大數據分析技術在橋梁健康監測中的應用

苗秀鵬

重慶亞派橋梁工程質量檢測有限公司 重慶市土木結構智慧監測工程技術中心

大數據分析技術在橋梁健康監測中的應用

苗秀鵬

重慶亞派橋梁工程質量檢測有限公司 重慶市土木結構智慧監測工程技術中心

隨著橋梁使用年限的增長，其各方面性能都會下降，對橋梁進行健康監測是本世紀研究的熱點。面對海量的橋梁健康監測數據，及時對數據分析，確定橋梁的運營狀況，保證橋梁安全運營具有非常重要的意義。本文簡要介紹海量數據的處理方法，并陳簡要述前人研究成果及數據的分析方法。

橋梁健康；監測數據；處理方法；分析

前言

近年來，隨著我國經濟的高速發展，交通量驟增，許多既有橋梁的設計荷載已不能滿足現行車輛荷載的使用要求，橋梁結構安全受到嚴重威脅。為保障橋梁運營期內的結構安全，必須對橋梁進行健康監測，建立預警機制，以防止橋梁垮塌等重大事故發生。進行橋梁健康監測時，每天會產生大量數據，因此，面對海量的監測數據，有必要采用合適的處理手段從中分析出有價值的信息，以為橋梁結構運營狀態評估提供重要的科學參考依據。

1 、橋梁健康監測大數據中心的功能與內容

1.1 健康監測系統本身產生的海量實時數據

健康監測系統通過安裝在大橋上的各種傳感器對大橋關鍵結構部位信息進行不間斷采集，再對這些數據進行存儲、傳輸、處理、分析，同時各個大橋上的數據也實時傳送到數據中心，最終產生海量實時數據。在大數據背景下，這類數據處理源于數據的實時采集，數據處理的目標是將PB級數據的處理時間縮短到秒級，而對應的處理工具則需具備高性能、實時、可擴展等特性。

1.2 橋梁的設計、施工監控等資料數據

橋梁的設計、施工監控、竣工動靜載試驗、年度或定期檢測等大橋相關資料也是橋梁數據的重要組成部分，這些數據可使用常規數據庫的形式存儲，屬于結構化數據。目前分析工具與手段較多，屬傳統數據分析，但需要使用大數據分析軟件來與之比較與分析。

1.3 社會數據

橋梁科技人員以及新聞報道人員針對橋梁的設計、施工以及運營等方面出版的書籍，發表的論文和報道屬于社會數據，可從中可檢索出相關有用信息來輔助健康與安全判斷。社會數據絕大部分是非結構化數據或半結構化數據，要使用這部分數據難度很大，是研究與開發的重點。社會數據的搜索與提取主要使用大數據分析中的2個工具：語義搜索引擎和數據挖掘算法。

橋梁健康監測需要的本質功能是預測，而運用大數據的“樣本=總體”的全新概念的本質功能也是預測，通過數據融合和數據挖掘方法達到預測橋梁損傷的目的。

2 、數據處理方法

2.1 系統誤差處理方法

在數據采集過程中，系統誤差是對同一個被測對象進行多次重復測量時，誤差值的大小和符號(正值或負值)保持不變；或者在條件變化時，按一定規律變化的誤差。判別原則：異常值檢驗方法是建立在隨機樣本觀測值遵從正態分布和小概率原理的基礎之上的。根據觀測值的正態分布特征性，出現大偏差其可能性很低。當測值較少時，在正常的請款下，根據小概率原理，他們是不會出現的，倘若出現，那么必定存在異常值。由于在橋梁健康監測數據中，數據的不可再重復性及試驗再現性，只能對數據進行理論上的推導，即對系統誤差一般采用數據分析法。它包含殘余誤差觀察法、殘余誤差校驗法、計算數據比較法、不同公式計算標準差比較法、秩和檢驗法及t檢驗法等，用這些方法可以判別數據是否存在系統誤差。若存在系統誤差，可以檢查儀器和周圍環境，排除其他干擾因素的影響。

2.2 數據插補

在異常數據剔除后，需要對數據進行插補，以保證數據采集的連續性。常用的插補方法有：多項式曲線擬合、特殊值填補、插值、時間序列自適應移動平均模型、支持向量機插補、神經網絡插補等。對于某些數據由于某種原因導致的缺失，可以從傳感器之間的相關性著手，進行數據關聯性分析并進行插補；也可以根據該傳感器數據之間的聯系運用上述插補方法進行插補。

2.3 數據消噪

采集的數據由于外界各種因素的干擾下，其數據很大程度的失真，只有經過濾波處理后，才能得到較為準確有效的數據。為了獲得真實值，可以采取一定的數據平滑濾波方法能有效的消除噪聲。常用的方法有移動平均濾波法、算術平均值濾波法、中值濾波、低通濾波、限幅濾波、局部加權回歸散點平滑濾波法、局部修正平滑數據濾波法及Savitaky-Golay平滑濾波法等。每種濾波方法都能達到一定的消除噪聲的效果，因此應該針對不同工程合理選取自己的濾波處理方法。

3 、數據分析

在數據經過處理后，進而應用數據對橋梁進行評判，從數據挖掘的角度，對數據進行趨勢分析、關聯分析及相關分析。趨勢分析是在長時間，海量數據的基礎上，通過對數據整理得出相應的趨勢線，根據趨勢線對橋梁健康狀況發展趨勢進行估計；相關分析是對監測數間存在某種的聯系進行分析，在現在的技術和條件下面對海量數據我們很難定義出他們之間存在確切關系，我們只要知道他們存在相關關系，這具有重要的意義；關聯分析是指參數之間的內在聯系。目前國內運用健康監測數據做了很多研究，研究表明溫度、撓度、裂縫寬度、伸縮縫位移、支座變形等因素存在一定的聯系。

4 、結束語

橋梁健康監測技術是近幾十年來發展的新技術，它的海量數據，單系統的片面性還沒有得到很好的解決；同樣，大數據分析技術是近幾年來發展的全新技術，利用大數據分析擴展認知能力有著廣闊的應用前景，深度學習、知識計算、可視化等大數據分析技術已被廣泛應用于不同的行業和領域。本文提出了使用大數據分析技術建立橋梁健康監測大數據中心的新概念，給出了大數據分析技術在橋梁健康監測中的應用前景和方向。隨著大數據時代的到來，橋梁健康監測技術也會有突飛猛進的發展，從而構建一個全國性的大中小型橋梁的健康、病害、預防、診治一體化管理的用于分析、整合、規范、指導的信息數據鏈交互平臺，提供一個可靠、高效、并能夠不斷優化服務的健康與安全保障系統。

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