基于车辆大数据与区间仿射求逆算法的中小桥梁结构识别

摘要

日益增大的交通流和普遍的超载现象致使桥梁劣化进程加快、坍塌事故频发，如何在缩减成本的前提下对现役中小型桥梁的承载能力、营运状态、耐久能力进行可靠快速的评估一直是桥梁健康监测领域亟待解决的问题。影响线作为桥梁结构的重要特性曲线，是评估现役桥梁刚度分布、损伤情况、承载能力的有效指标，而目前常用的影响线实测方法在实际应用中存在费时费力、妨碍交通等不足，因此本文结合中小桥梁监测技术的发展现状和迫切需求，提出了一种基于车辆大数据和区间仿射求逆算法的非接触桥梁结构识别方法并且进行了以下几个方面的研究：　　(1)理论方面，本文结合桥梁结构影响线实测方法与区间分析仿射求逆算法，建立了当轴重参数为不确定区间数时从结构时程响应直接推算桥梁影响线(面)的区间反演模型；利用机器视觉技术匹配出的车辆轴重分布区间计算每组车辆激励对应的影响线区间，并基于车辆大数据工况的支持，采用擅长二元数据分类的支持向量机(SVM)从影响线区间大数据中挖掘提取确定性影响线(面)的位置信息；最后提出了多工况轴重区间和影响线区间复合反馈校验机制，利用桥梁动态称重算法校正车辆轴重估计区间，从而达到提高影响线识别精度的目的。　　(2)数值模拟方面，本文参考实际交通中二轴车辆参数统计与分类的研究成果，确立了车辆类型与轴重区间的映射关系；分别建立了基于ANSYS的梁板式桥梁有限元模型和基于MATLAB的弹簧阻尼半车数值模型，模拟多种载重、速度、车型工况下的结构动位移响应并依据对应车型和轴重区间计算桥梁影响线包络区间；将多重工况影响线区间离散为数值边界点，采用SVM二分类算法，在二维数据平面中识别出具有较高精度的位移影响线；同时，基于闭环验证的思想，将SVM识别的双车道桥梁位移影响面用于移动车辆轴重识别，实现了非接触的桥梁动态称重，然后采用算例验证了轴重区间与影响线区间复合反馈校验机制对过宽估计轴重输入区间的校正效果以及提高影响线识别精度的效果。　　(3)试验方面，本文采用一简支T梁桥与三轴货车缩尺模型进行简化的车桥耦合振动测试，采用激光位移计和应变片分别测量模型结构的动态位移和应变响应用以验证所提出的基于车辆大数据和区间仿射求逆算法的桥梁影响面识别方法；通过动态测试标定了该双车道模型桥梁的应变与位移影响面，对比验证了本文利用SVM算法识别的影响面结果在可接受误差水平范围内；最后将SVM识别影响面结果应用于车辆动态轴重识别，实现了非接触式的桥梁动态称重，进一步证实了本文非接触影响面识别的可靠性与准确性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及选题意义

1.2 桥梁结构智能化健康监测

1.2.1 桥梁结构健康监测的研究现状

1.2.2 基于机器视觉的非接触桥梁结构识别

1.2.3 大数据与机器学习在桥梁 SHM 领域的应用

1.3 桥梁结构影响线与影响面

1.3.1 影响线(面)的理论计算与实测研究

1.3.2 影响线(面)的实际工程应用

1.4 工程结构不确定性区间分析

1.4.1 区间分析的发展和应用

1.4.2 仿射算法的发展和应用

1.5 本文研究内容

1.6 本文研究的创新点

第2章 基于区间分析的影响线反问题计算

2.1 引言

2.2 基于结构动态响应推导确定性影响线

2.2.1 桥梁影响线(面)的概念

2.2.2 荷载响应线性叠加原理

2.2.3 基于响应的影响线计算原理

2.3 区间分析理论基础

2.3.1 区间变量与区间运算

2.3.2 区间向量与区间矩阵

2.3.3 变量的相关性与区间扩张

2.3.4 区间方程组的求解方法

2.4 仿射算法理论基础

2.4.1 仿射变量与运算规则

2.4.2 仿射向量与仿射矩阵

2.4.3 纽曼展开仿射矩阵求逆

2.5 基于实测响应的影响线区间反演模型

2.5.1 轴重区间参量与区间参数矩阵

2.5.2 仿射求逆算法计算影响线区间

2.5.3 全局优化遗传算法求解区间影响线

2.5.4 蒙特卡罗模拟求解区间影响线

2.6 本章小结

第3章 基于大数据与支持向量机的影响线识别

3.1 引言

3.2 大数据与机器学习原理

3.2.1 大数据的基本概念

3.2.2 解决分类问题的机器学习算法

3.3 支持向量机分类学习

3.3.1 最优分类超平面

3.3.2 软间隔最大化分类

3.3.3 非线性分类核技巧

3.3.4 序列最小优化算法

3.4 支持向量机算法识别影响线

3.4.1 SVM 影响线识别实现方法

3.4.2 模型关键参数寻优

3.4.3 模型使用与可视化策略

3.4.4 支持向量机算法流程

3.5 本章小结

第4章 车桥耦合数值模拟与室内试验

4.1 引言

4.2 车桥耦合振动数值求解

4.2.1 车辆数值模型

4.2.2 桥梁分析模型

4.2.3 路面不平整度激励

4.2.4 车桥耦合全过程迭代求解

4.3 随机工况数值响应输出

4.3.1 车辆分类与轴重区间

4.3.2 随机模拟工况设置

4.3.3 影响线的敏感性分析

4.4 区间影响线计算与识别数值算例

4.4.1 基于仿射算法的影响线区间计算

4.4.2 多种方法计算结果对比

4.4.3 支持向量机识别影响线

4.4.4 桥梁结构影响面识别

4.5 实验室缩尺车桥模型验证

4.5.1 试验装置与模型参数

4.5.2 试验工况设置

4.5.3 跨中竖向动位移响应与动应变响应

4.5.4 速度、载重对确定性影响线的影响

4.5.5 影响线区间计算与 SVM 识别

4.6 本章小结

第5章 基于影响面的非接触桥梁动态称重

5.1 引言

5.2 非接触桥梁动态称重的实现

5.2.1 基于影响线的车辆动态称重理论

5.2.2 非接触轴重识别数值算例

5.2.3 非接触轴重识别试验研究

5.3 影响线与轴重的复合反馈交互验证

5.3.1 轴重过宽估计对影响线识别的影响

5.3.2 轴重与影响线区间的复合反馈机制

5.3.3 区间重叠程度的应用

5.3.4 总重迭代校验结果分析

5.4 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文

附录 B 试验小车载重工况称重结果