基于時(shí)間序列分析的橋梁健康監(jiān)測(cè)信息處理方法研究.pdf

1、隨著在役橋梁結(jié)構(gòu)安全問題日益突出以及橋梁監(jiān)測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已得到廣泛的應(yīng)用，基于實(shí)時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)信息對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行快速準(zhǔn)確地分析也已成為亟待解決的熱點(diǎn)問題。本文以時(shí)間序列分析為基礎(chǔ)，依次對(duì)橋梁健康監(jiān)測(cè)信息的數(shù)據(jù)預(yù)處理過程、相似查詢過程、異常檢測(cè)過程進(jìn)行分析，三個(gè)過程相互銜接配合構(gòu)建了橋梁健康監(jiān)測(cè)信息異常檢測(cè)模型，并實(shí)現(xiàn)了基于時(shí)間序列分析的橋梁健康監(jiān)測(cè)信息分析系統(tǒng)。
　　本文首先提出了基于聚類分段的單變量時(shí)間序

2、列孤立點(diǎn)識(shí)別方法，以局部標(biāo)準(zhǔn)差變化為量度對(duì)整個(gè)單變量時(shí)間序列在時(shí)間軸上進(jìn)行分段，使得對(duì)于某個(gè)時(shí)間序列子段，其包含的每個(gè)樣本對(duì)象的增加或刪除都不會(huì)使這一子段的局部標(biāo)準(zhǔn)差產(chǎn)生明顯變化，但相鄰段之間的樣本局部平均值存在明顯差異。分段結(jié)束后對(duì)于段內(nèi)樣本對(duì)象不大于孤立點(diǎn)判定閾值（一般為1）的子段做異常處理。經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析此方法對(duì)時(shí)間序列中的孤立點(diǎn)具有精準(zhǔn)的挖掘能力。在對(duì)時(shí)間序列中的空缺值進(jìn)行處理的過程中，使用基于最近距離鄰法的空缺值填補(bǔ)方法，以局部標(biāo)

3、準(zhǔn)差變化為量度分析找出整個(gè)時(shí)間序列中相應(yīng)空缺點(diǎn)近鄰范圍內(nèi)最可能相似數(shù)據(jù)段的上下界，使用相似數(shù)據(jù)段中數(shù)據(jù)的加權(quán)平均值來作為空缺數(shù)據(jù)樣本的最相似估計(jì)值。之后通過使用主成分分析法(PCA)對(duì)馬桑溪大橋的橋梁健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集的進(jìn)行特征提取以構(gòu)建了馬桑溪大橋橋梁健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集的CMTS數(shù)據(jù)庫，驗(yàn)證了使用PCA法對(duì)橋梁健康監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮的可行性。
　　針對(duì)原有的K-means聚類算法聚類數(shù)目必須預(yù)先賦值、初始質(zhì)心隨機(jī)選取以及處理海量數(shù)據(jù)時(shí)

4、效率較低的三個(gè)缺點(diǎn)，提出基于網(wǎng)格劃分和三角形三邊定理的改進(jìn)的K-means聚類算法。改進(jìn)后的K-means算法可以根據(jù)樣本數(shù)據(jù)集樣本分布特征對(duì)樣本維度空間進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)其中的密集網(wǎng)塊進(jìn)行統(tǒng)計(jì)以自行確定k值與初始質(zhì)心位置，并通過三角形三邊定理的引入，大大減少了聚類過程中的迭代次數(shù)與計(jì)算復(fù)雜度。通過對(duì)比改進(jìn)的K-means算法與原有K-means算法對(duì)UCI數(shù)據(jù)庫中的PAMAP2 Physical Activity Monitoring

5、數(shù)據(jù)集進(jìn)行聚類分析的結(jié)果準(zhǔn)確性與處理效率，驗(yàn)證了改進(jìn)后的K-means算法的準(zhǔn)確性與高效性。
　　引入索引樹結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了基于B+索引樹的k近鄰相似查詢算法。利用馬桑溪大橋的橋梁健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集的CMTS集對(duì)基于B+索引樹的k近鄰相似查詢算法進(jìn)行檢驗(yàn)，驗(yàn)證了其高效性與準(zhǔn)確性。
　　以時(shí)間序列局部異常系數(shù)LOF作為檢測(cè)樣本數(shù)據(jù)是否異常的量度，對(duì)多變量時(shí)間序列的異常檢測(cè)算法進(jìn)行分析。之后對(duì)以多變量橋梁健康監(jiān)測(cè)時(shí)間序列集為研究對(duì)象的橋