橋梁損傷預警的移動主成分相關系數法
【專利摘要】本發明涉及橋梁結構損傷識別的【技術領域】，為使橋梁結構能夠得到及時而又可靠的損傷預警，為橋梁的維護和加固提供可靠的信息，且可操作性強，能夠提高預警的精度和效率，簡化損傷預警的過程，可以方便的應用到各種類型的橋梁結構中，擁有較好的應用前景。為此，本發明采取的技術方案是，橋梁損傷預警的移動主成分相關系數法，包括下列步驟：1)處理在線運營的橋梁健康監測系統連續監測信號，并且從中提取準靜態信號；2)用移動主成分分析法處理準靜態信號，得到主成分矩陣；3)用移動相關系數分析法處理主成分矩陣得到主成分相關系數；4)通過設定主成分相關系數的限值來實現橋梁損傷預警。本發明主要應用于橋梁結構損傷識別。
【專利說明】橋梁損傷預警的移動主成分相關系數法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及橋梁結構損傷識別的【技術領域】，特別涉及一種橋梁損傷預警方法：移 動主成分相關系數法（moving principal component correlation analysis, MPCCA) 〇 技術背景
[0002] 由于長期超載服役、性能退化和自然災害等原因，近年來橋梁結構的損傷破壞事 件屢有發生，造成了巨大的經濟損失與惡劣的社會影響。因此，人們開始在一些已建和在建 的大跨度橋梁上安裝健康監測系統，進行橋梁結構的損傷識別研究，了解橋梁的運營狀況。
[0003] 當前國內已有的以及新建的大跨度橋梁上普遍安裝了結構實時在線健康監測系 統，通過觀察橋梁運行過程中響應的異常情況，提供實時預警信號，保證結構運營的安全 性；盡早發現結構各種可能的累計損傷確定損傷情況；在重大災害或突發事件后提供實時 的安全評估。橋梁健康監測系統最基本和最關鍵的技術就是從采集到的數據中提取結構特 征信息，并以此發現、定位和評估結構的損傷情況。
[0004] 然而，如何從監測系統采集的大量數據中提取有用信息，診斷橋梁損傷，反演橋梁 的工作狀態和健康狀況，是橋梁健康監測領域的難題之一。由于監測數據不可避免的受到 溫度、車輛和風等作用的影響，使該問題變得更加復雜。由于沒有具體的量化指標，使結構 損傷狀態的判斷帶有一定的主觀性，特別是結構損傷程度較小時，結果可靠性不高。
【發明內容】
[0005] 現有的損傷預警方法識別效率不高，監測數據不可避免的受到溫度、車輛和風等 作用的影響，使該問題變得更加復雜。由于沒有具體的量化指標，使結構損傷狀態的判斷帶 有一定的主觀性，特別是結構損傷程度較小時，結果可靠性不高。為克服現有技術的不足， 使橋梁結構能夠得到及時而又可靠的損傷預警，為橋梁的維護和加固提供可靠的信息，提 供一種橋梁結構損傷預警的方法，其可操作性強，能夠提高預警的精度和效率，簡化損傷預 警的過程。而且，不依賴于橋梁模型可以方便的應用到其他類型的橋梁結構中，擁有較好的 應用前景。為此，本發明采取的技術方案是，橋梁損傷預警的移動主成分相關系數法，包括 下列步驟：
[0006] 1)處理在線運營的橋梁健康監測系統連續監測信號，并且從中提取準靜態信號；
[0007] 2)用移動主成分分析法（moving principal component analysis，MPCA)處理準 靜態信號，得到主成分矩陣；
[0008] 3)用移動相關系數分析法（moving correlation analysis, MCA)處理主成分矩 陣得到主成分相關系數；
[0009] 4)通過設定主成分相關系數的限值來實現橋梁損傷預警。
[0010] 步驟1)進一步細化為：先用低通濾波器濾除信號中的噪聲和虛假信息，然后用3 倍標準差法處理異常值。
[0011] 主成分矩陣的獲取步驟進一步細化為：
[0012] a.從在線運營的橋梁健康監測系統連續監測信號中獲取準靜態信號，如果橋梁健 康監測系統由Ns個應變傳感器組成，則可將對應傳感器的準靜態數據組成如下矩陣：
【權利要求】
1. 一種橋梁損傷預警的移動主成分相關系數法，其特征是，包括下列步驟： 1) 處理在線運營的橋梁健康監測系統連續監測信號，并且從中提取準靜態信號； 2) 用移動主成分分析法（moving principal component analysis，MPCA)處理準靜態 信號，得到主成分矩陣； 3) 用移動相關系數分析法（moving correlation analysis, MCA)處理主成分矩陣得 到主成分相關系數； 4) 通過設定主成分相關系數的限值來實現橋梁損傷預警。
2. 如權利要求1所述的橋梁損傷預警的移動主成分相關系數法，其特征是，步驟1)進 一步細化為：先用低通濾波器濾除信號中的噪聲和虛假信息，然后用3倍標準差法處理異 常值。
3. 如權利要求1所述的橋梁損傷預警的移動主成分相關系數法，其特征是，主成分矩 陣的獲取步驟進一步細化為： a. 從在線運營的橋梁健康監測系統連續監測信號中獲取準靜態信號，如果橋梁健康監 測系統由Ns個應變傳感器組成，則可將對應傳感器的準靜態數據組成如下矩陣：
式中，u表示傳感器，它的下標表示傳感器編號；t表示獲得監測數據的時間，它的下標 表示測試次數，Nm是傳感器獲得相應位置數據的次數，表示矩陣Ut中的每一列數據代表一 個傳感器測得的所有準靜態數據； b. 用一個固定大小的移動窗口沿著矩陣Ut自上而下進行滑動計算主成分，每次計算 完窗口內包含的數據后，窗口向下滑動一行，計算新窗口內數據的主成分； c. 把所有移動窗口內得到的第一主成分向量提取出來，組成特殊的矩陣：主成分矩 陣。
4. 如權利要求1所述的橋梁損傷預警的移動主成分相關系數法，其特征是，主成分相 關系數的獲取步驟包括： a. 針對主成分矩陣，求出各傳感器對應的第一主成分之間的相關系數，并對每個傳感 器的第一主成分向量找到與之相關系數最大的另一傳感器的主成分向量進行配對分組； b. 針對每組傳感器對應的主成分向量數據用MCA方法進行分析，得到相應的主成分相 關系數。
5. 如權利要求1所述的橋梁損傷預警的移動主成分相關系數法，其特征是，通過設定 主成分相關系數的限值來實現橋梁損傷預警進一步細化為為兩個階段：測試階段與識別階 段，測試階段又稱為基準狀態，假定在這個階段內橋梁完好無損，通過對這個階段的數據進 行分析，確定損傷限值，為識別階段做準備。
6. 如權利要求1或5所述的橋梁損傷預警的移動主成分相關系數法，其特征是，主成分 相關系數限值的獲取步驟包括： a.計算出測試階段所有移動窗口內主成分相關系數； b.計算測試階段主成分相關系數的均值和標準差； c?用均值加減 2 倍的標準差作為 MPCCA (moving principal component correlation analysis, MPCCA)法的損傷限值； d.在識別階段，當結構發生損傷之后，相應傳感器的數據就會發生變化，最終主成分相 關系數（R)也會發生相應的變化，只要R超出了限值，就說明結構發生了損傷。
【文檔編號】G06F19/00GK104331595SQ201410448676
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年9月4日 優先權日:2014年9月4日
【發明者】朱勁松, 郭燕青 申請人:天津大學