一种桥梁结构的三类综合安全预警方法

摘要

本发明公开了一种桥梁结构的三类综合安全预警方法，涉及桥梁结构安全监测技术领域。该方法采用安全余量报警、平稳性报警和相关性报警三种综合预警方式，具体为：1)确定与待测桥梁结构安全有关的某种监测数据以及待测桥梁的具体监测点；2)确定用于分析报警的前i年的监测数据；3)按一定的时间间隔划分并统计该监测点的监测数据，并计算在每个时间段上的数据均值；4)确定第i+1年的第j个时间段为待分析时间段；5)安全余量报警；6)平稳性报警；7)相关性报警；8)对各种报警情况对应的桥梁安全问题进行处理。本发明从安全余量、平稳性、相关性三个角度提出桥梁安全评价有效指标，建立桥梁系统三类综合安全预警机制，为桥梁的维护管理提供重要参考依据。

权利要求

1.一种桥梁结构的三类综合安全预警方法，其特征在于：采用安全余量报警、平稳性报警和相关性报警三种综合预警方式，具体方法为：

1)确定与待测桥梁结构安全有关的某种监测数据以及待测桥梁的具体监测点；

2)选取用于分析报警的前i年的监测数据，i≥2；

3)按一定的时间间隔划分并统计该监测点的监测数据，并计算在每个时间段上的数据均值；

4)确定第i+1年的第j个时间段为待分析时间段；

5)安全余量报警：定义安全余量指标，确定安全余量的基准数据，根据第i+1年的第j个时间段的实际数据判断是否需要安全余量报警；

6)平稳性报警：定义平稳性指标，确定平稳性的基准数据，根据第i+1年的第j个时间段的实际数据判断是否需要平稳性报警；

7)相关性报警：对监测数据进行互相关分析，按条件提取两个通道的监测数据互为参考对象，并根据该两种通道监测数据的安全余量报警和平稳性报警情况，判断是否需要相关性报警；

8)对各种报警情况对应的桥梁安全问题进行处理；

步骤1)所述的监测数据为裂缝数据、应变数据、倾斜度数据、挠度数据、位移数据、加速度数据、索力监测数据；

步骤2)所述的按一定的时间间隔划分，其划分方法包括按月划分、按季度划分或者按年份划分；

步骤5)所述安全余量报警的具体方法为：

5-1)获取前i年的某种监测数据均值的矩阵为： 其中 表示第i年第j个时间段的监测数据均值；

5-2)定义桥梁监测数据安全余量指标 其中ys是该种监测数据的许用值， 表示第i年第j个时间段的安全余量。

5-3)以第一年全部段的监测数据均值 为桥梁结构的初始状态，定义 为基准；

5-4)判断第i+1年的第j个时间段是否需要报警：当 时，系统黄色报警；当时，系统红色报警；

其中，k1、k2具体值根据选取的监测数据时长和桥梁结构的初始状态确定，k1＞k2。

2.根据权利要求1所述的一种桥梁结构的三类综合安全预警方法，其特征在于：步骤6)所述平稳性报警的具体方法为：

6-1)获取前i年的某种监测数据均值的矩阵为： 其中 表示第i年第j个时间段的监测数据均值；

6-2)定义桥梁安全的性指标 表示第i年第j月的平稳性，可得矩阵

6-3)令 m＝i-1，则有基准矩阵

6-4)判断第i+1年的第j个时间段是否需要报警：当 时，黄色报警；当 时，红色报警；

其中，k3、k4具体值根据选取的监测数据时长和桥梁结构的初始状态确定，k3＜k4。

3.根据权利要求1所述的一种桥梁结构的三类综合安全预警方法，其特征在于：步骤7)所述相关性报警的具体方法为：取互相关系数绝对值最高且≥0.6的两个通道的监测数据互为参考组的参考对象；

当参考组中只有某一通道出现第一类报警或第二类报警，或只有某一通道数据同时出现第一类和第二类报警时，考察互相关系数绝对值：若互相关系数绝对值下降值高于0.2或下降到低于0.4时，系统提醒可能出现传感器采数失真故障；

若互相关系数绝对值变化不大，则系统触发相关性报警；

当参考组中两个通道各自出现第一类或/和第二类报警时，系统触发相关性报警。

说明书

一种桥梁结构的三类综合安全预警方法

技术领域

[0001] 本发明涉及桥梁结构安全监测技术领域，特别涉及一种桥梁结构的三类综合安全预警方法。

背景技术

[0002] 近年来，随着经济的高速发展，全国交通量骤增，许多桥梁的设计荷载已不能满足现行车辆荷载的使用要求，桥梁结构的安全形势日趋严峻。为了保障桥梁运营期内的结构安全，必须对桥梁进行健康监测，建立安全预警机制，防止桥梁垮塌等重大事故的发生。

[0003] 由于桥梁结构本身和所处环境的复杂性以及结构安全评价的特殊性，现有的结构安全评价方法存在较大的局限，在实际应用中未能取得令人满意的效果，主要体现在如下几点：

[0004] 1)现有的基于模型的桥梁结构安全评价机理均来源于力学学科，其评价过程严重依赖于结构的精确理论模型和确定的系统激励；然而旧桥资料的严重缺失和桥梁结构参数在运行过程中的不断变化使得结构精确模型的建立极为困难，加上桥梁结构健康检查中随机环境激励的未知性，使得基于模型的结构安全评价遇到难以逾越的障碍。

[0005] 2)基于统计分析的评价方法虽已得到逐步的重视，但其研究和应用尚处在初期；桥梁尺寸巨大，结构复杂，振动幅值很低，统计分析通常所采用的动力特性指标易被环境噪声淹没或对局部损伤不敏感，且没有将桥梁结构安全评价与环境特性有效地联系起来，其评价效果还无法满足工程要求。

[0006] 3)神经网络虽然在处理非线性问题时具有优良的性能，但由于缺乏完备的训练样本，无法在结构响应和安全状态之间建立可靠的因果联系。

[0007] 4)目前的安全评价大多采用单一的方法或单一的参数进行分析，环境影响的不确定性以及测试数据的不完整性使得监测变量未能全面反映结构的安全状况。

[0008] 上述问题的存在，使得目前还没有一种令人满意的桥梁安全综合评价体系。从以上分析可知，由于桥梁结构本身的构成极为复杂，其性能容易受到结构所处环境的各种因素的影响，使得结构安全的评价工作也十分困难。尽管目前针对桥梁结构安全的评价方法有很多，但由于各种原因，这些评价方法都有其本身固有的缺陷，在实际应用中尚未取得令人满意的结果。

发明内容

[0009] 有鉴于此，本发明的目的在于克服上述不足，提供一种桥梁结构的三类综合安全预警方法，该方法通过安全余量、平稳性和相关性三个方面综合考虑桥梁的预警情况。

[0010] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

[0011] 一种桥梁结构的三类综合安全预警方法，采用安全余量报警、平稳性报警和相关性报警三种综合预警方式，具体方法为：

[0012] 1)确定与待测桥梁结构安全有关的某种监测数据以及待测桥梁的具体监测点；

[0013] 2)选取用于分析报警的前i年的监测数据，i≥2；

[0014] 3)按一定的时间间隔划分并统计该监测点的监测数据，并计算在每个时间段上的数据均值；

[0015] 4)确定第i+1年的第j个时间段为待分析时间段；

[0016] 5)安全余量报警：定义安全余量指标，确定安全余量的基准数据，根据第i+1年的第j个时间段的实际数据判断是否需要安全余量报警；

[0017] 6)平稳性报警：定义平稳性指标，确定平稳性的基准数据，根据第i+1年的第j个时间段的实际数据判断是否需要平稳性报警；

[0018] 7)相关性报警：对监测数据进行互相关分析，按条件提取两个通道的监测数据互为参考对象，并根据该两种通道监测数据的安全余量报警和平稳性报警情况，判断是否需要相关性报警；

[0019] 8)对各种报警情况对应的桥梁安全问题进行处理。

[0020] 进一步的，步骤1)所述的监测数据为裂缝数据、应变数据、倾斜度数据、挠度数据、位移数据、加速度数据、或索力监测数据。

[0021] 进一步的，步骤2)所述的按一定的间隔时间划分，其划分方法包括按月划分、按季度划分或者按年份划分。

[0022] 进一步的，步骤5)所述安全余量报警的具体方法为：

[0023] 5-1)获取前i年的某种监测数据均值的矩阵为： 其中 表示第i年第j个时间段的监测数据均值；

[0024] 5-2)定义桥梁监测数据安全余量指标 其中ys是该种监测数据的许用值， 表示第i年第j个时间段的安全余量。

[0025] 5-3)以第一年全部段的监测数据均值 为桥梁结构的初始状态，定义 为基准；

[0026] 5-4)判断第i+1年的第j个时间段是否需要报警：当 时，系统黄色报警；当时，系统红色报警；

[0027] 其中，k1、k2具体值根据选取的监测数据时长和桥梁结构的初始状态确定，k1＞k2。

[0028] 进一步的，步骤6)所述平稳性报警的具体方法为：

[0029] 6-1)获取前i年的某种监测数据均值的矩阵为： 其中 表示第i年第j个时间段的监测数据均值；

[0030] 6-2)定义桥梁安全的性指标 表示第i年第j月的平稳性，可得矩阵[0031] 6-3)令 m＝i-1，则有基准矩阵

[0032] 6-4)判断第i+1年的第j个时间段是否需要报警：当 时，黄色报警；当时，红色报警；

[0033] 其中，k3、k4具体值根据选取的监测数据时长和桥梁结构的初始状态确定，k3＜k4。

[0034] 进一步的，步骤7)所述相关性报警的具体方法为：取互相关系数绝对值最高且≥0.6的两个通道的监测数据互为参考组的参考对象；

[0035] 当参考组中只有某一通道出现第一类报警或第二类报警，或只有某一通道数据同时出现第一类和第二类报警时，考察互相关系数绝对值：

[0036] 若互相关系数绝对值下降值高于0.2或下降到低于0.4时，系统提醒可能出现传感器采数失真故障；

[0037] 若互相关系数绝对值变化不大，则系统触发相关性报警；

[0038] 当参考组中两个通道各自出现第一类或/和第二类报警时，系统触发相关性报警。

[0039] 本发明的优点在于：通过对桥梁监测海量数据的统计分析，提取有关结构安全的特征信息，挖掘结构性能的演变规律，从安全余量、平稳性、相关性三个角度提出桥梁安全评价有效指标，建立桥梁系统三类综合安全预警机制，为桥梁的维护管理提供重要参考依据。

[0040] 本发明的其它优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其它优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

[0041] 为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

[0042] 图1为本发明一种桥梁结构的三类综合安全预警方法的流程示意图。

具体实施方式

[0043] 以下是本发明优选实施例的详细描述，应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

[0044] 参照图1，一种桥梁结构的三类综合安全预警方法，采用安全余量报警、平稳性报警和相关性报警三种综合预警方式，具体方法为：

[0045] 1)确定与待测桥梁结构安全有关的某种监测数据以及待测桥梁的具体监测点；

[0046] 2)选取用于分析报警的前i年的监测数据，i≥2；

[0047] 3)按一定的时间间隔划分并统计该监测点的监测数据，并计算在每个时间段上的数据均值；

[0048] 4)确定第i+1年的第j个时间段为待分析时间段；

[0049] 5)安全余量报警：定义安全余量指标，确定安全余量的基准数据，根据第i+1年的第j个时间段的实际数据判断是否需要安全余量报警；

[0050] 6)平稳性报警：定义平稳性指标，确定平稳性的基准数据，根据第i+1年的第j个时间段的实际数据判断是否需要平稳性报警；

[0051] 7)相关性报警：对监测数据进行互相关分析，按条件提取两个通道的监测数据互为参考对象，并根据该两种通道监测数据的安全余量报警和平稳性报警情况，判断是否需要相关性报警；

[0052] 8)对各种报警情况对应的桥梁安全问题进行处理。

[0053] 所述的监测数据为裂缝数据、应变数据、倾斜度数据、挠度数据、位移数据、加速度数据、或索力监测数据。在具体实施中，选取应变数据作为具体的监测数据。

[0054] 所述的按一定的间隔时间划分，其划分方法包括按月划分、按季度划分或者按年份划分。在具体实施中选取按月划分的方式。

[0055] 选取前8年的应变数据作为监测数据，并将第9年第5月作为待分析时段。

[0056] 则步骤5)所述安全余量报警的具体方法为：

[0057] 5-1)获取前8年的应变数据均值的矩阵为：

[0058] 5-2)定义桥梁监测数据安全余量指标 其中ys是该种监测数据的许用值， 表示第i年第j个时间段的安全余量。

[0059] 5-3)以第一年全部段的监测数据均值 为桥梁结构的初始状态，定义 为基准；

[0060] 5-4)判断第9年的第5月是否需要报警：当 时，系统黄色报警；当 时，系统红色报警；

[0061] 其中，k1、k2具体值根据选取的监测数据时长和桥梁结构的初始状态确定，k1＞k2。

[0062] 同样，平稳性报警的具体方法为：

[0063] 6-1)获取前8年的某种监测数据均值的矩阵为：

[0064] 6-2)定义桥梁安全的性指标 表示第i年第j月的平稳性，可得矩阵[0065] 6-3)令 m＝8-1＝7，则有基准矩阵

[0066] 6-4)判断第9年的第5月是否需要报警：当 时，黄色报警；当 时，红色报警；

[0067] 其中，k3、k4具体值根据选取的监测数据时长和桥梁结构的初始状态确定，k3＜k4。

[0068] 所述相关性报警的具体方法为：取互相关系数绝对值最高且≥0.6的两个通道的监测数据互为参考组的参考对象；

[0069] 当参考组中只有某一通道出现第一类报警或第二类报警，或只有某一通道数据同时出现第一类和第二类报警时，考察互相关系数绝对值：

[0070] 若互相关系数绝对值下降值高于0.2或下降到低于0.4时，系统提醒可能出现传感器采数失真故障；

[0071] 若互相关系数绝对值变化不大，则系统触发相关性报警；

[0072] 当参考组中两个通道各自出现第一类或第二类报警时，或者两个通道各自出现第一类和第二类报警时系统触发相关性报警。

[0073] 最后，当出现安全余量黄色报警时代表桥梁结构出现中度异常；需要进行多方查证、分析处理；红色报警代表桥梁结构出现重度异常；需立即进行多方查证、分析处理；

[0074] 当出现平稳性黄色报警时代表桥梁结构出现中度异常；需进行多方查证、分析处理；红色报警代表桥梁结构出现重度异常；需立即进行多方查证、分析处理；

[0075] 当出现相关性报警时代表桥梁结构出现重度异常，需立即进行多方查证、分析处理。

[0076] 最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。