本發(fā)明屬于土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，具體涉及一種基于橋梁撓度多因素校正與實時預(yù)警方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、橋梁作為交通運輸?shù)闹匾獦屑~，其結(jié)構(gòu)安全直接關(guān)系到人民生命財產(chǎn)安全。然而，橋梁結(jié)構(gòu)在長期的運營過程中，由于交通荷載、自然環(huán)境、材料老化等多種因素的影響，其性能會逐漸退化，甚至產(chǎn)生損傷。撓度作為橋梁結(jié)構(gòu)變形的重要指標(biāo)，能夠直接反映橋梁的受力狀態(tài)和健康狀況。因此，對橋梁撓度進(jìn)行實時監(jiān)測和預(yù)警，對于保障橋梁的安全運營具有重要意義。

2、傳統(tǒng)的橋梁撓度監(jiān)測方法多采用人工測量或簡單的傳感器監(jiān)測，存在測量精度低、實時性差、數(shù)據(jù)處理能力不足等問題。同時，由于橋梁結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，其撓度變化往往受到多種因素的共同影響，如車輛荷載、溫度變化、材料老化等，這使得準(zhǔn)確預(yù)測和評估橋梁撓度變化變得尤為困難。

3、近年來，隨著傳感器技術(shù)、信息技術(shù)和數(shù)據(jù)分析技術(shù)的快速發(fā)展，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)取得了顯著進(jìn)步。然而，現(xiàn)有的橋梁撓度監(jiān)測系統(tǒng)仍存在一些問題，如模型精度不足、數(shù)據(jù)處理效率低、預(yù)警機(jī)制不完善等，導(dǎo)致系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的準(zhǔn)確性和可靠性有待提高。

4、因此，研發(fā)一種能夠?qū)崟r監(jiān)測橋梁撓度變化、精確分析橋梁結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)、及時預(yù)警潛在安全隱患的智能化系統(tǒng)，對于提高橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性、延長橋梁使用壽命具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提供一種基于橋梁撓度多因素校正與實時預(yù)警方法及系統(tǒng)，用于對橋梁撓度進(jìn)行智能化監(jiān)測與預(yù)警。

2、本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案為：一種基于橋梁撓度多因素校正與實時預(yù)警方法，包括以下步驟：

3、s1：檢測橋梁，實時獲取橋梁撓度數(shù)據(jù)；建立橋梁的初始fem有限元模型，包括車輛荷載模型和溫度效應(yīng)模型；

4、s2：在橋梁上施加預(yù)設(shè)的車輛荷載進(jìn)行靜動載試驗，通過靜態(tài)和動態(tài)響應(yīng)分析優(yōu)化有限元模型的車輛荷載參數(shù)，修正車輛荷載模型；

5、s3：通過局部離群值校正和加權(quán)移動平均法從橋梁撓度數(shù)據(jù)中分離溫度效應(yīng)數(shù)據(jù)，調(diào)整有限元模型的熱應(yīng)力參數(shù)，修正溫度效應(yīng)模型；

6、s4：結(jié)合修正后的車輛荷載模型和溫度效應(yīng)模型，以及橋梁設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算橋梁撓度閾值；

7、s5：比較實時采集的橋梁撓度數(shù)據(jù)與橋梁撓度閾值，當(dāng)實時撓度數(shù)據(jù)超過橋梁撓度閾值時觸發(fā)報警機(jī)制。

8、按上述方案，所述的步驟s1中，具體步驟為：

9、s11：根據(jù)橋梁健康監(jiān)測目的確定監(jiān)測指標(biāo)和系統(tǒng)方案，在待測橋梁的橋體關(guān)鍵位置部署撓度傳感器用于實時采集橋梁撓度數(shù)據(jù)；

10、s12：橋梁撓度數(shù)據(jù)受橋梁結(jié)構(gòu)所處環(huán)境溫度信息、車輛荷載、混凝土收縮徐變和測量誤差影響；將測量誤差視為期望為0、方差不變的隨機(jī)分布，忽略混凝土收縮徐變和測量誤差對橋梁撓度數(shù)據(jù)的影響；以橋梁結(jié)構(gòu)的材料屬性、幾何尺寸和邊界條件信息作為輸入，分別建立橋梁的車輛荷載模型和溫度效應(yīng)模型。

11、按上述方案，所述的步驟s3中，具體步驟為：

12、s31：對橋梁撓度數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，通過局部離群值校正識別并剔除異常值；

13、s32：采用加權(quán)移動平均法處理數(shù)據(jù)以減少噪聲干擾、保證數(shù)據(jù)的真實變化特征，從而分離出溫度誘導(dǎo)的撓度變化即溫度效應(yīng)數(shù)據(jù)；

14、s33：根據(jù)分離出的溫度效應(yīng)數(shù)據(jù)調(diào)整有限元模型的熱應(yīng)力參數(shù)，修正溫度效應(yīng)模型。

15、進(jìn)一步的，所述的步驟s31中，具體步驟為：

16、對橋梁撓度數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理得到離散數(shù)據(jù)，使用lof算法得到局部離群因子，比較每個離散數(shù)據(jù)點的密度與其周圍點的密度以確定該點是否為離群點，判斷離散數(shù)據(jù)中是否存在突變；若有突變則進(jìn)行校正，以消除結(jié)構(gòu)響應(yīng)中活載引起的響應(yīng)。

17、進(jìn)一步的，所述的步驟s31中，lof算法的具體步驟為：

18、s311：計算點x到離點x最近的第k個點o的長度即點x的k距離；

19、s312：取點x與點o的實際距離和k距離中較大的一個，作為點x與點o之間的可達(dá)距離；

20、s313：通過可達(dá)距離計算點x的絕對密度即局部可達(dá)密度；

21、s314：通過點x與相鄰點o的相對密度即局部離群因子表示點x離群的程度。

22、進(jìn)一步的，所述的步驟s32中，具體步驟為：

23、s321：將原始數(shù)據(jù)序列依次劃分為多個子集，每個子集對應(yīng)一個閾值；若局部離群因子超過閾值，則認(rèn)為受活載影響，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行修正得到溫度噪聲響應(yīng)；

24、s322：使用加權(quán)移動平均法濾除溫度噪聲響應(yīng)中的噪聲，獲得溫度效應(yīng)數(shù)據(jù)。

25、進(jìn)一步的，所述的步驟s321和s322迭代進(jìn)行，直至達(dá)到預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)處理精度要求。

26、按上述方案，所述的步驟s3和s4之間，還包括步驟為：

27、通過歷史數(shù)據(jù)驗證修正后的模型。

28、進(jìn)一步的，還包括步驟為：

29、將實時數(shù)據(jù)、歷史記錄和預(yù)警信息通過預(yù)設(shè)的報警渠道發(fā)送到用戶界面。

30、一種基于橋梁撓度多因素校正與實時預(yù)警系統(tǒng)，

31、數(shù)據(jù)獲取和建模子模塊，用于檢測橋梁，實時獲取橋梁撓度數(shù)據(jù)；建立橋梁的初始fem有限元模型，包括車輛荷載模型和溫度效應(yīng)模型；

32、車輛荷載模型修正子模塊，用于在橋梁上施加預(yù)設(shè)的車輛荷載進(jìn)行靜動載試驗，通過靜態(tài)和動態(tài)響應(yīng)分析優(yōu)化有限元模型的車輛荷載參數(shù)，修正車輛荷載模型；

33、溫度效應(yīng)模型修正子模塊，用于通過局部離群值校正和加權(quán)移動平均法從橋梁撓度數(shù)據(jù)中分離溫度效應(yīng)數(shù)據(jù)，調(diào)整有限元模型的熱應(yīng)力參數(shù)，修正溫度效應(yīng)模型；

34、閾值計算子模塊，用于結(jié)合修正后的車輛荷載模型和溫度效應(yīng)模型，以及橋梁設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算橋梁撓度閾值；

35、報警子模塊，用于比較實時采集的橋梁撓度數(shù)據(jù)與橋梁撓度閾值，當(dāng)實時撓度數(shù)據(jù)超過橋梁撓度閾值時觸發(fā)報警機(jī)制。

36、本發(fā)明的有益效果為：

37、1.本發(fā)明的一種基于橋梁撓度多因素校正與實時預(yù)警方法及系統(tǒng)，通過在橋梁關(guān)鍵位置部署高精度撓度傳感器，實時采集橋梁在不同荷載和溫度條件下的撓度數(shù)據(jù)；基于采集的數(shù)據(jù)建立車輛荷載和溫度效應(yīng)的初始有限元模型，并通過靜動載試驗和加權(quán)移動平均法等方法，對模型進(jìn)行修正和優(yōu)化，以準(zhǔn)確反映橋梁的實際受力狀態(tài)；結(jié)合橋梁的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、安全裕量和歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算得出橋梁撓度的合理閾值；在實時監(jiān)測過程中，當(dāng)實際撓度數(shù)據(jù)超過設(shè)定的閾值時，系統(tǒng)自動觸發(fā)報警機(jī)制，通過預(yù)設(shè)的報警渠道向管理人員發(fā)送報警信息；實現(xiàn)了對橋梁撓度的智能化監(jiān)測與預(yù)警的功能，提高了橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。

38、2.一般橋梁的測試撓度包括車輛荷載的撓度、溫度場產(chǎn)生的撓度、混凝土的收縮徐變以及測量誤差，將測量誤差視為期望為0、方差不變的隨機(jī)分布，忽略混凝土收縮徐變和測量誤差對橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響；本發(fā)明對于車輛荷載產(chǎn)生的撓度建立fem有限元模型，通過靜動載試驗得到的數(shù)據(jù)來修正有限元模型；對于溫度效應(yīng)產(chǎn)生的撓度建立fem有限元模型，利用局部離群值校正和加權(quán)移動平均法分離橋梁長期監(jiān)測數(shù)據(jù)的溫度誘導(dǎo)響應(yīng)分離出來的溫度效應(yīng)修正溫度的有限元模型；通過修正后的兩個有限元模型計算出車輛荷載的撓度和溫度場產(chǎn)生的撓度作為閾值，將實際測量的撓度與該閾值對比，及時發(fā)出警報信息，為橋梁的運營管理提供更加直接、便捷的幫助。

39、3.本發(fā)明使用局部離群因子（lof）對原始測量數(shù)據(jù)進(jìn)行變換，并通過最小化修改數(shù)據(jù)的方差來確定lof的閾值；加權(quán)移動平均法也用于過濾修改數(shù)據(jù)的噪聲；應(yīng)用加權(quán)移動平均法對預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，以減少噪聲干擾，同時保留數(shù)據(jù)的真實變化特征，從而分離出溫度誘導(dǎo)的撓度變化。

40、4.本發(fā)明還具備記錄與存儲報警事件、系統(tǒng)校準(zhǔn)與維護(hù)、模型參數(shù)調(diào)整以及提供直觀用戶界面等功能，確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測和管理，為橋梁結(jié)構(gòu)的安全評估和維護(hù)提供了有力的技術(shù)支持，具有廣闊的應(yīng)用前景。

41、當(dāng)然，實施本發(fā)明的任一產(chǎn)品并不一定需要同時達(dá)到以上所述的所有優(yōu)點。