小波分析在高鐵隧道沉降評估中的應(yīng)用解析

李楠

（甘肅林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

高鐵隧道評估是把控高鐵線下工程具體情況的重要環(huán)節(jié)。特別是高鐵隧道的沉降變形評估更是對高鐵的穩(wěn)定運(yùn)營有著重要的意義和影響。而同時高鐵隧道的沉降變形評估也是難度較大的一項(xiàng)評估環(huán)節(jié)。由于隧道的沉降量小，再加上收到隨機(jī)噪聲的干擾，因此在實(shí)際評估過程中我們工作人員的檢測變形值和實(shí)際的變形值之間存在著較大的差別。因此為解決這一誤差，我們引入了小波分析。接下來筆者就從以下幾個方面來進(jìn)行分析。

1 小波分析法的運(yùn)用背景

小波分析法的運(yùn)用和高鐵隧道本身的特點(diǎn)具有密切的關(guān)系。隧道具有明顯的穩(wěn)定性，但在隧道開展沉降分析變形監(jiān)測時，往往會受到了周邊環(huán)境、儀器設(shè)備誤差等不確定因素的干擾，因而工作人員往往無法得到有效而真實(shí)的高鐵隧道沉降變形評估數(shù)據(jù)信息。為了提高高鐵隧道沉降變形評估數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性，我們必須要對所檢測到的高鐵隧道沉降變形評估數(shù)據(jù)信息實(shí)行去噪處理，從最大程度上確保所得到的變形信息的真實(shí)，來精確地把握高鐵隧道沉降變形情況。

2 小波變換去噪原理和去噪效果評價

2.1 基本理論

小波分析去噪在近年來的高鐵隧道沉降變形評估方面運(yùn)用的較為廣泛。它具有其他傳統(tǒng)的評估方法所不具備的可靠性、精確性等突出優(yōu)點(diǎn)。小波分析法顧名思義就是在不同尺度下來開展小波變換。從技術(shù)層面上來講，小波分析去噪主要原理是借助于不同中心頻率的帶通濾波器，來對信號開展濾波處理，重點(diǎn)過濾掉噪音性質(zhì)的數(shù)據(jù)信息，從而進(jìn)一步得到更為精準(zhǔn)的高質(zhì)量觀測數(shù)據(jù)信息。

具體來講，小波分析去噪的過程主要分為以下幾個步驟：第一步是借助于Mallat算法，把信號分解成為不同頻率成分。在這些不同的頻率成分之中，高頻部分和噪音有關(guān)，低頻部分表示信號的主要特征。接下來再對低頻部分開展相似運(yùn)算，從而得出所需要的尺度數(shù)據(jù)信息。

2.2 效果評價指標(biāo)

在高鐵隧道沉降變形評估操作過程中，我們之所以說小波分析去噪法所得到的信息比較精準(zhǔn)，是基于一系列的效果評價指標(biāo)來定的。在實(shí)踐當(dāng)中，我們工作人員所運(yùn)用的小波去噪效果評價的方法有很多。經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證，我們主要借助于下面幾種指標(biāo)來衡量：

①均方根誤差。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膩碇v，均方根誤差值越小，濾波效果越好。②原始信號和去噪后評估信號之間的偏差。在實(shí)踐當(dāng)中，去噪后的估計信號和原始信號偏差越接近0，去噪后信號的質(zhì)量越好。③信噪比。該方法屬于傳統(tǒng)的測量方法。它常被用來評價去噪的效果?？陀^來講，信噪比越高，濾波效果就越好。

3 沉降變形評估預(yù)測方法

在高鐵隧道沉降變形評估過程中可以用到的方法種類很多。但不同的方法有其特定的適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，這就需要我們工作人員靈活地結(jié)合所需要評估的高鐵隧道位置、周邊地理環(huán)境、高鐵隧道的基本數(shù)據(jù)信息、高鐵隧道沉降變形評估的設(shè)備工具、人員配備等等各種因素來選擇最為合適的方式方法。接下來筆者以雙曲線法和Asaoka法為例子來開展具體的評估分析：

3.1 雙曲線法

雙曲線法是高鐵隧道沉降變形評估方式方法中運(yùn)用最為廣泛、操作簡單且所得到的數(shù)據(jù)較為精準(zhǔn)的方法之一。

3.2 Asaoka法

在諸多高鐵隧道沉降變形評估方法中，Asaoka法也是十分常見的一種高效測評方法。Asaoka法主要指的是以在特定時間段內(nèi)所得到的沉降觀測數(shù)據(jù)信息為基礎(chǔ)和前提，來預(yù)測和評估最終的高鐵隧道沉降變形量與沉降速度的方法。在實(shí)際的運(yùn)算操作過程中，我們需要借助于遞推關(guān)系圖解法來獲取最終的高鐵隧道沉降變形值。

4 工程實(shí)例分析

為了更形象更透徹地闡明小分子去噪法在高鐵隧道沉降變形評估方面的應(yīng)用。接下來筆者以小波閾值法去噪為依據(jù)，結(jié)合一個工程實(shí)例——某高速隧道一檢測點(diǎn)的67期沉降變形監(jiān)測數(shù)據(jù)信息，來簡明扼要地進(jìn)行分析。

通過對所獲取的某監(jiān)測點(diǎn)67期的高鐵隧道沉降變形數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，我們運(yùn)用Sym小波開展五層分解，接下來針對所得到的數(shù)值信息作閾值處理。通過一系列的小波函數(shù)、分解層次、閾值、閾值處理等操作之后，我們對這些原始數(shù)據(jù)施行去噪處理。通過相應(yīng)的計算，筆者得出高鐵隧道沉降變形數(shù)據(jù)去噪前后的均方根誤差是0.120mm，偏差是0.002mm，信噪比數(shù)值是129.612。將去噪后的高鐵隧道沉降變形數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)實(shí)行對比，我們可以得到如圖1，從圖形中我們可以更直觀地看到去噪后的高鐵隧道沉降變形數(shù)據(jù)信息和原始數(shù)據(jù)信息之間的差別。

圖1

從上述這一對比分析圖表中我們可以清晰地看到經(jīng)過小波去噪處理過后的原始沉降曲線之中的尖端點(diǎn)出現(xiàn)了顯著的減弱趨勢。與此同時隨機(jī)噪聲得到了明顯削減，而有效的信息被最大化地留存，由此得到的沉降數(shù)值信息更加精準(zhǔn)明確。

5 結(jié)束語

綜上所述，小波分析對于高鐵隧道沉降變形評估的重要性不容小覷。因此在工作人員在開展高鐵隧道沉降變形評估過程中，一定要重視小波分析法的運(yùn)用，充分結(jié)合高鐵隧道的實(shí)際情況，同時把控好小波分析法的具體操作要點(diǎn)，多措并舉來提高高鐵隧道沉降變形評估數(shù)據(jù)信息的有效性和精準(zhǔn)性。上述文章中，筆者將自身多年從事高鐵隧道沉降變形評估的經(jīng)驗(yàn)融入其中，希望以此來喚起更多業(yè)界同行對于小波分析法的重視，保障高鐵運(yùn)營安全。

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[3]陳冠宇，文鴻雁，周呂，胡紀(jì)元.基于Kalman濾波下的高鐵隧道沉降變形評估方法[J].桂林理工大學(xué)學(xué)報，2013，33（04）：671～676.

[4]高思培，陳冠宇，王耀鑫，王強(qiáng)昆，范新華.小波分析在高鐵隧道沉降評估中的應(yīng)用[J].中州煤炭，2013（08）：54～56.