土木工程結(jié)構(gòu)安全性在線評(píng)估及監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

李爭(zhēng)　李偉

摘要：針對(duì)土木工程監(jiān)測(cè)方案中存在的人工成本高、檢測(cè)精度較低和無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)控等問(wèn)題，利用分布式光纖布里淵監(jiān)測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)一套在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)土木工程結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。利用小波變換對(duì)傳感器采集的布里淵頻移數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理，實(shí)現(xiàn)建筑損傷的精確識(shí)別;為驗(yàn)證本設(shè)計(jì)方案的可靠性，比較不同波基的算法的降噪效果。采用波基為N=3的小波濾波最大誤差為4.21%，波基為N=5的小波濾波最大誤差為3.38%;研究采用波基為db5的濾波方案，將其與孤立森林算法進(jìn)行比較，得出采用db5小波濾波方案處理數(shù)據(jù)相對(duì)誤差降低了3.8%。將光纖布里淵頻移監(jiān)測(cè)方案與拉壓力傳感器監(jiān)測(cè)方案的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得出采用光纖布里淵頻移監(jiān)測(cè)方案其平均誤差降低了5%以上。

關(guān)鍵詞：土木工程結(jié)構(gòu);在線檢測(cè);布里淵頻移;小波濾噪;建筑損傷識(shí)別

中圖分類號(hào)：FU3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2022）06-0138-05

Research on online safety assessment and monitoring technology of civil engineering structure

Li Zheng Li Wei

（1.Zaozhuang Housing Development Center， Zaozhuang 277800， Shandong China;

2. School of Civil Engineering， Shandong University， Jinan 250061， China

）

Abstract：Aiming at the problems of high labor cost， low detection accuracy and inability to monitor in real time in the civil engineering monitoring scheme， this study uses distributed optical fiber Brillouin monitoring technology to design an online monitoring system， which can realize real-time monitoring of civil engineering structures. Wavelet transform is used to denoise the Brillouin frequency shift data collected by the sensor to achieve accurate identification of building damage. In order to verify the reliability of this design scheme， the noise reduction effects of algorithms with different wave bases are compared. The maximum error of wavelet filtering with wave base N=3 is 4.21%， and the maximum error of wavelet filtering with wave base N=5 is 3.38%; therefore， the filtering scheme with wave base db5 is adopted in this study. Compared with the isolated forest algorithm， it is concluded that the relative error of the data processed by the db5 wavelet filtering scheme is reduced by 3.8%. Comparing the detection data of optical fiber Brillouin frequency shift monitoring scheme with that of tension pressure sensor monitoring scheme， it is concluded that the average error of optical fiber Brillouin frequency shift monitoring scheme is reduced by more than 5%.

Key words：civil engineering structure; online detection; Brillouin frequency shift; wavelet denoising; building damage identification

隨著全國(guó)范圍內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的逐步開(kāi)展，對(duì)于土木工程設(shè)施的維護(hù)稱為重中之重，需要一套對(duì)土木工程進(jìn)行監(jiān)控的方案。由于土木工程長(zhǎng)期存在，該監(jiān)控方案需要能夠長(zhǎng)時(shí)間提供穩(wěn)定的監(jiān)控能力，用于傳統(tǒng)人工利用簡(jiǎn)易設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這需要消耗大量人工成本且效率低下[1-2]。

由于傳統(tǒng)建筑監(jiān)測(cè)方案的不足，有學(xué)者提出一種利用有限元分析實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑損傷進(jìn)行識(shí)別，該方案通過(guò)將傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理，然后進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別，完成對(duì)建筑損傷的識(shí)別[3]，但是用于建筑故障種類繁多，并且受限于傳感器的精度，因此監(jiān)測(cè)精度較低;還有采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立三維全景監(jiān)控方案，通過(guò)Java和Matlab進(jìn)行設(shè)計(jì)軟件交互語(yǔ)言[4];利用三維激光掃描裝置對(duì)建筑斷面進(jìn)行分析，通過(guò)多角度綜合分析，得出建筑安全狀況[5]。但是，由于受限于設(shè)備信息來(lái)源問(wèn)題，無(wú)法做到實(shí)時(shí)對(duì)建筑進(jìn)行監(jiān)測(cè)，不能及時(shí)掌握方案建筑狀況。

鑒于此，本研究利用分布式光纖布里淵監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)建筑信息進(jìn)行采集，進(jìn)而針對(duì)本土木建筑的在線監(jiān)控方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

1土木建筑在線監(jiān)測(cè)方案

土木建筑在線監(jiān)測(cè)方案，如圖1所示。

土木結(jié)構(gòu)建筑包含范圍廣，監(jiān)控時(shí)間長(zhǎng)，如何實(shí)現(xiàn)土木建筑在線監(jiān)測(cè)就成為亟待解決的問(wèn)題，本研究利用分布式光纖布里淵監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)建筑主體的檢測(cè)[6]，并利用小波變換對(duì)采集布里淵移頻數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理，完成土木工程形變和溫度異常的實(shí)時(shí)監(jiān)控，該研究在線監(jiān)控方案具體見(jiàn)圖[7-8]。

由圖1可知，本研究利用光纖布里淵傳感設(shè)計(jì)對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，設(shè)備系統(tǒng)對(duì)采集的詳細(xì)信息進(jìn)行匯聚。并研究了光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG）對(duì)布里淵信號(hào)的影響。由于布里淵頻移會(huì)受到到周圍環(huán)境的影響，需要對(duì)布里淵信號(hào)進(jìn)行處理，利用小波變換對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理，該技術(shù)大大提高了土木工程數(shù)據(jù)檢測(cè)的準(zhǔn)確性。在監(jiān)測(cè)算法模型中，通過(guò)對(duì)光纖的智能共線系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)信息的匯總，并將光纖材料的力學(xué)特性和光纖在建筑內(nèi)部的分布情況綜合到數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)分析光強(qiáng)功率的變化分析異常點(diǎn)到采集節(jié)點(diǎn)的距離，以此完成對(duì)異常點(diǎn)位置的定位，并通過(guò)運(yùn)維平臺(tái)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、協(xié)議化處理[9-10]。

2土木工程應(yīng)變?cè)诰€監(jiān)測(cè)方案

由于土木工程監(jiān)測(cè)方案中需要對(duì)墻體的溫度和形變數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這更需要穩(wěn)定、可靠的監(jiān)控方案，本研究采用分布式光纖布里淵監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)建筑進(jìn)行檢測(cè)，并利用小波變換對(duì)采集布里淵移頻數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理，完成土木工程形變和溫度異常的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（1）在本研究采用分布式光纖布里淵監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)建筑進(jìn)行檢測(cè)，在建筑中連接光纖管道，當(dāng)建筑單元發(fā)生形變或溫度異常時(shí)，其光纖管道也會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致光纖中傳輸光線的布里淵移頻發(fā)生變化，通過(guò)分析布里淵移頻的變換值和光強(qiáng)功率變化對(duì)故障位置進(jìn)行精確定位[11];

（2）在對(duì)光纖中布里淵移頻數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，鑒于安裝工藝、設(shè)備材料等因素造成誤差，為提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度，本研究通過(guò)小波變換和洛倫茲擬合對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，研究光纖長(zhǎng)時(shí)監(jiān)測(cè)的有效性[12]。

2.1分布式光纖布里淵檢測(cè)方案

在土木工程結(jié)構(gòu)中常發(fā)生的安全性問(wèn)題主要是材料膨脹系數(shù)不同，各個(gè)結(jié)構(gòu)之間發(fā)生形變，造成不同結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，本研究利用光纖布里淵技術(shù)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)和結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別。布里淵散射是由于光子與聲子之間產(chǎn)生交互作用造成的，通過(guò)布里淵散射的變化情況可以對(duì)光路中的溫度和應(yīng)變進(jìn)行定位，在布里淵檢測(cè)中通過(guò)在光纖的兩端通入探測(cè)激光和泵浦激光，分析其發(fā)生的布里淵激光頻差，通過(guò)連續(xù)檢測(cè)得到的不同位置的布里淵移頻，利用建立的布里淵移頻與建筑結(jié)構(gòu)的溫度、形變的關(guān)系函數(shù)得出光纖任意位置的溫度和形變情況，聲波在光纖中進(jìn)行傳播擁有一定的速度，因此散射的光子的頻率相對(duì)于入射光子會(huì)發(fā)生偏移，其偏移的程度稱為布里淵移頻，其數(shù)學(xué)表達(dá)式：

式中：v為光纖中由于熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的聲子移動(dòng)的速度;λ為入射的泵浦光光線的波長(zhǎng);n為光纖材料本身的折射率;v為在光纖材料中進(jìn)行傳遞的光纖發(fā)生的布里淵移頻。其中，聲子的移動(dòng)速度可以通過(guò)利用光線材料本身固有的介質(zhì)泊松比、光纖的彈性模量以及密度進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式：

式中：E為光纖材料的彈性模量;k表示為光纖材料的泊松比;ρ為光纖材料的密度。通過(guò)3項(xiàng)二氧化硅材料的固有屬性數(shù)據(jù)就可以計(jì)算光纖中的聲子傳播的速度[13-14]。

在光纖管道中發(fā)生著熱光效應(yīng)和彈光效應(yīng)2種影響光線傳輸?shù)男?yīng)。其中，溫度通過(guò)改變?cè)诱駝?dòng)的幅度等因素影響熱光效應(yīng)，光纖材料應(yīng)變是由于宏觀材料發(fā)生形變，光纖材料在微觀結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生應(yīng)力，造成分子不處于最低能級(jí)，影響光子傳遞中的彈光效應(yīng)，該2種效應(yīng)最終造成光纖材料折射率的改變，其中光纖材料的溫度、應(yīng)變程度對(duì)構(gòu)成光纖的二氧化硅材料折射率、彈性模量、泊松比和密度的影響通過(guò)構(gòu)造變量函數(shù)進(jìn)行表示，其布里淵移頻的完整表達(dá)式如式3所示。

由于布里淵移頻同時(shí)受到溫度和材料形變的影響，當(dāng)材料溫度或者形變量恒定保持不變時(shí)，可以通過(guò)光纖中傳導(dǎo)的光信號(hào)的布里淵頻移變換量和光強(qiáng)功率變化量得出溫度變化或形變程度的位置，其中需要探測(cè)的地點(diǎn)到探測(cè)光源的距離如式（4）所示。

式中：Z為探測(cè)光源與探測(cè)地點(diǎn)之間的距離;c為光線在光纖中傳播的速度;n為光纖的組成材料二氧化硅的折射率;t為光線在光纖中進(jìn)行傳播的時(shí)間。當(dāng)光纖的溫度恒定時(shí)，其布里淵移頻的二階表達(dá)式：

式中：C為設(shè)備材料的布里淵頻移對(duì)材料形變的敏感系數(shù);v為二氧化硅材料初始的布里淵頻移系數(shù);ε為光纖導(dǎo)線初始化的應(yīng)變情況;ε為光纖材料的形變程度數(shù)據(jù);Δε為光纖材料從初始化應(yīng)變狀態(tài)到現(xiàn)在箱變程度數(shù)據(jù)。因此，在光纖材料形變程度不變的情況下，其布里淵移頻的二級(jí)展開(kāi)函數(shù)：

式中：C為設(shè)備材料的布里淵頻移對(duì)材料溫度的敏感系數(shù);T和T為光纖材料的溫度和初始化溫度。通過(guò)對(duì)式（5）、式（6）進(jìn)行聯(lián)立，可以得出溫度和形變對(duì)布里淵移頻影響的二元函數(shù)關(guān)系：

根據(jù)式（7），通過(guò)測(cè)量光纖通路中光線的布里淵移頻的變化情況，進(jìn)而監(jiān)控空間中的溫度和形變程度，提高土木建筑的監(jiān)控能力[15-16]。

2.2布里淵頻移數(shù)據(jù)的濾噪處理

由于布里淵分布式光纖傳感技術(shù)是分析散射信號(hào)的布里淵頻移信號(hào)，通過(guò)分析布里淵頻移信號(hào)的時(shí)空特性，可以得出光纖導(dǎo)路中不同位置的溫度和形變數(shù)據(jù)。由于光纖通路固定在建筑墻體中，因此墻體的溫度和形變會(huì)帶動(dòng)光纖的形變和溫度變化，通過(guò)這種原理實(shí)現(xiàn)建筑實(shí)時(shí)監(jiān)控。土木工程施工采用粗放式施工，這會(huì)對(duì)光路造成影響，使采集到的頻移信號(hào)信噪比較低，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理。本研究通過(guò)利用小波變換對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理，實(shí)現(xiàn)海量信息的局部特征的提取，在小波變換域中區(qū)分信號(hào)和噪音數(shù)據(jù)。

在小波變換中通過(guò)利用時(shí)域變換對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的多分辨率分析。其中小波變換的母函數(shù)需要滿足一定的積分邊界條件，邊界條件：

式中：ψ（x）為小波變換母函數(shù)，通過(guò)傅里葉變換可以得出函數(shù)ψω;小波變換母函數(shù)通過(guò)對(duì)函數(shù)圖像進(jìn)行拉伸、收縮和平移處理，可以得出小波函數(shù)的通式ψ（x）。其通式ψ（x）：

式中：a、b分別為小波函數(shù)圖像伸縮和平行位移的函數(shù)因子;通過(guò)傅里葉變換得出函數(shù)ψ（x）就可以定義為受到a和b影響的連續(xù)性小波函數(shù)。其中連續(xù)性小波變換函數(shù)定義：

式中：W（a，b）為函數(shù)f（x）在小波基函數(shù)ψ（x）方向的分解結(jié)果;ψ*（x）、ψ（x）為互為共軛函數(shù)。由于在計(jì)算時(shí)無(wú)法進(jìn)行無(wú)限精度的劃分，因此函數(shù)尺度因子a按照冪級(jí)數(shù)進(jìn)行離散化處理，將函數(shù)伸縮因子b按照均勻取值的方式進(jìn)行離散化劃分，其分析函數(shù)f（x）的離散化小波變換函數(shù)：

通過(guò)式（12）的離散型小波函數(shù)就可以對(duì)光纖設(shè)備檢測(cè)的布里淵頻移數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，降低其中存在的噪音數(shù)據(jù)，提高對(duì)形變和溫度數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)精度。

3模擬仿真試驗(yàn)

為了分析本研究設(shè)計(jì)建筑安全性監(jiān)測(cè)裝置的可靠性，通過(guò)對(duì)小波變換的濾噪效果和布里淵頻移監(jiān)測(cè)方案的準(zhǔn)確性2個(gè)方面進(jìn)行試驗(yàn)。其中在對(duì)小波變換降噪效果試驗(yàn)中通過(guò)選取一套36組的光線布里淵頻移數(shù)據(jù)和光纖內(nèi)部具體應(yīng)力數(shù)據(jù)，通過(guò)利用未濾波、孤立森林和db5 3種方案對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，預(yù)測(cè)光纖內(nèi)部的應(yīng)力數(shù)據(jù)，并將預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得出其的誤差數(shù)據(jù);在對(duì)布里淵頻移監(jiān)測(cè)方案的準(zhǔn)確性試驗(yàn)中通過(guò)對(duì)10 m鋼軌的形變進(jìn)行檢測(cè)來(lái)模擬實(shí)驗(yàn);通過(guò)利用拉壓力傳感器和光纖布里淵頻移監(jiān)測(cè)裝置分別對(duì)鋼軌進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)設(shè)備對(duì)鋼軌進(jìn)行不定期的施加外部壓力使其形變，分析2種檢測(cè)方案對(duì)形變情況的檢測(cè)效果[17-18]。

在本次實(shí)驗(yàn)中所選取的計(jì)算機(jī)模擬環(huán)境為：選用Ubuntu12.04作為操作系統(tǒng)平臺(tái)，設(shè)置計(jì)算機(jī)內(nèi)存為32 GB，Intel Xeon W-2145 CPU 3.70 GHz，采用NVlDIAGeForce4 MX440 64M顯卡，本次模擬仿真實(shí)驗(yàn)的軟件選取Matlab 7.0軟件[19]。在對(duì)小波變換降噪效果試驗(yàn)中將濾波處理數(shù)據(jù)與2種不同的小波濾波方案進(jìn)行比較，分析小波變換的降噪效果和不同波基的小波變換方案的降噪效果，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。

由表1可知，通過(guò)對(duì)光纖通路增加不同的負(fù)載，并統(tǒng)計(jì)光路中傳輸光信號(hào)的布里淵頻移數(shù)據(jù)，利用波基為N=3和波基為N=5的小波，對(duì)獲取的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行濾波處理，得出采用小波變換可以提高數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)的精度。其中不進(jìn)行濾波處理方案最大誤差為17.82%，采用波基為N=3的小波濾波最大誤差為4.21%;采用波基為N=5的小波濾波最大誤差為3.38%。這表明，采用小波濾波可以明顯降低數(shù)據(jù)的誤差;采用波基為N=5的可以更高效對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[20]。

為了分析不同濾波方案的濾波效果，通過(guò)db5小波濾波算法、孤立森林算法和未進(jìn)行濾波處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行相對(duì)誤差率計(jì)算，相對(duì)誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，實(shí)線為采用db5小波濾波處理數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)的相對(duì)誤差，最大值為2.3%;短橫線線為采用孤立森林濾波處理數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)的相對(duì)誤差，最大值為6.1%;虛線為未采用濾波處理數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)的相對(duì)誤差，最大值為9.8%，通過(guò)相對(duì)誤差數(shù)據(jù)可以得出采用波基為N=5的小波濾波方案可以高效的過(guò)濾噪音數(shù)據(jù)。為分析本研究設(shè)計(jì)的檢測(cè)模型對(duì)形變負(fù)載的監(jiān)測(cè)情況，對(duì)鋼軌增加負(fù)載使其形變，通過(guò)拉壓力傳感器監(jiān)測(cè)方案和光纖布里淵頻移監(jiān)測(cè)方案2種監(jiān)測(cè)方案進(jìn)行分析，將2種監(jiān)測(cè)方案與試驗(yàn)外加負(fù)載進(jìn)行比較，分析監(jiān)測(cè)方案檢測(cè)的準(zhǔn)確性，監(jiān)測(cè)方案的檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，短橫線為采用拉壓力傳感器監(jiān)測(cè)方案監(jiān)測(cè)的鋼軌的負(fù)載數(shù)據(jù);虛線為采用光纖布里淵頻移監(jiān)測(cè)方案進(jìn)行監(jiān)測(cè)的鋼軌負(fù)載數(shù)據(jù);實(shí)線為試驗(yàn)中對(duì)鋼軌真實(shí)外加的負(fù)載，通過(guò)圖像可以看出采用光纖布里淵頻移監(jiān)測(cè)方案的負(fù)載監(jiān)測(cè)誤差比較穩(wěn)定，平均小于3%;采用拉壓力傳感器監(jiān)測(cè)方案在高負(fù)載時(shí)誤差較大，其平均誤差在8%左右。

4結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)小波變換對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理，通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)該方案的可靠性，并得出以下結(jié)論[20]：

（1）本實(shí)驗(yàn)對(duì)不同波基的小波濾波方案進(jìn)行比較試驗(yàn)，得出采用波基為N=3的小波濾波最大誤差為4.21%;采用波基為N=5的小波濾波最大誤差為3.38%。由此可知，采用小波濾波可以明顯降低數(shù)據(jù)的誤差性;采用波基為N=5的參數(shù)后，可以更高效地實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)濾波。通過(guò)將孤立森林算法與波基為db5小波濾波進(jìn)行比較，可以得出，采用db5小波濾波處理后，數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)相對(duì)誤差降低了3.8%。因此采用波基為db5小波濾波能夠更精確地進(jìn)行檢測(cè);

（2）本研究為了分析光纖布里淵頻移監(jiān)測(cè)方案對(duì)墻體形變的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性，利用鋼軌來(lái)代替墻體進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，其中采用光纖布里淵頻移監(jiān)測(cè)方案的負(fù)載監(jiān)測(cè)誤差比較穩(wěn)定，平均小于3%;采用拉壓力傳感器監(jiān)測(cè)方案在高負(fù)載時(shí)誤差較大，其平均誤差在8%左右。因此本研究設(shè)計(jì)的光纖布里淵頻移監(jiān)測(cè)方案可以更準(zhǔn)確的進(jìn)行建筑監(jiān)測(cè)。

采用本研究設(shè)計(jì)光纖布里淵頻移監(jiān)測(cè)方案可以更準(zhǔn)確的對(duì)建筑墻體的形變和溫度異常進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但是由于光纖中光線頻移數(shù)據(jù)復(fù)雜，在數(shù)據(jù)分析時(shí)是會(huì)出現(xiàn)一定的誤差，因此需要更進(jìn)一步的優(yōu)化。

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