一种基于大数据的桥梁结构安全评价方法及装置

摘要

本发明公开了一种基于大数据的桥梁结构安全评价方法及装置，所述方法包括：获取每种类型的每个测点的分值，根据每种类型的每个测点的分值获取桥梁上部结构的每个监测项评分、桥梁下部结构的每个监测项评分以及桥梁桥面系的每个监测项评分；获取受传感器监测的桥梁上部结构的监测项评分、受传感器监测的桥梁下部结构的监测项评分以及受传感器监测的桥梁桥面系的监测项评分；获取桥梁基于传感器监测的安全评分；获取桥梁基于监测和检测的综合评分；本发明的优点在于：评价结构全面，实时获取数据，实时性较好。

说明书

技术领域

本发明涉及桥梁结构安全监测技术领域，更具体涉及一种基于大数据的桥梁结构安全评价方法及装置。

背景技术

桥梁结构安全评价是桥梁结构健康监测系统的核心技术，也是目前国内外的研究热点。现在国内外虽然已经有不少桥梁上安装了健康监测系统，但与之配套的安全评价体系都不健全。由此带来的问题就是，面对实时监测得到的大量数据不知如何才能识别和评估结构的状态和可能发生的损伤。研究并建立一套桥梁健康状态安全诊断评价方法，识别桥梁结构响应并进行评价是一个极其复杂的过程。

在大多数的桥梁结构健康监测系统中，其设计的初衷和目的是为了及时了解结构的服役安全状态，特别是结构的危险部位或截面，通过传感器获取其静力或动力响应，通过数据分析对已经或即将发生的危险及时预警。因此，测点的布置数量和种类通常是欠冗余的，难以全面反应桥梁结构的综合状态。此外，桥梁的养管单位通常是以桥梁检测单位的检测报告中桥梁完好状况评定分值(BCI)来掌握桥梁的健康状况，而这种评定是以结构的外观检查为依据。而健康监测系统与之不同的是，监测主要是为了获取结构的内部力学状况(应力应变，动力特性，刚度等)。因此，仅仅通过MCI(监测评分)也难以达到目标。此外，目前尚无规范规定利用何种类型和数量传感器来对桥梁的整体安全进行评估的方法。综上，目前桥梁安全结构评价单方面考虑桥梁完好状况评定分值(BCI)或者MCI(监测评分)，评价结构不够全面，不具有说服力，且不具实时性，时效性差。

中国专利申请号CN201711287323.3，公开了一种在线可视化创建和管理桥梁监测平台，包括：桥梁监测传感模块、桥梁监测分析模块和桥梁监测三维可视模块；所述桥梁监测传感模块，用于对前端采集传感器进行远程配置；所述桥梁监测分析模块，用于对前端传感器采集的监测数据进行预处理、分析和预警，对桥梁安全状态进行评估；所述桥梁监测三维可视模块，用于显示桥梁三维模型和显示实时数据状态。优点为：本发明提供的在线可视化创建和管理桥梁监测平台，设置简单，使用便捷，极大地加快了桥梁监测系统的创建速度，提供了维护效率，具有较强的实用性。但是其只是提供大致想法，没有提供具体的桥梁安全状态评估方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于现有技术桥梁安全结构评价方法存在评价结构不够全面，且不是实时获取数据，实时性较差，时效性差的问题。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种基于大数据的桥梁结构安全评价方法，所述方法包括：

步骤一：获取每种类型的每个测点的分值，根据每种类型的每个测点的分值获取桥梁上部结构的每个监测项评分、桥梁下部结构的每个监测项评分以及桥梁桥面系的每个监测项评分；

步骤二：获取受传感器监测的桥梁上部结构的监测项评分、受传感器监测的桥梁下部结构的监测项评分以及受传感器监测的桥梁桥面系的监测项评分；

步骤三：获取桥梁基于传感器监测的安全评分；

步骤四：获取桥梁基于监测和检测的综合评分。

本发明基于桥梁健康监测系统，随时调用实时监测数据，对桥梁健康状况进行实时安全评分，减少了人为干扰的同时，给出了更具时效性、客观性的科学评分，综合了监测和检测的成果，结果更为全面，更具有说服力，实现对桥梁健康状况的每日例行评估和重大意外事故发生后的及时评估。

进一步地，所述测点的类型包括位移、倾角、应力、索力、挠度、裂缝、加速度以及基频，其中，类型为位移、倾角、应力、索力以及挠度的测点采用期望值变异系数法计算分值，类型为裂缝的测点采用无穷级数的方法计算分值，类型为加速度的测点采用2-范数的方法计算分值，类型为基频的测点采用偏差值法计算分值。

进一步地，所述步骤一包括：

利用公式

利用公式

利用公式

进一步地，所述步骤二包括：

利用公式

利用公式

利用公式

进一步地，所述步骤三包括：

利用公式MCI＝(PMCI*ξ+BMCI*ψ+DMCI*ζ)获取桥梁基于传感器监测的安全评分，其中，ξ是上部结构权重系数，ψ是下部结构权重系数，ζ表示桥面系权重系数。

进一步地，所述步骤四包括：

利用公式

本发明还提供一种基于大数据的桥梁结构安全评价装置，所述装置包括：

第一获取模块，用于获取每种类型的每个测点的分值，根据每种类型的每个测点的分值获取桥梁上部结构的每个监测项评分、桥梁下部结构的每个监测项评分以及桥梁桥面系的每个监测项评分；

第二获取模块，用于获取受传感器监测的桥梁上部结构的监测项评分、受传感器监测的桥梁下部结构的监测项评分以及受传感器监测的桥梁桥面系的监测项评分；

第一评分模块，用于获取桥梁基于传感器监测的安全评分；

第二评分模块，用于获取桥梁基于监测和检测的综合评分。

进一步地，所述测点的类型包括位移、倾角、应力、索力、挠度、裂缝、加速度以及基频，其中，类型为位移、倾角、应力、索力以及挠度的测点采用期望值变异系数法计算分值，类型为裂缝的测点采用无穷级数的方法计算分值，类型为加速度的测点采用2-范数的方法计算分值，类型为基频的测点采用偏差值法计算分值。

进一步地，所述第一获取模块还用于：

利用公式

利用公式

利用公式

进一步地，所述第二获取模块还用于：

利用公式

利用公式

利用公式

进一步地，所述第一评分模块还用于：

利用公式MCI＝(PMCI*ξ+BMCI*ψ+DMCI*ζ)获取桥梁基于传感器监测的安全评分，其中，ξ是上部结构权重系数，ψ是下部结构权重系数，ζ表示桥面系权重系数。

进一步地，所述第二评分模块还用于：

利用公式

本发明的优点在于：本发明基于桥梁健康监测系统，随时调用实时监测数据，对桥梁健康状况进行实时安全评分，减少了人为干扰的同时，给出了更具时效性、客观性的科学评分，综合了监测和检测的成果，结果更为全面，更具有说服力，实现对桥梁健康状况的每日例行评估和重大意外事故发生后的及时评估。

附图说明

图1为本发明实施例所公开的一种基于大数据的桥梁结构安全评价方法的流程图；

图2为本发明实施例所公开的一种基于大数据的桥梁结构安全评价方法的算法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1和图2所示，一种基于大数据的桥梁结构安全评价方法，所述方法包括：

步骤S1：获取每种类型的每个测点的分值，根据每种类型的每个测点的分值获取桥梁上部结构的每个监测项评分、桥梁下部结构的每个监测项评分以及桥梁桥面系的每个监测项评分；所述测点的类型包括位移、倾角、应力、索力、挠度、裂缝、加速度以及基频，其中，类型为位移、倾角、应力、索力以及挠度的测点采用期望值变异系数法计算分值，类型为裂缝的测点采用无穷级数的方法计算分值，类型为加速度的测点采用2-范数的方法计算分值，类型为基频的测点采用偏差值法计算分值。以下详细介绍测点的分值计算。

由于传感器的种类和数量有所不同，桥梁结构受监测的目的也有所不同，但桥梁健康监测系统的传感器主要可分为结构感知和环境感知类。在桥梁结构的安全评估过程中，主要是针对结构感知类(加速度、应变、位移、索力等)传感器采集到的数据进行评价，而环境感知类的传感器(温度、湿度等)主要用于对结构感知类传感器采集到的数据进行补偿和修正，所以本方法暂时不代入评估。

每个测点的计算分为四类，四类方法为现有技术常规处理方法，对于其具体原理不做具体描述，以下大致介绍计算依据，按照下表选择具体的算法进行计算。

表1测点计算方法分类

计算方法1：期望值变异系数法

基本公式

期望值：

注：

参考值和待评估值的计算方法是一致的，只是取值范围不同，具体见表2，评分公式为：

表2各项监测指标分项值计算方法

表3 DE、DD底层评分标准

计算方法2：无穷级数的方法

基本公式：无穷范数：

表4无穷范数评分标准

注：裂缝宽度超过限值得0分

计算方法3：2-范数的方法

基本公式(2-范数)：

表5 2-范数评分标准

计算方法4：偏差值法

表6基频评分标准

参考值、期望值(或待评值)需要监测系统的机器学习，运行一段时间后校正调整的，每个传感器都需要逐个设定。计算方法2、3、4同1一样，需要将有效传感器的数据计算分值，取期望值。

结合上述内容，利用公式

利用公式

利用公式

步骤S2：获取受传感器监测的桥梁上部结构的监测项评分、受传感器监测的桥梁下部结构的监测项评分以及受传感器监测的桥梁桥面系的监测项评分；具体过程为：

利用公式

利用公式

利用公式

上述监测指标权重因子φ、

其中，各监测指标权重因子的取值如表7所示。

表7部件权值因子分配表

注：如某监测指标存在缺失、突变或其他异常情况，则丢弃此指标；具体方法按照原权值比例，把缺失指标的权重按照原比例分配到其他正常的指标项上。

步骤S3：获取桥梁基于传感器监测的安全评分；具体过程为：

利用公式MCI＝(PMCI*ξ+BMCI*ψ+DMCI*ζ)获取桥梁基于传感器监测的安全评分，其中，ξ是上部结构权重系数，ψ是下部结构权重系数，ζ表示桥面系权重系数。

其中，各权重系数的取值如表8所示。

表8 MCI各权重系数分配值

步骤S4：获取桥梁基于监测和检测的综合评分M-BCI，具体过程为：

利用公式

通过以上技术方案，本发明提供的一种基于大数据的桥梁结构安全评价方法，基于桥梁健康监测系统，随时调用实时监测数据，对桥梁健康状况进行实时安全评分，减少了人为干扰的同时，给出了更具时效性、客观性的科学评分，综合了监测和检测的成果，结果更为全面，更具有说服力，实现对桥梁健康状况的每日例行评估和重大意外事故发生后的及时评估。

实施例2

与本发明实施例1相对应的，本发明实施例2还提供一种基于大数据的桥梁结构安全评价装置，所述装置包括：

第一获取模块，用于获取每种类型的每个测点的分值，根据每种类型的每个测点的分值获取桥梁上部结构的每个监测项评分、桥梁下部结构的每个监测项评分以及桥梁桥面系的每个监测项评分；

第二获取模块，用于获取受传感器监测的桥梁上部结构的监测项评分、受传感器监测的桥梁下部结构的监测项评分以及受传感器监测的桥梁桥面系的监测项评分；

第一评分模块，用于获取桥梁基于传感器监测的安全评分；

第二评分模块，用于获取桥梁基于监测和检测的综合评分。

具体的，所述测点的类型包括位移、倾角、应力、索力、挠度、裂缝、加速度以及基频，其中，类型为位移、倾角、应力、索力以及挠度的测点采用期望值变异系数法计算分值，类型为裂缝的测点采用无穷级数的方法计算分值，类型为加速度的测点采用2-范数的方法计算分值，类型为基频的测点采用偏差值法计算分值。

具体的，所述第一获取模块还用于：

利用公式

利用公式

利用公式

具体的，所述第二获取模块还用于：

利用公式

利用公式

利用公式

具体的，所述第一评分模块还用于：

利用公式MCI＝(PMCI*ξ+BMCI*ψ+DMCI*ζ)获取桥梁基于传感器监测的安全评分，其中，ξ是上部结构权重系数，ψ是下部结构权重系数，ζ表示桥面系权重系数。

具体的，所述第二评分模块还用于：

利用公式

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。