一种混凝土坝实时监测反演方法及系统

本发明具体涉及一种混凝土坝实时监测反演方法及系统，属于水利水电工程。

背景技术：

1、混凝土作为一种重要的建筑材料，在工程中应用最为广泛。尤其是如今复杂环境下的大体积混凝土结构如混凝土大坝、跨海大桥、海上混凝土平台等等，混凝土的性能和状态与其力学参数密切相关，但在实际工程中，人们很难直接获取大体积混凝土特别是内部的力学参数，因此一种合适的了解大体积混凝土内部力学参数的方法十分重要。

2、随着计算机技术和传感器监测技术的发展，人们对混凝土内部的位移场和温度场的监测更加方便，为获得大体积混凝土内部的力学参数提供了新的思路。

3、反分析是一种由现场监测资料获得混凝土实际力学参数的有效方法。通常情况下，工程中的参数反演问题可以转化成一个极小值优化问题，根据反演目的构造目标函数，通过伪逆法、梯度法或者元启发式算法等求解其最小值，以获得最佳力学参数。但在这类反演方法中，都需要进行大量的正分析计算，这对于规模较大的模型或待反演参数较多的模型，计算耗时就会非常高，且无法实时快速监测混凝土结构的安全运行状态。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服背景技术中的不足，提供一种混凝土坝实时监测反演方法及系统，提高混凝土坝监测反演精度。

2、为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

3、第一方面，本发明提供了一种混凝土坝实时监测反演方法，包括：

4、根据混凝土坝力学参数范围采样，得到力学参数样本集；

5、将力学参数样本集通过有限元模型计算，得到各样本对应的位移响应矩阵；

6、将力学参数样本集和位移响应矩阵组成样本对集合，建立pod-rbf代理模型；

7、根据pod-rbf代理模型构建目标函数，得到初始极值点；

8、以初始极值点或上一步新的极值点为初值，使用高斯-牛顿法进行局部寻优，得到新的极值点；

9、将新的极值点代入有限元模型，得到单个位移响应向量；

10、判断单个位移响应向量与实测位移响应向量是否小于设定的允许误差，若否，将当前新的极值点和对应的单个位移响应向量加入样本对集合，更新pod-rbf代理模型；重复计算至得到的单个位移响应向量与实测位移响应向量小于设定的允许误差，输出当前新的极值点为混凝土坝力学参数反演值。

11、结合第一方面，进一步的，建立pod-rbf代理模型包括：

12、使用本征正交分解对位移响应矩阵进行分解：

13、φ＝u·v，

14、其中，φ为pod基向量矩阵，u为m行n列矩阵，v为正定协方差矩阵c的特征向量矩阵；

15、保留v的前k阶特征向量(k＜m)得到得到缩减后的pod基向量矩阵为：

16、

17、根据径向基函数插值得到pod-rbf代理模型：

18、

19、式中，s表示力学参数样本集中的单个样本，

20、

21、其中，

22、

23、

24、其中，r为根据工程经验选取的常数。

25、进一步的，所述正定协方差矩阵c定义为：

26、c＝ut·u。

27、进一步的，根据pod-rbf代理模型预测位移响应向量与实测位移响应向量的相对误差作为目标函数，使用pso算法找到初始极值点。

28、进一步的，所述混凝土坝力学参数包括弹性模量、泊松比和密度。

29、进一步的，所述采样的方法包括拉丁超立方采样、正交采样或均匀采样。

30、第二方面，本发明提供一种混凝土坝实时监测反演系统，所述系统包括：

31、获取模块：根据混凝土坝力学参数范围采样，得到力学参数样本集；

32、计算模块：将力学参数样本集通过有限元模型计算，得到各样本对应的位移响应矩阵，及建立pod-rbf代理模型、目标函数，最终得到新的极值点和对应的单个位移响应向量；

33、研判模块：判断单个位移响应向量与实测位移响应向量是否小于设定的允许误差，若是，输出当前新的极值点为混凝土坝力学参数反演值；若否，将当前新的极值点和对应的单个位移响应向量加入样本对集合，更新pod-rbf代理模型；

34、输出模块：输出混凝土坝力学参数反演值。

35、第三方面，本发明还提供一种计算机设备，包括处理器及存储介质；

36、所述存储介质用于存储指令；

37、所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行一种混凝土坝实时监测反演方法的步骤。

38、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

39、本发明监测反演方法建立pod-rbf的代理模型，不仅代理计算精度高，同时能抵抗监测数据中的噪声，有利于提高代理模型的鲁棒性；

40、本发明提供了一种结合粒子群算法和高斯-牛顿算法的迭代更新反演框架，将初始极值点或上一步新的极值点为初值，使用高斯-牛顿法进行局部寻优，得到新的极值点，将新的极值点代入有限元模型，得到单个位移响应向量；判断单个位移响应向量与实测位移响应向量是否小于设定的允许误差，输出混凝土坝力学参数反演值或更新pod-rbf代理模型。

技术特征：

1.一种混凝土坝实时监测反演方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种混凝土坝实时监测反演方法，其特征在于，建立pod-rbf代理模型包括：

3.根据权利要求2所述的一种混凝土坝实时监测反演方法，其特征在于，所述正定协方差矩阵c定义为：

4.根据权利要求1所述的一种混凝土坝实时监测反演方法，其特征在于，根据pod-rbf代理模型预测位移响应向量与实测位移响应向量的相对误差作为目标函数，使用pso算法找到初始极值点。

5.根据权利要求1所述的一种混凝土坝实时监测反演方法，其特征在于，所述混凝土坝力学参数包括弹性模量、泊松比和密度。

6.根据权利要求1所述的一种混凝土坝实时监测反演方法，其特征在于，所述采样的方法包括拉丁超立方采样、正交采样或均匀采样。

7.一种混凝土坝实时监测反演系统，其特征在于，所述系统包括：

8.一种计算机设备，其特征在于，包括处理器及存储介质；

技术总结
本发明公开了一种混凝土坝实时监测反演方法及系统，该方法包括将力学参数样本集通过有限元模型计算，得到各样本对应的位移响应矩阵，再与力学参数样本集组成样本对集合，建立POD‑RBF代理模型及目标函数，得到初始极值点，以初始极值点或上一步新的极值点为初值，使用高斯‑牛顿法进行局部寻优，得到新的极值点代入有限元模型，判断得到的单个位移响应向量与实测位移响应向量是否小于设定的允许误差，若否，将当前新的极值点和对应的单个位移响应向量加入样本对集合，更新POD‑RBF代理模型，重复计算至得到的单个位移响应向量与实测位移响应向量小于设定的允许误差，输出当前新的极值点为混凝土坝力学参数反演值，有效提高混凝土坝监测反演精度。

技术研发人员：黄丹,吕小龙,姚学昊,周广得
受保护的技术使用者：河海大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13