基于VMD-SVD的桥梁监测挠度中温度效应分离方法技术

本发明专利技术公开了一种桥梁挠度监测信号中温度效应分离方法，属于交通运输业桥涵工程技术领域，包括：利用奇异值分解对信号进行降噪；对降噪后的信号利用变分模态分解达到对日温差效应的分离，同时考虑到年温差效应的频率接近零与长期挠度难以分离，因此对采样频率进行修正，使年温差效应的频率远离长期挠度，然后利用VMD实现长期挠度和年温差效应的分离。本发明专利技术解决了从监测信号中分离温度效应的问题，为桥梁结构的健康监测提供了进一步的数据支撑。桥梁结构的健康监测提供了进一步的数据支撑。桥梁结构的健康监测提供了进一步的数据支撑。

【技术实现步骤摘要】
基于VMD
‑
SVD的桥梁监测挠度中温度效应分离方法


[0001]本专利技术属于交通运输业桥涵工程
，更具体地，涉及一种桥梁挠度监测信号中温度效应分离方法。

技术介绍

[0002]桥梁是重要的交通基础设施，我国桥梁数量现已位居世界前列。桥梁的正常运营对于人民安全具有重要意义。挠度是反映桥梁结构安全性的重要指标之一，利用监测系统对桥梁结构进行实时监测，通过对监测信息进行分析可以及时发现安全隐患。然而在监测系统长期运行过程中大量有用信息会被掩盖，给信号的分析带来困难；监测系统获取的挠度信号包括：温度效应、收缩徐变引起的长期挠度、车辆荷载作用的挠度及环境噪声等，将其中各效应分离开进行分析，对结构的运营状况进行评估具有重要意义。温度作用作为桥梁的主要荷载之一，其作用效应对结构性能的影响具有重要意义。
[0003]关于温度效应分离的方法分为测量温度和不测量温度两种情况。测量温度的分离方法，通常是通过建立温度与温度效应间的回归模型，达到对温度效应分离的目的，其过程需要大量的监测数据，计算量较大；不测量温度的分离方法通常是利用温度效应所具备的周期性特点，实现温度效应的分离，但其年温差效应和长期挠度的分离是难点。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提出了一种桥梁挠度监测信号中温度效应分离方法，解决年温差效应和长期挠度难以分离的问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于VMD
‑
SVD的桥梁监测挠度中温度效应分离方法，包括：
[0006]利用SVD对桥梁挠度监测信号进行降噪，实现对高频噪声的剔除；
[0007]对降噪后的信号利用VMD分离出日温差效应，并对总挠度时程曲线的采样频率进行修正，使得年温差效应的频率远离长期挠度，然后利用VMD对按照修正后的采用频率重新采样的时程曲线进行分离得到年温差效应及长期挠度趋势。
[0008]在一些可选的实施方案中，利用SVD对桥梁挠度监测信号进行降噪，包括：
[0009]对桥梁挠度监测信号进行奇异值分解，将非零奇异值按照从大到小排列；
[0010]选取前若干个奇异值进行保留，一般取主频个数的两倍，其余奇异值置零，通过信号重构得到降噪后的信号。
[0011]在一些可选的实施方案中，对桥梁挠度监测信号进行奇异值分解，包括：
[0012]对于桥梁挠度监测信号x(i)，i＝1,2,3,
…
N，构造Hankel矩阵将信号构建为当N为偶数时，当
N为奇数时，N为监测信号的数据长度；
[0013]对矩阵D进行奇异值分解，得到矩阵U、矩阵Σ和矩阵V。
[0014]在一些可选的实施方案中，通过信号重构得到降噪后的信号，包括：
[0015]选取Σ矩阵中前i个代表有用信号的奇异值进行保留，其余奇异值置零构建新矩阵∑
′
＝diag(λ1,λ2,
…
,λ
i
,0,0
…
,0)；
[0016]利用新构建的对角矩阵∑以及矩阵U和矩阵V做奇异值分解的反运算，得到D
′
＝U
×
∑
′×
V
T
；
[0017]新生成的矩阵D
′
的负对角元素并不相等，对矩阵D
′
的负对角元素求均值，得到降噪后的信号x
′
(1),x
′
(2),x
′
(3),
…
,x
′
(N)，其中，α＝max(1,i
‑
m+1)，β＝min(n,i)。
[0018]在一些可选的实施方案中，在利用VMD对按照修正后的采用频率重新采样的时程曲线进行分离得到年温差效应及长期挠度趋势之前，所述方法还包括：
[0019]利用SVD对按照修正后的采用频率重新采样的信号进行降噪。
[0020]在一些可选的实施方案中，利用VMD对按照修正后的采用频率重新采样的时程曲线进行分离得到年温差效应及长期挠度趋势，包括：
[0021]通过设定有限带宽参数α和中心角频率初始化方式得到估算的K个中心角频率ω
k
，然后再根据不同的中心角频率ω
k
获得各模态函数u
k
，并且每个模态函数是一个单分量的本征模态函数IMF，其中，分模态分解重新定义了本征模函数，u
k
(t)＝A
k
(t)cos[Φ
k
(t)]，t为时间，A
k
(t)为u
k
(t)瞬时幅值，Φ
k
(t)为瞬时相位函数，ω
k
为u
k
(t)的瞬时频率，ω
k
＝φ
′
k
(t)；
[0022]对降噪后的信号进行VMD后得到K个窄带IMF分量即为SVD中的主频信号，得到年温差效应及长期挠度趋势。
[0023]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0024]本专利技术利用SVD对信号进行降噪；对降噪后的信号利用VMD分离出日温差效应，同时针对年温差效应的频率接近零与长期挠度难以分离的问题，总挠度时程曲线的采样频率需要进行修正，使得年温差效应的频率远离长期挠度，然后利用VMD对重新采样的时程曲线进行分离得到年温差效应及长期挠度趋势。本专利技术在分离出日温差效应后，通过调整采样频率实现年温差效应和长期挠度的分离，为桥梁结构的健康监测提供了进一步的数据支撑。
附图说明
[0025]图1是本专利技术实施例提供的一种方法流程示意图；
[0026]图2是本专利技术实施例提供的一种斜拉桥模型图；
[0027]图3是本专利技术实施例提供的一种各组分的模拟信号，其中，(a)为日温差效应时程曲线；(b)为年温差效应时程曲线；(c)为长期挠度时程曲线；
[0028]图4是本专利技术实施例提供的一种总挠度时程曲线及频谱图，其中，(a)为总挠度时
程曲线；(b)为总挠度频谱图；(c)为总挠度频谱局部图；
[0029]图5是本专利技术实施例提供的一种降噪后总挠度时程曲线；
[0030]图6是本专利技术实施例提供的一种降噪后分离结果，其中，(a)为年温差效应；(b)为日温差效应；
[0031]图7是本专利技术实施例提供的一种采样频率修正后总挠度频谱图；
[0032]图8是本专利技术实施例提供的一种采样频率修正后的分离结果，其中，(a)为采样频率修正后年温差效应；(b)为长期挠度；
[0033]图9是本专利技术实施例提供的一种斜拉桥外形图；
[0034]图10是本专利技术实施例提供的一种斜拉桥监测测点布置图，其中，(a)为立面图；(b)为平面图；
[0035]图11是本专利技术实施例提供的一种测点挠度监测数据，其中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于VMD
‑
SVD的桥梁监测挠度中温度效应分离方法，其特征在于，包括：利用SVD对桥梁挠度监测信号进行降噪，实现对高频噪声的剔除；对降噪后的信号利用VMD分离出日温差效应，并对总挠度时程曲线的采样频率进行修正，使得年温差效应的频率远离长期挠度，然后利用VMD对按照修正后的采用频率重新采样的时程曲线进行分离得到年温差效应及长期挠度趋势。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用SVD对桥梁挠度监测信号进行降噪，包括：对桥梁挠度监测信号进行奇异值分解，将非零奇异值按照从大到小排列；选取前若干个奇异值进行保留，其余奇异值置零，通过信号重构得到降噪后的信号。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对桥梁挠度监测信号进行奇异值分解，包括：对于桥梁挠度监测信号x(i)，i＝1,2,3,
…
N，构造Hankel矩阵将信号构建为当N为偶数时，当N为奇数时，N为监测信号的数据长度；对矩阵D进行奇异值分解，得到矩阵U、矩阵Σ和矩阵V。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过信号重构得到降噪后的信号，包括：选取Σ矩阵中前i个代表有用信号的奇异值进行保留，其余奇异值置零构建新矩阵∑
′
＝diag(λ1,λ2,
…
,λ
i
,0,0
…
,0)；利用新构建的对角矩阵∑
′
以及矩阵U和矩阵V做奇异值分解的反运算，得到D
′
＝∪
×
∑
′×
V
T
；新生成的矩阵D
′
的负对角元素并不相等，对矩阵D
′
的负对角元素求均值，得到降噪后的信号x

【专利技术属性】
技术研发人员：谭冬梅，郭泰，甘沁霖，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：