小波分析在橋梁健康檢測(cè)中的應(yīng)用探析

侯海莉　蔡成愿

摘要：橋梁是公路的重要組成部分，公路價(jià)值的體現(xiàn)與橋梁健康有著密不可分的關(guān)系，尤其是在國(guó)內(nèi)外發(fā)生了幾次橋梁倒塌的事故之后，人們對(duì)橋梁的健康問(wèn)題變得更加重視，如何做好橋梁健康的檢測(cè)工作，對(duì)提高橋梁的健康有著重要意義。橋梁健康的檢測(cè)工作，在應(yīng)用小波分析之后取得的重大的發(fā)展，本文對(duì)橋梁健康監(jiān)測(cè)中的主要問(wèn)題進(jìn)行了闡述，通過(guò)小波分析的簡(jiǎn)介，探討了小波分析在橋梁健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：小波分析；橋梁；健康檢測(cè)

中圖分類號(hào)：U446 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674—3024（2016）11—229—02

前言

在橋梁工程建設(shè)中，為了保證橋梁在使用過(guò)程中的安全性，提高橋梁建設(shè)質(zhì)量，需要針對(duì)橋梁的健康進(jìn)行相關(guān)的檢測(cè)工作，通過(guò)橋梁健康檢測(cè)，能夠?qū)蛄旱恼w性能和使用狀態(tài)進(jìn)行綜合性的評(píng)估。小波分析是一種應(yīng)用現(xiàn)代先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的橋梁健康檢測(cè)方法，在對(duì)橋梁進(jìn)行檢測(cè)的時(shí)候，能夠利用小波變換對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷識(shí)別，對(duì)橋梁損傷進(jìn)行迅速的定位，對(duì)其損傷程度進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷。小波分析在橋梁健康檢測(cè)中有著巨大的優(yōu)勢(shì)，深入了解小波分析對(duì)于橋梁健康檢測(cè)工作的開(kāi)展具有重要意義，更好的保障了橋梁健康。

1橋梁健康監(jiān)測(cè)中的主要問(wèn)題

對(duì)橋梁的健康檢測(cè)主要是利用相關(guān)儀器設(shè)備，來(lái)獲取橋梁結(jié)構(gòu)中的各種信息，然后對(duì)獲得的信息進(jìn)行處理、分析，通過(guò)信息內(nèi)容對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)中的損傷進(jìn)行判斷，其中包括損傷的具體位置以及損傷的程度，然后根據(jù)具體的損傷情況，對(duì)橋梁的整體健康情況進(jìn)行評(píng)估，為橋梁的安全使用提供依據(jù)和保障。

影響橋梁健康檢測(cè)系統(tǒng)的因素有三個(gè)，分別是所使用到的儀器設(shè)備性能；測(cè)點(diǎn)的分布情況；對(duì)數(shù)據(jù)的處理分析。橋梁健康檢測(cè)工作開(kāi)展的基礎(chǔ)是檢測(cè)工具，即檢測(cè)過(guò)程中用到的各種儀器設(shè)備，如果不能保證儀器設(shè)備的靈敏性和精準(zhǔn)度，那么便不能得出準(zhǔn)確的檢測(cè)數(shù)據(jù)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)結(jié)果不能真實(shí)的變現(xiàn)出橋梁結(jié)構(gòu)的損傷情況。在進(jìn)行檢測(cè)的時(shí)候，要對(duì)橋梁的具體情況進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查，在布置測(cè)點(diǎn)的時(shí)候需要根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置測(cè)點(diǎn)位置，保證所布置的測(cè)點(diǎn)能夠?qū)φ麄€(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的情況進(jìn)行檢測(cè)，確保不遺漏任何一個(gè)角落，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性。在對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的時(shí)候，必須保證檢測(cè)信號(hào)的完整性和準(zhǔn)確性，消除檢測(cè)信號(hào)中的噪聲干擾，然后從信號(hào)的分析結(jié)果中提取出有關(guān)橋梁結(jié)構(gòu)的損傷信息，結(jié)合具體的損傷識(shí)別方法對(duì)損傷信息進(jìn)行判斷，得出具體的損傷位置和損傷程度，從而對(duì)整個(gè)橋梁健康情況進(jìn)行評(píng)估。在整個(gè)檢測(cè)過(guò)程中，通過(guò)使用小波分析，能夠更加方便、快捷的對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)；還能夠消除信號(hào)中的噪聲、排除干擾；同時(shí)能夠?qū)z測(cè)信號(hào)進(jìn)行特征提取，確保了檢測(cè)結(jié)果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，使橋梁健康檢測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠，為保證橋梁健康提供科學(xué)依據(jù)，做好橋梁質(zhì)量監(jiān)督工作。

2小波分析簡(jiǎn)介

在1910年由Haar提出的小波標(biāo)準(zhǔn)正交基使最早的小波分析思想，但是小波分析概念的正式提出是在1984年，小波分析建立的基礎(chǔ)是傅里葉變換分析方法，當(dāng)時(shí)的法國(guó)地球物理學(xué)家Modet在對(duì)地震信號(hào)進(jìn)行分析、研究的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)傅里葉變換分析方法并不適用于所有的非平穩(wěn)信號(hào)，只適合在單一的頻域或者時(shí)域?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行分析。當(dāng)信號(hào)在頻域和時(shí)域兩者之間進(jìn)行轉(zhuǎn)化的時(shí)候，應(yīng)用傅里葉變化分析方法不能保證信息的完整性，部分信息會(huì)發(fā)生缺失現(xiàn)象，無(wú)法通過(guò)傳遞的信息對(duì)特征進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷，傅里葉變換分析方法只適合對(duì)相對(duì)穩(wěn)定的信號(hào)進(jìn)行分析，不能滿足非平穩(wěn)信號(hào)的分析要求，在很多情況下具有局限性，而小波分析的提出很好的解決了這一問(wèn)題。

小波分析不但適用于對(duì)平穩(wěn)信號(hào)的分析，在對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)進(jìn)行分析的時(shí)候，也是非常準(zhǔn)確適用的，小波分析在頻域和時(shí)域變換過(guò)程中能夠保證轉(zhuǎn)化過(guò)程中信號(hào)的完整性，不會(huì)出現(xiàn)信號(hào)丟失的現(xiàn)象，在不同頻域內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)不同時(shí)間段的分析，具有多分辨率分析的特點(diǎn)。在對(duì)信息進(jìn)行分辨的時(shí)候，小波分析能夠?qū)?wèn)題某些方面的特征進(jìn)行放大，突出表現(xiàn)，使得問(wèn)題特征更加明顯，更有利于根據(jù)獲得的特征表現(xiàn)，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行具體分析，小波分析還能夠獲得頻域、時(shí)域的局部特征提供的信號(hào)，具有良好的局部性，提高了所分析信號(hào)的完整性和全面性，能夠更加全面的對(duì)特征進(jìn)行了解，得到更加準(zhǔn)確、科學(xué)的分析結(jié)果。

小波分析的出現(xiàn)，使得人們找到了一種優(yōu)秀的頻域與時(shí)域分析工具，滿足了多種情況下的非平穩(wěn)信號(hào)的分析要求，在很多領(lǐng)域都得到了良好的利用。在橋梁健康檢測(cè)工作中應(yīng)用小波分析，通過(guò)利用高精準(zhǔn)度的儀器設(shè)備對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)行檢測(cè)，能夠?qū)蛄航Y(jié)構(gòu)內(nèi)部的各種特征信息進(jìn)行分辨，然后以損傷指標(biāo)依據(jù)，結(jié)合信息的處理分析結(jié)果，能夠快速、有效的得出具體損傷情況，對(duì)判斷出結(jié)構(gòu)中的損傷位置，以及不同損傷的具體程度，從而綜合損傷情況，對(duì)橋梁健康進(jìn)行科學(xué)、準(zhǔn)確的評(píng)估。

3利用小波變換進(jìn)行損傷識(shí)別

橋梁健康檢測(cè)是通過(guò)一定的技術(shù)手段，根據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部動(dòng)力特性的變化了解結(jié)構(gòu)的具體情況，當(dāng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的連接點(diǎn)發(fā)生變化的時(shí)候，動(dòng)力特性會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。橋梁結(jié)構(gòu)中存在多種動(dòng)力學(xué)特性，比如高次諧波、亞諧波和混沌現(xiàn)象等所表現(xiàn)出來(lái)的特性都屬于動(dòng)力學(xué)特性，對(duì)這些動(dòng)力特性進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)它們產(chǎn)生變化的時(shí)候，就意味著橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部已經(jīng)出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，此時(shí)結(jié)構(gòu)內(nèi)的線性連接點(diǎn)就會(huì)變成非線性，小波變換可以針對(duì)這種非線性情況進(jìn)行檢測(cè)，確定非線性動(dòng)力特征，獲取結(jié)構(gòu)內(nèi)的損傷情況。在對(duì)頻域和時(shí)域進(jìn)行轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，通過(guò)小波變換能夠提取其中相關(guān)聯(lián)的特征，獲取信號(hào)之間的聯(lián)系，保證信號(hào)的完整性。此外，在結(jié)構(gòu)損傷初期，材料發(fā)生非線性變化，但是所表現(xiàn)出來(lái)的動(dòng)力學(xué)特性并不明顯，檢測(cè)信號(hào)也比較微弱，此時(shí)便可以利用小波變換進(jìn)行局部檢測(cè)，通過(guò)這種局部檢測(cè)的方法，能夠在損傷初期就對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷情況進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷，有利于對(duì)損傷情況加以控制，降低損傷強(qiáng)度。

4小波基和小波函數(shù)

小波分析中用到的小波函數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)傅里葉變換相比具有多樣性，在小波分析中，同種情況下選擇不同的小波基進(jìn)行分析，得出的分析結(jié)果是不一樣的，所以在小波分析中小波基的選擇是非常重要的。目前確定小波基的主要方法是在處理信號(hào)之后，根據(jù)常用的指導(dǎo)性選擇標(biāo)準(zhǔn)，得出的信號(hào)結(jié)果與理論結(jié)果之間的誤差，然后確定最優(yōu)小波基。常用的小波函數(shù)有Haar小波、Biorthogonal小波系、Morlet小波等幾種。通過(guò)選擇最優(yōu)小波基，合理運(yùn)用幾種小波函數(shù)，能夠更好的使用小波分析對(duì)橋梁健康進(jìn)行檢測(cè)。

5結(jié)束語(yǔ)

小波分析相關(guān)的知識(shí)理論體系雖然比較完整成熟，但是小波分析作為一種新興的技術(shù)手段，在近幾年才被應(yīng)用結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)以及損傷識(shí)別中，缺乏足夠的工程實(shí)踐，一些技術(shù)方法還不夠完善，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難，但是，隨著科技的進(jìn)步以及其所特有的優(yōu)勢(shì)，相信小波分析將會(huì)有更加廣闊的發(fā)展前景，將會(huì)更好的應(yīng)用于橋梁健康檢測(cè)上。