/zggwjs201707017

2017-04-06

2017-05-17

張文鋒（1985—），男，江蘇丹陽人，碩士，工程師，材料物理與化學(xué)專業(yè)，從事海洋腐蝕與防護(hù)研究。E-mail：zhwf528@163.com