陳以榮

［上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092］

0 引 言

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)日趨完善，對現(xiàn)有橋梁等結(jié)構(gòu)的運(yùn)營狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時感知，并建立橋梁智能感知云平臺統(tǒng)一管理，不僅可為眾多橋梁結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營提供保障，還能為橋梁維護(hù)方案的制定提供依據(jù)。而隨著平臺運(yùn)營時間的增長，積累的海量數(shù)據(jù)將給平臺運(yùn)營帶來沉重壓力。對數(shù)據(jù)進(jìn)行合理分析以及輕量化處理以便更好的展示，是現(xiàn)今迫切需要解決的問題。

劉澤佳等[1]針對珠江黃埔大橋北汊斜拉橋穩(wěn)定運(yùn)營階段采集到的溫度和應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行特征分析，獲取了溫度和應(yīng)變數(shù)據(jù)的基本特征，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換和小波變化分析，發(fā)現(xiàn)該橋溫度與應(yīng)變之間存在明顯的正相關(guān)關(guān)系，為橋梁感知數(shù)據(jù)挖掘提供了參考。由于采用傳感器獲得結(jié)構(gòu)運(yùn)營數(shù)據(jù)，常出現(xiàn)因高水平噪聲而難以處理的問題，Zhang等[2]提出了一種基于支持向量回歸增量學(xué)習(xí)算法的數(shù)據(jù)處理方法，該方法在處理受干擾感知樹時表現(xiàn)出較高的準(zhǔn)確性和魯棒性。在數(shù)據(jù)挖掘方面，李雪蓮[3]以東海大橋?yàn)楸尘?，通過各種類型的傳感器獲得了該橋周邊的大氣溫度、結(jié)構(gòu)溫度和跨中撓度數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了分析，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)溫度、大氣溫度以及橋梁跨中撓度與大氣溫度具有明顯的時間滯后效應(yīng)。

常用的數(shù)據(jù)挖掘方法有分類、聚類、時序分析等方法。由于橋梁感知平臺持續(xù)運(yùn)營，每天均要產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)獲取之后可能并沒有得到太多應(yīng)用，通過基于模型的聚類算法可較好地運(yùn)用于工程項目中。在基于模型的聚類算法數(shù)據(jù)輕量化分析方面，孫文瑞[4]通過基于Kohonen 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的數(shù)據(jù)挖掘方法，對海量感知數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算，為橋梁后期評估以及預(yù)警提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。謝維信等[5]回顧了模糊聚類算法的研究進(jìn)展，闡述了工程實(shí)際運(yùn)用中基于目標(biāo)函數(shù)的聚類方法，由于具有設(shè)計簡單、解決問題范圍廣，且最終可歸結(jié)為優(yōu)化問題等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛運(yùn)用。

以上算法的分析步驟較多，對計算硬件的要求也較高，不便于廣泛應(yīng)用。本文通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行輕量化分析處理，以減輕橋梁智能感知云平臺的負(fù)擔(dān)，獲得了較好的數(shù)據(jù)保存和展示方案。

1 項目簡介

已建某內(nèi)河航道大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋，設(shè)計車速為50~60 km/h，設(shè)計荷載為汽車 - 超20 級，掛車 -120。抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)按地震基本烈度7 度設(shè)防。該連續(xù)剛構(gòu)橋主橋?yàn)? 跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，跨徑布置50 m+80 m+50 m，中墩為雙柱薄壁墩；引橋?yàn)榭鐝?0 m 小箱梁結(jié)構(gòu)。橋梁現(xiàn)狀情況如圖1 所示。該橋除主通航孔等重點(diǎn)橋跨采用連續(xù)剛構(gòu)結(jié)構(gòu)外，其余橋跨采用小跨徑小箱梁、板梁結(jié)構(gòu)。該橋日常運(yùn)營的主要荷載為車輛荷載，上部結(jié)構(gòu)撓度和關(guān)鍵部位應(yīng)變是運(yùn)維階段重點(diǎn)關(guān)注的指標(biāo)。

該連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)樯舷滦蟹址O(shè)計，重車以右側(cè)車道行駛為主。主橋?yàn)閱蜗鋯问蚁淞航Y(jié)構(gòu)，通常在重車荷載作用下，右側(cè)腹板為荷載橫向分布的承擔(dān)主體。

圖1 橋梁現(xiàn)狀照片

2 傳感器布設(shè)情況

該連續(xù)剛構(gòu)橋的柱墩為雙薄壁式橋墩，墩頂主梁在主跨和邊跨側(cè)兩端的彎矩和應(yīng)力分布不同，主跨主梁亦存在負(fù)彎矩向正彎矩的過渡，應(yīng)力分布復(fù)雜。對上部結(jié)構(gòu)主跨，選取跨中、雙1/4 跨、雙根部共5 個關(guān)鍵界面；對邊跨，選取跨中、根部共4 個關(guān)鍵界面。系統(tǒng)傳感器總體布置圖見圖2。關(guān)鍵截面處布設(shè)的傳感器類型為光纖光柵式傳感器，光纖光柵傳感器通常通過度量反射光的峰值波長漂移量，來實(shí)現(xiàn)對溫度、應(yīng)力等物理量實(shí)時變化的監(jiān)測。

圖2 系統(tǒng)傳感器總體布置圖（單位：m）

分別選取典型位置主橋中跨跨中梁底位置的應(yīng)變實(shí)測數(shù)據(jù)以及主橋處溫度1 周實(shí)測數(shù)據(jù)（見圖3）。由圖3 可知，主橋中跨跨中應(yīng)變指標(biāo)總體呈現(xiàn)周期性變化，且變化趨勢與溫度變化趨勢接近，但稍有滯后，這與混凝土結(jié)構(gòu)整體傳熱以及相關(guān)變形速率有關(guān)。

3 數(shù)據(jù)處理與分析

對結(jié)構(gòu)運(yùn)維指標(biāo)實(shí)施高頻度動態(tài)采集的同時，從平臺能力層面考慮數(shù)據(jù)傳輸、云平臺訪問能力等要素，力求在獲得工程所需頻度的同時，不至于造成過高的數(shù)據(jù)傳輸成本。因此，計算算法的選用也主要遵循輕量、實(shí)用等原則。此外，為不造成數(shù)據(jù)過度冗余，在運(yùn)行先期設(shè)定1 Hz 的全系統(tǒng)采集頻率。

圖3 典型位置溫度與應(yīng)變實(shí)測數(shù)據(jù)圖

采集得到的數(shù)據(jù)具有較大的波動，數(shù)據(jù)分析時關(guān)系到數(shù)據(jù)變化趨勢、數(shù)據(jù)波動顯著值大小以及發(fā)生的時間。為獲得數(shù)據(jù)變化趨勢曲線，采用滑動平均方法對傳感器采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行更新。滑動平均方法相較于其他動態(tài)測試數(shù)據(jù)處理方法具有算法簡便、計算量小、可采用傳遞形式來計算、可節(jié)約儲存空間、快速且便于實(shí)時處理非平穩(wěn)數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn)，因此該算法基本滿足數(shù)據(jù)輕量化處理原則。

根據(jù)滑動平均的計算原理，結(jié)合平臺數(shù)據(jù)特點(diǎn)，定義計算式（1）對各個傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算。

式中：dm為進(jìn)行滑動平均計算后的數(shù)據(jù)值；d（j）為原始采樣數(shù)據(jù)值；Δs 為每次計算平均值時的采樣點(diǎn)數(shù)。

由于城市高速公路中的混凝土箱式梁橋采用封閉式管理，車輛特別是重型車輛經(jīng)過橋梁時，結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生不同程度的應(yīng)變，為獲得由車輛造成的應(yīng)變值大小，需要計算得到應(yīng)變傳感器采集得到的波動情況，重點(diǎn)關(guān)注由于重型車輛造成的顯著波動值及其發(fā)生的時間。

采用滑動平均方法得到數(shù)據(jù)趨勢之后，根據(jù)原始數(shù)據(jù)即可計算得到數(shù)據(jù)的純波動響應(yīng)情況Re，計算方法為：

根據(jù)數(shù)據(jù)純波動響應(yīng)情況，通過算法設(shè)置閾值來過濾掉細(xì)小的波動，即可得到顯著響應(yīng)波動值。此外，根據(jù)顯著波動產(chǎn)生的時間進(jìn)行計次，可得到全天24 h 內(nèi)不同時段內(nèi)的顯著波動產(chǎn)生次數(shù)，用以分析橋梁運(yùn)營峰值的時間。選取前述1 周的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到的數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)分析結(jié)果

由圖4 可知，在對原始數(shù)據(jù)圖3（a）進(jìn)行滑動平均處理之后，可得到數(shù)據(jù)的變化趨勢值（見圖4（a））；除去趨勢數(shù)據(jù)，即可得到數(shù)據(jù)的波動值（見圖4（b））；對應(yīng)運(yùn)營指標(biāo)過濾掉微小波動后保留顯著波動值以及對應(yīng)時刻，即得到顯著波動圖（見圖4（c））；將趨勢值疊加顯著波動值，即得到圖4（d）的趨勢疊加波動值圖；對各時段內(nèi)產(chǎn)生的顯著波動次數(shù)進(jìn)行計次，即得到圖4（e）的顯著波動計次圖。

4 結(jié) 語

（1）數(shù)據(jù)趨勢值在夜間達(dá)到峰值狀態(tài)，且主跨跨中等一些關(guān)鍵位置的應(yīng)變響應(yīng)波動次數(shù)總數(shù)呈現(xiàn)周期性變化，在白天7 點(diǎn)~18 點(diǎn)范圍內(nèi)，各時段內(nèi)的顯著響應(yīng)次數(shù)較小，而在夜間各時段內(nèi)的顯著響應(yīng)次數(shù)明顯增大，這與夜間重載交通通行數(shù)量多有關(guān)。

（2）對比應(yīng)變與溫度變化趨勢圖可知，應(yīng)變與溫度變化趨勢接近，但應(yīng)變變化相比溫度變化約有2 h左右的滯后，這與混凝土結(jié)構(gòu)整體傳熱以及相關(guān)變形速率有關(guān)。