橋梁監(jiān)控數據的處理與分析

韓玉仲，宋立軍，焦衛(wèi)強.中國建筑科學研究院，北京　0003 .中電投工程研究檢測評定中心，北京　004

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橋梁監(jiān)控數據的處理與分析

韓玉仲1，宋立軍2，焦衛(wèi)強1
1.中國建筑科學研究院，北京100013 2.中電投工程研究檢測評定中心，北京100142

摘要本文首先闡述了土木工程結構的安全評估、健康監(jiān)測及損傷診斷的必要性和迫切性。然后詳細介紹了橋梁監(jiān)控數據處理和分析的方法：遺漏數據的處理、噪聲數據的處理、異常數據的處理與分析。

關鍵詞健康監(jiān)測；監(jiān)測數據處理

隨著我國經濟的快速發(fā)展，復雜的大型土木結構越來越多，一些超大跨度的橋梁和隧道相繼建成。由于結構的特殊性，結構的穩(wěn)定性和耐久性越來越受到重視。橋梁的建設是具有重大的顯示意義，投資規(guī)模巨大，使用周期長。在實際應用過程中，對橋梁結構性能進行監(jiān)測和診斷，及時地發(fā)現(xiàn)結構的損傷，對可能出現(xiàn)的災害進行預測，評估其安全性已經成為未來工程的必然要求。橋梁監(jiān)控過程中，由于傳感器種類多，數量大，面對巨大的監(jiān)測數據庫，有必要采用合理的手段和方法分析出有價值的信息；為橋梁的評估提供可靠的依據。

1　橋梁監(jiān)控數據的處理和分析

對于橋梁監(jiān)控大量的數據都通過傳感器感應出來，由于傳感器品種多、數量大，整個采集形成了巨大的數據庫。在海量的數據中，絕大部分數據有效可靠，偶爾會有異常數據的出現(xiàn)。

異常數據的加入對數據的評估帶來很大的麻煩，對橋梁結構的安全預警毫無意義。通過統(tǒng)計和濾波的方法可以處理異常數據，把無效數據從數據庫中剔除掉，提高評估效率。梳理統(tǒng)計方法主要有以下幾種：生成遺漏數據、清除異常數據、擬合數據等3類。

1.1丟失數據的處理

在監(jiān)測數據庫中，會出現(xiàn)數據丟失的情況，數據庫中的數據和實際采集的數據量不一致。可以通過線面的方法處理遺漏的數據。

1）人工生成丟失數據。這種方法效率低，成功的概率小，對于丟失很多數據的情況難處理。

2）采用丟失的值生成遺漏的值。同一個類型所有丟失的值采用事先選取好的值來填補。如果同一類數據遺漏的值較多，就可能影響數據分析的近程，對數據分析帶來不良的影響。這種方法雖然簡單，但是需要仔細分析數據填補后的情況，盡量避免數據填補后橋梁結構分析的誤判。

3）忽略丟失數據。如果數據庫中某個點的數據丟失了，在分析處理數據庫的時候，不考慮丟失的數據。如果數據丟失比較多，數據庫的分析處理會帶來很大的誤差。

4）采用數據的平均值填補數據的遺漏值。計算出一段數據的平均值，把平均值作為丟失數據的有效值。

5）通過曲線擬合的方式（最小二乘法、回歸分析）獲得有效可靠的數據，彌補丟失的數據。

1.2對于噪聲數據的處理

在橋梁監(jiān)控系統(tǒng)中（特別是動態(tài)監(jiān)控），監(jiān)測周期長，監(jiān)測數據量巨大。在監(jiān)測數據庫中通常包含異常數據，這些數據往往是外部原因造成的，這些數據和真實的數據存在著很大的差異，我們需要采用很多方法來判別數據干擾和實際數據的差異。隨機的噪聲數據分布在整個時域空間內，在整個的數據庫中都會存在。為了獲取有效的數據，我們需要去除噪聲數據。通?？梢圆捎脭祿交姆椒▉硖幚懋惓祿?。數據平滑的方法處理數據（xi，yi），（i=0，1，2…，n），數據處理結果是要得到一組有效的數據（xi，），（i=0，1，2…，n），數據處理的結果是需要獲得良好的平滑計算公式，而不是把工作重心放到多項式參數的擬合上。數據平滑的方法引用非常廣泛，它可以減少噪聲對數據帶來的影響，尤其是一些特殊的原因帶來的影響，例如帶通濾波，低通濾波和高通濾波。數據平滑的數據處理方法主要用到五點二次平滑。這種方法在監(jiān)測數據的處理過程中有效可靠，是一種非常高效的方法。

這種方法公式的推導是根據測量的前兩個測量數據和后兩個測量數據，這幾個點的數據用一個多項式來平滑擬合，通過擬合的曲線作為平滑后的有效值。從數據苦衷喝的一組數據值：y0，y1，……yi-2，yi-1，yi，yi+1，yi+2，……ym-2ym-1，ym

根據公式的修正結果是：

兩邊的數據修正后的結果是：

下圖1為橋梁監(jiān)控數據通過數據擬合前后的圖形

對比。

圖1

1.3異常數據庫的處理與分析

大型結構監(jiān)測過程中，異常值指明顯不符合監(jiān)測規(guī)律的特殊數據監(jiān)測結構。處理異常數據庫中的監(jiān)測數據需要監(jiān)測軟件采用相關的算法來實現(xiàn)。通常在異常數據的處理中，采用的識別周期較長，通常以周為單位對數據進行處理。

監(jiān)測的數據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、格拉布斯方法在運算上非常復雜，處理不方便。3σ方法處理簡單，對于大數據量的處理意義重大，采用這個方法得到良好的處理模型。在統(tǒng)計學中，統(tǒng)計大部分數據，如果測試值的差值超過3σ的概率已經非常小。在實際的分析處理中，通常認為差值超過3σ的測量值是由于外部環(huán)境原因造成的是異常數據，需要處理。通過3σ方法的處理方法，把數據庫中測量值和平均值進行比較，如果差值不負責準則認為是異常值。

2　結論

橋梁監(jiān)測工程周期長、傳感器布設點數多、采樣數據量大，數據處理和分析難度高。數據的處理和分析是一個系統(tǒng)工程，采用有效的手段可以提高數據處理的能力可以預測和預警橋梁結構的安全性能。在數據處理過程中，第一要對橋梁監(jiān)控的數據進行預處理，去掉由于外部原因帶來的誤差數據，剔除異常數據，通過平滑的相關方法獲得可靠的數據。然后將數據庫中的數據進行溫度修正，因為溫度對傳感器的影響很大，建立良好的溫度場模型是環(huán)境數據修正的基礎。對于橋梁監(jiān)控的數據處理需要各個方面的人員提供技術支持，在這個系統(tǒng)工程中，這個專業(yè)人員需要掌握方方面面的知識：傳感器的特點及選型、數據傳輸的特點、橋梁結構分析計算。通過大量的數據處理分析可以提高處理的能力，為橋梁的良好運行提供保障。

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中圖分類號TU19

文獻標識碼A

文章編號1674-6708（2016）165-0194-01

作者簡介：韓玉仲，中國建筑科學研究院。宋立軍，中電投工程研究檢測評定中心。焦衛(wèi)強，中國建筑科學研究院。