一种桥梁结构损伤检测方法、系统和存储介质

本发明涉及结构损伤检测，特别涉及一种桥梁结构损伤检测方法、系统和存储介质。

背景技术：

1、民用基础设施系统可能会受到各种因素的不同程度的破坏，例如地震和过重的交通负荷。为了在尽可能早的阶段发现设施的结构损伤问题，采用结构健康监测技术对设施的结构进行实时或者定期监测是极其重要的。由于结构损伤通常会引起结构刚度或质量的变化，结构的动力特征取决于结构的物理性质如质量和刚度，因而基于振动响应的结构健康监测技术可通过识别的动力特征的变化来检测结构的损伤。

2、在基于振动的结构健康监测技术中，频率是最常用的且非常有效的结构损伤特征，仅需使用少量传感器，且无需任何人工干预，就可以自动地从响应数据中估计得到结构的固有频率，进而利用固有频率来实现结构健康监测。然而，频率作为结构损伤特征，其极其容易受到环境条件变化的影响，如温度、交通荷载、湿度和风速等。因环境因素变化而导致频率出现10%的相对变化的情况并不罕见，这使得环境对频率的负面影响将会完全掩盖因结构损伤造成的频率变化，进而致使真实的结构损伤不能被有效识别。因此，为了准确可靠地识别损伤，必须在进行结构损伤检测之前将这些负面的环境影响从频率数据中分离。对此，相关学者提出一些分离环境因素影响的损伤识别方法，这些方法通常可分为显式方法和隐式方法，显式方法需要测量环境变量参数，通过建立环境因素与频率之间的显式关系模型，可量化环境因素对频率的影响，例如支持向量基回归和神经网络等；而隐式方法的优点是不需要测量环境变量，将环境变量视为嵌入变量，隐式方法假设环境变化引起的频率变化与结构损伤引起的变化不同，可通过将原始数据映射到另一个子空间，对两种变化源加以区分，例如主成分分析、因子分析等。

3、尽管相关技术已广泛用于分离环境因素对损伤识别的影响，但其存在如下缺陷：

4、首先，相关技术中，显式技术要求在结构的不同位置部署多种类型的传感器，以测量环境影响因素，进而建立环境影响因素与损伤特征之间的关联关系。然而，这种方法无疑会带来结构损伤检测成本的增加，同时也会增加在数据处理阶段所需投入的工作量。此外，由于并非所有位置都适合传感器的部署，一旦关键位置的数据无法获得，显式技术的损伤识别难度也将进一步提高。

5、其次，相关技术中，大部分隐式方法仅能潜在地揭示两组变量之间的线性相关关系。然而，当监测数据呈现非线性关联时，隐式方法建立非线性关系往往变得困难。在实际应用中，被监测变量之间通常存在着非线性的关系，但是相关技术无法准确地监测这种非线性关系，这也就导致了线性隐式方法难以精准识别结构损伤的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一。

2、为此，本发明的目的在于提供一种桥梁结构损伤检测方法、系统和存储介质。

3、为了达到上述技术目的，本发明实施例所采取的技术方案包括：

4、一方面，本发明实施例提供了一种桥梁结构损伤检测方法，包括以下步骤：

5、获取样本桥梁的多个历史频率信号并对其进行预处理，生成模型训练集和无损伤验证集；

6、利用所述模型训练集训练svr模型，生成结构损伤识别模型，并利用所述无损伤验证集对所述结构损伤识别模型进行验证，根据所述结构损伤识别模型的验证结果构建控制图；

7、获取待测桥梁的当前频率信号并对其进行预处理，利用所述控制图和所述结构损伤识别模型对预处理后的当前频率信号进行结构损伤检测，得到待测桥梁的结构检测结果。

8、另一方面，本发明实施例提供了一种桥梁结构损伤检测系统，包括：

9、数据获取模块，用于获取样本桥梁的多个历史频率信号以及待测桥梁的当前频率信号；

10、数据预处理模块，用于对多个历史频率信号进行预处理，生成模型训练集和无损伤验证集，以及对当前频率信号进行预处理；

11、模型处理模块，用于利用所述模型训练集训练svr模型，生成结构损伤识别模型；

12、控制图处理模块，用于利用所述无损伤验证集对所述结构损伤识别模型进行验证，根据所述结构损伤识别模型的验证结果构建控制图；

13、检测模块，用于利用所述控制图和所述结构损伤识别模型对预处理后的当前频率信号进行结构损伤检测，得到待测桥梁的结构检测结果。

14、又一方面，本发明实施例提供了一种存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于实现上述的一种桥梁结构损伤检测方法。

15、本发明的有益效果是：提供一种桥梁结构损伤检测方法、系统和存储介质，以结构的频率信号作为主要检测对象，通过变分模态分解算法将识别出的结构频率时间序列分解为两个振荡模态，并利用主成分分析结合频率特征剔除环境影响因素，生成主成分矩阵残差的欧式距离，以此频率特征所对应的主成分损伤系数，通过svr模型构建结构的频率信号与主成分损伤系数之间的映射关系，以此构建变量之间的非线性关系，根据训练好的svr模型和验证集来构建用于实时检测的控制图，在实际检测中利用svr模型对当前频率数据进行预处理和预测并通过控制图判断预测结果是否符合结构损伤的情况，进而得到最终的结构损伤检测结果。本发明能够有效地去噪和去除频率时间序列中的季节性模式，很好地将负面的环境影响因子从频率数据当中剔除，克服了环境影响因子对频率数据的负面影响，提高了频率数据对结构损伤情况的表征性，不仅提高了结构损伤检测的精准度和结构损伤的检测效率，还降低了结构损伤的检测成本以及实时检测的数据运算量和处理负载，具有一定的工程应用前景。

16、本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

技术特征：

1.一种桥梁结构损伤检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种桥梁结构损伤检测方法，其特征在于，对所述历史频率信号进行预处理的步骤包括：

3.根据权利要求2所述的一种桥梁结构损伤检测方法，其特征在于，所述利用变分模态分解方法对所述历史频率信号进行去噪处理和剔除属于短期季节性模式的特征，生成第一本征频率特征的步骤包括：

4.根据权利要求3所述的一种桥梁结构损伤检测方法，其特征在于，对所述第一本征频率特征进行主成分分析，得到所述第一本征频率特征对应的主成分损伤系数的步骤包括：

5.根据权利要求4所述的一种桥梁结构损伤检测方法，其特征在于，利用预处理后的多个历史频率信号生成模型训练集和无损伤验证集的步骤包括：

6.根据权利要求5所述的一种桥梁结构损伤检测方法，其特征在于，所述利用所述模型训练集训练svr模型，生成结构损伤识别模型的步骤包括：

7.根据权利要求6所述的一种桥梁结构损伤检测方法，其特征在于，所述利用所述无损伤验证集对所述结构损伤识别模型进行验证，根据所述结构损伤识别模型的验证结果构建控制图的步骤包括：

8.根据权利要求1所述的一种桥梁结构损伤检测方法，其特征在于，所述获取待测桥梁的当前频率信号并对其进行预处理，利用所述控制图和所述结构损伤识别模型对预处理后的当前频率信号进行结构损伤检测，得到待测桥梁的结构检测结果的步骤包括：

9.一种桥梁结构损伤检测系统，其特征在于，包括：

10.一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，其特征在于，所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于执行如权利要求1-8任一项所述的一种桥梁结构损伤检测方法。

技术总结
本发明公开了一种桥梁结构损伤检测方法、系统和存储介质，方法包括采集多个样本桥梁的历史频率信号并进行预处理，得到多个第一本征频率特征及其对应的主成分损伤系数，进而生成模型训练集和无损伤验证集；利用模型训练集训练SVR模型，利用无损伤验证集对训练好的模型进行验证，根据验证结果构建控制图；采集待测桥梁的当前频率信号，利用控制图和模型对当前频率信号进行结构损伤检测，得到待测桥梁的结构检测结果。本发明能够有效地去噪和去除频率时间序列中的季节性模式，并将负面的环境影响因子从频率数据当中剔除，提高了结构损伤检测的精准度和结构损伤的检测效率，具有一定的工程应用前景。本发明应用于结构损伤检测技术领域。

技术研发人员：黄杰忠,元思杰,李东升
受保护的技术使用者：汕头大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15