一种桥梁梁端位移长期监测数据预处理方法

本发明属于桥梁工程，具体涉及一种桥梁梁端位移长期监测数据预处理方法。

背景技术：

1、桥梁健康监测系统是一个综合性强、专业性强的技术工作，融合了计算机、数学理论和通讯等领域的尖端技术。桥梁健康监测是对常规检查的重要补充，具有连续性、同步性、实时性和自动化，能够提高桥梁管养效率，及时发现病害或者运行异常情况，提高桥梁作为交通设施的智能化管理水平。健康监测系统的主体目标是通过测量反映桥梁环境激励和结构响应状态的某些信息，实时监测桥梁的工作性能和评估桥梁的工作状态，以保证桥梁的安全运营。近年来，随着对桥梁安全性和耐久性认识的提高以及新型的检测手段、监测技术及信息传输手段的不断涌现，使得结构长期监测技术有了长足的发展。

2、但是由于监测系统本身的稳定性、耐久性和抗干扰性不足以及传感器受环境因素的影响，桥梁监测数据往往会出现异常值、噪声和数据丢失等问题，这些问题都会影响后续的分析研究工作。

3、本发明提出一种桥梁梁端位移长期监测数据预处理方法，以消除监测数据中的各种异常值和噪声，对桥梁监测数据进行预处理具有重要意义。

技术实现思路

1、解决的技术问题：针对上述技术问题，本发明提供了一种桥梁梁端位移长期监测数据预处理方法，能够有效对所采集的桥梁长期监测数据进行异常值剔除和降噪，为进一步研究提供了数据基础。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种桥梁梁端位移长期监测数据预处理方法，包括：

4、s1、捕获桥梁梁端的位移数据：捕获的桥梁梁端位移数据中包含温度引起的低频位移数据和动力因素引起的高频位移数据，位移数据获取步骤如下：

5、s1.1、获取桥梁梁端位移的长期监测数据g1：将梁端位移检测装置一安装在桥梁梁端位置，获取桥梁梁端在纵向上的实时位移变化量一，将实时位移变化量一传输至监测终端，并持续记录在位移变化波形图中，形成位移变化量在长期监测中的波形数据，作为g1；

6、s1.2、获取桥梁梁端位移的短期监测数据g2：将梁端位移检测装置二贴合梁端位移检测装置一侧部安装，获取桥梁梁端在纵向上的实时位移变化量二，将位移变化量二传输至监测终端，在位移变化波形图的横坐标上截取具有一定长度的时间段，设定该时间段为短期监测数据区域，将实时位移变化量二更新记录在短期监测数据区域中，形成位移变化量在短期监测中的波形数据，作为g2；

7、s2、对g1预处理，包括如下步骤：

8、s2.1、提取低频成分：使用模拟低通滤波器分离g1中的低频成分；

9、s2.2、排除异常：使用grubbs检验法对g1的原始数据与分离出的低频成分残差进行异常值检测，分析出g1中的异常值后将其剔除；

10、s2.3、插值：g1的原始数据与分离出的低频成分残差异常值剔除后的空值区域，采用修正akima分段hermite插值对空值区域进行插值，插值后的数据与分离出的低频成分相加，得到修正后的数据；

11、s2.4、降噪：对s2.3修正后的数据，使用巴特沃斯滤波器进行降噪处理；

12、s3、分析s2对g1处理的有效性：通过在g1上截取与短期监测数据区域同一时间段的截短数据e，将截短数据e与g2进行对比，包括如下步骤：

13、s3.1、计算截短数据e的累积位移值d1；

14、s3.2、计算g2的累积位移值d2；

15、s3.3、计算δ1：δ1为截短数据f的累积位移与g2的累积位移之间的误差，表达式如下：

16、

17、s3.4、设定分析阈值[δ]1，将δ1与[δ]1进行比较并进行如下操作：

18、若δ1＜[δ]1，则初步认定s2对g1的预处理过程有效；否则，认定s2对g1的预处理过程无效，此时，调整模拟低通滤波器参数，随后再以调整后的模拟低通滤波器重复s2-s3，直至得出初步认定处理有效的g1；

19、s4、验证长期监测数据的预处理有效性：通过在g1上截取与短期监测数据区域不同时间段的截短数据f，且截短数据f与短期监测数据区域的时间跨度相等，将截短数据f与g2进行对比，包括如下步骤：

20、s4.1、计算截短数据f的累积位移值d3；

21、s4.2、提取s3.2中d2；

22、s4.3、计算δ2，δ2为截短数据f的累积位移与g2的累积位移之间的误差，表达式如下：

23、

24、s4.4、设定验证阈值[δ]2，将δ2与[δ]2进行比较并进行如下操作：

25、若δ2＜[δ]2，则验证通过s2对g1的预处理过程有效；否则，认定s2对g1的预处理过程无效，此时，观察位移变化波形图显示的监测数据位移曲线，判断g1和g2是否正常记录，具有以下情况；

26、a、数据记录存在异常，调整梁端位移检测装置一和整梁端位移检测装置二，使之能够获取正常数据；

27、b、数据记录正常，调整滤波器参数之后再重复s2-s4，直至s2对g1的预处理过程有效且被验证通过；

28、s5、将被验证通过的预处理后的g1输出。

29、优选地，所述梁端位移检测装置一和梁端位移检测装置二均设置为拉绳传感器、动位移计或视频测量仪，梁端位移检测装置一与梁端位移检测装置二关于桥梁梁端中轴线呈轴对称分布。

30、优选地，所述梁端位移检测装置一和梁端位移检测装置二采用同型号产品，且梁端位移检测装置一与梁端位移检测装置二的工作电流相同。

31、优选地，所述s2.2中，在g1上检验异常值的步骤如下：

32、s2.1.1、在g1上取多个采样点，并计算多个采样点的标准差s，表达式如下：

33、

34、其中：

35、

36、式中，n为采样点的个数；xi为第i个采样点的位移值；

37、为多个采样点位移值的算术平均值；

38、s2.1.2、计算波段上采样点偏差p，表达式为：

39、

40、s2.1.3、计算比较阈值λ'，表达式如下：

41、λ'＝λ(β,n)s

42、其中，n为grubbs检验法的数据个数，已知值，对所有数据循环进行grubbs检验；

43、β为grubbs检验法的可靠概率，设定值；

44、λ(β,n)通过查表得到，经验取值；

45、s2.1.4、比对偏差p与比较阈值λ'，并进行如下操作：

46、p>λ'时，xi为异常值，剔除xi，出现空值区域；否则，xi为正常值，予以保留。

47、优选地，空值区域还包括传感器故障产生的空缺值，对空值区域进行插值的过程如下：

48、s2.2.1、在g1的空值区域两侧取两个节点，得到包括空值区域的数据区间(xi,xi+1)，计算数据区间(xi,xi+1)的拟合直线的斜率ki，ki的表达式为：

49、

50、根据ki表达式可得

51、

52、其中，xi-2、xi-1、xi和xi+1分别为数据区间(xi,xi+1)的拟合直线上相邻四个采样点在横坐标上的投影值；

53、vi-2、vi-1、vi和vi+1分别为数据区间(xi,xi+1)的拟合直线上对应xi-2、xi-1、xi和xi+1处的相邻四个采样点在纵坐标上的投影值；

54、s2.2.2、计算修正akima算法使用的权重，用附近斜率的加权平均值表示采样点xi处的导数di，即：

55、

56、其中：

57、w1和w2为修正akima算法使用的权重，w1和w2分别表示为：

58、

59、s2.2.3、在得到采样点xi和xi+1处的一阶导数的基础上，利用三次hermite插值求得缺失数据h(x)，并在数据区间(xi,xi+1)上空值区域插值。

60、优选地，缺失数据h(x)的表达式为：

61、

62、优选地，在s2.3中使用巴特沃斯滤波器模拟低通滤波器对异常值处理后的位移数据进行低通滤波，巴特沃斯滤波器的参数表征包括阶数ord和-3db处的截止频率，均为设定值；

63、阶数ord的计算公式如下：

64、

65、式中，wp为巴特沃斯滤波器的通过频带，设定值；

66、ws为巴特沃斯滤波器的阻带，设定值；

67、rp为巴特沃斯滤波器的通波纹，设定值；

68、rs为巴特沃斯滤波器的阻波纹，设定值。

69、优选地，所述巴特沃斯滤波器的阶数ord和-3db处的截止频率均由matlab通过wp、ws、rp和rs的取值来确定。

70、优选地，短期监测数据区域的时间跨度能够根据需要设定，桥梁梁端在纵向上的累积位移量为d，d1、d2和d3均根据如下公式取值；

71、d＝∑|δdt'|     (3-2)

72、式中：

73、δdt'＝dt+1-dt       (3-3)

74、其中，dt和dt+1为g1和g2在时间横坐标t以及t+1两个时间节点处对应的纵坐标位移值；

75、δdt'为g1和g2在时间横坐标t以及t+1两个时间节点之间的桥梁梁端位移变化量。

76、优选地，分析阈值[δ]1和验证阈值[δ]2的取值满足[δ]1＜[δ]2。

77、与现有技术相比，本发明的有益效果：

78、在假设检验中，经常会出现第一类错误(去真)和第二类错误(取伪)，grubbs犯这两种错误的概率最小，通过grubbs检验法对监测数据异常值进行检测，保证后续处理的检测效果，使用滤波器分离其中的低频成分，对高频成分进行异常值检验；分段hermite插值具有插值效果较好且较平滑的优点，而修正akima算法可以避免插值局部过度波动，因此使用修正akima分段hermite插值进行插值；再通过butterworth滤波器对异常处理后的数据进行降噪处理。butterworth滤波器滤波斜率较为陡峭，可在给定阶数下获得更高削弱程度。且具有最大平坦度特性，通带最平坦；最后对比分析短期监测数据和预处理后的长期监测数据的累积位移，能够对监测数据排除异常并降噪处理，为后续研究提供可靠的数据基础，解决了现有技术的不足，本发明具有可行性和实用性，便于推广使用。