大數(shù)據(jù)分析技術(shù)在橋梁健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

苗秀鵬

重慶亞派橋梁工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司 重慶市土木結(jié)構(gòu)智慧監(jiān)測(cè)工程技術(shù)中心

大數(shù)據(jù)分析技術(shù)在橋梁健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

苗秀鵬

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隨著橋梁使用年限的增長(zhǎng)，其各方面性能都會(huì)下降，對(duì)橋梁進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)是本世紀(jì)研究的熱點(diǎn)。面對(duì)海量的橋梁健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)分析，確定橋梁的運(yùn)營(yíng)狀況，保證橋梁安全運(yùn)營(yíng)具有非常重要的意義。本文簡(jiǎn)要介紹海量數(shù)據(jù)的處理方法，并陳簡(jiǎn)要述前人研究成果及數(shù)據(jù)的分析方法。

橋梁健康；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；處理方法；分析

前言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，交通量驟增，許多既有橋梁的設(shè)計(jì)荷載已不能滿足現(xiàn)行車(chē)輛荷載的使用要求，橋梁結(jié)構(gòu)安全受到嚴(yán)重威脅。為保障橋梁運(yùn)營(yíng)期內(nèi)的結(jié)構(gòu)安全，必須對(duì)橋梁進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，建立預(yù)警機(jī)制，以防止橋梁垮塌等重大事故發(fā)生。進(jìn)行橋梁健康監(jiān)測(cè)時(shí)，每天會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，因此，面對(duì)海量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，有必要采用合適的處理手段從中分析出有價(jià)值的信息，以為橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)評(píng)估提供重要的科學(xué)參考依據(jù)。

1 、橋梁健康監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)中心的功能與內(nèi)容

1.1 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)本身產(chǎn)生的海量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)安裝在大橋上的各種傳感器對(duì)大橋關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位信息進(jìn)行不間斷采集，再對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、傳輸、處理、分析，同時(shí)各個(gè)大橋上的數(shù)據(jù)也實(shí)時(shí)傳送到數(shù)據(jù)中心，最終產(chǎn)生海量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。在大數(shù)據(jù)背景下，這類(lèi)數(shù)據(jù)處理源于數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，數(shù)據(jù)處理的目標(biāo)是將PB級(jí)數(shù)據(jù)的處理時(shí)間縮短到秒級(jí)，而對(duì)應(yīng)的處理工具則需具備高性能、實(shí)時(shí)、可擴(kuò)展等特性。

1.2 橋梁的設(shè)計(jì)、施工監(jiān)控等資料數(shù)據(jù)

橋梁的設(shè)計(jì)、施工監(jiān)控、竣工動(dòng)靜載試驗(yàn)、年度或定期檢測(cè)等大橋相關(guān)資料也是橋梁數(shù)據(jù)的重要組成部分，這些數(shù)據(jù)可使用常規(guī)數(shù)據(jù)庫(kù)的形式存儲(chǔ)，屬于結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。目前分析工具與手段較多，屬傳統(tǒng)數(shù)據(jù)分析，但需要使用大數(shù)據(jù)分析軟件來(lái)與之比較與分析。

1.3 社會(huì)數(shù)據(jù)

橋梁科技人員以及新聞報(bào)道人員針對(duì)橋梁的設(shè)計(jì)、施工以及運(yùn)營(yíng)等方面出版的書(shū)籍，發(fā)表的論文和報(bào)道屬于社會(huì)數(shù)據(jù)，可從中可檢索出相關(guān)有用信息來(lái)輔助健康與安全判斷。社會(huì)數(shù)據(jù)絕大部分是非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)或半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，要使用這部分?jǐn)?shù)據(jù)難度很大，是研究與開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。社會(huì)數(shù)據(jù)的搜索與提取主要使用大數(shù)據(jù)分析中的2個(gè)工具：語(yǔ)義搜索引擎和數(shù)據(jù)挖掘算法。

橋梁健康監(jiān)測(cè)需要的本質(zhì)功能是預(yù)測(cè)，而運(yùn)用大數(shù)據(jù)的“樣本=總體”的全新概念的本質(zhì)功能也是預(yù)測(cè)，通過(guò)數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)挖掘方法達(dá)到預(yù)測(cè)橋梁損傷的目的。

2 、數(shù)據(jù)處理方法

2.1 系統(tǒng)誤差處理方法

在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，系統(tǒng)誤差是對(duì)同一個(gè)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量時(shí)，誤差值的大小和符號(hào)(正值或負(fù)值)保持不變；或者在條件變化時(shí)，按一定規(guī)律變化的誤差。判別原則：異常值檢驗(yàn)方法是建立在隨機(jī)樣本觀測(cè)值遵從正態(tài)分布和小概率原理的基礎(chǔ)之上的。根據(jù)觀測(cè)值的正態(tài)分布特征性，出現(xiàn)大偏差其可能性很低。當(dāng)測(cè)值較少時(shí)，在正常的請(qǐng)款下，根據(jù)小概率原理，他們是不會(huì)出現(xiàn)的，倘若出現(xiàn)，那么必定存在異常值。由于在橋梁健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中，數(shù)據(jù)的不可再重復(fù)性及試驗(yàn)再現(xiàn)性，只能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行理論上的推導(dǎo)，即對(duì)系統(tǒng)誤差一般采用數(shù)據(jù)分析法。它包含殘余誤差觀察法、殘余誤差校驗(yàn)法、計(jì)算數(shù)據(jù)比較法、不同公式計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差比較法、秩和檢驗(yàn)法及t檢驗(yàn)法等，用這些方法可以判別數(shù)據(jù)是否存在系統(tǒng)誤差。若存在系統(tǒng)誤差，可以檢查儀器和周?chē)h(huán)境，排除其他干擾因素的影響。

2.2 數(shù)據(jù)插補(bǔ)

在異常數(shù)據(jù)剔除后，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)，以保證數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性。常用的插補(bǔ)方法有：多項(xiàng)式曲線擬合、特殊值填補(bǔ)、插值、時(shí)間序列自適應(yīng)移動(dòng)平均模型、支持向量機(jī)插補(bǔ)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)插補(bǔ)等。對(duì)于某些數(shù)據(jù)由于某種原因?qū)е碌娜笔?，可以從傳感器之間的相關(guān)性著手，進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性分析并進(jìn)行插補(bǔ)；也可以根據(jù)該傳感器數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系運(yùn)用上述插補(bǔ)方法進(jìn)行插補(bǔ)。

2.3 數(shù)據(jù)消噪

采集的數(shù)據(jù)由于外界各種因素的干擾下，其數(shù)據(jù)很大程度的失真，只有經(jīng)過(guò)濾波處理后，才能得到較為準(zhǔn)確有效的數(shù)據(jù)。為了獲得真實(shí)值，可以采取一定的數(shù)據(jù)平滑濾波方法能有效的消除噪聲。常用的方法有移動(dòng)平均濾波法、算術(shù)平均值濾波法、中值濾波、低通濾波、限幅濾波、局部加權(quán)回歸散點(diǎn)平滑濾波法、局部修正平滑數(shù)據(jù)濾波法及Savitaky-Golay平滑濾波法等。每種濾波方法都能達(dá)到一定的消除噪聲的效果，因此應(yīng)該針對(duì)不同工程合理選取自己的濾波處理方法。

3 、數(shù)據(jù)分析

在數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后，進(jìn)而應(yīng)用數(shù)據(jù)對(duì)橋梁進(jìn)行評(píng)判，從數(shù)據(jù)挖掘的角度，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)分析、關(guān)聯(lián)分析及相關(guān)分析。趨勢(shì)分析是在長(zhǎng)時(shí)間，海量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)整理得出相應(yīng)的趨勢(shì)線，根據(jù)趨勢(shì)線對(duì)橋梁健康狀況發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行估計(jì)；相關(guān)分析是對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)間存在某種的聯(lián)系進(jìn)行分析，在現(xiàn)在的技術(shù)和條件下面對(duì)海量數(shù)據(jù)我們很難定義出他們之間存在確切關(guān)系，我們只要知道他們存在相關(guān)關(guān)系，這具有重要的意義；關(guān)聯(lián)分析是指參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系。目前國(guó)內(nèi)運(yùn)用健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)做了很多研究，研究表明溫度、撓度、裂縫寬度、伸縮縫位移、支座變形等因素存在一定的聯(lián)系。

4 、結(jié)束語(yǔ)

橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)是近幾十年來(lái)發(fā)展的新技術(shù)，它的海量數(shù)據(jù)，單系統(tǒng)的片面性還沒(méi)有得到很好的解決；同樣，大數(shù)據(jù)分析技術(shù)是近幾年來(lái)發(fā)展的全新技術(shù)，利用大數(shù)據(jù)分析擴(kuò)展認(rèn)知能力有著廣闊的應(yīng)用前景，深度學(xué)習(xí)、知識(shí)計(jì)算、可視化等大數(shù)據(jù)分析技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于不同的行業(yè)和領(lǐng)域。本文提出了使用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)建立橋梁健康監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)中心的新概念，給出了大數(shù)據(jù)分析技術(shù)在橋梁健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用前景和方向。隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)也會(huì)有突飛猛進(jìn)的發(fā)展，從而構(gòu)建一個(gè)全國(guó)性的大中小型橋梁的健康、病害、預(yù)防、診治一體化管理的用于分析、整合、規(guī)范、指導(dǎo)的信息數(shù)據(jù)鏈交互平臺(tái)，提供一個(gè)可靠、高效、并能夠不斷優(yōu)化服務(wù)的健康與安全保障系統(tǒng)。

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