一种基于测量值关联度的故障传感器信息重构方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于±木工程结构健康监测、信息处理领域，具体设及一种基于测量值关 联度的故障传感器信息重构方法。
【背景技术】
[0002] 数据采集是结构健康监测系统中非常重要的环节，结构安全性能的分析取决于数 据采集的可靠与否。在±木结构健康监测的实际运营过程中，由于设备老化等因素不可避 免有局部的传感器发生故障导致数据失真，同时由于一些传感器不易更换，进而造成数据 缺失，降低整体数据的可靠性，难W实现对结构的整体分析，造成决策失误，失去了结构监 测的意义；同时结构监测会产生大量的数据，要从海量数据中选取有用信息对故障传感器 进行重构十分困难，而各个测点的响应具有关联性，有必要针对不同测点的响应的建立有 效的关联模型对故障信息进行重构。
[0003] 国内外学者对故障数据的恢复进行了相关的研究，有的学者为解决桥梁监测的数 据失真问题，通过格兰杰因果关系分析各测点监测数据的关系，极限学习机输入变量选取 与失真数据因果关系大的测点响应，实现失真数据的恢复，但该种方法的部分个体的预测 会出现较大误差，对于数据的变化趋势也未能保持一致，训练结果不稳定，其训练结果有待 进一步改进。有的学者提出了基于神经网络的不可靠数据恢复方法，建立数据的RBF神经 网络模型，对提度数据进行恢复，该方法需要大量数据进行建模，同时仍容易陷入局部最 优。有的学者提出了基于卡尔曼滤波的响应预测方法，通过结构模型参数与外部激励建立 预测模型，通过已知的加速度测量值预测位移值和速度值，并通过框架模型对方法进行验 证，但该方法针对于未知参数的结构时，无法有效建立预测模型。有的学者针对无线传感器 的数据问题探讨了数据压缩采样恢复的方法，通过随机矩阵将数据线性投影生成新的数据 并进行传递，在基站通过数据压缩采样恢复的方法进行数据恢复，但当原始数据稀疏性较 差时，加速度数据的恢复精度降低。有的学者提出基于最小二乘支持向量机预测期的数据 恢复方法，利用传感器的时程数据建立基于该方法的预测模型，并通过在线学习诊断进行 信号恢复。但该方法耗时少，且由于神经网络恢复方法，但主要针对传感器发生故障短时间 传感器的数据重构，对于采样率高的传感器和实现长期故障预测效果不明显。
[0004] 通过分析国内外学者对数据恢复和预测的研究，发现目前的方法对建立结构稳定 的关联模型上仍有不足，对于长期的故障重构效果不明显，有必要研究建立基于监测数据 关联模型的方法进行故障数据重构。
【发明内容】
[0005] 有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于测量值关联度 的故障传感器信息重构方法。
[0006] 为实现W上目的，本发明采用如下技术方案；一种基于测量值关联度的故障传感 器信息重构方法，该方法包括W下步骤：
[0007] SI、针对故障传感器，计算该传感器正常工作时所在测点响应与其余测点响应的 关联度；
[000引 S2、通过对比关联度大小，确定关联模型建立所需的响应变量；
[0009] S3、进而运用偏最小二乘法建立重构变量与响应变量的重构模型，运用结构健康 监测实测数据，对故障传感器进行故障传感器响应信息重构。
[0010] 进一步地，所述步骤S1中采用化arson相关系数衡量不同类型响应之间的关联程 度，具体如下：
[0011] 设X为m个测点在n个时间步的荷载作用下的结构响应矩阵；
[0012]
【主权项】
1. 一种基于测量值关联度的故障传感器信息重构方法，其特征在于：该方法包括以下 步骤： 51、 针对故障传感器，计算该传感器正常工作时所在测点响应与其余测点响应的关联 度； 52、 通过对比关联度大小，确定关联模型建立所需的响应变量； 53、 进而运用偏最小二乘法建立重构变量与响应变量的重构模型，运用结构健康监测 实测数据，对故障传感器进行故障传感器响应信息重构。
2. 根据权利要求1所述的一种基于测量值关联度的故障传感器信息重构方法，其特 征在于：所述步骤Sl中采用Pearson相关系数衡量不同类型响应之间的关联程度，具体如 下： 设X为m个测点在η个时间步的荷载作用下的结构响应矩阵；
XiR表传感器测点i的响应值； 记y为故障传感器正常运行时的响应值；^与y的相关系数P :
式中σ xi，σ y为测点i和故障传感器测点的响应方差，Cov(x i, y)为其协方差，XiQO 和y(k)分别为测点i和故障传感器测点在第k时间步时的响应，μ jP μ y为测点i和故 障传感器测点在η个时间步的荷载作用下的平均值。
3. 根据权利要求1所述的一种基于测量值关联度的故障传感器信息重构方法，其特征 在于：所述的步骤S2中确定关联模型建立所需的响应变量的方法具体如下： 故障测点与其余测点响应的关联度矩阵P为 P = [Ρ I P2 ... P1J (7) 将P中相关系数P 绝对值从大到小排序，记为D ρ Dp= Kp ) ! ... (p h ... (p )J (8) (P)i代表排序为第i位的相关系数，对应的测点响应为（X) 1;则按照相关系数大小排 序后的结构响应矩阵DxS Dx= {(X) 1 …（X)i …（x)J (9) 选择P个测点监测信息用作响应变量XP，将故障传感器重构信息看作重构变量YP，即 Xp= {(X) i (X)2 ... (x)J (10) Yp= W (11)
4.根据权利要求1所述的一种基于测量值关联度的故障传感器信息重构方法，其特征 在于：所述的步骤S3中建立重构变量与响应变量的重构模型的具体方法如下： 将响应变量和重构变量做标准化处理，
(12) (13) 响应变量Xp和重构变量Y P经标准化处理后为 五0 = {(X>; W;…（X)J (14) F0= {y *} (15) 运用主成分分析方法，获取Etl和F ^的主成分集合T和U为 T = It1 t2 · · · th · · · tA} (16) U = Iu1 u2 · · · uh · · · uA} (17) 运用偏最小二乘法和第一主成分，Etl, Ftl的回归方程为 E0= t !P1^E1 (18) F0= t ^/+F1 (19) 回归系数向量是
(20) (21) 取第h个主成分，Elri的回归方程为 Eh-I= thphT+Eh (22) Fh-I= thrhT+Fh (23) 其中
(24) (25) E。的第h个主成分t h和E。的第h个轴w h的关系为 th= E HWh (26) 其中，Wh是矩阵最大特征值Θ h2的单位特征向量。 分析式（18)，（19)，（22)，（43)可得 E0= t !P1^t2P21+…+thp hT+Eh (27) F0= t …+thrhT+Fh (28) 式（26)代入式（22)得 Eh= E η (I-whphT) (29) 式（26)和（29)代入式（27)得
式（31)代入式（28)得 F0= E OW1V+…+E0wh*rhT+F h (33) 取主成分满足交叉有效性原则时的个数h，此时Fh趋近于0,可忽略不计。则 F0= E 0 W+…+wh*rhT) (34) 式（14)，（15)代入式（34)得 j~L
则 y*= a ^(X)1*+…+ αρ*(χ)ρ* (37) 式（12)，（13)代入式（37)得重构变量与响应变量的重构方程为 y = α 1(χ)1+··· + α ρ(χ)ρ+α 〇 (38) 〇
5. 根据权利要求1至4任一项所述的一种基于测量值关联度的故障传感器信息重构方 法，其特征在于：所述的传感器为应力应变传感器、加速度传感器、位移传感器、风压传感器 或风速仪中的一种或两种以上的组合。
6. 根据权利要求1至4任一项所述的一种基于测量值关联度的故障传感器信息重构方 法，其特征在于：所述的传感器为监测土木工程结构荷载与响应的传感器。
【专利摘要】本发明提供一种基于测量值关联度的故障传感器信息重构方法该方法包括以下步骤：S1、针对故障传感器，计算该传感器正常工作时所在测点响应与其余测点响应的关联度；S2、通过对比关联度大小，确定关联模型建立所需的响应变量；S3、进而运用偏最小二乘法建立重构变量与响应变量的重构模型，运用结构健康监测实测数据，对故障传感器进行故障传感器响应信息重构。本发明提供的方法对于故障传感器信息重构效果很好，明显的降低了重构误差，同时保证了重构值的变化趋势与实际值的变化趋势也保持一致，显著的整体结构分析的可靠性。
【IPC分类】G06F19-00, G01D18-00
【公开号】CN104880217
【申请号】CN201510338144
【发明人】卢伟, 滕军, 李超
【申请人】卢伟
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年6月17日