大數(shù)據(jù)微算法在橋梁工程智能監(jiān)測(cè)中的研究應(yīng)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(lái)，我國(guó)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和交通事業(yè)在不斷快速發(fā)展，交通壓力也變得越來(lái)越大，又隨著時(shí)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(dāng)初設(shè)計(jì)的承載力已經(jīng)無(wú)法滿足目前的需求，嚴(yán)重威脅到橋梁結(jié)構(gòu)安全以及行車安全。為避免橋梁在使用期間出現(xiàn)安全問(wèn)題，有必要對(duì)橋梁進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，實(shí)時(shí)掌握橋梁運(yùn)營(yíng)情況，建立預(yù)警機(jī)制。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù);橋梁工程;智能監(jiān)測(cè);研究應(yīng)用

橋梁作為現(xiàn)代公路交通系統(tǒng)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其健康情況會(huì)對(duì)公路的安全運(yùn)營(yíng)和服務(wù)水平等造成直接影響。如何對(duì)橋梁存在的病害隱患進(jìn)行方便快捷的監(jiān)測(cè)并進(jìn)行科學(xué)的處理是橋梁檢測(cè)與維護(hù)工作人員目前面臨的一個(gè)重要難題。

一、大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)關(guān)聯(lián)分析

在統(tǒng)計(jì)工作過(guò)程中取得，并能夠?qū)ι鐣?huì)現(xiàn)象和國(guó)民經(jīng)濟(jì)進(jìn)行真實(shí)反映的數(shù)字資料或是其他有關(guān)聯(lián)性的資料就叫做數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)應(yīng)用在橋梁領(lǐng)域內(nèi)，需要科學(xué)合理的分類并匯總工程檢測(cè)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(duì)同一時(shí)期建成的橋梁中出現(xiàn)問(wèn)題最多的部位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。關(guān)聯(lián)性分析也可被叫做關(guān)聯(lián)挖掘，指的是在關(guān)系數(shù)據(jù)、交易數(shù)據(jù)等的載體當(dāng)中，找尋存在于項(xiàng)目集合或?qū)ο蠹现g的頻繁模式、相關(guān)性或因果結(jié)構(gòu)，這種分析技術(shù)比較簡(jiǎn)單，而且實(shí)用，主要目的是對(duì)大量數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性進(jìn)行挖掘，用來(lái)對(duì)同一個(gè)事物中部分屬性在相同時(shí)間出現(xiàn)的規(guī)律進(jìn)行描述[1]。比如利用大數(shù)據(jù)中的Apriori算法對(duì)橋梁工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以分為三步：（1）按照結(jié)構(gòu)樣式以及建設(shè)時(shí)間對(duì)系統(tǒng)里的所有橋梁數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。（2）在完成各種不同橋梁的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分類后，再根據(jù)橋梁各個(gè)不同部件的所有病害類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分類處理。（3）關(guān)聯(lián)和統(tǒng)計(jì)不同橋梁中相同部件的所有病害類型，并進(jìn)行分析，從而發(fā)現(xiàn)部件的常見(jiàn)病害類型以及病害出現(xiàn)的頻率。如圖1，橋梁智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

二、橋梁工程智能監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)中心的內(nèi)容

1、智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自身產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)

健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)大橋關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的信息采集工作，是通過(guò)安裝在橋梁上面?zhèn)鞲衅鱽?lái)完成，收集到大量數(shù)據(jù)后再進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、傳送及分析工作，同時(shí)將此類數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，海量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)最終得以產(chǎn)生。在目前的大數(shù)據(jù)環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集是進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理的前提，將PB級(jí)別的數(shù)據(jù)處理時(shí)間縮短到秒是當(dāng)前數(shù)據(jù)處理的目標(biāo)，這也要求相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理工具和設(shè)備必須具備較高的性能及可擴(kuò)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(shè)計(jì)、定期檢測(cè)、施工監(jiān)控等資料，這部分?jǐn)?shù)據(jù)信息可以儲(chǔ)存在常規(guī)數(shù)據(jù)庫(kù)中，可以歸類為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。當(dāng)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(lái)對(duì)其進(jìn)行分析和對(duì)比。

3、社會(huì)數(shù)據(jù)信息

社會(huì)數(shù)據(jù)主要包括一些橋梁的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)等方面資料的出版書籍，這些書籍主要是由新聞報(bào)道工作者和橋梁科技專業(yè)人員來(lái)書寫完成的，這些書籍中的相關(guān)有用信息可以被檢索出來(lái)用于橋梁安全和健康情況的輔助判斷[2]。半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)在社會(huì)數(shù)據(jù)中占比較大，要對(duì)這部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行利用有很大的難度，也是當(dāng)前研究人員關(guān)注的重點(diǎn)。數(shù)據(jù)挖掘算法和語(yǔ)義搜索引擎是大數(shù)據(jù)中對(duì)社會(huì)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和搜索的兩個(gè)主要工具。

三、大數(shù)據(jù)在橋梁工程智能監(jiān)測(cè)中的作用

將大數(shù)據(jù)運(yùn)用到傳統(tǒng)信息資料庫(kù)中，可以全面、高效的對(duì)橋梁建設(shè)的基本信息進(jìn)行了解和掌握，為橋梁工程建設(shè)提供可靠的數(shù)據(jù)資料支持。對(duì)與橋梁建設(shè)相關(guān)的研究數(shù)據(jù)信息進(jìn)行公開，也可以促進(jìn)學(xué)術(shù)界之間的交流，推動(dòng)建筑行業(yè)的發(fā)展和創(chuàng)新。在大數(shù)據(jù)庫(kù)中包含著橋梁工程的重要監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，可以利用技術(shù)優(yōu)勢(shì)對(duì)其中的價(jià)值進(jìn)行挖掘，有利于提升橋梁建設(shè)的施工品質(zhì)，加快施工進(jìn)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(shù)的支持下，還能對(duì)橋梁將來(lái)可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，并及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施。因此，大數(shù)據(jù)微算法應(yīng)用在未來(lái)橋梁工程智能監(jiān)測(cè)工作已成為必然趨勢(shì)。

四、大數(shù)據(jù)微算法在橋梁工程智能監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

1、應(yīng)用于系統(tǒng)誤差處理工作中

在采集數(shù)據(jù)的過(guò)程中，系統(tǒng)誤差是對(duì)同一個(gè)對(duì)象進(jìn)行重復(fù)測(cè)量時(shí)，得出數(shù)據(jù)的誤差值大小和符號(hào)均無(wú)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(guò)對(duì)觀測(cè)值的正態(tài)分布特征性進(jìn)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(cè)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(shuō)明異常值一定存在。在橋梁工程智能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)當(dāng)中，數(shù)據(jù)既不能通過(guò)試驗(yàn)再現(xiàn)也不具備重復(fù)性，因此只能對(duì)數(shù)據(jù)從理論方面進(jìn)行推導(dǎo)，即使用數(shù)據(jù)分析方法來(lái)對(duì)系統(tǒng)誤差進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)分析法主要包擴(kuò)殘余誤差觀察法、秩和檢驗(yàn)法以及計(jì)算數(shù)據(jù)比較法等，系統(tǒng)是否存在誤差可通過(guò)此類方法來(lái)進(jìn)行判別[3]。如果系統(tǒng)誤差確實(shí)存在，可對(duì)周圍環(huán)境和監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行檢查，并對(duì)其他干擾因素進(jìn)行排除。

2、應(yīng)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(huì)出現(xiàn)一定程度失真的情況，要想接收準(zhǔn)確有效的數(shù)據(jù)信息則必須對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。為確保數(shù)據(jù)信息的真實(shí)性，可以利用數(shù)據(jù)平滑濾波法來(lái)以此消除噪聲，低通濾波、中值濾波、移動(dòng)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(duì)噪聲都具有一定程度上的消除作用，在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中需根據(jù)工程的不同情況進(jìn)行科學(xué)的選擇。

3、應(yīng)用于數(shù)據(jù)分析工作中

在對(duì)數(shù)據(jù)完成處理后，接下來(lái)的橋梁評(píng)判工作方可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)用。數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析、關(guān)聯(lián)分析以及趨勢(shì)分析工作可以從數(shù)據(jù)挖掘的角度來(lái)進(jìn)行。相關(guān)分析是進(jìn)行監(jiān)測(cè)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(shù)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(guān)系;橋梁各種參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系就是關(guān)聯(lián)分析，目前我國(guó)通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)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(guān)聯(lián);趨勢(shì)分析是在海量數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)上，通過(guò)不斷的整理數(shù)據(jù)從而發(fā)現(xiàn)趨勢(shì)線，對(duì)橋梁健康狀況的發(fā)展趨勢(shì)就可以通過(guò)發(fā)現(xiàn)的趨勢(shì)線來(lái)進(jìn)行分析和估計(jì)。

結(jié)語(yǔ)

我國(guó)的橋梁工程智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)起步較晚，目前還是屬于一種新的技術(shù)，通過(guò)它產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)暫無(wú)一個(gè)完全科學(xué)有效的處理方法。此外，大數(shù)據(jù)分析技術(shù)也是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型技術(shù)，對(duì)于大數(shù)據(jù)在橋梁工程智能監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用前景非常廣闊。大數(shù)據(jù)分析技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)海量數(shù)據(jù)的有效利用，并對(duì)數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行挖掘，為橋梁的養(yǎng)護(hù)維修工作提供了依據(jù)，有利于提高我國(guó)的橋梁監(jiān)測(cè)水平和效率。

參考文獻(xiàn)

[1]?李莉，劉昱含.大數(shù)據(jù)算法與分析技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室：推進(jìn)人工智能與大數(shù)據(jù)的實(shí)質(zhì)應(yīng)用[J].科學(xué)新聞，2018，554（12）：34-36.