EMD方法在桥梁变形监测数据处理中的应用_李星月.pdf
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1、第 39 卷第 2 期2023 年 6 月测 绘 标 准 化Standardization of Surveying and MappingVol 39No 2Jun 2023收稿日期:2021 01 27作者简介:李星月,工程师,现主要从事测绘地理信息、工程测量、摄影测量等方面的工作。EMD 方法在桥梁变形监测数据处理中的应用李星月(山东省煤田地质局第四勘探队山东潍坊261500)摘要:对于利用 GNSS 测量技术获取的桥面监测数据,研究如何对其进行准确而有效地处理与分析,从而获取桥梁的运营状态,对桥梁的养护与安全运营具有重要的意义。本文结合频谱分析,利用经验模态分解(Empirical M
2、ode Decomposition,EMD)方法对桥面变形监测数据进行处理,得到固有模态函数(Intrinsic Mode Function,IMF)分量的频域范围,有效分离出含有结构振动的变形量、结构变形分量和多路径噪声分量,精确提取出监测数据中的频率信息。相比于传统的时间序列分析,EMD 方法既能识别出不同分量的频率,也能对变形特征进行提取。本研究为大跨径桥梁变形监测数据的处理提供了有益参考。关键词:经验模态分解;变形监测;数据处理;多路径误差;结构振动;频谱分析中图分类号:P228DOI:10 20007/j cnki 61 1275/P 2023 02 22Application of
3、 EMD method in data processing of bridge deformation monitoringLI Xingyue(The Fourth Exploration Team of Shandong Coal Geology Bureau,Weifang,Shandong 261500,China)Abstract:Studying how to accurately and effectively process and analyze the bridge deck monitoring dataobtained by GNSS measurement tech
4、nology to obtain the operational status of the bridge is of great signifi-cance for the maintenance and safe operation of the bridge Combined with spectrum analysis,this paperuses EMD method to process the deformation monitoring data of bridge deck,obtaines the frequencyrange of IMF component,effect
5、ively separates the deformation amount,structural deformation componentsand multipath noise components containing structural vibration,and accurately extractes the frequencyinformation from the monitoring data Compared with the traditional time series analysis,EMD methodcan not only identify the fre
6、quency of different components,but also extract the deformation featuresThis study provides a useful reference for the processing of deformation monitoring data of long-spanBridgesKeywords:empirical mode decomposition;deformation monitoring;data processing;multipath error;struc-tural vibration;spect
7、rum analysis随着社会经济及交通运输的发展,大跨径桥梁得到了人们的广泛关注。大跨径桥梁结构极其复杂,为了保证其在运营过程中的安全,对大跨径桥梁进行变形监测成为工程界研究和关注的热点。采用各种测量仪器对大跨径桥梁的外部动态变形进行监测,获取桥梁在运营期间的变形情况与健康状况,可以确保桥梁在安全的环境下运营。桥梁在建设和运营阶段都需要进行外部变形监测,变形监测已成为工程领域的重要一环,受到越来越广泛的关注和研究。全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite第 2 期李星月:EMD 方法在桥梁变形监测数据处理中的应用System,GNSS)的逐步发展,以及接收机
8、软硬件性能的提高,尤其是 GNSS 接收机采样率的大幅提高,使得 GNSS 技术在大跨径桥梁外部变形监测中的应用更加可靠与方便1。由于桥面环境复杂且受各种荷载、日照等因素的影响,通过 GNSS 采集得到的钢箱梁桥面数据一般具有随机性、非线性,既有趋势性的时效分量和受载荷影响的周期分量,也有各种噪声干扰。因此,GNSS 采集得到的桥面数据为不同尺度信号的叠加混合。国内外针对 GNSS 变形监测数据的处理方法主要从时域分析、时频域分析和频域分析三方面展开2 7。时域分析方法通常包括回归分析法、时间序列法和卡尔曼滤波法等。这些方法在过滤噪声、提取趋势性信息方面具有优势,在实际应用中发挥了重要作用。但
9、是,这些方法在处理桥面数据时对数据均有线性、平稳性和规范性的要求,然而实际的桥面观测数据,特别是影响因素复杂的桥面动态监测数据,很难达到这些要求。因此,这些方法在处理桥面变形监测数据时效果会受到很大的影响。EMD 方法可将非平稳、非线性信号分解成若干 IMF 分量,进而对信号进行多分辨率分析8。本文将采用 EMD 方法对桥面变形监测数据进行多尺度分解与分析,验证 EMD 方法在桥面监测数据处理方面的良好性能。1EMD 方法介绍EMD 方法是对原始信号的趋势或者波动进行逐级分解,得到若干个 IMF 分量与余项之和。IMF分量可以反映信号内部的特性,频率由高到低。对于原信号 s(t),EMD 方法
10、可以将其分解为若干个IMF 分量9,每一个 IMF 分量是原信号 s(t)经过EMD 方法分解后得到的基本单元,满足以下条件:1)待分解信号的极小值与极大值点数之和与过零点个数之差不超过 1;2)极小值所构成的下包络线与极大值所构成的上包络线呈对称关系,对称轴为时间轴 t。原信号 s(t)分解后得到的所有 IMF 分量的所有相邻零点之间只是一个单纯的波动,将原信号 s(t)按下式进行分解。s(t)=ni=1imfi(t)+res(1)式中,imfi(t)为第 i 个分量 IMF,res 为单调残余分量。EMD 方法的基本步骤为1)找出原信号 s(t)的所有极大值序列和极小值序列,上包络线记为
11、su(t),下包络线记为 sl(t)。2)计算得到上下包络线的均值 sa(t)。sa(t)=su(t)+sl(t)2(2)3)将原始序列 s(t)与上下包络线均值 sa(t)作差,提取细节 h(t)。h(t)=s(t)sa(t)(3)4)式(3)中如果 h(t)的均值为零,那么 h(t)就是一个 IMF,如果 h(t)均值不为零则需要对 h(t)重复上述步骤 1)4),直到 h(t)的均值为零时停止。5)计算信号的残余分量 res。res=s(t)imfi(t)(4)式中:s(t)为原信号,imfi(t)表示的是第 i 个分量IMF。若 res 不是单调函数,即极值点的个数大于2 个,那么令
12、i=i+1,继续以上的步骤;否则的话分解结束,res 即是残余分量。信号的重构过程也就是信号分解的逆过程,将所有的 IMF 分量和残余分量加起来就是原信号 s(t),如式(1)所示。一般在信号水平一致的情况下,即当 m=时,可以停止分解,但更多时候信号的噪声是未知的,因此找到一个分解标准来确定合适的分解层数,从而达到较为理想的分解结果是非常重要的。依据相关的实践和研究,可以利用下式作为分解停止的标准来获取比较理想的分解结果。K=ETK ETK()1/1K 1K1i=1ETi(5)式中:ET=EnAvgT,En=1Nimfn()j2,AvgT=2NCountOptima()n,CountOpti
13、ma()n表示第 n 个IMF 分量的极值点的总数。2GNSS 动态监测系统2 1监测方案对于某大桥的外部变形监测,建立了一整套全天候的 GNSS 监测系统(图 1)。大桥 GNSS 监测系701测 绘 标 准 化第 39 卷统主要由9 台 GNSS 接收机组成,1 台位于长江边一强制对中墩上,其余 8 台分别置于南北主塔与主桥跨中位置。GNSS 接收机采集频率的设置满足奈奎斯定理10。fs=1t 2fc(6)式中:fs为接收机采集 GNSS 信号的频率,t为接收机采集 GNSS 信号的时间间隔,fc为 GNSS 信号能够识别的频率。考虑到 GNSS 接收机的存储数据量及大桥的自振频率,采集系
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