桥梁监测温度场-应变场时空相关模型及健康诊断方法与流程

本发明属于桥梁监测数据分析技术应用领域，涉及一种桥梁监测温度场-应变场时空相关模型及健康诊断方法，尤其涉及一种基于bilstm的桥梁监测温度场-应变场时空相关模型及健康诊断方法。

背景技术：

1、首先，桥梁在建造中或多或少地存在一定缺陷，导致运营期内出现种种问题；其次，随着交通量的日益增大，桥梁建造时的设计标准已经不能满足目前的运营要求，很多桥梁处于超负荷运营状态；另外，在载荷和环境条件的持续作用下，疲劳、腐蚀和材料老化等问题日益突出，结构构件的损伤累积和抗力衰减不断加剧，一旦重要部件的损伤发展到临界水平而未及时采取妥善维修加固措施，整体结构将发生严重破坏。为保障桥梁以及使用者的安全，需要挖掘桥梁健康监测数据及时掌握桥梁的结构状况，以应对日常运营和突发情况。

2、对桥梁智能监测与病害智能诊断的研究还存在许多挑战：

3、（1）现有点式和分布式传感技术不能满足桥梁监测的动态分布式测试需求，需要将适用于桥梁结构的高耐久性长距离动态分布式传感技术应用于桥梁监测中。例如混凝土箱梁桥的主要病害——裂缝，如未得到及时发现或发现后养护措施不到位或不及时，由裂缝引起的局部应力重分布将使其长度、宽度不断发展，一方面桥梁混凝土裂缝会对桥梁的整体结构强度和稳定性产生重大影响，进而影响桥梁的正常使用和耐久性，另一方面裂缝会导致混凝土碳化、钢筋锈蚀，进而威胁到桥梁结构安全和桥梁使用寿命。针对桥梁工程的大体量、长寿命以及病害萌生的广分布和随机性特点，如能应用基于tdm和wdm长距离分布式光纤光栅传感网的桥梁监测系统进行混凝土结构的应变、温度场监测，将极好地满足预应力混凝土梁桥裂缝及时发现的需求。

4、（2）应变数据隐含桥梁局部健康状态信息，目前尚缺乏有效的基于应变数据的多因素耦合作用下桥梁病害智能诊断技术。桥梁在温度变化的类周期性以及车辆荷载的随机性等共同作用下，应变具有很强的时变特性，目前缺乏不同荷载因素变化及其耦合作用对应变数据的时效影响模型。如何去除车辆荷载、温度对应变变化的影响，建立仅与结构参数有关的数据分析模型，是基于应变进行桥梁健康诊断技术的关键。

5、（3）桥梁作为一个协调变形的大型结构，一个通道应变与附近一个温度通道数据之间的相关性分析，难以捕捉温度场变化对应变的复杂影响。建立温度场-应变场之间的场对应关系建立非线性时滞模型对把握桥梁在温度场中的整体变化规律及进行大范围实时健康诊断至关重要。

技术实现思路

1、为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种可以实现对混凝土大跨连续箱梁桥重要部位应力分布、裂缝产生及发展的面域监测的桥梁监测温度场-应变场时空相关模型及健康诊断方法。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种桥梁监测温度场-应变场时空相关模型的构建方法，其特征在于：所述桥梁监测温度场-应变场时空相关模型的构建方法包括以下步骤：

4、1）确定分布式光纤光栅传感网的应变和温度测点位置并布设传感网；

5、2）数据传输及存储；数据传输方式分为有线传输和无线传输，将光纤光栅解调仪采集的数据传输至数据服务器，利用服务器对传输的光纤光栅数据进行存储；

6、3）对监测温度及应变数据进行预处理；

7、4）建立温度场-应变场时空相关bilstm模型。

8、作为优选，本发明所采用的步骤3）的具体实现方式是：

9、3.1）提取温致应变；布置在轮压位置的应变传感器能同时捕捉到温度和车辆荷载引起的应变，根据应变数据特征提取温致应变；

10、3.2）对步骤3.1）提取得到的温致应变数据进行下采样；

11、3.3）归一化分析；为提高网络训练效率，对步骤3.2）采样得到的各个通道的温度和应变数据分别进行归一化，将数据映射到[0，1]区间内：

12、（1）

13、其中：为温度通道总数；为应变通道总数；

14、表示第时刻第个温度通道的监测温度；

15、、分别为第个温度通道的最大值、最小值；

16、表示第时刻第个温度通道的监测温度；

17、、分别为第个温度通道的最大值、最小值；

18、3.4）数据分割；将步骤3.3）归一化的数据分为训练集和测试集，考虑到温度及温致变化年周期特点，至少需要将最高温度和最低温度包含在内的半个周期时长作为训练集，其余数据作为测试集。

19、作为优选，本发明所采用的步骤4）的具体实现方式是：

20、4.1）搭建具有两个bilstm层和一个全连接层的神经网络模型；

21、其中，bilstm层包含由前向后传播的前向隐藏lstm单元和由后向前传播的后向隐藏lstm单元；从输入到输出的计算如下：

22、，（2）

23、，（3）

24、（4）

25、（5）

26、（6）

27、其中：上标表示第时刻；

28、和分别为网络第一层在时刻的前向隐藏单元和后向隐藏单元；

29、和分别为网络第二层在时刻的前向隐藏单元和后向隐藏单元；

30、为全连接层在时刻的值；

31、和分别为全连接层的权重和偏置；

32、是双曲正切函数；

33、 l表示预测值与实测值之间的损失函数；

34、所述架构中单个lstm单元包含状态单元 c( t)和三个门控运算（遗忘门，输入门i，和输出门o），门控运算能避免误差反向传播计算中梯度消失和梯度爆炸问题，提升训练收敛效率；输出门计算如下：

35、（7）

36、其中：表示向量h( t-1)与向量x( t)的拼接，和分别为输出门的权重和偏置，是sigmoid函数；

37、遗忘门和输入门i计算与输出门计算类似；

38、所述状态单元c( t)计算如下：

39、（8）

40、（9）

41、其中：和分别为候选状态单元的权重和偏置；

42、所述隐藏状态h( t)计算如下：

43、（10）

44、其中：表示两个向量之间的点乘运算；损失函数 l为预测应变与实测应变之间的均方差，

45、（11）

46、4.2）输入训练集数据进行训练，用反向传播算法迭代调整网络中各个参数，优选的，所述反向传播算法迭代采用adam优化器进行计算，如下：

47、（12）

48、其中：泛指第 i步迭代的优化参数；为学习率；

49、迭代优化各个参数直至损失函数收敛，得到基于bilstm的温度场-应变场相关模型。

50、作为优选，本发明所采用的步骤2）中有线传输是通过以太网交换机和光缆进行传输；所述无线传输是通过无线4g/5g网络进行传输。

51、一种基于如前所述的桥梁监测温度场-应变场时空相关模型的构建方法构建得到的桥梁监测温度场-应变场时空相关模型。

52、一种基于如前所述的桥梁监测温度场-应变场时空相关模型的桥梁健康诊断方法，其特征在于：

53、1）获取桥梁监测温度场-应变场时空相关模型；

54、2）基于步骤1）所得到的桥梁监测温度场-应变场时空相关模型对桥梁健康状态进行诊断。

55、作为优选，本发明所采用的步骤2）的具体实现方式是：根据训练出来的模型，输入测试集温度数据，输出预测应变，对预测应变与实测应变之间的误差进行控制图分析，当某应变通道误差超过训练集误差的阈值时，诊断该应变传感器附近发生了损伤。

56、作为优选，本发明所采用的阈值是对应99.7%的概率发生异常时的值。

57、本发明的有益效果是：

58、本发明是针对桥梁工程的大体量、长寿命以及病害萌生的广分布和随机性特点，应用基于tdm和wdm长距离分布式光纤光栅传感网对桥梁结构的应变、温度场监测，能改善现有实时监测技术仅能对关键截面个别点结构状态的监测的现状，可以极好地满足预应力混凝土梁桥裂缝及时发现的需求，为实时、准确地提供桥梁裂缝的分布及发展情况，以便及时、有效地采取预防性养护措施，遏制裂缝的进一步产生和发展，提高桥梁的使用寿命并降低全寿命周期的维护成本。对分布式光纤光栅传感网监测的桥梁温度、应变数据进行分析，建立基于bilstm网络的度场-应变场时空相关性模型。桥梁正常状态应变受车辆荷载和温度场的共同作用而变化，通过应变对桥梁进行健康诊断需要去除车辆、温度的影响。本研究对数据进行预处理剔除车辆荷载的影响，用bilstm网络刻画温度场与应变场之间的非线性与时滞特点，预测误差仅与桥梁结构参数有关，可以用于桥梁健康诊断，通过对预测误差的控制图分析进行桥梁健康诊断。不同于以往单点温度-应变之间的分析，该模型考虑到温度场对应变的影响，并利用分布式光纤光栅应变测点布置范围广的优势，实现对桥梁关键受力部位、易损部位的多点健康诊断。本发明的目的是提供一种基于bilstm的桥梁监测温度场-应变场时空相关模型及健康诊断方法。一方面，将现基于tdm和wdm的分布式光纤光栅传感网应用于桥梁监测，该传感网采用波分+时分复合解调技术，在距裂缝12cm范围内对于裂缝出现具有较强的敏感性。另一方面，该发明建立了温度场-应变场之间的非线性时滞性场对应模型，该模型预测误差仅与结构参数有关。本发明可以实现对混凝土大跨连续箱梁桥重要部位应力分布、裂缝产生及发展的面域监测，用bilstm模型实现了桥梁应变这一实测桥梁响应的“环境条件归一化”在线监测，有利于解决环境因素造成的参数水平或者基准不一致等问题，建立多因素耦合作用下的桥梁病害智能诊断技术。