橋梁損傷預(yù)警的移動主成分相關(guān)系數(shù)法
【專利摘要】本發(fā)明涉及橋梁結(jié)構(gòu)損傷識別的【技術(shù)領(lǐng)域】，為使橋梁結(jié)構(gòu)能夠得到及時而又可靠的損傷預(yù)警，為橋梁的維護(hù)和加固提供可靠的信息，且可操作性強(qiáng)，能夠提高預(yù)警的精度和效率，簡化損傷預(yù)警的過程，可以方便的應(yīng)用到各種類型的橋梁結(jié)構(gòu)中，擁有較好的應(yīng)用前景。為此，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，橋梁損傷預(yù)警的移動主成分相關(guān)系數(shù)法，包括下列步驟：1)處理在線運營的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測信號，并且從中提取準(zhǔn)靜態(tài)信號；2)用移動主成分分析法處理準(zhǔn)靜態(tài)信號，得到主成分矩陣；3)用移動相關(guān)系數(shù)分析法處理主成分矩陣得到主成分相關(guān)系數(shù)；4)通過設(shè)定主成分相關(guān)系數(shù)的限值來實現(xiàn)橋梁損傷預(yù)警。本發(fā)明主要應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)損傷識別。
【專利說明】橋梁損傷預(yù)警的移動主成分相關(guān)系數(shù)法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及橋梁結(jié)構(gòu)損傷識別的【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種橋梁損傷預(yù)警方法：移 動主成分相關(guān)系數(shù)法（moving principal component correlation analysis, MPCCA) 〇 技術(shù)背景
[0002] 由于長期超載服役、性能退化和自然災(zāi)害等原因，近年來橋梁結(jié)構(gòu)的損傷破壞事 件屢有發(fā)生，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)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(jiān)測系統(tǒng)，進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的損傷識別研究，了解橋梁的運營狀況。
[0003] 當(dāng)前國內(nèi)已有的以及新建的大跨度橋梁上普遍安裝了結(jié)構(gòu)實時在線健康監(jiān)測系 統(tǒng)，通過觀察橋梁運行過程中響應(yīng)的異常情況，提供實時預(yù)警信號，保證結(jié)構(gòu)運營的安全 性；盡早發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)各種可能的累計損傷確定損傷情況；在重大災(zāi)害或突發(fā)事件后提供實時 的安全評估。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)最基本和最關(guān)鍵的技術(shù)就是從采集到的數(shù)據(jù)中提取結(jié)構(gòu)特 征信息，并以此發(fā)現(xiàn)、定位和評估結(jié)構(gòu)的損傷情況。
[0004] 然而，如何從監(jiān)測系統(tǒng)采集的大量數(shù)據(jù)中提取有用信息，診斷橋梁損傷，反演橋梁 的工作狀態(tài)和健康狀況，是橋梁健康監(jiān)測領(lǐng)域的難題之一。由于監(jiān)測數(shù)據(jù)不可避免的受到 溫度、車輛和風(fēng)等作用的影響，使該問題變得更加復(fù)雜。由于沒有具體的量化指標(biāo)，使結(jié)構(gòu) 損傷狀態(tài)的判斷帶有一定的主觀性，特別是結(jié)構(gòu)損傷程度較小時，結(jié)果可靠性不高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 現(xiàn)有的損傷預(yù)警方法識別效率不高，監(jiān)測數(shù)據(jù)不可避免的受到溫度、車輛和風(fēng)等 作用的影響，使該問題變得更加復(fù)雜。由于沒有具體的量化指標(biāo)，使結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)的判斷帶 有一定的主觀性，特別是結(jié)構(gòu)損傷程度較小時，結(jié)果可靠性不高。為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足， 使橋梁結(jié)構(gòu)能夠得到及時而又可靠的損傷預(yù)警，為橋梁的維護(hù)和加固提供可靠的信息，提 供一種橋梁結(jié)構(gòu)損傷預(yù)警的方法，其可操作性強(qiáng)，能夠提高預(yù)警的精度和效率，簡化損傷預(yù) 警的過程。而且，不依賴于橋梁模型可以方便的應(yīng)用到其他類型的橋梁結(jié)構(gòu)中，擁有較好的 應(yīng)用前景。為此，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，橋梁損傷預(yù)警的移動主成分相關(guān)系數(shù)法，包括 下列步驟：
[0006] 1)處理在線運營的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測信號，并且從中提取準(zhǔn)靜態(tài)信號；
[0007] 2)用移動主成分分析法（moving principal component analysis，MPCA)處理準(zhǔn) 靜態(tài)信號，得到主成分矩陣；
[0008] 3)用移動相關(guān)系數(shù)分析法（moving correlation analysis, MCA)處理主成分矩 陣得到主成分相關(guān)系數(shù)；
[0009] 4)通過設(shè)定主成分相關(guān)系數(shù)的限值來實現(xiàn)橋梁損傷預(yù)警。
[0010] 步驟1)進(jìn)一步細(xì)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(biāo)準(zhǔn)差法處理異常值。
[0011] 主成分矩陣的獲取步驟進(jìn)一步細(xì)化為：
[0012] a.從在線運營的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測信號中獲取準(zhǔn)靜態(tài)信號，如果橋梁健 康監(jiān)測系統(tǒng)由Ns個應(yīng)變傳感器組成，則可將對應(yīng)傳感器的準(zhǔn)靜態(tài)數(shù)據(jù)組成如下矩陣：

【權(quán)利要求】
1. 一種橋梁損傷預(yù)警的移動主成分相關(guān)系數(shù)法，其特征是，包括下列步驟： 1) 處理在線運營的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測信號，并且從中提取準(zhǔn)靜態(tài)信號； 2) 用移動主成分分析法（moving principal component analysis，MPCA)處理準(zhǔn)靜態(tài) 信號，得到主成分矩陣； 3) 用移動相關(guān)系數(shù)分析法（moving correlation analysis, MCA)處理主成分矩陣得 到主成分相關(guān)系數(shù)； 4) 通過設(shè)定主成分相關(guān)系數(shù)的限值來實現(xiàn)橋梁損傷預(yù)警。
2. 如權(quán)利要求1所述的橋梁損傷預(yù)警的移動主成分相關(guān)系數(shù)法，其特征是，步驟1)進(jìn) 一步細(xì)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(biāo)準(zhǔn)差法處理異 常值。
3. 如權(quán)利要求1所述的橋梁損傷預(yù)警的移動主成分相關(guān)系數(shù)法，其特征是，主成分矩 陣的獲取步驟進(jìn)一步細(xì)化為： a. 從在線運營的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測信號中獲取準(zhǔn)靜態(tài)信號，如果橋梁健康監(jiān) 測系統(tǒng)由Ns個應(yīng)變傳感器組成，則可將對應(yīng)傳感器的準(zhǔn)靜態(tài)數(shù)據(jù)組成如下矩陣：
式中，u表示傳感器，它的下標(biāo)表示傳感器編號；t表示獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)的時間，它的下標(biāo) 表示測試次數(shù)，Nm是傳感器獲得相應(yīng)位置數(shù)據(jù)的次數(shù)，表示矩陣Ut中的每一列數(shù)據(jù)代表一 個傳感器測得的所有準(zhǔn)靜態(tài)數(shù)據(jù)； b. 用一個固定大小的移動窗口沿著矩陣Ut自上而下進(jìn)行滑動計算主成分，每次計算 完窗口內(nèi)包含的數(shù)據(jù)后，窗口向下滑動一行，計算新窗口內(nèi)數(shù)據(jù)的主成分； c. 把所有移動窗口內(nèi)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(quán)利要求1所述的橋梁損傷預(yù)警的移動主成分相關(guān)系數(shù)法，其特征是，主成分相 關(guān)系數(shù)的獲取步驟包括： a. 針對主成分矩陣，求出各傳感器對應(yīng)的第一主成分之間的相關(guān)系數(shù)，并對每個傳感 器的第一主成分向量找到與之相關(guān)系數(shù)最大的另一傳感器的主成分向量進(jìn)行配對分組； b. 針對每組傳感器對應(yīng)的主成分向量數(shù)據(jù)用MCA方法進(jìn)行分析，得到相應(yīng)的主成分相 關(guān)系數(shù)。
5. 如權(quán)利要求1所述的橋梁損傷預(yù)警的移動主成分相關(guān)系數(shù)法，其特征是，通過設(shè)定 主成分相關(guān)系數(shù)的限值來實現(xiàn)橋梁損傷預(yù)警進(jìn)一步細(xì)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(zhǔn)狀態(tài)，假定在這個階段內(nèi)橋梁完好無損，通過對這個階段的數(shù)據(jù)進(jìn) 行分析，確定損傷限值，為識別階段做準(zhǔn)備。
6. 如權(quán)利要求1或5所述的橋梁損傷預(yù)警的移動主成分相關(guān)系數(shù)法，其特征是，主成分 相關(guān)系數(shù)限值的獲取步驟包括： a.計算出測試階段所有移動窗口內(nèi)主成分相關(guān)系數(shù)； b.計算測試階段主成分相關(guān)系數(shù)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差； c?用均值加減 2 倍的標(biāo)準(zhǔn)差作為 MPCCA (moving principal component correlation analysis, MPCCA)法的損傷限值； d.在識別階段，當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷之后，相應(yīng)傳感器的數(shù)據(jù)就會發(fā)生變化，最終主成分相 關(guān)系數(shù)（R)也會發(fā)生相應(yīng)的變化，只要R超出了限值，就說明結(jié)構(gòu)發(fā)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(yōu)先權(quán)日:2014年9月4日
【發(fā)明者】朱勁松, 郭燕青 申請人:天津大學(xué)