本發(fā)明涉及橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)分析與處理領(lǐng)域，具體涉及一種基于模糊聚類的橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)異常情況識(shí)別方法。

背景技術(shù)：

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和全國交通網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，公路橋梁總量持續(xù)增加。據(jù)《2015年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》顯示，截止2015年底，全國公路橋梁達(dá)77.92萬座，特大橋梁3894座，大型橋梁79512座。然而，對(duì)于已建成投入營運(yùn)的橋梁，在其服役過程中必然遭受環(huán)境、荷載、老化等因素的影響，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能退化，形成安全隱患；另外，不斷加大的交通量也使得許多橋梁的設(shè)計(jì)荷載無法滿足現(xiàn)行車輛荷載的使用需求。近年來橋梁垮塌事故頻發(fā)，不僅給人民群眾生命財(cái)產(chǎn)造成重大損失，也帶來了極為不良的社會(huì)影響。國內(nèi)橋梁界逐漸認(rèn)識(shí)到橋梁服役時(shí)監(jiān)測的重要性，目前已在眾多大型橋梁上建設(shè)實(shí)施了橋梁運(yùn)營監(jiān)測系統(tǒng)。橋梁的運(yùn)營監(jiān)測每天會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，從海量監(jiān)測數(shù)據(jù)中挖掘出橋梁結(jié)構(gòu)安全信息，對(duì)可能出現(xiàn)的安全隱患進(jìn)行提前預(yù)警，是技術(shù)人員研究的重點(diǎn)、難點(diǎn)。當(dāng)前最常用的橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)警方式是閾值報(bào)警法：根據(jù)橋梁模型計(jì)算結(jié)果以及相關(guān)規(guī)范規(guī)定設(shè)定各個(gè)測點(diǎn)報(bào)警閾值，當(dāng)監(jiān)測值超過限定時(shí)發(fā)出報(bào)警信息。然而，在實(shí)際應(yīng)用中由于計(jì)算模型邊界條件難以界定，模型結(jié)構(gòu)無法準(zhǔn)確構(gòu)建，且低估了溫度對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響，因此所設(shè)定的閾值不夠準(zhǔn)確，使得該方法在橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)警上的應(yīng)用還不能令人滿意。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種基于模糊聚類的橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)異常情況識(shí)別方法，一方面基于統(tǒng)計(jì)學(xué)原理修正測點(diǎn)報(bào)警閾值使其更符合橋梁真實(shí)運(yùn)營狀態(tài)，另一方面發(fā)現(xiàn)隱含在監(jiān)測數(shù)據(jù)中表征橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)在特性的關(guān)鍵信息。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，一種基于模糊聚類的橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)異常情況識(shí)別方法，其特征在于：包括以下步驟：

1)取橋梁正常運(yùn)營狀態(tài)下的監(jiān)測數(shù)據(jù)為待分析訓(xùn)練樣本集；2)按照不同溫度的監(jiān)測情況對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分類；3)采用拉依達(dá)準(zhǔn)則對(duì)各個(gè)分類進(jìn)行初篩，去除噪聲及孤立點(diǎn)；4)賦予各個(gè)樣本不同的模糊隸屬度值；5)根據(jù)不同的模糊隸屬度，對(duì)初篩后的分類進(jìn)行模糊聚類；6)對(duì)不同溫度下的訓(xùn)練樣本分別進(jìn)行處理，得到不同溫度下的類中心及類邊界。

進(jìn)一步，還包括步驟7)，將步驟6)獲得的類邊界作為監(jiān)測變量的動(dòng)態(tài)報(bào)警閾值，當(dāng)監(jiān)測變量實(shí)測值超出對(duì)應(yīng)溫度下的閾值時(shí)，則橋梁運(yùn)營狀發(fā)生突變。

進(jìn)一步，還包括步驟7)，將監(jiān)測變量實(shí)測值加入到步驟1)中的訓(xùn)練樣本中，按照步驟2)～步驟6)計(jì)算出新的類中心，將新的類中心與未加入測試數(shù)據(jù)前訓(xùn)練樣本集所計(jì)算出的類中心進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)類中心發(fā)生偏移時(shí)，則橋梁運(yùn)營狀態(tài)發(fā)生緩變。

進(jìn)一步，在步驟2)中，對(duì)不同溫度的監(jiān)測情況對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，分類的原則為：將10℃時(shí)的監(jiān)測數(shù)據(jù)歸為類1，11℃時(shí)的監(jiān)測數(shù)據(jù)歸為類2，12℃時(shí)的監(jiān)測數(shù)據(jù)歸為類3。

進(jìn)一步，步驟3)具體為：

令初篩后類1的數(shù)據(jù)集為T＝{(x₁,y₁),(x₂,y₂),…,(x_l,y_l)}，式中：x_i為各樣本特征，y_i為類標(biāo)號(hào)，l是樣本數(shù)量，i＝1,…,l。

定義數(shù)據(jù)點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離為d_ij＝||x_i-x_j||，式中：i,j∈l，i≠j，x_i點(diǎn)與其它點(diǎn)的距離由小到大排序

則x_i點(diǎn)的模糊隸屬度μ_i為

式中：k表示離x_i最近的k個(gè)點(diǎn)。

由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明采用模糊聚類技術(shù)對(duì)海量橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，一方面基于統(tǒng)計(jì)學(xué)原理修正測點(diǎn)報(bào)警閾值使其更符合橋梁真實(shí)運(yùn)營狀態(tài)，另一方面發(fā)現(xiàn)隱含在監(jiān)測數(shù)據(jù)中表征橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)在特性的關(guān)鍵信息，達(dá)到識(shí)別橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)異常情況的目的，可在橋梁在線監(jiān)測分析與離線監(jiān)測分析中發(fā)揮作用。

附圖說明

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，其中：

圖1是一種基于模糊聚類的橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)異常情況識(shí)別方法流程圖。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述；應(yīng)當(dāng)理解，優(yōu)選實(shí)施例僅為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

一種基于模糊聚類的橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)異常情況識(shí)別方法，包括以下步驟：

1)取橋梁正常運(yùn)營狀態(tài)下的監(jiān)測數(shù)據(jù)(如溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)、裂縫監(jiān)測數(shù)據(jù)、撓度監(jiān)測數(shù)據(jù)、應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)、傾斜監(jiān)測數(shù)據(jù)等)為待分析訓(xùn)練樣本集。

2)按照不同溫度的監(jiān)測情況對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，例如10℃時(shí)的監(jiān)測數(shù)據(jù)歸為類1,11℃時(shí)的監(jiān)測數(shù)據(jù)歸為類2,12℃時(shí)的監(jiān)測數(shù)據(jù)歸為類3等等，以此類推。

3)采用拉依達(dá)準(zhǔn)則對(duì)各個(gè)類進(jìn)行初篩，去除噪聲及孤立點(diǎn)。

4)以初篩后類1的數(shù)據(jù)集為例，賦予各個(gè)樣本不同的模糊隸屬度值，具體說明如下：

令初篩后類1的數(shù)據(jù)集為T＝{(x₁,y₁),(x₂,y₂),…,(x_l,y_l)}，式中：x_i為各樣本特征，y_i為類標(biāo)號(hào)(由于同屬于一個(gè)類，所以這里所有的y_i都相同)，l是樣本數(shù)量，i＝1,…,l。

定義數(shù)據(jù)點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離為d_ij＝||x_i-x_j||，式中：i,j∈l，i≠j。x_i點(diǎn)與其它點(diǎn)的距離由小到大排序

則x_i點(diǎn)的模糊隸屬度μ_i為

式中：k表示離x_i最近的k個(gè)點(diǎn)。

5)根據(jù)不同的模糊隸屬度，對(duì)初篩后的類1進(jìn)行模糊聚類，篩除對(duì)類貢獻(xiàn)較弱的樣本。這些樣本的存在可能是由偶發(fā)事件產(chǎn)生，譬如有重型車輛通過橋梁時(shí)所采集到的數(shù)據(jù)。

6)按照上述流程，對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)不同溫度下的訓(xùn)練樣本分別進(jìn)行處理，可以得到不同溫度下的類中心及類邊界。對(duì)新采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)可進(jìn)行如下分析：

突變預(yù)警：從訓(xùn)練樣本中得到的不同溫度下的監(jiān)測數(shù)據(jù)類邊界，可作為監(jiān)測變量的動(dòng)態(tài)報(bào)警閾值；當(dāng)監(jiān)測變量實(shí)測值(測試數(shù)據(jù))超出對(duì)應(yīng)溫度下的閾值時(shí)，說明橋梁運(yùn)營狀態(tài)發(fā)生突變，可能有偶發(fā)外加因素作用在橋上，有必要提醒技術(shù)人員及時(shí)進(jìn)行檢查。

緩變預(yù)警：將監(jiān)測變量實(shí)測值(測試數(shù)據(jù))加入已有訓(xùn)練樣本中，按照上述方法計(jì)算出新的類中心，與未加入測試數(shù)據(jù)前的訓(xùn)練樣本集所計(jì)算出的類中心進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)類中心發(fā)生偏移時(shí)，說明橋梁運(yùn)營狀態(tài)發(fā)生緩變，可能是橋梁結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生劣化引起，有必要提醒技術(shù)人員及時(shí)進(jìn)行檢查。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。