土木工程結(jié)構(gòu)健康診斷中的統(tǒng)計(jì)識別方法分析

楊嬴政

【摘 要】 目前我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展迅速，國家對城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入不斷加大，很多大型建筑工程相繼完工，但是我們在享受新型建筑帶給我們的舒適和快捷之余，建筑的結(jié)構(gòu)損失進(jìn)入了我們的視線。我國對建筑結(jié)構(gòu)的安全系統(tǒng)評價(jià)主要來自對結(jié)構(gòu)的可靠性研究，對土木工程的結(jié)構(gòu)缺陷和檢測方法開展較少，所以對建筑工程的結(jié)構(gòu)健康診斷中的統(tǒng)計(jì)識別方法分析是勢在必行的。

【關(guān)鍵詞】 統(tǒng)計(jì) 識別 模式

引言：建筑結(jié)構(gòu)受到的相應(yīng)數(shù)據(jù)和建筑結(jié)構(gòu)的物理特性有著直接的關(guān)系，建筑的結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)可以有效的將建筑結(jié)構(gòu)的物理特性反應(yīng)出來。結(jié)構(gòu)在識別結(jié)構(gòu)損壞的過程中利用了結(jié)構(gòu)的物理性和響應(yīng)數(shù)據(jù)的關(guān)系來評估和監(jiān)控結(jié)構(gòu)的狀態(tài)并進(jìn)行基本的識別，最后通過識別后的數(shù)據(jù)有效的反映出結(jié)構(gòu)的整體性，和隱藏的結(jié)構(gòu)隱蔽部位的缺陷。這種方法在建筑工程領(lǐng)域應(yīng)用的前景十分廣闊。是未來建筑結(jié)構(gòu)健康診斷的主要發(fā)展方向。

一. 統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)識別方法

系統(tǒng)識別最常用的結(jié)構(gòu)模型為有限元模型。有限元模型在結(jié)構(gòu)應(yīng)變和位移的過程中能提供與材料結(jié)構(gòu)形式相互關(guān)聯(lián)的信息和物理特性，并且可以通過分析為結(jié)構(gòu)提供完整的分析模型參數(shù)，但是模型在建立的過程中本身存在誤差，所以結(jié)構(gòu)有限元模型在進(jìn)行結(jié)果分析和參數(shù)設(shè)定的過程中會出現(xiàn)不確定性，在進(jìn)行模態(tài)觀測中，會因數(shù)據(jù)的分布情況和實(shí)測獲得不同觀測結(jié)果，由于模型誤差的存在結(jié)構(gòu)的分析預(yù)測和實(shí)測相應(yīng)有不確定和不匹配，這就造成系統(tǒng)在識別的過程中需要求解，并出現(xiàn)反演問題，造成結(jié)果的不穩(wěn)定，所以在進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷識別過程中要考慮模型誤差及預(yù)測誤差導(dǎo)致的不確定性以及觀測誤差導(dǎo)致的不確定性對識別結(jié)果的影響。在系統(tǒng)識別的過程中，可以通過框架內(nèi)求解來修復(fù)模型問題，在統(tǒng)計(jì)中結(jié)構(gòu)模型可以只使用一組數(shù)據(jù)進(jìn)行特定結(jié)構(gòu)模型中確定最優(yōu)結(jié)構(gòu)模型的系統(tǒng)識別。并根據(jù)基本統(tǒng)計(jì)參數(shù)來推段出各種原理的不同，在結(jié)構(gòu)健康參數(shù)的統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)識別方法主要分為隨機(jī)有限元模型修正法和Bayes模型修正法。

二. 統(tǒng)計(jì)模式識別方法

典型的局部結(jié)構(gòu)損傷是模態(tài)觀測的結(jié)構(gòu)模型修正或模式識別方法在實(shí)際應(yīng)用中面臨解決的最大問題。在實(shí)際的參數(shù)觀測過程中所記錄的低頻整體響應(yīng)產(chǎn)生的影響很小，這不利于建筑在早期發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損壞。另外結(jié)構(gòu)狀態(tài)在觀測過程中未發(fā)生退化也會因環(huán)境、溫度、和結(jié)構(gòu)發(fā)生位移等問題使觀測響應(yīng)發(fā)生改變， 這就造成了在模態(tài)觀測階段對結(jié)構(gòu)損傷形成的原因缺乏分析，會將環(huán)境因素和運(yùn)行狀態(tài)相互混淆。這時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康診斷的統(tǒng)計(jì)模式識別就不能依靠模態(tài)觀測數(shù)據(jù)，而可以直接利用時(shí)程觀測響應(yīng)，所以在考慮環(huán)境因素和運(yùn)行狀態(tài)的變化過程中，如果可以不使用模太觀測參數(shù)，進(jìn)行能直接使用時(shí)程觀測響應(yīng)。這是因?yàn)樵诳紤]環(huán)境和運(yùn)行狀態(tài)變化的過程中時(shí)，可以直接利用觀測響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析提取結(jié)構(gòu)狀態(tài)及損傷敏感特征來直接對結(jié)構(gòu)的損傷和狀態(tài)進(jìn)行分析。

三.結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測統(tǒng)計(jì)模式識別方法的統(tǒng)一模式及研究重點(diǎn)

在建立結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測統(tǒng)計(jì)模式識別方法模式的過程中，會因模式分為四個(gè)過程。分別為運(yùn)行評估、 數(shù)據(jù)采集、 特征提取與數(shù)據(jù)壓縮以及統(tǒng)計(jì)模型建立。在這四個(gè)階段中特征提取與數(shù)據(jù)壓縮以和統(tǒng)計(jì)模型建立是統(tǒng)計(jì)識別研究的主要項(xiàng)目。

對結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測的識別和診斷其實(shí)是一個(gè)整體，并以識別過程為主，并且做到解決同一結(jié)構(gòu)系統(tǒng)之間的不同狀態(tài)問題。區(qū)分系統(tǒng)的不同狀態(tài)的同時(shí)，要根據(jù)系統(tǒng)的特性和系統(tǒng)的性質(zhì)，進(jìn)行正確的檢測和識取，并注意能夠反映結(jié)構(gòu)真實(shí)變化的特征信號。單一的根據(jù)結(jié)構(gòu)的特征信號是不能獲得有效的觀測特征信號的，所以正確的在特征信號中提取相關(guān)的敏感特征量是關(guān)鍵，在對狀態(tài)和損傷敏感特征及逆行那個(gè)結(jié)構(gòu)健康識別時(shí)要利用統(tǒng)計(jì)識別模式對結(jié)構(gòu)狀態(tài)和損傷進(jìn)行識別就成為了統(tǒng)計(jì)識別模式的關(guān)鍵，在利用統(tǒng)計(jì)模式識別方法對結(jié)構(gòu)狀態(tài)和損傷的敏感特征提取一般來自于能夠表征結(jié)構(gòu)狀態(tài)的模式向量， 這些向量是因?yàn)榻y(tǒng)計(jì)模型中的自回歸模型、回歸模型、外源自回歸模型等進(jìn)行觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。在通過狀態(tài)和損傷敏感特征進(jìn)行多維向量的分析，多維向量中很多參數(shù)的重要性是不相同的，而且很多參數(shù)不能相互獨(dú)立，這就會使識別的工作量增大，這同時(shí)為識別帶來了困難，所以在通過數(shù)據(jù)降維的過程中要挑選有代表性和有效性的成為構(gòu)成分析，所以結(jié)構(gòu)的狀態(tài)和損傷敏感特征一旦提出，所識別的結(jié)構(gòu)異常狀態(tài)的主要任務(wù)就可以進(jìn)行相應(yīng)的特征統(tǒng)計(jì)分析，所以要根據(jù)某種判別和函數(shù)及判據(jù)進(jìn)行狀態(tài)分類。

結(jié)構(gòu)狀態(tài)及損傷敏感特征統(tǒng)計(jì)分析的算法主要可以分為兩種： 監(jiān)督學(xué)習(xí)算法和無監(jiān)督學(xué)習(xí)算法。前者需要同時(shí)獲得損傷狀態(tài)和完好狀態(tài)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)樣本， 而后者則只需要完好狀態(tài)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)樣本。因?yàn)橥聊竟こ探Y(jié)構(gòu)普遍具有的唯一性， 很少能夠獲得具有相似損傷狀態(tài)的不同結(jié)構(gòu)的響應(yīng)觀測數(shù)據(jù)， 所以應(yīng)用無監(jiān)督的損傷識別算法對土木工程結(jié)構(gòu)的健康診斷具有重要意義。

四.X-bar控制圖的統(tǒng)計(jì)

在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測統(tǒng)計(jì)模式識別的統(tǒng)一范式框架內(nèi)， 再通過引入一種稱為X-bar控制圖的統(tǒng)計(jì)過程控制技術(shù)， 研究了基于動力觀測的損傷診斷問題， 分別使用完好和不同損傷階段的動力響應(yīng)數(shù)據(jù)建立AR 統(tǒng)計(jì)模型， 將AR模型系數(shù)作為損傷敏感特征， 采用離群值分析的方法識別不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上在將結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的統(tǒng)計(jì)模式識別方法拓展到損傷定位的研究。張啟偉采用統(tǒng)計(jì)模式識別方法研究了橋梁的結(jié)構(gòu)異常診斷問題， 通過時(shí)間序列 AR 模型的相似分析將未知狀態(tài)結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)信號與正常結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)基準(zhǔn)進(jìn)行歸一化， 然后根據(jù) AR 模型殘差分析提取結(jié)構(gòu)損傷特征， 進(jìn)而在正態(tài)分布的假定下通過統(tǒng)計(jì)分析進(jìn)行結(jié)構(gòu)異常診斷。

基于狀態(tài)及損傷敏感特征的正常結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)歸一化是結(jié)構(gòu)損傷識別的基礎(chǔ)， 有多種方法可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)歸一化。常用的較為簡單的方法是使用先驗(yàn)訓(xùn)練數(shù)據(jù)直接尋找正常結(jié)構(gòu)的狀態(tài)及損傷敏感特征的概率分布， 其中最簡單的方法之一是離群值分析較為復(fù)雜的數(shù)據(jù)歸一化方法是使用Gauss混合模型或核密度估計(jì)的方法。盡管統(tǒng)計(jì)模式識別問題的重點(diǎn)在于數(shù)據(jù)的離群值或極值， 也就是分布拖尾處的那些點(diǎn)， 但是基于正態(tài)分布假定的門檻值選擇方法仍然給予數(shù)據(jù)中心點(diǎn)以較大的權(quán)重。所有這些方法的局限性在于無法保證敏感特征拖尾分布的統(tǒng)計(jì)特性。因此， 這種正態(tài)分布假定或許有可能導(dǎo)致?lián)p傷分類錯(cuò)誤， 進(jìn)而可能導(dǎo)致診斷錯(cuò)誤。將極值統(tǒng)計(jì)量與統(tǒng)計(jì)模式識別相結(jié)合， 研究具有拖尾分布的結(jié)構(gòu)損傷識別問題， 降低了錯(cuò)誤識別的可能性。

結(jié)束語

本文通過對系統(tǒng)識別方法的分析，總結(jié)出采用建立實(shí)際建筑數(shù)學(xué)模型的方法來獲得結(jié)構(gòu)模型參數(shù)，并根據(jù)此進(jìn)行結(jié)構(gòu)的安全評估，但是目前在結(jié)構(gòu)施工中施工方法很多，施工環(huán)境對測量的數(shù)據(jù)產(chǎn)生了一定影響，所以利用統(tǒng)計(jì)識別的方法并不能對安全評估獲得理想的效果，并且對實(shí)際的建筑結(jié)構(gòu)還需要多方位的測量手段，來達(dá)到測量效果。所以要利用多方面分析對識別中產(chǎn)生的因素影響進(jìn)行驗(yàn)證，來達(dá)到對建筑模式的優(yōu)化，是結(jié)構(gòu)參數(shù)更加精確，將健康診斷中的識別方法能更好的進(jìn)行應(yīng)用。

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