專利名稱：：橋梁結構狀態歷史信息的分離方法
技術領域：
：本發明涉及一種橋梁結構狀態信息的預處理技術，尤其涉及種橋梁結構狀態歷史信息的分離方法。
背景技術：
：橋梁在運營服役期的結構安全性能，往往通過其自身的各種結構參數及其對外界作用的響應(如應變/應變、位移/變形、振動，以及溫度、荷載等)反映出來，因此通過對橋梁的這些內、外部結構參數進行長期監測，并對它們進行分析計算，就可以實時發現橋梁的微小結構變異及事故先兆、從而實現橋梁的結構安全監測與事故預警，因此橋梁結構安全監測技術是近年來橋梁技術發展的前沿領域之一。但是由于橋梁的這些內、外部結構參數及響應往往相互影響、交叉耦合，因此它們的存在會混淆甚至淹沒結構fi身結構劣化的真實信息。如果直接對橋梁結構安全監測系統獲取的信息進行分析計算，就難以區分出溫度、荷載等外部的環境作用信息與結構劣化信息，從而在橋梁結構安全評價時產生誤判或漏判。必須首先對橋梁結構安全監測系統獲取的原始數據進行預處理，以便分離出反映橋梁本身真實的結構性能變化信息。在進行橋梁結構原始數據的預處理方面，以往都普遍采用濾波、平滑等常規的數據處理方法。但是由于常規的濾波處理方法只能針對某幾個固定變化頻率的信號，而橋梁結構受到的各種內、外部作用的周期長短不一、變化不定，因此常規濾波方法的處理效果非常有限，甚至還會將反映橋梁本身結構的真實性能變化信息濾除掉。考慮到橋梁所受車輛等活載影響是瞬時的，而環境溫度荷載的影響則是緩慢的，橋梁自身的疲勞、蠕變等結構變化更加緩慢，因此可以認為橋梁結構的狀態信息是一種典型的多尺度混合信息，但由于無法獲知這些混合信息各自的具體頻率范圍，利用傳統的傅里葉變換方法很難將它們分離。因此必須采用多尺度信號分離方法，將這些隱藏的結構有用信息從復雜的混合信息中分離出來，方能確保后續的結構分析計算準確無誤。
發明內容一種橋梁結構狀態歷史信息的分離方法，包括采用小波多尺度分析方法將實測的橋梁結構響應歷史信息分離為瞬變信息和緩變信息，再從緩變信息中分離出溫度效應，最終分離出真正反映結構安全信息的有用信息。采用小波多尺度分析方法將實測的橋梁結構響應的歷史信息分離為瞬變信息和緩變信息，包括(1)選擇合適的正交小波基作為小波函數，(2)選擇合適的分解層數J并對含噪的信號進行小波變換分解到J層；(3)用分解到J層的逼近系數重構信號的緩變信息；(4)用原信號與重構的緩變信息相減得到信號的瞬變信息。其中，可供選擇的正交小波基，包括Daubechies系列小波、Symlets系列小波或Coiflet系列小波；而分解的層數/為./=卩叩2(///』式中/。為信號頻率范圍的上限；A為需要分離的緩變信息的頻率范圍的上限；所述的從緩變信息中分離出溫度效應的方法為(1)利用不同時間尺度之間的效應差，建立緩變信息與溫度差之間的回歸方程Az力,尸/(7)。(2)將實際測量的效應差Az與回歸方程的計算值Az^相減，從而剔除緩變信息中的溫度效應。本發明的有益技術效果是通過信號高低頻信息的分離，分離反映結構安全情況的瞬、緩變信息，并從緩變信息中剔除溫度效應，從而為從橋梁結構的瞬、緩變信息中找出結構的劣化信息，并確保后續的結構安全評價準確無誤奠定基礎。附圖l，分離后的撓度n5的緩變信息；附圖2，分離后的撓度n5的瞬變信息；附圖3，分離后的撓度s5的緩變信息；附圖4，分離后的撓度S5的瞬變信息；附圖5，分離后的撓度n9的緩變信息；附圖6，分離后的撓度n9的瞬變信息；附圖7，分離后的撓度sl的緩變信息；附圖8，分離后的撓度S1的瞬變信息；附圖9，分離后的應變20的緩變信息；附圖IO，分離后的應變20的瞬變信息；附圖ll，分離后的應變22的緩變信息；附圖12，分離后的應變22的瞬變信息；附圖13，分離后的應變30的緩變信息；附圖14，分離后的應變30的瞬變信息；附圖15，測點s5撓度差和溫差的擬合直線；附圖16，測點s5剔除溫效應的撓度差；附圖17，測點nl撓度差和溫差的擬合直線；附圖18，測點nl剔除溫效應的撓度差。具體實施例方式在信號處理領域，近年來得到廣泛應用的小波分析由于具有比傳統傅立葉變換更加優越的時間-頻率局部化分析的性能而備受青睞。它可以以任意的尺度聚焦到信號的細節進行分析，因而又有"數學顯微鏡"的稱號。傳統傅立葉變換只是在頻率域具有局部化的性能，只能將信號以某一確定的頻率為界進行分離，而且必須預先知道所需信號或無用信號的頻率范圍；而利用小波分析在時間-頻率域同時局部化的這種獨特性質，可以將信號按任意的尺度進行逐級分離，力求將測量信息分解為"信號"和"噪聲"，而無須知道信號的具體頻率范圍，非常適合于含有多種頻率成分的信號的分析和處理。橋梁結構安全監測系統獲取的狀態信息中包含車輛等活載作用的瞬時響應、環境溫度的緩慢作用效應、結構自重恒載作用的響應、以及橋梁結構自身在荷載的作用下產生的緩慢響應，而其中橋梁結構自身在荷載的作用下產生的緩慢響應往往反映了結構自身安全狀態的變化情況，即劣化效應。雖然這些信息交織在一起、且十分復雜、變化頻率未知，但它們的時間尺度存在較大差異。因此，可用小波分析的方法對橋梁安全評價中的實測信號進行多尺度(分辨率)時-頻分析，以實現信號的分離和評價量信息的分離。本發明的橋梁結構狀態歷史信息的分離方法，旨在分離反映結構安全情況的瞬、緩變信息以及緩變信息中的劣化信息，為橋梁結構的安全評價提供評價信息。針對橋梁結構狀態歷史信息的時間多尺度特點，采用小波多尺度分析方法將實測的橋梁結構響應的歷史信息分離為瞬變信息和緩變信息，利用不同時間尺度之間的效應差，建立緩變信息與溫度差之間的回歸方程，剔除緩變信息中的溫度效應，包括通過統計計算求出溫差效應的回歸方程Az^^/(D，并將實際測量的效應差Az與回歸方程的計算值Az^相減，即剔除緩變信息中的溫度效應。用小波分析的方法實現實測信號的瞬變信息和緩變信息分離時，其步驟為首先選擇合適的正交小波基作為小波函數和分解層數丄對含噪的信號進行小波變換分解到J層；然后，用分解到J層的逼近系數重構信號的緩變信息；最后，用原信號與重構的低頻信息相減，得到信號的瞬變信息。1、小波函數的選擇采用本發明的方法時，首先需要解決的問題就是小波的選取。選擇不同的小波函數，將具有不同的分離效果。因而選取適當的小波函數時主要有以下幾個標準(1)緊支撐性為提高小波的局部分辨能力以及更精細的除噪效果，需要選擇尺度函數和小波函數只在有限區間非零、支撐寬度小的、具有緊支撐性的小波函數。(2)正交性由于信號的分離過程需將原信號在多個層次(尺度)上進行分解，必須保證小波函數的正交性，以消除冗余、保持小波系數間的不相關性，并實現快速離散小波變換。(3)消失矩對母小波(基小波)W)，如果JV0).=0，(m=0,1,…，M-l)則稱小波具有w階消失矩。針對實際測量的監測信息序列具有突變性的特點，需要增加消失矩；但若信號中奇異點比較多時，太高的消失矩會導致在對小波系數進行閾值處理后，重構失真度可能增大。因此必須根據實際監測信號的特點，找到一個能實現突變性與失真度相互平衡的消失矩。(4)對稱性由于支撐與消失矩之間是相互矛盾的，因此找到一個上述各方面特性都同時達到最優的小波基是不可能的。為此，可通過有針對性地考察分析常用小波函數的特性，然后綜合考慮各特性在應用中的具體要求，選擇一個折中的方案。降低偏差、以利于去分離后信號的恢復和重建。一些常用小波基的特性如下表所示<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>綜合上述分析可知，dbN、symN、coifN都比較合適；而對應的小波序列N取46為宜。2、分解層數的選擇由于離散小波變換的多分辨率分析實質上是對頻率域的劃分，而且是按2的整數次冪逐次降低分辨率。因此，如果信號的頻率范圍為0/，而需要分離的低頻信號的頻率范圍為0人，則分解層數為J-「log2(///』式中，/n為信號頻率范圍的上限，/m為需要分離的緩變信息的頻率范圍的上限。可見，只需知道/n和/m的相對值，就可以采取相應的分解層數，將所需信息分離出來，即只要獲知瞬變信息的最大尺度與系統的基本采樣間隔的比值，即可按上式計算分解層數，將瞬變信息分離出來。3、瞬變信息的分離小波函數和分解層數確定后，即可對實際測量的結構監測信息進行有效分離并分離瞬變信息。設實際測量的信號為z(/)，經過小波變換分解重構的低頻信息為^,"0，則分離后的信號的瞬變信息Z^0)為Z/>,(/)=ZU)它反映了結構響應在動荷載(車、人群)作用下的瞬態變化情況。4、溫度效應的分離結構溫度效應是最主要、橋梁結構影響最明顯的一個環境因素，要實現有效的結構安全評價，就必須將溫度效應剔除。剔除溫度效應的一種有效方法是建立以溫度(或與溫度直接相關的量)為自變量的方程表達式，從而利用測量的溫度值計算出溫度效應，然后將之從總的效應中去除。因此，必須分析這種溫度效應與溫度之間的相關關系。(1)相關系數假定x(0，^)是兩個實測的能量有限信號，選擇適當的倍數"使"XO去逼近^)，WO與:KO的相關系數為其中，A為信號x時刻的值，乂為信號y時刻的值，i=l,2,...n。^、歹分別為信號x和j;的平均值。(2)結構響應緩變信息的構成緩變信息由溫度效應々和結構效應。,組成，艮口=+zr=z,/十」COS(fi^+)+zr2顯然，W為非周期變量，且在結構處于正常狀態時，結構這種緩慢的變形幾乎為0;Z72為山于各種約束的影響而呈非線性非周期變化的部分。由于結構非線性部分變化272隨時間跨度的增大差異很大，而在一天(24小時)內則變化不太明顯，即可以將一天作為一個基本吋間周期T;為了分離結構運行中W的變化，在剔除溫度效應的影響時可將緩變信息的當前值與T/2前的值相減，即=(X,2-^、》+(^22—々21)—2^cos(>/+^0)二Az〖，+Azr，—2」cos(ry/+《/0)因此這樣處理后，不但可以達到消除非周期成分的目的，還能將周期變化的幅值增強，并保持周期線性信號的原有性質。這樣，如果獲得相應時間間隔內的溫度差r，就可以分析它們之間的相關關系，并進一歩建立Az^與r的回歸方程。所以也需對溫度信號進行相似的處理，得到i/2內的溫度差r。(3)回歸方程的建立由于T/2之間的溫度效應與相應的溫度差呈明確的函數關系，因此可令利用所給的效應差和溫差的樣本值，采用最小二乘法對/7)進行擬合，從而求出具體的效應差和溫差的經驗回歸方程./(7)。因此，如果以實際測量的效應差與回歸方程的計算值相減，即可將溫度作用造成的效應差變化消除，余下的差值只保留了恒荷載對效應差的影響，在結構狀態正常時，恒荷載效應近似為0，這個差值必然為一均值近似為恒值的隨機序列。5、實施例(1)實施例1參見附圖1至4，圖中分別為某大橋主梁中跨跨中截面上、下游測點n5和s5的撓度信號的分離情況；參見附圖5至8，圖中分別為主梁邊跨測點sl和n9的撓度信號瞬變信息和緩變信息的分離情況。從分離結果看，中跨跨中的測點的瞬變信息大部分的撓度值在-15mm至+15111111之間，其波動范圍與荷載測試的動撓度正好吻合；而邊跨測點的情況也是這樣，即分離后的瞬變信息正好反映了結構在動荷載作用下的撓度變化情況。(2)實施例2:參見附圖9至14是對某大橋主梁截面IV的20#應變和應變22#以及截面O的應變30#的瞬、緩變信息進行分離的結果。從分離結果可以看到，瞬變信息的變化幅度與荷載測試的動應變變化幅度一致，真實地反映了在活動荷載下的應變變化情況。(3)實施例3:參見附圖15，圖中為某大橋測點s5^的撓度緩變信息i/2之間的差值(簡稱撓度差)與相應溫度差的關系的散點圖和回歸擬合直線，附圖16為剔除溫度效應后的撓度差的變化情況；圖17和18為測點nl的相應處理結果。從圖中可以看到，撓度差與溫度差的關系近似為線性關系，剔除溫度效應后的撓度差在結構處于正常狀態時呈隨機變化趨勢，其均值近似為一個恒值。權利要求1、一種橋梁結構狀態歷史信息的分離方法，其特征在于采用小波多尺度分析方法將實測的橋梁結構響應歷史信息分離為瞬變信息和緩變信息，再從緩變信息中分離溫度效應。2、根據權利要求1所述的橋梁結構狀態歷史信息的分離方法，其特征在于采用小波多尺度分析方法將實測的橋梁結構響應的歷史信息分離為瞬變信息和緩變信息，包括U)選擇合適的正交小波基作為小波函數，(2)選擇合適的分解層數J并對含噪的信號進行小波變換分解到J層；(3)用分解到./層的逼近系數重構信號的緩變信息；(4)用原信號與重構的緩變信息相減得到信號的瞬變信息。3、根據權利要求2所述的橋梁結構狀態歷史信息的分離方法，其特征在于可供選擇的正交小波基，包括Daubechies系列小波、Symlets系列小波或Coiflet系列小波。4、根據權利要求2所述的橋梁結構狀態歷史信息的分離方法，其特征在于按照下式選擇確定分解層數丄式中/"為信號頻率范圍的上限；厶為需要分離的緩變信息的頻率范圍的上限。5、根據權利要求1所述的橋梁結構狀態歷史信息的分離方法，其特征在于分離溫度效應的方法為利用不同時間尺度之間的效應差，建立緩變信息與溫度差之間的回歸方程，從緩變信息中剔除溫度效應。6、根據權利要求5所述的橋梁結構狀態歷史信息的分離方法，其特征在于通過統計計算求出溫差效應的回歸方程Az加^/(7)，并將實際測量的效應差Az與回歸方程的計算值Az*相減，即剔除緩變信息屮的溫度效應。全文摘要本發明公開了一種橋梁結構狀態歷史信息的分離方法，采用小波多尺度分析方法將實測的橋梁結構響應歷史信息分離為瞬變信息和緩變信息，再從緩變信息中分離溫度效應；本發明的有益技術效果是通過信號高低頻信息的分離，分離反映結構安全情況的瞬、緩變信息，并從緩變信息中剔除溫度效應，從而為從橋梁結構的瞬、緩變信息中找出結構的劣化信息，并確保后續的結構安全評價準確無誤奠定基礎。文檔編號E01D1/00GK101451338SQ200810178800公開日2009年6月10日申請日期2008年11月27日優先權日2008年7月31日發明者梁宗保,鵬章,胡順仁,偉鄭,陳偉民,黃曉微申請人:重慶大學