基于大数据的实时桥梁应力检测方法及系统与流程

本发明涉及结构监测与安全领域，更具体地说，本发明涉及基于大数据的实时桥梁应力检测方法及系统。

背景技术：

1、由于我国加速推进基础设施建设，许多道路和桥梁已经投入运营，维护和管理也变得至关重要，随着大数据技术的发展，为桥梁的运营和维护提供了新的可能性。

2、传统的应力监测方法通常依赖于传感器技术，通过安装在桥梁结构上的传感器实时监测应力情况，然而，传统传感器受到外部环境因素的干扰一直是一个挑战。特别是在桥梁应力检测中，风力等环境变化可能会影响传感器的准确性和可靠性，给结构的监测和维护带来一定困难。

3、传统的应力监测方法通常是数字化的，缺乏可视化的图标、图像和视频对数据进行清晰的展示，管理者无法直观地理解数据并做出相应的决策。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供基于大数据的实时桥梁应力检测方法及系统，基于车辆荷载和应力关联模型能够降低外部环境因素的影响，提高监测结果的准确性和可靠性，通过对车辆荷载和桥梁应力关系的研究，可以更精确地预测桥梁的应力情况，有助于提前发现结构问题并进行及时修复，提高桥梁的安全性和稳定性，通过三维可视化界面展示桥梁各个结构部件的应力分布情况，并结合车辆荷载数据变化图评估桥梁结构部件的承载能力和安全状态，使监测结果更加直观和可操作，提高了管理者对桥梁结构状态的认识和决策支持，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：基于大数据的实时桥梁应力检测方法，包括以下步骤：

3、s101.获取单位时间内通过桥梁车辆的重量信息数据和数量信息数据，并对获取的重量信息数据和数量信息数据进行预处理；

4、s102.提取单位时间内通过桥梁车辆的重量信息数据的最大重量特征、平均重量特征以及重量分布特征，提取单位时间内通过桥梁车辆的数量信息数据的流量变化特征，并按照提取顺序组成特征向量矩阵进行分布匹配归一化；

5、s103.将经过分布匹配归一化的特征通过交叉验证选择最优的正则化参数，调整加权矩阵和惩罚矩阵利用岭回归的闭式解公式计算回归系数向量，描述经过分布匹配归一化的特征与桥梁应力数据之间的关系；

6、s104.导入桥梁几何模型并离散划分为有限元网格,将车辆荷载数据对桥梁应力的影响规律构建关联矩阵,通过胡克定律计算桥梁应力；

7、s105.创建三维可视化界面，将桥梁各个结构部件应力的向量表示进行展示，添加支持用户交互式操作，绘制车辆荷载数据变化图，桥梁各个结构部件应力变化图，并评估桥梁各个结构部件的承载能力和安全状况；

8、在一个优选地实施方式中，所述s101中，在桥梁入口安装动态称重磅实时获取单位时间内通过桥梁车辆的重量信息数据，在桥梁入口和出口均安装计数器，利用桥梁入口的计数器获取单位时间内通过桥梁入口车辆的数量信息数据，并利用桥梁出口的计数器核对单位时间内通过桥梁入口、出口车辆的数量信息数据，标记通过桥梁车辆的重量信息数据和数量信息数据并整合成车辆荷载数据，将动态称重磅和计数器作为节点，部署以动态称重磅和计数器作为传输节点的分布式远程管理平台，利用无线网络实时接收、存储和处理车辆荷载数据。

9、进一步地，利用分布式远程管理平台检查车辆荷载数据是否存在空值和缺失值，检查车辆荷载数据的取值范围是否在有效范围内，通过唯一性和一致性的约束条件检查车辆荷载数据是否存在异常和重复记录，对于不同存在情况确定主题并划分不同主题分区，通过每个分区删除对应车辆荷载数据记录，并利用均值填充法对车辆荷载数据进行对应填充。

10、在一个优选地实施方式中，所述s102中，提取单位时间内通过桥梁车辆的重量信息数据的最大重量特征，反映桥梁承受最大应力的情况，提取单位时间内通过桥梁车辆的重量信息数据的平均重量特征，反映桥梁的日常应力负荷的情况，提取单位时间内通过桥梁车辆的重量信息数据的重量分布特征，反映单位时间内通过桥梁车辆的重量信息数据的变化和分布情况，提取单位时间内通过桥梁车辆的数量信息数据的流量变化特征，反映单位时间内车流量变化情况，将最大重量特征、平均重量特征、重量分布特征以及流量变化特征按照提取顺序组成特征向量矩阵，映射至非线性变换的动态分布进行分布匹配归一化，其具体公式为：

11、

12、其中表示经过分布匹配归一化的第n个特征，表示特征向量矩阵中第n个特征。

13、在一个优选地实施方式中，所述 s103中，组合经过分布匹配归一化的特征成为设计矩阵，初始化回归系数为零向量，添加正则化项解决普通最小二乘法的过拟合问题，通过非负数正则化参数控制正则化项的强度，通过网格搜索创建候选非负数正则化参数列表，将经过分布匹配归一化的特征分成k个折叠通过交叉验证选择最优的正则化参数，调整加权矩阵和惩罚矩阵利用岭回归的闭式解公式计算回归系数向量，其具体公式为：

14、

15、其中，表示回归系数向量，表示设计矩阵，表示加权矩阵，对不同经过分布匹配归一化的特征赋予不同的重要性权重，表示经过分布匹配归一化的第n个特征，表示岭回归的正则化参数，表示惩罚矩阵，促使部分回归系数为零向量，表示惩罚强度，用于平衡岭回归的过拟合和欠拟合，表示单位矩阵，表示桥梁应力数据，通过回归系数向量描述经过分布匹配归一化的特征与桥梁应力数据之间的关系，帮助理解对桥梁应力的影响规律。

16、在一个优选地实施方式中，所述s104中，导入桥梁几何模型并标记定义桥梁各个结构部件的截面属性，利用有限元软件将桥梁几何模型离散划分为有限元网格,定义桥梁几何模型各个结构部件的支撑和约束条件，将组合经过分布匹配归一化的特征作为车辆荷载加载的一部分，将车辆荷载数据对桥梁应力的影响规律构建关联矩阵,通过胡克定律计算桥梁应力，其具体公式为：

17、

18、其中，表示桥梁各个结构部件应力的向量表示，表示车辆荷载数据对桥梁应力的影响规律表示的关联矩阵，表示桥梁各个结构部件的全局刚度逆矩阵，表示车辆荷载数据表示的荷载向量，表示桥梁各个结构部件的材料弹性矩阵。

19、在一个优选地实施方式中，所述s105中，创建三维可视化界面，将桥梁各个结构部件应力的向量表示展示在导入的桥梁几何模型，添加支持用户交互式操作，针对桥梁各个结构部件进行自由旋转、放大和缩小模型，查看不同角度的应力分布情况，将车辆荷载数据和桥梁各个结构部件应力的向量表示通过标签方式标记在桥梁几何模型，利用折线图绘制单位时间内车辆荷载数据变化图，利用曲线图绘制不同时间点和不同荷载情况的桥梁各个结构部件应力变化图，并评估桥梁各个结构部件的承载能力和安全状况，通过警报灯的方式告知相关工作人员及时采取修复措施。

20、在一个优选地实施方式中，包括采集处理模块、特征提取模块、应力关联模块、应力检测模块以及可视警报模块；

21、采集处理模块：安装动态称重磅实时获取单位时间内通过桥梁车辆的重量信息数据，利用桥梁入口的计数器获取单位时间内通过桥梁入口车辆的数量信息数据，并对获取的重量信息数据和数量信息数据进行预处理；

22、特征提取模块：提取单位时间内通过桥梁车辆的重量信息数据和数量信息数据的最大重量特征、平均重量特征、重量分布特征以及流量变化特征，并按照提取顺序组成特征向量矩阵进行分布匹配归一化；

23、应力关联模块：将经过分布匹配归一化的特征通过交叉验证选择最优的正则化参数，调整加权矩阵和惩罚矩阵利用岭回归的闭式解公式计算回归系数向量，描述经过分布匹配归一化的特征与桥梁应力数据之间的关系；

24、应力检测模块：导入桥梁几何模型，利用有限元软件划分为有限元网格,将车辆荷载数据对桥梁应力的影响规律构建关联矩阵,通过胡克定律计算桥梁应力；

25、可视警报模块：创建三维可视化界面展示桥梁各个结构部件应力的向量表示，添加支持用户交互式操作，绘制车辆荷载数据变化图，桥梁各个结构部件应力变化图，并评估桥梁各个结构部件的承载能力和安全状况；

26、本发明的有益效果是：通过安装动态称重磅和计数器实现对单位时间内通过桥梁车辆的重量和数量信息数据的实时获取和记录，提高对车辆荷载情况的监测效率和准确性，部署以动态称重磅和计数器作为传输节点的分布式远程管理平台，利用无线网络实时接收、存储和处理车辆荷载数据，提高数据传输效率和实时性，使监测系统更加智能和便捷，通过检查车辆荷载数据的完整性、范围和一致性，以及采取唯一性和一致性的约束条件，实现对数据异常和重复记录的识别和处理，保证车辆荷载数据的准确性和可靠性，根据不同情况确定主题并划分不同主题分区，通过每个分区删除对应车辆荷载数据记录，有助于更好地组织和管理数据，提高数据处理的效率和可视化的结果，有效地帮助分析单位时间内通过桥梁车辆的重量和数量信息数据，为桥梁结构的健康评估和负荷管理提供有力支持，通过岭回归方法建立特征和桥梁应力数据之间的关系模型，优化回归分析过程，进一步提高模型的准确性和泛化能力，为桥梁结构的健康监测和管理提供有力支持，通过全面地考虑桥梁的几何形状、材料性质和荷载情况，为结构的应力分析提供更精确和可靠的计算结果，为工程设计和评估工作提供科学依据，有助于确保桥梁的安全运行和使用，创建三维可视化界面实现直观的应力分布展示，保障桥梁结构的安全性，提高监测和维护效率。