大數(shù)據(jù)微算法在橋梁工程智能監(jiān)測中的研究應用

李勇 劉念琴 黃程宇 曹邏津 李敏 馬立平 文劍波 劉秋紅

摘?要：近年來，我國的社會經濟和交通事業(yè)在不斷快速發(fā)展，交通壓力也變得越來越大，又隨著時間的不斷推移，目前存在諸多已建成完工的橋梁各方面性能也在不斷下降，使得橋梁當初設計的承載力已經無法滿足目前的需求，嚴重威脅到橋梁結構安全以及行車安全。為避免橋梁在使用期間出現(xiàn)安全問題，有必要對橋梁進行健康監(jiān)測，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析研究，實時掌握橋梁運營情況，建立預警機制。

關鍵詞：大數(shù)據(jù);橋梁工程;智能監(jiān)測;研究應用

橋梁作為現(xiàn)代公路交通系統(tǒng)中的關鍵節(jié)點，其健康情況會對公路的安全運營和服務水平等造成直接影響。如何對橋梁存在的病害隱患進行方便快捷的監(jiān)測并進行科學的處理是橋梁檢測與維護工作人員目前面臨的一個重要難題。

一、大數(shù)據(jù)統(tǒng)計關聯(lián)分析

在統(tǒng)計工作過程中取得，并能夠對社會現(xiàn)象和國民經濟進行真實反映的數(shù)字資料或是其他有關聯(lián)性的資料就叫做數(shù)據(jù)統(tǒng)計。數(shù)據(jù)統(tǒng)計應用在橋梁領域內，需要科學合理的分類并匯總工程檢測數(shù)據(jù)，從而得到在相同分類中的數(shù)據(jù)規(guī)律，比如對同一時期建成的橋梁中出現(xiàn)問題最多的部位進行統(tǒng)計。關聯(lián)性分析也可被叫做關聯(lián)挖掘，指的是在關系數(shù)據(jù)、交易數(shù)據(jù)等的載體當中，找尋存在于項目集合或對象集合之間的頻繁模式、相關性或因果結構，這種分析技術比較簡單，而且實用，主要目的是對大量數(shù)據(jù)之間的相關性進行挖掘，用來對同一個事物中部分屬性在相同時間出現(xiàn)的規(guī)律進行描述[1]。比如利用大數(shù)據(jù)中的Apriori算法對橋梁工程監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，可以分為三步：（1）按照結構樣式以及建設時間對系統(tǒng)里的所有橋梁數(shù)據(jù)進行分類。（2）在完成各種不同橋梁的監(jiān)測數(shù)據(jù)分類后，再根據(jù)橋梁各個不同部件的所有病害類型進行統(tǒng)計分類處理。（3）關聯(lián)和統(tǒng)計不同橋梁中相同部件的所有病害類型，并進行分析，從而發(fā)現(xiàn)部件的常見病害類型以及病害出現(xiàn)的頻率。如圖1，橋梁智能監(jiān)測系統(tǒng)結構。

二、橋梁工程智能監(jiān)測大數(shù)據(jù)中心的內容

1、智能監(jiān)測系統(tǒng)自身產生的大量數(shù)據(jù)

健康監(jiān)測系統(tǒng)對大橋關鍵結構的信息采集工作，是通過安裝在橋梁上面?zhèn)鞲衅鱽硗瓿?，收集到大量?shù)據(jù)后再進行數(shù)據(jù)的存儲、傳送及分析工作，同時將此類數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，海量的實時數(shù)據(jù)最終得以產生。在目前的大數(shù)據(jù)環(huán)境中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集是進行數(shù)據(jù)分析處理的前提，將PB級別的數(shù)據(jù)處理時間縮短到秒是當前數(shù)據(jù)處理的目標，這也要求相應的數(shù)據(jù)處理工具和設備必須具備較高的性能及可擴展特性。

2、橋梁的各種資料數(shù)據(jù)信息

橋梁數(shù)據(jù)的重要組成部分主要包括橋梁的設計、定期檢測、施工監(jiān)控等資料，這部分數(shù)據(jù)信息可以儲存在常規(guī)數(shù)據(jù)庫中，可以歸類為結構化數(shù)據(jù)。當前有比較多的數(shù)據(jù)分析工具和手段，屬于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)分析，但也需要大數(shù)據(jù)分析軟件來對其進行分析和對比。

3、社會數(shù)據(jù)信息

社會數(shù)據(jù)主要包括一些橋梁的設計、施工和運營等方面資料的出版書籍，這些書籍主要是由新聞報道工作者和橋梁科技專業(yè)人員來書寫完成的，這些書籍中的相關有用信息可以被檢索出來用于橋梁安全和健康情況的輔助判斷[2]。半結構化數(shù)據(jù)和非結構化數(shù)據(jù)在社會數(shù)據(jù)中占比較大，要對這部分數(shù)據(jù)進行利用有很大的難度，也是當前研究人員關注的重點。數(shù)據(jù)挖掘算法和語義搜索引擎是大數(shù)據(jù)中對社會數(shù)據(jù)進行提取和搜索的兩個主要工具。

三、大數(shù)據(jù)在橋梁工程智能監(jiān)測中的作用

將大數(shù)據(jù)運用到傳統(tǒng)信息資料庫中，可以全面、高效的對橋梁建設的基本信息進行了解和掌握，為橋梁工程建設提供可靠的數(shù)據(jù)資料支持。對與橋梁建設相關的研究數(shù)據(jù)信息進行公開，也可以促進學術界之間的交流，推動建筑行業(yè)的發(fā)展和創(chuàng)新。在大數(shù)據(jù)庫中包含著橋梁工程的重要監(jiān)控數(shù)據(jù)，可以利用技術優(yōu)勢對其中的價值進行挖掘，有利于提升橋梁建設的施工品質，加快施工進度，施工工期縮短可以為企業(yè)節(jié)省部分成本。在大數(shù)據(jù)思維模式技術的支持下，還能對橋梁將來可能出現(xiàn)的問題進行準確預測，并及時采取應對措施。因此，大數(shù)據(jù)微算法應用在未來橋梁工程智能監(jiān)測工作已成為必然趨勢。

四、大數(shù)據(jù)微算法在橋梁工程智能監(jiān)測中的應用

1、應用于系統(tǒng)誤差處理工作中

在采集數(shù)據(jù)的過程中，系統(tǒng)誤差是對同一個對象進行重復測量時，得出數(shù)據(jù)的誤差值大小和符號均無發(fā)生變化，或者是跟隨條件的變化而有規(guī)律發(fā)生改變的誤差。通過對觀測值的正態(tài)分布特征性進行分析，可以看出比較大的偏差出現(xiàn)的可能性較低。如果觀測值數(shù)量比較少，誤差依據(jù)小概率原理分析，正常情況下出現(xiàn)的可能性較小，一旦出現(xiàn)則說明異常值一定存在。在橋梁工程智能監(jiān)測數(shù)據(jù)當中，數(shù)據(jù)既不能通過試驗再現(xiàn)也不具備重復性，因此只能對數(shù)據(jù)從理論方面進行推導，即使用數(shù)據(jù)分析方法來對系統(tǒng)誤差進行分析。數(shù)據(jù)分析法主要包擴殘余誤差觀察法、秩和檢驗法以及計算數(shù)據(jù)比較法等，系統(tǒng)是否存在誤差可通過此類方法來進行判別[3]。如果系統(tǒng)誤差確實存在，可對周圍環(huán)境和監(jiān)測儀器進行檢查，并對其他干擾因素進行排除。

2、應用于噪音消除工作中

由于外界多種因素的干擾，采集到的數(shù)據(jù)會出現(xiàn)一定程度失真的情況，要想接收準確有效的數(shù)據(jù)信息則必須對采集的數(shù)據(jù)進行濾波處理。為確保數(shù)據(jù)信息的真實性，可以利用數(shù)據(jù)平滑濾波法來以此消除噪聲，低通濾波、中值濾波、移動平均濾波等都是比較常用到的方法[4]。其中每一種濾波方法對噪聲都具有一定程度上的消除作用，在實際的應用過程中需根據(jù)工程的不同情況進行科學的選擇。

3、應用于數(shù)據(jù)分析工作中

在對數(shù)據(jù)完成處理后，接下來的橋梁評判工作方可對數(shù)據(jù)進行應用。數(shù)據(jù)的相關性分析、關聯(lián)分析以及趨勢分析工作可以從數(shù)據(jù)挖掘的角度來進行。相關分析是進行監(jiān)測數(shù)據(jù)之間存在的某種聯(lián)系的分析工作，在目前的技術條件下，我們能夠明確它們之間存在一定聯(lián)系性就已具有很大意義，但很難做到了解和定義它們之間的關系;橋梁各種參數(shù)之間的內在聯(lián)系就是關聯(lián)分析，目前我國通過對監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行大量分析研究工作，得知了橋梁數(shù)據(jù)中的裂縫寬度、溫度、支座變形程度以及伸縮縫位移等因素之間存在一定程度上的關聯(lián);趨勢分析是在海量數(shù)據(jù)信息的基礎上，通過不斷的整理數(shù)據(jù)從而發(fā)現(xiàn)趨勢線，對橋梁健康狀況的發(fā)展趨勢就可以通過發(fā)現(xiàn)的趨勢線來進行分析和估計。

結語

我國的橋梁工程智能監(jiān)測系統(tǒng)起步較晚，目前還是屬于一種新的技術，通過它產生的海量數(shù)據(jù)暫無一個完全科學有效的處理方法。此外，大數(shù)據(jù)分析技術也是近年來發(fā)展起來的新型技術，對于大數(shù)據(jù)在橋梁工程智能監(jiān)測中的應用前景非常廣闊。大數(shù)據(jù)分析技術能夠實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的有效利用，并對數(shù)據(jù)之間的關聯(lián)性進行挖掘，為橋梁的養(yǎng)護維修工作提供了依據(jù)，有利于提高我國的橋梁監(jiān)測水平和效率。

參考文獻

[1]?李莉，劉昱含.大數(shù)據(jù)算法與分析技術國家工程實驗室：推進人工智能與大數(shù)據(jù)的實質應用[J].科學新聞，2018，554（12）：34-36.