小波技術在復雜巖土工程安全監(jiān)測中的應用

葉愛麗

（福建省建筑科學研究院）

小波技術在復雜巖土工程安全監(jiān)測中的應用

葉愛麗

（福建省建筑科學研究院）

巖土工程安全監(jiān)測數(shù)據(jù)受多種因素影響，為了提高監(jiān)測結(jié)果的可靠性，在分析了巖土工程監(jiān)測數(shù)據(jù)特點的基礎之上，利用小波技術對小波數(shù)據(jù)處理技術對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理，結(jié)果表明，小波技術以及小波奇異識別技術能識別監(jiān)測假異常值（野值），小波濾波技術能分離溫度等其他因素的影響，提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的精度和準確度。

應力；小波；監(jiān)測

1　概述

隨著我國社會主義建設的逐步推進，工程建設的規(guī)模逐步變大，涉及到的巖土工程問題也越來越復雜，安全問題突出。為了解決日益突出的安全問題，工程人員采取了很多措施，其中最有效、最常用的就是安全監(jiān)測。然而由于大型巖土工程的復雜性，加上現(xiàn)有的監(jiān)測技術的局限性，使得巖土工程監(jiān)測數(shù)據(jù)受多種因素影響，這給安全評價帶來了困難。因此，尋分析監(jiān)測數(shù)據(jù)的主要影響因素，并尋求方法剝離這些因素的影響是巖土工程安全評價首先要解決的問題。

本文利用實測數(shù)據(jù)分析了巖土工程監(jiān)測數(shù)據(jù)主要的影響因素后，采用小波技術對主要影響因素進行了剝離，為有效的安全評價奠定了基礎。

2　復雜巖土工程監(jiān)測數(shù)據(jù)特點

2.1真異常值與假異常值并存

關于真異常值與假異常值的定義，已有學者在相關文獻中作了規(guī)定[1]。真異常是由于結(jié)構受力狀態(tài)惡化，結(jié)構處于不安全狀態(tài)時，監(jiān)測數(shù)據(jù)所表現(xiàn)出的異常；假異常是由于傳感器、讀數(shù)儀、人為因素等造成的數(shù)據(jù)大幅度偏離真實值，而此時結(jié)構本身的狀態(tài)是安全的。假異常值在國際上又被稱作outlier，如圖1所示。

圖1　假異常值示意圖

2.2數(shù)據(jù)量龐大

工程規(guī)模越大，其監(jiān)測網(wǎng)也越大，傳感器的埋設數(shù)量大。單測次的數(shù)據(jù)量較大。同時，由于大型工程的工況多且十分復雜，因此，監(jiān)測頻度較高。科學技術的進步，使得自動采集系統(tǒng)被廣泛應用，自動采集的應用的直接作用就是監(jiān)測數(shù)據(jù)量大幅度增多，同時也給數(shù)據(jù)處理帶來了難度。

2.3受環(huán)境因素影響強烈

主要的環(huán)境因素有：溫度、日照輻射、潮水位（僅對近海或感潮河段工程而言）、寒流。溫度會產(chǎn)生溫度應力，對于大型巖土工程而言，溫度應力問題尤為突出。對于高聳建筑物而言，由于上部結(jié)構受日照輻射的影響會改變整個結(jié)構的受力狀態(tài)，從而改變基礎的受力狀態(tài)。

3　小波基本理論

近年來，隨著小波理論的完善和計算機技術的發(fā)展，小波分析法已在工程領域得到了廣泛應用。由于其在信號處理方面的強大功能，因此被廣泛應用到信號的處理過程中。小波分析是將信號分解到不同尺度上，從而得到信號在某個尺度上分量值，并能進行不失真重構。傳感器的監(jiān)測信息包含了各種噪聲，噪聲的在信息中主要以高頻的形式表現(xiàn)出來，而有效信息則集中在低頻段。因此，可以通過小波分析將高頻信息進行分離，保留有效信息，以獲取傳感器所在部位的真實物理力學狀態(tài)。

如果將監(jiān)測數(shù)據(jù)看成一個隨時間變化的信號。可以假設某傳感器的測量數(shù)據(jù)集合為：Y={f（t1），f（t2），…，f（tn）}，將含有異常值outlier的數(shù)據(jù)信號表示為：

式中：f（ti）為第i次的采樣信息；s（ti）為第i次采樣中蘊含的有效信息；e（ti）為第i次采樣中疊加的噪聲信號，被認為是一個1級高斯白噪聲，通常表現(xiàn)為高頻信號；ε>0為常數(shù)，是噪聲級。

同樣地可以將一個含有環(huán)境因素影響的數(shù)據(jù)表示為：

式中：v（ti）表示環(huán)境因素所形成的信息。

對監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理就是一個去偽存真的過程，即通過對數(shù)據(jù)信號的多層次加工，如異常值檢出、環(huán)境因素濾除，從而揭示結(jié)構自身的真實狀態(tài)。利用小波技術的多層次濾波就可將高斯白噪聲和環(huán)境噪聲逐層濾除。

關于小波濾波技術[2～4]與奇異識別技術[5]的詳細理論，不少學者都做了介紹，此處不再詳述。

4　應用實例

4.1異常值的處理

某基坑的鋼支護結(jié)構在一段時間的內(nèi)力如圖2所示。從圖中可以看出兩處明顯假異常值（橢圓內(nèi)數(shù)據(jù)），由于該處數(shù)據(jù)僅是偶然出現(xiàn)的，根據(jù)異常值的連續(xù)性原則，可判別為假異常，并且是由于采集儀的原因?qū)е碌摹Ａ硗猓瑘D中矩形框內(nèi)出現(xiàn)疑似異常值。

經(jīng)小波奇異識別技術處理后的數(shù)據(jù)如圖3所示。從圖中可以看出，小波技術不僅將明顯的異常值識別出來，并進行了剔除，同時經(jīng)過處理之后的實測曲線連續(xù)性、平滑性更好，提高了監(jiān)測結(jié)果的精度。

圖2　支護結(jié)構內(nèi)力實測原始曲線

圖3　小波技術處理前后結(jié)果對比

4.2環(huán)境因素分離

對于一般的混凝土或鋼結(jié)構而言，影響其受力狀態(tài)的主要因素是溫度，這主要是溫度的日變化和季節(jié)性溫度變化會改變其受力狀態(tài)，因此，在不同溫度條件下的安全評價標準是不同的，這給安全評價帶來了困難，也不利于實現(xiàn)自動化監(jiān)測與評價。因此，需要對結(jié)構的受力狀態(tài)進行修正。以某基坑鋼管撐的應力監(jiān)測數(shù)據(jù)為例進行分析，原始數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4　應力實測曲線

從圖4中可以看出，鋼管撐的應力與溫度呈明顯的正相關。一般而言，對于溫度應力的修正方法主要采用統(tǒng)計學的方法。選取一段時間的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為樣本，進行回歸分析。分析結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，溫度應力是呈高度線性正相關的，按照統(tǒng)計結(jié)果，將實測結(jié)果修正到同一溫度條件下，如圖6所示。可以看出經(jīng)過修正后的數(shù)據(jù)，總體趨勢基本能反應結(jié)構內(nèi)力的變換趨勢，但是局部存在一些突起，這主要是由于結(jié)構對溫度變化的響應存在滯后性，并且，存在其他偶然因素的影響。

圖5　溫度與應力統(tǒng)計分析結(jié)果

圖6　應力修正前后結(jié)果

利用小波分層濾波技術處理后的數(shù)據(jù)結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出，經(jīng)過小波濾波技術處理后的結(jié)果更平滑，也準確反映了結(jié)構內(nèi)力變化的總體趨勢。這說明，小波濾波技術不僅可以濾除儀器噪聲，也可以濾除溫度應力這樣的低頻噪聲，從達到提高監(jiān)測精度。

圖7　

5　結(jié)論

通過分析對比發(fā)現(xiàn)，巖土工程監(jiān)測數(shù)據(jù)受多種因素影響，包括儀器因素，環(huán)境因素等。小波奇異識別技術能夠識別偶然因素導致的假異常值（outlier），而小波分層濾波技術可達到濾除溫度應力及其他噪聲的目的，從而提高安全監(jiān)測數(shù)據(jù)精度，為自動化安全評價奠定基礎。

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TU452

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2015-5-20