基于BOLL通道法的結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)識別處理方法

馬國杰,趙銳,2*,淡丹輝,3,蓋杰,焦元其

(1.新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院,烏魯木齊 830017; 2.新疆大學(xué),新疆建筑結(jié)構(gòu)與抗震重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830017;3.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院,上海 200092; 4.中建新疆建工集團(tuán)第四建筑工程有限公司,烏魯木齊 830000)

為了保障大跨度空間結(jié)構(gòu)的安全性,越來越多大跨度空間結(jié)構(gòu)安裝了健康監(jiān)測系統(tǒng)[1-3]。但在對大跨度空間結(jié)構(gòu)長期的監(jiān)測實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),準(zhǔn)確地監(jiān)測數(shù)據(jù)對于后期科研工作的順利開展非常重要,這使得對監(jiān)測數(shù)據(jù)異常值的識別變成一個十分重要的工作[4-5]。正因?yàn)槿绱?監(jiān)測數(shù)據(jù)識別處理成為近年來重要的研究課題。

目前監(jiān)測數(shù)據(jù)的識別處理手段主要應(yīng)用在氣象學(xué)領(lǐng)域和管理科學(xué)領(lǐng)域,但是在大跨度結(jié)構(gòu)監(jiān)測領(lǐng)域中關(guān)于非均勻溫度場的監(jiān)測數(shù)據(jù)識別處理方法研究較少,特別是大跨度結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方法多種多樣,針對溫度、應(yīng)力和加速度等數(shù)據(jù)處理均需要針對性地采用不同的處理手段。在國內(nèi)外對于溫度數(shù)據(jù)識別處理方法的研究中,以往的學(xué)者對研究混凝土溫度和鋼結(jié)構(gòu)溫度方面采用的方法均有差異性,并且針對具體研究目的,數(shù)據(jù)處理手段也不盡相同。比如寧澤宇等[6]使用移動平均線法做大壩混凝土溫度的識別處理;韓曉健等[7]采用改進(jìn)的數(shù)據(jù)跳躍法剔除梁橋溫度數(shù)據(jù)的粗差值;高照明[8]使用三西格瑪準(zhǔn)則做了異常數(shù)據(jù)識別處理,這些方法看似可以對溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,但是在細(xì)分的非均勻溫度場研究領(lǐng)域,改進(jìn)的數(shù)據(jù)跳躍法并不適應(yīng)于大跨度空間結(jié)構(gòu)的非均勻溫度場監(jiān)測數(shù)據(jù)處理,雖然移動平均線法和三西格瑪準(zhǔn)則可以對溫度的粗值進(jìn)行處理,但它們是在原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析,非常依賴原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,出現(xiàn)漂移溫度數(shù)據(jù)時會出現(xiàn)計(jì)算錯誤,同時沒有考慮各地區(qū)非均勻溫度分布的各異性,導(dǎo)致方法應(yīng)用不夠靈活,并且未考慮極端溫度的影響性。可以說以上方法在處理溫度數(shù)據(jù)上過于“呆板”,而且往往是使用固定的分析參數(shù)進(jìn)行應(yīng)用并且在處理數(shù)據(jù)時忽略了極端溫度的突變情況,容易將非均勻溫度場中關(guān)鍵極端溫度數(shù)據(jù)的影響忽略,把極端溫度產(chǎn)生的突變溫度值“抹去”,不利于對非均勻溫度場的研究?？梢妭鹘y(tǒng)的溫度識別處理方法研究仍不夠深入,而BOLL通道(Bollinger bands)法[9-10],雖然在金融領(lǐng)域應(yīng)用較多,但是經(jīng)過改造之后應(yīng)用于結(jié)構(gòu)監(jiān)測領(lǐng)域可以對異常溫度數(shù)據(jù)處理有較好效果。

根據(jù)以上研究思路,現(xiàn)基于BOLL通道法,提出一種通過改造BOLL通道以適應(yīng)于非均勻溫度場監(jiān)測數(shù)據(jù)識別處理的改進(jìn)型BOLL通道法。通過引入第三方數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)互相驗(yàn)證分析,以此構(gòu)建BOLL通道上下軌線,處理溫度數(shù)據(jù)時兼顧非均勻溫度場對數(shù)據(jù)精細(xì)化、區(qū)域化的需求特點(diǎn),并提出以偏離值衡量非均勻突變溫度的發(fā)生概率頻次,得到改進(jìn)型BOLL通道法?？梢赃_(dá)到對大跨度空間結(jié)構(gòu)的非均勻溫度場監(jiān)測數(shù)據(jù)識別處理的目的。最后通過十二師體育館大跨度空間結(jié)構(gòu)的監(jiān)測數(shù)據(jù)來驗(yàn)證以上方法的有效性。

1 BOLL通道法

1.1 BOLL通道法介紹

BOLL通道法原本在金融領(lǐng)域應(yīng)用較多,是利用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理求出金融數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差及其信賴區(qū)間然后對異常波動值進(jìn)行識別,由中軌線、上軌線和下軌線構(gòu)成,反映數(shù)據(jù)的波動范圍。

1.2 BOLL通道法的計(jì)算公式

BOLL通道法的計(jì)算公式為

XMB=TNXMA

(1)

XUP=XMB+2XMD

(2)

XDN=XMB-2XMD

(3)

(4)

式中:XMB為中軌線,表示數(shù)據(jù)變化的平均趨勢;TN為N個數(shù)值的移動平均周期數(shù);XMA為移動平均線;XUP為上軌線,是區(qū)間上線的閾值;XDN為下軌線,是區(qū)間下線的閾值;XMD為計(jì)算數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差;Ci為第i個數(shù)據(jù)值。

2 針對BOLL通道法的改進(jìn)

自然界的溫度升降是屬于一種緩和的溫度波動。溫度的上升和下降都是在前面一個溫度值的基礎(chǔ)上增加或者減少,其波動也在一定范圍區(qū)間變化。特別是針對大跨度空間結(jié)構(gòu)的非均勻溫度場研究表明,結(jié)構(gòu)溫度的波動也是遵循一定的波動規(guī)律;因此,這里以BOLL通道法作為參考借鑒,對這種統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行改造,引入土木工程空間結(jié)構(gòu)監(jiān)測領(lǐng)域,得到改進(jìn)型BOLL通道法;以此能應(yīng)用于對大跨度空間結(jié)構(gòu)的非均勻溫度場的識別處理。

首先建立的中軌線是由測點(diǎn)實(shí)際溫度值構(gòu)成,因?yàn)榭紤]非均勻溫度場的敏感性和數(shù)據(jù)完整性,所以不用像原公式[式(1)]中那樣進(jìn)行移動平均處理;在構(gòu)建上下軌線時,考慮非均勻溫度場具有區(qū)域性,而且上下軌線是對數(shù)據(jù)進(jìn)行重點(diǎn)識別的,所以必須具有適應(yīng)非均勻溫度場變化的特點(diǎn),原公式[式(2)、式(3)]是采用數(shù)據(jù)經(jīng)過移動平均后得出來的數(shù)值加減2倍標(biāo)準(zhǔn)差構(gòu)成,此計(jì)算步驟的值依賴原數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。本次改造中,舍棄依賴原數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的方式,把原數(shù)據(jù)與第三方數(shù)據(jù)結(jié)合分析,降低原數(shù)據(jù)對指標(biāo)識別準(zhǔn)確性的影響。本方法巧妙引入第三方數(shù)據(jù)是大跨度空間結(jié)構(gòu)所在地的當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù),由于非均勻溫度場的特性受區(qū)域氣溫的影響帶有區(qū)域性,而不同地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)也有區(qū)域性,以當(dāng)?shù)氐谌綒鉁財?shù)據(jù)作為核驗(yàn)非均勻溫度場的溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)具有較好的契合度。下軌線由當(dāng)日的氣象最低氣溫構(gòu)成,考慮的是極端氣溫的影響。無論是夜間沒有太陽輻射影響,還是區(qū)域極端降溫的情況,區(qū)域最低氣溫可以較好衡量下軌線的準(zhǔn)確性。偏離值是指實(shí)際大跨度空間結(jié)構(gòu)的測點(diǎn)溫度值減去最高氣溫的值,不是每個測點(diǎn)溫度都會高過最高氣溫,因?yàn)槠x值是考慮到太陽輻射到結(jié)構(gòu)上造成結(jié)構(gòu)溫度場分布非均勻,導(dǎo)致局部測點(diǎn)出現(xiàn)測點(diǎn)溫度值高于最高氣溫的情況,而研究非均勻溫度場需要重視這些出現(xiàn)偏離值的測點(diǎn)的影響;因此需要上軌線兼顧到這種影響,所以上軌線是由最高氣溫加上偏離值的平均值再加上2倍偏離值的標(biāo)準(zhǔn)差構(gòu)成。通過這種方式就能把處理非均勻溫度場的數(shù)據(jù)細(xì)部化,兼顧非均勻溫度場產(chǎn)生的“突變”溫度的影響,在識別出異常溫度點(diǎn)的同時最大程度保留真實(shí)的非均勻溫度場的“突變”溫度。經(jīng)過改造之后可得

XMB=Ti

(5)

(6)

XDN=Ti,min

(7)

hi=|Ti-Ti,max|

(8)

(9)

3 基于改進(jìn)型BOLL通道的異常溫度數(shù)據(jù)識別法的應(yīng)用

3.1 工程概況

第十二師體育館位于烏魯木齊市頭屯河區(qū)第十二師,該體育館的屋蓋結(jié)構(gòu)是長為131.98 m、寬為90.19 m的下懸柱支撐的橢圓形大跨度空間結(jié)構(gòu)。本次研究選取該空間結(jié)構(gòu)的監(jiān)測數(shù)據(jù)中的非均勻溫度場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行研究驗(yàn)證。部分測點(diǎn)的安裝位置如圖1所示。

圖1 測點(diǎn)安裝位置圖

3.2 分析結(jié)果

選取該大跨度空間結(jié)構(gòu)的測點(diǎn)SX11在2022年8月記錄的存在異常的溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)和從氣象網(wǎng)站獲取當(dāng)?shù)卦?022年8月的最高溫與最低溫的氣象溫度數(shù)據(jù)全部代入式(5)～式(9)中進(jìn)行計(jì)算分析,得到如圖2所示的結(jié)果?？梢钥吹綄?shí)際溫度數(shù)據(jù)處在一個由BOLL上下軌線組成的波動通道上。另外以2022年7月測點(diǎn)XX3的所有正常數(shù)據(jù)為例,展現(xiàn)該方法對正常數(shù)據(jù)的處理效果,如圖3所示。綜上對比可以看到,經(jīng)過改進(jìn)型BOLL通道法的處理,可以識別出異常的溫度數(shù)據(jù)。

異常溫度數(shù)據(jù)點(diǎn)

圖3 改進(jìn)型BOLL通道法識別的正常數(shù)據(jù)

4 適用性分析

由于監(jiān)測系統(tǒng)故障或者傳感器短時間內(nèi)失靈的原因,會導(dǎo)致溫度數(shù)據(jù)中常常出現(xiàn)異常數(shù)據(jù),主要分兩種類型:跳點(diǎn)數(shù)據(jù)和漂移數(shù)據(jù)。跳點(diǎn)數(shù)據(jù)的圖像特征主要是出現(xiàn)一個甚至多個異常粗值,漂移數(shù)據(jù)的特征是局部數(shù)據(jù)波動不符合實(shí)際情況,出現(xiàn)上下浮動的密集分布。因此需要分析改進(jìn)型BOLL通道法對兩種常見的異常溫度數(shù)據(jù)類型的識別效果,本次使用三西格瑪準(zhǔn)則、移動平均線法和改進(jìn)型BOLL通道法對跳點(diǎn)數(shù)據(jù)和漂移數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,相關(guān)可視化處理結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 跳點(diǎn)數(shù)據(jù)

圖5 漂移數(shù)據(jù)

4.1 對跳點(diǎn)數(shù)據(jù)的適用性分析

三西格瑪準(zhǔn)則的計(jì)算過程是對該數(shù)據(jù)序列求均值,然后計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差,認(rèn)為當(dāng)某個值對于均值的偏差大于3倍標(biāo)準(zhǔn)差時,這個值為異常值。如圖6所示為三西格瑪準(zhǔn)則處理該跳點(diǎn)數(shù)據(jù)的結(jié)果,該數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常的跳點(diǎn)值有8個,三西格瑪準(zhǔn)則可以識別出數(shù)據(jù)中的1個誤差較大的異常值(3號異常值),其他7個誤差較小的異值未識別出來?？梢娛褂萌鞲瘳敎?zhǔn)則只能對部分異常值進(jìn)行識別,識別效果達(dá)不到預(yù)期目的。

圖6 三西格瑪準(zhǔn)則處理跳點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)

移動平均線法可以平滑溫度波動值異常值,這里基于溫度波動的頻率特點(diǎn),選擇以5個數(shù)據(jù)為統(tǒng)計(jì)周期進(jìn)行移動平均的計(jì)算,處理的結(jié)果如圖7所示,可以看到在移動平均線法對于處理跳點(diǎn)數(shù)據(jù)方面有較好的識別度,但是由于其對數(shù)據(jù)進(jìn)行移動平均處理的特點(diǎn),在剔除異常粗值的同時也會把部分正常值去掉,其最大的作用更在于平滑溫度波動趨勢,對溫度波動趨勢預(yù)測分析方面的作用更大,但是對于非均勻溫度場的研究中,是需要保留溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)原始值進(jìn)行研究的情況下,使用移動平均線法會“抹平”很多非均勻溫度場研究需要的數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)。

圖7 移動平均線處理跳點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)

改進(jìn)型BOLL通道法對該跳點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,由于不同地區(qū)太陽輻射強(qiáng)度不同,對大跨度空間結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的溫差波動也不同,該方法引入氣象數(shù)據(jù)求取偏離值,然后構(gòu)建上下軌線進(jìn)行處理溫度數(shù)據(jù)可以讓上下軌線變地更加靈活,能有效識別出傳感器異常導(dǎo)致的異常跳點(diǎn)數(shù)據(jù),同時保留非均勻溫度場產(chǎn)生的溫度突變點(diǎn)。如圖8所示,處理之后的效果較好,優(yōu)于三西格瑪準(zhǔn)則和移動平均線法。

圖8 改進(jìn)型BOLL通道法處理跳點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)

4.2 對漂移數(shù)據(jù)的適用性分析

如圖9所示,由于三西格瑪準(zhǔn)則非常依賴于原始數(shù)據(jù),故在原始數(shù)據(jù)的處理基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析,非常依靠原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。如果出現(xiàn)漂移的溫度數(shù)據(jù)時會出現(xiàn)轉(zhuǎn)移錯誤,對于漂移數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,可以看到中間紅色方框部分的漂移數(shù)據(jù)是無法識別出來的,因?yàn)檫@部分?jǐn)?shù)據(jù)是完全錯誤的數(shù)據(jù),在使用三西格瑪準(zhǔn)則時是把這部分錯誤數(shù)據(jù)代入計(jì)算,并不能對這部分異常數(shù)據(jù)做出來有效識別。

圖9 三倍西格瑪準(zhǔn)則處理漂移溫度數(shù)據(jù)

如圖10所示,由于移動平均線法是在原始數(shù)據(jù)上做數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析,也是把這部分錯誤數(shù)據(jù)代入計(jì)算,對錯誤數(shù)據(jù)進(jìn)行移動平均,同樣,針對這種漂移數(shù)據(jù)也無法處理。

圖10 移動平均線處理漂移溫度數(shù)據(jù)

如圖11所示,在利用改進(jìn)型BOLL通道法處理數(shù)據(jù)時,上下軌線的計(jì)算不是完全依賴這部分異常數(shù)據(jù),而是引入第三方氣象數(shù)據(jù)作為參考輔助,那么在遇到漂移數(shù)據(jù)時,就可以避免漂移數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)分析指標(biāo)的干擾,在應(yīng)用上面具有較好的識別效果。

圖11 改進(jìn)型BOLL通道法處理漂移溫度數(shù)據(jù)

4.3 各方法識別率對比

對比分析這3種方法對兩種異常的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的情況,結(jié)果如表1和表2所示,三西格瑪準(zhǔn)則在識別跳點(diǎn)數(shù)據(jù)和漂移數(shù)據(jù)時效果較差,移動平均線法在識別跳點(diǎn)數(shù)據(jù)的效果較好,但是識別漂移數(shù)據(jù)較差。而改進(jìn)型BOLL通道法對這兩種數(shù)據(jù)類型的識別效果均較好,即使遇到一段數(shù)據(jù)中同時存在漂移數(shù)據(jù)和跳點(diǎn)數(shù)據(jù)的情況,也能同時處理該數(shù)據(jù)。

表1 對跳點(diǎn)數(shù)據(jù)的識別率

表2 對漂移數(shù)據(jù)的識別率

5 結(jié)論

針對大跨度空間結(jié)構(gòu)非均勻溫度場監(jiān)測數(shù)據(jù)識別處理的問題,提出一種改進(jìn)型BOLL通道溫度數(shù)據(jù)識別處理方法,并對其修復(fù)效果進(jìn)行分析,得到如下結(jié)論。

(1)通過引入第三方數(shù)據(jù)結(jié)合原始數(shù)據(jù)構(gòu)造上下軌線,基于BOLL通道法提出一種改進(jìn)型BOLL通道法,在做非均勻溫度場的監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方面有較大優(yōu)勢,克服了傳統(tǒng)方法的缺點(diǎn),可同時處理兩種異常類型的數(shù)據(jù),在應(yīng)用上具有區(qū)域適用性和針對性。

(2)改進(jìn)型BOLL通道法在處理跳點(diǎn)數(shù)據(jù)時,可以克服三西格瑪準(zhǔn)則只識別粗大誤差值的缺陷,較大程度地識別出來小誤差值的同時保留了非均勻溫度場需要的數(shù)據(jù)特征。

(3)改進(jìn)型BOLL通道法在處理漂移數(shù)據(jù)時,不完全依賴于原始數(shù)據(jù),彌補(bǔ)了移動平均線法和三西格瑪準(zhǔn)則的缺陷,可以較好地進(jìn)行漂移數(shù)據(jù)的處理。