橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析算法平臺設(shè)計及實現(xiàn)

孫文瑞，鄭正南，朱立偉

（浙江杉工智能科技有限公司，浙江 杭州 315100）

0 引 言

橋梁建成后隨著運營時間的推移，大橋各構(gòu)件將面臨各種損傷及內(nèi)力狀態(tài)的改變，相應(yīng)橋梁的剛度和承載能力就會出現(xiàn)不同程度的衰減。為避免災(zāi)難性事故的發(fā)生，需對橋梁進行健康監(jiān)測[1-3]。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)需要綜合利用現(xiàn)代傳感測試、信號分析、遠(yuǎn)程智能控制、計算機技術(shù)、損傷識別、結(jié)構(gòu)安全評定等當(dāng)代新技術(shù)進行設(shè)計與實施，行業(yè)壁壘厚、資金投入大、通用程度低[4]。對于經(jīng)濟體量較小的橋梁而言，經(jīng)濟效益不好，投入回報率低，因此搭建一個實用、使用門檻低、功能豐富的開放性橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)分析計算平臺，實現(xiàn)平臺與算法的解耦，供用戶以在線的形式對獲得的各類數(shù)據(jù)進行自主分析，以標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)的形式為橋梁安全監(jiān)測提供全過程數(shù)據(jù)分析服務(wù)，十分有必要[5]。

1 技術(shù)路線

1.1 整體架構(gòu)設(shè)計

橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)一般可分為感知層、傳輸層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層四個部分[6]，橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)分析算法平臺屬于其中的數(shù)據(jù)層。感知層主要由現(xiàn)場采集設(shè)備、傳感設(shè)備等數(shù)據(jù)獲取設(shè)備組成，實現(xiàn)橋梁撓度、應(yīng)變、振動、位移等橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)，風(fēng)速、風(fēng)向、溫度等環(huán)境數(shù)據(jù)，車輛等荷載數(shù)據(jù)三大類數(shù)據(jù)的獲取。傳輸層通過有線或無線的形式將感知層得到的各類數(shù)據(jù)，傳輸?shù)皆品?wù)端。云服務(wù)端負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)儲存在云數(shù)據(jù)庫，管理用戶客戶端的接口請求，做好與終端的數(shù)據(jù)連接。數(shù)據(jù)層的橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)分析算法平臺可以通過調(diào)取數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)或用戶直接上傳數(shù)據(jù)的方式，獲得數(shù)據(jù)，再通過指定算法處理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理后的結(jié)果返回云服務(wù)端，或直接反饋給用戶。應(yīng)用層可根據(jù)不同需求，為管理部門、手機用戶或者網(wǎng)絡(luò)用戶，提供相關(guān)的數(shù)據(jù)服務(wù)，為用戶行車安全、橋梁運行安全提供強有力的技術(shù)支持。橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)分析算法平臺的整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)分析算法平臺的整體架構(gòu)

1.2 技術(shù)路線

針對橋梁監(jiān)測系統(tǒng)，結(jié)合數(shù)值分析、機器學(xué)習(xí)、人工智能等技術(shù)，研究監(jiān)測數(shù)據(jù)處理、分析、預(yù)警、評估等算法及應(yīng)用。實現(xiàn)對橋梁撓度、應(yīng)變、振動、位移等監(jiān)測數(shù)據(jù)的提取、清洗、處理、計算等功能，結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)理論實現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)承載力狀況、模態(tài)、疲勞技術(shù)狀況、性能發(fā)展趨勢等方面的智能評估，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建橋梁監(jiān)測算法平臺，實現(xiàn)對橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)的智能分析，為橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)提供專業(yè)算法分析服務(wù)。

主要應(yīng)用的技術(shù)包括：數(shù)值分析技術(shù)，大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，機器學(xué)習(xí)技術(shù)，人工智能技術(shù)，橋梁結(jié)構(gòu)承載力狀況、疲勞技術(shù)狀況、性能發(fā)展趨勢等的智能評估技術(shù)，建立數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析模型技術(shù)，網(wǎng)頁開發(fā)技術(shù)等。

1.3 運行機制

橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)分析算法平臺的核心運行機制為算法觸發(fā)機制。算法作業(yè)的觸發(fā)方式分為外部觸發(fā)、時間觸發(fā)和手動觸發(fā)三類[7]，觸發(fā)步驟如下：

（1）用戶在橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)分析算法平臺的界面中配置觸發(fā)器；

（2）外部觸發(fā)：由第三方系統(tǒng)向算法平臺的指定接口發(fā)送信號；

（3）時間觸發(fā)和手動觸發(fā)：當(dāng)滿足觸發(fā)條件時，向算法平臺的指定接口發(fā)送信號；

（4）橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)分析算法平臺接收到指定信號后，根據(jù)需求進行相應(yīng)的算法作業(yè)，并返回處理結(jié)果。

2 系統(tǒng)總體功能概述

本文通過搭建橋梁監(jiān)測算法平臺，實現(xiàn)平臺與算法的解耦，以標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)的形式為橋梁安全監(jiān)測提供全過程數(shù)據(jù)分析服務(wù)。系統(tǒng)主要功能模塊包含首頁、時程分析、統(tǒng)計分析、承載力分析、模態(tài)分析和疲勞分析?？傮w功能劃分如圖2所示。

圖2 橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)分析算法平臺的總體功能劃分

3 功能模塊及用戶界面

3.1 數(shù)據(jù)分析功能

系統(tǒng)能夠?qū)蛄簱隙取?yīng)變、振動、位移等監(jiān)測數(shù)據(jù)進行提取、清洗、處理、統(tǒng)計分析等。具體如下：

（1）選擇指定數(shù)據(jù)庫集合，并根據(jù)篩選條件對數(shù)據(jù)庫內(nèi)數(shù)據(jù)進行查看、展示，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)查看與展示示例圖

（2）通過重采樣、粗差處理、數(shù)據(jù)補全、數(shù)據(jù)平滑濾噪、數(shù)字濾波對采集到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)清洗，以保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，增加后續(xù)數(shù)據(jù)分析的可靠度。

（3）對各種監(jiān)測量歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，計算均值、方差、最大值、最小值等統(tǒng)計特征值，生成圖表，方便用戶查看各監(jiān)測項目工作情況，如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析示例圖

（4）根據(jù)配置參數(shù)生成對應(yīng)報表，展示效果簡明且直觀。

3.2 技術(shù)狀況評估功能

結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)理論，對處理后的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析計算，實現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)承載力狀況、模態(tài)、疲勞技術(shù)狀況、性能發(fā)展趨勢等方面的智能評估，提供橋梁安全狀態(tài)的決策、預(yù)警支持。主要內(nèi)容如下：

（1）根據(jù)橋面荷載分布仿真數(shù)據(jù)或橋面真實車輛分布情況，分析當(dāng)前荷載工況對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的理論變形，并對比監(jiān)測系統(tǒng)實際測量的變形值，對橋梁進行結(jié)構(gòu)承載力評估，并為管理人員給出相應(yīng)的維護保養(yǎng)建議，如圖5所示。

圖5 橋梁承載力分析示例圖

（2）根據(jù)傳感器加速度數(shù)據(jù)計算分析橋梁動力特性，繪制各傳感器數(shù)據(jù)的時程圖、功率譜圖和橋梁不同階次的振型圖。判斷橋梁結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)損傷或異常，實現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)健康狀況的宏觀把握，如圖6所示。

（3）通過應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合疲勞分析算法實現(xiàn)結(jié)構(gòu)疲勞壽命評估[8]。通過疲勞試驗得到橋梁構(gòu)件的S-N曲線，然后根據(jù)miner線性累積損傷準(zhǔn)則來估算橋梁構(gòu)件的疲勞剩余壽命[9-10]，如圖7所示。

（4）結(jié)合自動監(jiān)測、人工巡檢數(shù)據(jù)和其他相關(guān)數(shù)據(jù)（包括橋梁基礎(chǔ)信息、成橋試驗數(shù)據(jù)、人工巡檢數(shù)據(jù)等）對結(jié)構(gòu)的整體工作狀態(tài)進行技術(shù)狀況評估。

4 結(jié) 語

本文針對橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析算法，發(fā)展處于國內(nèi)領(lǐng)先水平的橋梁監(jiān)測技術(shù)，搭建具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的橋梁監(jiān)測平臺，突破橋梁監(jiān)測系統(tǒng)行業(yè)壁壘厚、資金投入大、通用程度低的難題，為我國橋梁監(jiān)測提供關(guān)鍵技術(shù)與平臺，實現(xiàn)了橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)分析工作的平臺化，有效降低橋梁監(jiān)測成本，產(chǎn)生經(jīng)濟效益的同時，具有很大的社會效益。