土木工程結構安全性在線評估及監測技術研究

李爭　李偉

摘要：針對土木工程監測方案中存在的人工成本高、檢測精度較低和無法實時監控等問題，利用分布式光纖布里淵監測技術設計一套在線監測系統，實現土木工程結構的實時監控。利用小波變換對傳感器采集的布里淵頻移數據進行降噪處理，實現建筑損傷的精確識別;為驗證本設計方案的可靠性，比較不同波基的算法的降噪效果。采用波基為N=3的小波濾波最大誤差為4.21%，波基為N=5的小波濾波最大誤差為3.38%;研究采用波基為db5的濾波方案，將其與孤立森林算法進行比較，得出采用db5小波濾波方案處理數據相對誤差降低了3.8%。將光纖布里淵頻移監測方案與拉壓力傳感器監測方案的檢測數據進行比較，得出采用光纖布里淵頻移監測方案其平均誤差降低了5%以上。

關鍵詞：土木工程結構;在線檢測;布里淵頻移;小波濾噪;建筑損傷識別

中圖分類號：FU3

文獻標識碼：A文章編號：1001-5922（2022）06-0138-05

Research on online safety assessment and monitoring technology of civil engineering structure

Li Zheng Li Wei

（1.Zaozhuang Housing Development Center， Zaozhuang 277800， Shandong China;

2. School of Civil Engineering， Shandong University， Jinan 250061， China

）

Abstract：Aiming at the problems of high labor cost， low detection accuracy and inability to monitor in real time in the civil engineering monitoring scheme， this study uses distributed optical fiber Brillouin monitoring technology to design an online monitoring system， which can realize real-time monitoring of civil engineering structures. Wavelet transform is used to denoise the Brillouin frequency shift data collected by the sensor to achieve accurate identification of building damage. In order to verify the reliability of this design scheme， the noise reduction effects of algorithms with different wave bases are compared. The maximum error of wavelet filtering with wave base N=3 is 4.21%， and the maximum error of wavelet filtering with wave base N=5 is 3.38%; therefore， the filtering scheme with wave base db5 is adopted in this study. Compared with the isolated forest algorithm， it is concluded that the relative error of the data processed by the db5 wavelet filtering scheme is reduced by 3.8%. Comparing the detection data of optical fiber Brillouin frequency shift monitoring scheme with that of tension pressure sensor monitoring scheme， it is concluded that the average error of optical fiber Brillouin frequency shift monitoring scheme is reduced by more than 5%.

Key words：civil engineering structure; online detection; Brillouin frequency shift; wavelet denoising; building damage identification

隨著全國范圍內基礎設施建設的逐步開展，對于土木工程設施的維護稱為重中之重，需要一套對土木工程進行監控的方案。由于土木工程長期存在，該監控方案需要能夠長時間提供穩定的監控能力，用于傳統人工利用簡易設備進行監測，這需要消耗大量人工成本且效率低下[1-2]。

由于傳統建筑監測方案的不足，有學者提出一種利用有限元分析實現對建筑損傷進行識別，該方案通過將傳感器采集到的數據進行降噪處理，然后進行模態參數識別，完成對建筑損傷的識別[3]，但是用于建筑故障種類繁多，并且受限于傳感器的精度，因此監測精度較低;還有采用物聯網技術建立三維全景監控方案，通過Java和Matlab進行設計軟件交互語言[4];利用三維激光掃描裝置對建筑斷面進行分析，通過多角度綜合分析，得出建筑安全狀況[5]。但是，由于受限于設備信息來源問題，無法做到實時對建筑進行監測，不能及時掌握方案建筑狀況。

鑒于此，本研究利用分布式光纖布里淵監測技術對建筑信息進行采集，進而針對本土木建筑的在線監控方案進行詳細說明。

1土木建筑在線監測方案

土木建筑在線監測方案，如圖1所示。

土木結構建筑包含范圍廣，監控時間長，如何實現土木建筑在線監測就成為亟待解決的問題，本研究利用分布式光纖布里淵監測技術實現建筑主體的檢測[6]，并利用小波變換對采集布里淵移頻數據進行降噪處理，完成土木工程形變和溫度異常的實時監控，該研究在線監控方案具體見圖[7-8]。

由圖1可知，本研究利用光纖布里淵傳感設計對土木工程結構的各項數據進行采集，設備系統對采集的詳細信息進行匯聚。并研究了光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，FBG）對布里淵信號的影響。由于布里淵頻移會受到到周圍環境的影響，需要對布里淵信號進行處理，利用小波變換對數據進行降噪處理，該技術大大提高了土木工程數據檢測的準確性。在監測算法模型中，通過對光纖的智能共線系統能夠實現數據信息的匯總，并將光纖材料的力學特性和光纖在建筑內部的分布情況綜合到數據庫中，通過分析光強功率的變化分析異常點到采集節點的距離，以此完成對異常點位置的定位，并通過運維平臺進行標準化、協議化處理[9-10]。

2土木工程應變在線監測方案

由于土木工程監測方案中需要對墻體的溫度和形變數據進行長時間進行監測，這更需要穩定、可靠的監控方案，本研究采用分布式光纖布里淵監測技術對建筑進行檢測，并利用小波變換對采集布里淵移頻數據進行降噪處理，完成土木工程形變和溫度異常的實時監控。

（1）在本研究采用分布式光纖布里淵監測技術對建筑進行檢測，在建筑中連接光纖管道，當建筑單元發生形變或溫度異常時，其光纖管道也會發生變化，導致光纖中傳輸光線的布里淵移頻發生變化，通過分析布里淵移頻的變換值和光強功率變化對故障位置進行精確定位[11];

（2）在對光纖中布里淵移頻數據進行測量，鑒于安裝工藝、設備材料等因素造成誤差，為提高監測系統的測量精度，本研究通過小波變換和洛倫茲擬合對數據進行處理，研究光纖長時監測的有效性[12]。

2.1分布式光纖布里淵檢測方案

在土木工程結構中常發生的安全性問題主要是材料膨脹系數不同，各個結構之間發生形變，造成不同結構之間產生內部應力，本研究利用光纖布里淵技術對建筑結構進行健康監測和結構損傷識別。布里淵散射是由于光子與聲子之間產生交互作用造成的，通過布里淵散射的變化情況可以對光路中的溫度和應變進行定位，在布里淵檢測中通過在光纖的兩端通入探測激光和泵浦激光，分析其發生的布里淵激光頻差，通過連續檢測得到的不同位置的布里淵移頻，利用建立的布里淵移頻與建筑結構的溫度、形變的關系函數得出光纖任意位置的溫度和形變情況，聲波在光纖中進行傳播擁有一定的速度，因此散射的光子的頻率相對于入射光子會發生偏移，其偏移的程度稱為布里淵移頻，其數學表達式：

式中：v為光纖中由于熱運動產生的聲子移動的速度;λ為入射的泵浦光光線的波長;n為光纖材料本身的折射率;v為在光纖材料中進行傳遞的光纖發生的布里淵移頻。其中，聲子的移動速度可以通過利用光線材料本身固有的介質泊松比、光纖的彈性模量以及密度進行計算，其計算公式：

式中：E為光纖材料的彈性模量;k表示為光纖材料的泊松比;ρ為光纖材料的密度。通過3項二氧化硅材料的固有屬性數據就可以計算光纖中的聲子傳播的速度[13-14]。

在光纖管道中發生著熱光效應和彈光效應2種影響光線傳輸的效應。其中，溫度通過改變原子振動的幅度等因素影響熱光效應，光纖材料應變是由于宏觀材料發生形變，光纖材料在微觀結構上產生應力，造成分子不處于最低能級，影響光子傳遞中的彈光效應，該2種效應最終造成光纖材料折射率的改變，其中光纖材料的溫度、應變程度對構成光纖的二氧化硅材料折射率、彈性模量、泊松比和密度的影響通過構造變量函數進行表示，其布里淵移頻的完整表達式如式3所示。

由于布里淵移頻同時受到溫度和材料形變的影響，當材料溫度或者形變量恒定保持不變時，可以通過光纖中傳導的光信號的布里淵頻移變換量和光強功率變化量得出溫度變化或形變程度的位置，其中需要探測的地點到探測光源的距離如式（4）所示。

式中：Z為探測光源與探測地點之間的距離;c為光線在光纖中傳播的速度;n為光纖的組成材料二氧化硅的折射率;t為光線在光纖中進行傳播的時間。當光纖的溫度恒定時，其布里淵移頻的二階表達式：

式中：C為設備材料的布里淵頻移對材料形變的敏感系數;v為二氧化硅材料初始的布里淵頻移系數;ε為光纖導線初始化的應變情況;ε為光纖材料的形變程度數據;Δε為光纖材料從初始化應變狀態到現在箱變程度數據。因此，在光纖材料形變程度不變的情況下，其布里淵移頻的二級展開函數：

式中：C為設備材料的布里淵頻移對材料溫度的敏感系數;T和T為光纖材料的溫度和初始化溫度。通過對式（5）、式（6）進行聯立，可以得出溫度和形變對布里淵移頻影響的二元函數關系：

根據式（7），通過測量光纖通路中光線的布里淵移頻的變化情況，進而監控空間中的溫度和形變程度，提高土木建筑的監控能力[15-16]。

2.2布里淵頻移數據的濾噪處理

由于布里淵分布式光纖傳感技術是分析散射信號的布里淵頻移信號，通過分析布里淵頻移信號的時空特性，可以得出光纖導路中不同位置的溫度和形變數據。由于光纖通路固定在建筑墻體中，因此墻體的溫度和形變會帶動光纖的形變和溫度變化，通過這種原理實現建筑實時監控。土木工程施工采用粗放式施工，這會對光路造成影響，使采集到的頻移信號信噪比較低，需要對數據進行降噪處理。本研究通過利用小波變換對數據進行降噪處理，實現海量信息的局部特征的提取，在小波變換域中區分信號和噪音數據。

在小波變換中通過利用時域變換對數據進行處理，可以實現對數據的多分辨率分析。其中小波變換的母函數需要滿足一定的積分邊界條件，邊界條件：

式中：ψ（x）為小波變換母函數，通過傅里葉變換可以得出函數ψω;小波變換母函數通過對函數圖像進行拉伸、收縮和平移處理，可以得出小波函數的通式ψ（x）。其通式ψ（x）：

式中：a、b分別為小波函數圖像伸縮和平行位移的函數因子;通過傅里葉變換得出函數ψ（x）就可以定義為受到a和b影響的連續性小波函數。其中連續性小波變換函數定義：

式中：W（a，b）為函數f（x）在小波基函數ψ（x）方向的分解結果;ψ*（x）、ψ（x）為互為共軛函數。由于在計算時無法進行無限精度的劃分，因此函數尺度因子a按照冪級數進行離散化處理，將函數伸縮因子b按照均勻取值的方式進行離散化劃分，其分析函數f（x）的離散化小波變換函數：

通過式（12）的離散型小波函數就可以對光纖設備檢測的布里淵頻移數據進行處理，降低其中存在的噪音數據，提高對形變和溫度數據的監測精度。

3模擬仿真試驗

為了分析本研究設計建筑安全性監測裝置的可靠性，通過對小波變換的濾噪效果和布里淵頻移監測方案的準確性2個方面進行試驗。其中在對小波變換降噪效果試驗中通過選取一套36組的光線布里淵頻移數據和光纖內部具體應力數據，通過利用未濾波、孤立森林和db5 3種方案對數據進行處理，預測光纖內部的應力數據，并將預測數據與實際應力數據進行比較，得出其的誤差數據;在對布里淵頻移監測方案的準確性試驗中通過對10 m鋼軌的形變進行檢測來模擬實驗;通過利用拉壓力傳感器和光纖布里淵頻移監測裝置分別對鋼軌進行檢測，通過設備對鋼軌進行不定期的施加外部壓力使其形變，分析2種檢測方案對形變情況的檢測效果[17-18]。

在本次實驗中所選取的計算機模擬環境為：選用Ubuntu12.04作為操作系統平臺，設置計算機內存為32 GB，Intel Xeon W-2145 CPU 3.70 GHz，采用NVlDIAGeForce4 MX440 64M顯卡，本次模擬仿真實驗的軟件選取Matlab 7.0軟件[19]。在對小波變換降噪效果試驗中將濾波處理數據與2種不同的小波濾波方案進行比較，分析小波變換的降噪效果和不同波基的小波變換方案的降噪效果，統計數據結果如表1所示。

由表1可知，通過對光纖通路增加不同的負載，并統計光路中傳輸光信號的布里淵頻移數據，利用波基為N=3和波基為N=5的小波，對獲取的數據信息進行濾波處理，得出采用小波變換可以提高數據預測的精度。其中不進行濾波處理方案最大誤差為17.82%，采用波基為N=3的小波濾波最大誤差為4.21%;采用波基為N=5的小波濾波最大誤差為3.38%。這表明，采用小波濾波可以明顯降低數據的誤差;采用波基為N=5的可以更高效對數據進行處理[20]。

為了分析不同濾波方案的濾波效果，通過db5小波濾波算法、孤立森林算法和未進行濾波處理的數據進行相對誤差率計算，相對誤差統計結果如圖2所示。

由圖2可知，實線為采用db5小波濾波處理數據預測的相對誤差，最大值為2.3%;短橫線線為采用孤立森林濾波處理數據預測的相對誤差，最大值為6.1%;虛線為未采用濾波處理數據預測的相對誤差，最大值為9.8%，通過相對誤差數據可以得出采用波基為N=5的小波濾波方案可以高效的過濾噪音數據。為分析本研究設計的檢測模型對形變負載的監測情況，對鋼軌增加負載使其形變，通過拉壓力傳感器監測方案和光纖布里淵頻移監測方案2種監測方案進行分析，將2種監測方案與試驗外加負載進行比較，分析監測方案檢測的準確性，監測方案的檢測結果如圖3所示。

由圖3可知，短橫線為采用拉壓力傳感器監測方案監測的鋼軌的負載數據;虛線為采用光纖布里淵頻移監測方案進行監測的鋼軌負載數據;實線為試驗中對鋼軌真實外加的負載，通過圖像可以看出采用光纖布里淵頻移監測方案的負載監測誤差比較穩定，平均小于3%;采用拉壓力傳感器監測方案在高負載時誤差較大，其平均誤差在8%左右。

4結語

本研究通過小波變換對數據進行降噪處理，通過試驗進行監測該方案的可靠性，并得出以下結論[20]：

（1）本實驗對不同波基的小波濾波方案進行比較試驗，得出采用波基為N=3的小波濾波最大誤差為4.21%;采用波基為N=5的小波濾波最大誤差為3.38%。由此可知，采用小波濾波可以明顯降低數據的誤差性;采用波基為N=5的參數后，可以更高效地實現對數據濾波。通過將孤立森林算法與波基為db5小波濾波進行比較，可以得出，采用db5小波濾波處理后，數據預測相對誤差降低了3.8%。因此采用波基為db5小波濾波能夠更精確地進行檢測;

（2）本研究為了分析光纖布里淵頻移監測方案對墻體形變的監測準確性，利用鋼軌來代替墻體進行模擬實驗，其中采用光纖布里淵頻移監測方案的負載監測誤差比較穩定，平均小于3%;采用拉壓力傳感器監測方案在高負載時誤差較大，其平均誤差在8%左右。因此本研究設計的光纖布里淵頻移監測方案可以更準確的進行建筑監測。

采用本研究設計光纖布里淵頻移監測方案可以更準確的對建筑墻體的形變和溫度異常進行監測，但是由于光纖中光線頻移數據復雜，在數據分析時是會出現一定的誤差，因此需要更進一步的優化。

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