考虑混凝土坝位移动力突变盲点的安全监控模型.pdf
《考虑混凝土坝位移动力突变盲点的安全监控模型.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《考虑混凝土坝位移动力突变盲点的安全监控模型.pdf(5页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第l 4 4卷 第 1 3期 2 0 1 3 年 7 月 人 民 长 江 Ya ng t z e Ri v e r Vo 1 44 No 1 3 J u l y , 2 0 1 3 文章编号 : 1 0 0 1 4 1 7 9 ( 2 0 1 3 ) 1 3 0 0 5 8 0 5 考虑混凝土坝位移动力突变盲点的安全监控模型 黎 良 辉 , 魏 博 文 , 徐 镇 凯 ( 1 南昌大学 建筑工程学 院, 江西 南 昌 3 3 0 0 3 1 ; 2 河海大学 水利水电学院, 江苏 南京 2 1 0 0 9 8 ) 摘要 : 针对坝体位移时 间序列 中出现数据跳跃的现 象, 基 于动 力学互关
2、因子指数法与云模型理论 , 提 出了一种 能准确辨 识大坝位 移时间序 列中动 力 突变盲点位置 的诊 断 方法 , 并 构建 了考 虑动力 突变盲点 的混凝 土坝位 移安全监控模型。基于不确定性 动力 系统对大坝位 移的演化分析 , 综合运 用相空 间重构 、 云模型及 小波分析 等数值处理方法 , 从所辨识数值序列 中的动 力突变盲点 出发 , 研 究 了对大坝 工作性 态转异进行预 测诊 断 的方 法。工程 实例表明 , 该 方法能找 准对应位移的动 力突变盲 点, 可避免动 力突 变盲 点对大坝位移序 列的不利 影 响 , 提 高了大坝位 移安 全监控模 型的可靠性和科 学性 。 关键
3、词 : 位移 ; 动 力突变;盲点;监控模型 ;混凝 土坝 中图法分类号 : T V 6 4 2 文献标 志码 :A 混凝土坝作为一种重要的挡水建筑物 , 其安全监 控 已成为国内外学者研究热点, 而在对运行期大坝的 原位观测资料分析中, 发现其监控指标受环境影响较 大 , 尤其是受库区地震 、 泄水振动等动力作用影响, 导 致大坝监测时间序列资料 出现间断性跳跃 , 具有较强 非线性动力学特性并存在许多不确定性混沌噪声。对 此 , 吴中如、 顾冲时等人在这一领域做了大量的研究工 作 , 而以往的研究成果大多从材料蠕变时效、 环境 降雨等角度来考虑监控模型的重构和对整个监测序列 的优化分析 ,
4、 没有真正考虑到振动荷载对大坝监测数 据 内部动力学系统的改变 , 以致大坝整个监测资料 时 间序列中动力突变效应量被遗弃 , 从而导致基于整个 监测资料时间序列建立的大坝安全监控模型预测能力 受限, 这势必影响对大坝安全的准确定量与定性评判 。 为了建立一种可从数值序列中提取混沌成分, 且 能辨识动力突变测值位置 的系统诊 断方法 , 本文基于 不确定性动力系统对大坝位移的演化分析 , 在分析 混凝土坝位移与相关影响因子的基础上 , 建立安全监 控预报模型 ; 通过对监测数据归一后拟合 , 找出其混沌 残差 , 即虚残差 ; 然后通过对虚残差进行相空间重构 , 并利用云模型 和动力学结构突变
5、理论 , 诊断出原 时间序列中的动力突变盲点 ; 在 已知动力突变盲点的 基础 上 , 选 取最 近一 次动力 突变 后相 对稳 定时 间序列 , 来验证考虑动力突变影响的混凝土坝位移安全监控模 型的有效性和科学性。工程实例 中, 从不 同的角度说 明了该方法能较好地消除动力突变盲点对大坝位移安 全监控的不利影响, 对于大坝位移安全监控工作具有 一 定的研究价值和实用意义。 1 混凝土坝位移动力突变盲点的辨识方法 由于混凝土坝处在复杂外 因作用下 , 尤其是振动 作用 , 对其位移监测时间序列分析可知 , 其位移效应量 除与水头 、 温度及蠕变确定性影响因子有关外 , 尚存在 诸多外界未知因素
6、及 内部 自身缺陷所导致 的混沌与噪 声。为提取大坝位移时间序列中混沌分量的动力效应 量 , 需首先建立其相应位移残差分析模型 , 然后对其位 移残差分量进行相空间重构 , 再利用动力学互关 因子 指数法与云模型理论 , 来辨识 大坝位移残差 时间序列 收稿 日期 : 2 0 1 3 0 1 1 0 基金项 目: 国家自然科学基金重点项 目( 5 1 1 3 9 0 0 1 ) ; 国家自然科学基金 资助项 目( 5 1 0 7 9 0 4 6 , 5 0 9 0 9 0 4 1 , 5 0 8 0 9 0 2 5 ) 作者简介 : 黎 良辉 , 男, 副教授 , 主要从事 水工结构 工程研
7、究。E ma i l : d a m s a f e 1 6 3 c o rn 通讯作者 : 魏博文 , 男, 讲师 , 博 士, 主要 从事水工结构安全监控研 究。Em a i l : b w w e i n e u e d u e n 第 1 3期 黎 良辉 , 等 : 考 虑混凝土坝位移动力突 变盲点的安全 监控模 型 5 9 中的动力突变盲点。 1 1 位移虚 残差分析及 其相 空间重构 运行期混凝土坝受复杂荷载作用 , 其传统监控模 型的位移效应量 6一般 主要 由水压分量 6 温度分量 艿 和时效分量 。 组成。 考虑到其效应量中存在混沌与 噪声成分 , 特引入位移虚残差变量 ,
8、其位移虚残差分 析模 型 表示 为 = 一 ( H+6 r+ 。 ) ( I ) 式中, 大坝位移虚残差 由实测序列值与传统统计监 控模型拟合序列值之 间的差值获得 。 为揭露位移虚残 差中的混沌分量 的动力学规律 , 避免由于大坝 内部动力演化导致残差相空间中新吸引 因子的出现 , 引入动力学相关 因子指数法 , 该法 可 以对大坝在多因素复杂环境作用下的动力学结构进行 分析 , 以深入了解大坝的演变过程。 混沌动力学研究表 明 , 系统任意分量的演化由与之相互作用的其它分量 决定 , 使用重构变换从 系统 的某一输 出变量的时间序 列 提取 系 统 的动力 学 特 性 , 所 得 到 的状
9、 态 轨迹 保 留 了 原空间状态轨迹的最主要的特性 。 分析大坝位 移虚残 差序列时 , 通过传统模 型回归分析来获取其一维混沌 时间序列 , 即 8 ( t ) ,t=1 , 2, , 。 由于混沌时间序 列的预测是建立在高维相空 间重构 的基础上 , 需对虚 残差序列 占 ( t ) 进行相空间重构 , 将原有序列延拓成 m维相空间的一个相形分布 , 其表达式为 X = ( t ) , ( t + ) , , t +( m 一1 ) 丁 ( 2 ) 式 中 。 =k A t 为 时 间延 迟 , k ( k= 1 , 2 , , t )为延 迟 参 数 , 为采样 间隔时 间 ; m 为
10、嵌 入维 数 ; i 为 m 维相 空 间 中的 相点 , i 取 1 , 2 , , M ; M =N一( m 一1 ) 为相 点个数。 需要指 出的是 , 嵌入维数 m的确定与关联维数有 关 , 可根据 G r a s s b e r g e rP r o c a c c i a方法进行选取 , 而时间延迟 可由互信息确定 。 据此, 当嵌入维数 m 和时间延迟 确定后 , 虚残差序列即可重构为如式( 2 ) 所示 的( N k ( m I ) )X m维的向量矩阵。 1 2 位移虚 残差序列 中突变盲点 的提取 基于上述 位移虚残差 动力突变盲点 的相空 间重 构 , 为准确地提取残差序
11、列 中的突变盲点 , 需综合利用 动力 学互 相关 因子指 数法 与 云模 型理论 辨识 出大坝 位 移时间序列中的动力突变转异点。对于残差重构的相 空间, 可将集合 的 自关联和与集合 X、 Y的交互关联 和分 别定 义 为 C ( )=P (1l 一 ) = 2 N k ( m 一1 )一1 一k ( m 一1 ) V 一 L m 一1 J一1 v ( m I) : :F ( lJ 一 ) ( 3 ) j - 一 i +l C ( y )=P (I I X 一 ll y ) = 2 。 , , 一V N k ( m 一1 ) N k ( m 一1 ) N一 ( m一1 ) 一 ( m 一
12、1) F( 7一 ll 一 l 1 ) ( 4 ) i =1 j 一 i +l 式中, c 肼( y ) 表示在重构空间里 距离内找到 邻近 点 的概率 ; C ( y ) 关于集合 和集合 l , 是对称的 , 表示 在 的 邻域 内找到点 y f 的概率; F( - )为 H e a v i s i d e 阶跃函数 , 满足当 0时 , F( )=0 ( 反之为 1 ) 。 在计算上述关联和 c 删( y ) 、 C ( T )过程 中, 采用 G a u s s i a n函数替代 He a v i s i d e函数可以克服 H e a v i s i d e 阶跃 函数 的刚性边
13、界影 响。 相关研究表明 1 2 , 自关联 和 c 删( )与交互关联和 C ( ) 具有一定的区分潜在 动力学的能力 , 但远不能作为识别混沌 时间序列之间 相近性的最重要的标志。 一个复杂的时间序列可能是 由一些相互耦合的动力学共 同作用产生 , 若把时间序 列分成若干具有一定宽度 的窗 口, 则突变点就在一个 动力学属性窗 口向另一个 动力学属性窗 口转变处产 生。 因此 , 为鉴别时间序列 的动力学属性 , 需定义动力 学互 相关 因子 指数 尺 , 1 , 一 、 尺 : 1 i m I l n 一I ( 5 ) c 删( y ) c ( y ) 需要指出的是 , 若 统计上是足够
14、小的, 那么集合 和集合 y 具有完全相同的动力学属性 ; 反之集合 和 集合 l , 的动力学属性并不是完全相同的。 利用 不仅 能直接测量混沌时间序列之间的“ 距离” , 还能有效地 区分不同的动力学系统 , 尤其是它能解决大坝位移监 测序列较短的问题。 式( 5 )中的动力学互相关 因子指 数 只表明了不同时间序列动力学上的差异性 , 但不 能表征大坝的转异程度 , 为此 , 本文借助云模型中多次 产生的云滴来综合反映这个定性概念的整体特征 , 其 中, 云滴是某个定性概念的一次随机实现。 而对于动力 学互相关因子指数序列 R , 可设 为 的隶属函 数 , 则 ( R , Y ) 为一
15、 个云滴 。 从 而 , 以 个 云滴在 数域 空 间的定量位置及每个 云滴代表概念 的确定度 为输 入 量 , 采用逆向云发生器算法 , 求解云模型的 3个特 征值 E ( 期望 ) , E ( 熵) , 日 ( 超熵) , 即可得 到云期望 曲线方程。 据此 , 在给定大坝转异显著性水平 O t 后 , 可 获得互相关因子指数的临界值 , 从而确定 大坝位移突 变 点位 置 。 基于上述分析 , 提取大坝位移监测序列的动力突 变盲点的步骤为 : 利用大坝位移安全监控传统模型 对原始监测数据进回归拟合 , 由式 ( 1 )得到对应时间 人 民 长 江 的虚残差序列 ( ) , t =1 ,
16、2 , , J7 、 r ; 然后取一宽度为 n的滑动窗口 , 对虚残差序列 占 ( t ) 中 n 至 J v一 t 各 点左右窗口依次进行相空间动力学重构。 计算两相 邻 窗 口的 自关联 和 C ( y ) 、 C ( )以 及互 关 联 和 C ( y ) , 再 根据 式 ( 5 )求 取 互 相 关 因子 指 数 序 列 R ( i ) , i=n , n+1 , , Nn 。 对 R 采用逆向云 发生器算法, 求得云模型的3 个特征值 E , E , 。 , 从而 得到云期望曲线方程 ; 然后在给定大坝位移转异显著 水平 a的情况下, 求得互相关 因子指数 R的临界值 。 当互关
17、因子指数 R大于其临界值时, 对应地将大坝位 移监测时间序列分割为若干表征不同动力学结构的子 序列 , 其 中各个子序列在当前显著性水平下被认为是 一 个稳定的动力系统。 2 考虑动力突变的位移安全监控优化模型 由于运行期混凝土坝不可避免地会受到外界不确 定性动力影响而产生位移的动力突变, 又或者在其内 部由劣性引发的扰动性测值突变 , 在此皆可划分为动 力学属性改变的范畴。为此 , 在建立混凝土坝位移安 全监控模型时 , 考虑 因动力突变盲点引起的动力学属 性的改变, 能显著提高监控模型预测结果 的准确性 。 基于上述提 出的混凝土坝位移动力突变盲点诊断方 法 , 将大坝位移监测时间序列分解
18、为动力结构稳定的 子序列 , 依据当前大坝的动力结构对其下一个时期进 行预测 , 会显著提 高大 坝位移监控模 型的预测水平。 据此 , 选取大坝位移监测效应量序列中最近一次动力 突变后相对稳定序列作为研究对象, 并考虑其位移监 测序列 中的混沌分量 6 , 可得其位移安全监控优化模 型为 6=6 H+艿 r+6 日+6 c ( 6 ) 式中, 由文献 7 可知 , 水压分量 6 可由坝前相对水深 的 14次方表示 。 在时空分析中, 大坝的水平位移呈 较明显的年周期变化 , 特别是已运行多年的老坝, 坝体 温度场已基本稳定 , 其主要受气温变化的影响, 其温度 分量 艿 可选用周期项因子模拟
19、温度场对大坝位移变 形的影响 , 即将坝体混凝土 内任一点 的温度变化用周 期函数表示。 而对于时效变形, 其原因极为复杂 , 需综 合考虑坝体混凝土与基岩的徐变 、 蠕变 以及岩体地质 构造的压缩变形等 , 故时效分量 6 可选取一假定复合 函数来加以描述 。 基于上述理论分析 , 可将上述考虑动力突变的大 坝位移安全监控优化模型的实现步骤归纳如下 : ( 1 )以测值坝段所处动力结构下的子序列 为 基础 , 根据实测资料 , 利用传统统计监控模型进行 回归 分析,以确 定 各 回归 系 数 , 进 而 得 到虚 残 差 序 列 。( t ) , 其中虚残差序列中包含混沌成份和随机成份。 (
20、 2 )分离虚残差序列 中的混沌成分 。 首先对虚残 差序列进 行相 空间重构 , 利用 式 ( 3 )计算 自关联 和 C ( y) , 当 y一 0时 , G 删( )与 的关系为 l i m C 删( )O C ( 7 ) 若恰当地选取 y, 可将奇异吸引子的子相似结构 D 表示为 D 2:l o g C ( 7 ) l o g y ( 8 ) ( 3 )针对实际工程中混沌信号低频及噪声 高频的 特征 , 利用小波多尺度分析法将函数, ( t )E L ( R)依 次投影到不同分辨率 的正交小波空间 上进行分 析 , 可将位移虚残差序列中的混沌和噪声混合量正 交小波分解为 占 = , (
21、 ) +d i, o ( ) EZ i = 1 k EZ , ( f ):2 - j z 咖( 2 。 一 ) ( 9 ) q h , k ( )=2 ( 2 t 一|j ) 式中, 咖 ( t ) 与 ( t ) 分别为尺度空间和小波空间的 一 组 正交基 。 另外 , 需特别指出的是 , 倘若混沌时间序列中包含 噪声成分 , 则在噪声影响 占主要地位的区域计算得到 的关联维数 D: 是发散的; 相反 , 在混沌成分 占主要地 位的区域计算得到的关联维数 : 是收敛 的。 故可以根 据关联维数 D :随着嵌入维数 m的收敛性来判断某一 时间序列是噪声还是混沌 占主要成分的。 因此 , 基于混
22、 沌及噪声成分在关联维数 D 上的不同表现 , 可以将大 坝中混沌及噪声 混合分 量 艿进行 有效 地分离 , 得到 6 。 ( 4 )以 一 为基础数据 , 回到步骤 1 , 得到虚 残差序列 : ( t ) , 进而根据步骤 2 , 可得到一个新的混 沌分量 6 。 如此循环 , 可得到一系列混沌分量 6 , , ,6 ,当满足下式时停止迭代 G : 1 0 0 I O U o o t ( 1 0 ) T 一 L l u I uc ff 式中, Il表示某一选定的范数 , 例如向量的 P范 数 ; a为设定的容许精度 。 ( 5 )依据所建立的位移监控模型( 式6 ) 对大坝位 移进行预测
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 考虑 混凝土 位移 动力 突变 盲点 安全 监控 模型
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【xiaol****an189】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【xiaol****an189】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。