桥梁监测系统中海量数据分析理论与应用

【摘要】：对于桥梁受到意外损伤或新桥投入使用时的安全评估,常规的桥梁荷载试验检测具有积极的意义。但其有需中断交通、间断性、重复花费大量的人力物力财力的缺点。目前,桥梁的远程监测是国际桥梁健康监测研究的热点,具有安全、连续、实时、及时预警预报的优点。为取代传统的定期或不定期的安全检测,对桥梁(尤其是大跨径桥梁)建立健康监测系统,对于桥梁的监控与评估、设计验证等,具有重要意义。 本文针对桥梁健康监测中的海量数据处理问题,提出了适合于桥梁远程监测的K线技术指标法、K线随机数据序列预测法和基于有限测点的快速计算方法。本文是国家科技攻关项目“大型桥梁安全远程实时监测成套技术开发示范”(2002BA105C)中的相关研究内容的一部分,是在整理有关研究成果及运行数据的基础上完成的。 论文的主要内容有: 1、桥梁远程智能集群监测系统方案设计。作为项目的主要研究人员之一,参与并完成了三座大桥各监测子系统的方案设计,确定了各监测系统的传感器种类、位置、数量、精度和量程范围。文中详细介绍了三座桥梁健康监测系统中的多个监测子系统和本项目开发的多种新型传感器。详细说明了集群监测中心的软硬件方案、各现场监测系统方案和远程传输方案的结构、功能和要求。 2、为解决桥梁健康监测中的实时快速计算问题,提出了基于有限个位移监测点信息的快速计算方法。详细阐述了其理论原理,研制和开发了相关软件,成功地应用于三座桥梁的健康监测中,实现了桥梁健康监测的快速计算和实时评估。 3、针对桥梁健康监测系统中的海量数据处理问题,首次提出将证劵分析中的K线图应用于桥梁健康监测的思想,详细阐述了K线图应用于桥梁健康监测系统的方法和过程。 4、在K线图的基础上,针对桥梁健康监测自身的特征,创建了动向指标、承载度指标、异常度指标、差异度指标等多个评价指标,将其应用于三座桥梁健康监测的安全评价中,很好地描述了监测参数(如挠度、应变、温度等)的变化规律和发展趋势。 5、对现有的灰色模型进行改造,成功地对K线技术生成的时间序列,特别是最大值、最小值等时间序列进行灰色预测,获得了令人满意的预测精度。针对桥梁健康监测K线数据在时间上的非等间距性,提出一套较为完善的非等间距数据建模方法。在此基础上,编制了主要预测流程的详细流程图。 基于有限个测点信息的快速计算方法提供了在桥面荷载未知的情况下,通过监测有限个测点的位移来计算全桥位移、应变、应力的方法,可满足桥梁健康在线监测快速计算的要求。K线技术指标法、K线随机数据序列预测法具有数据存储量小、适合于多类型桥梁和多类型监测参数的优点,易于开发出通用的桥梁健康监测系统,为桥梁健康监测注入了新的思路,具有广阔的应用前景。