專利名稱：數(shù)據(jù)不完備下基于一致性數(shù)據(jù)替換的結(jié)構(gòu)異常檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)據(jù)不完備下基于一致性數(shù)據(jù)替換方法的結(jié)構(gòu)異常檢測(cè)方法，特別涉及一種處理不完備數(shù)據(jù)的新技術(shù)一一一致性數(shù)據(jù)替換方法。
背景技術(shù)：
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，許多大型工程如超大跨橋梁、超高層建筑、海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)等得以興建，它們的使用期長(zhǎng)達(dá)幾十年、甚至上百年，環(huán)境侵蝕、材料老化和荷載的長(zhǎng)期效應(yīng)、疲勞與突變等災(zāi)害因素的耦合作用將不可避免地導(dǎo)致結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的損傷積累和抗力衰減，從而在極端情況下引發(fā)災(zāi)難性的突發(fā)事故。因此對(duì)大型工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和安全性評(píng)估具有極其重要的意義。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和損傷檢測(cè)是目前保證大型結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行的主要措施。然而，由于傳感器、網(wǎng)絡(luò)線路長(zhǎng)期暴露在環(huán)境中，導(dǎo)致傳感器、 傳輸網(wǎng)絡(luò)或者儀器失效使得采集的信息不完備，形成不完備數(shù)據(jù)。如何運(yùn)用不完備的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)與安全性評(píng)定成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。目前處理不完備數(shù)據(jù)的方法主要有直接刪除法、數(shù)據(jù)補(bǔ)齊法和直接挖掘法。直接刪除法指直接把缺失的數(shù)據(jù)刪除，從而使得整個(gè)信息完整。數(shù)據(jù)補(bǔ)齊法是指先把不完備的信息先補(bǔ)充完整，再將數(shù)據(jù)補(bǔ)齊后的信息用完備信息的識(shí)別方法進(jìn)行識(shí)別，通?；诮y(tǒng)計(jì)學(xué)原理，根據(jù)其余對(duì)象取值的分布情況來(lái)對(duì)缺失值進(jìn)行填補(bǔ)，如用其余對(duì)象該值的平均值來(lái)進(jìn)行補(bǔ)充等。直接挖掘法是指直接在包含缺失值的數(shù)據(jù)上進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，這類方法主要有貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和粗糙集方法等。然而，研究發(fā)現(xiàn)采用此三種方法處理后的數(shù)據(jù)，并不能運(yùn)用于結(jié)構(gòu)的異常檢測(cè)，即在不完備點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的診斷結(jié)果?；谝陨锨闆r，本發(fā)明提出了一種新的不完備數(shù)據(jù)處理方法——一致性數(shù)據(jù)融合方法，并結(jié)合小波分解技術(shù)，最終很好地實(shí)現(xiàn)了不完備數(shù)據(jù)下的結(jié)構(gòu)異常檢測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種數(shù)據(jù)不完備下基于一致性數(shù)據(jù)替換方法的結(jié)構(gòu)異常檢測(cè)方法，并使完備化后的數(shù)據(jù)能很好地實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的異常檢測(cè)，該方法能夠很好地處理多自由度、非自由振動(dòng)、非線性、非穩(wěn)態(tài)、不完備的響應(yīng)信號(hào)，可用于土木工程、航空航天、自動(dòng)控制、機(jī)械工程、橋梁工程、水利工程等領(lǐng)域的信號(hào)處理，具有提高數(shù)據(jù)的抗干擾能力，提高不完備數(shù)據(jù)下的結(jié)構(gòu)異常檢測(cè)準(zhǔn)確率的特點(diǎn)。本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
一種數(shù)據(jù)不完備下基于一致性數(shù)據(jù)替換的結(jié)構(gòu)異常檢測(cè)方法，其特征在于首先首先在部分傳感器失效的情況下對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行采集，得到含有不完備數(shù)據(jù)的響應(yīng)信號(hào)；然后對(duì)采集到的所有信號(hào)進(jìn)行去噪處理；接著對(duì)其中的不完備數(shù)據(jù)利用一致性數(shù)據(jù)替換方法進(jìn)行完備化處理；最后將完備化處理后的數(shù)據(jù)利用小波分解實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)異常檢測(cè)。所述信號(hào)的去噪處理包括以下步驟 ①選擇小波函數(shù)對(duì)含噪信號(hào)進(jìn)行小波分解；②利用門限閾值方法對(duì)分解所得的小波系數(shù)進(jìn)行處理；
③將處理后的小波系數(shù)進(jìn)行小波重構(gòu)；
所述不完備數(shù)據(jù)利用一致性數(shù)據(jù)替換方法進(jìn)行完備化處理包括以下步驟 設(shè)有《個(gè)傳感器，其中傳感器/7在采樣 次后失效；
①計(jì)算出前 次采樣時(shí)每次采樣所對(duì)應(yīng)的《個(gè)傳感器之間的支持矩陣#α=ι，2，…， ); 具體的步驟如下
首先，根據(jù)同一次采樣時(shí)每個(gè)傳感器的觀測(cè)值和測(cè)量方差計(jì)算出任意兩個(gè)傳感器i和 J·之間的置信距離為/，0<為/< 1，為/越小表示兩個(gè)傳感器的支持度越高； 然后，令^/=1-為/，則rj越大表示兩個(gè)傳感器之間的支持度越高； 最后，由每個(gè)傳感器之間的r,./組成支持矩陣夕，即
及 —C^f )ημΚ ；
②給由上步計(jì)算出來(lái)的每個(gè)支持矩陣中的支持度指標(biāo)r,./標(biāo)上正負(fù)號(hào)，即
權(quán)利要求
1.一種數(shù)據(jù)不完備下基于一致性數(shù)據(jù)替換的結(jié)構(gòu)異常檢測(cè)方法，其特征在于首先在部分傳感器失效的情況下對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行采集，得到含有不完備數(shù)據(jù)的響應(yīng)信號(hào)；然后對(duì)采集到的所有信號(hào)進(jìn)行去噪處理；接著對(duì)其中的不完備數(shù)據(jù)利用一致性數(shù)據(jù)替換方法進(jìn)行完備化處理；最后將完備化處理后的數(shù)據(jù)利用小波分解實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)異常檢測(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)不完備下基于一致性數(shù)據(jù)替換的結(jié)構(gòu)異常檢測(cè)方法，其特征在于，所述信號(hào)的去噪處理包括以下步驟①選擇小波函數(shù)對(duì)含噪信號(hào)進(jìn)行小波分解；②利用門限閾值方法對(duì)分解所得的小波系數(shù)進(jìn)行處理；③將處理后的小波系數(shù)進(jìn)行小波重構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)不完備下基于一致性數(shù)據(jù)替換的結(jié)構(gòu)異常檢測(cè)方法， 其特征在于，所述不完備數(shù)據(jù)利用一致性數(shù)據(jù)替換方法進(jìn)行完備化處理包括以下步驟設(shè)有《個(gè)傳感器，其中傳感器/7在采樣 次后失效；①計(jì)算出前 次采樣時(shí)每次采樣所對(duì)應(yīng)的《個(gè)傳感器之間的支持矩陣#α=ι，2，…， ); 具體的步驟如下首先，根據(jù)同一次采樣時(shí)每個(gè)傳感器的觀測(cè)值和測(cè)量方差計(jì)算出任意兩個(gè)傳感器i和 J·之間的置信距離為/，0<為/< 1，為/越小表示兩個(gè)傳感器的支持度越高； 然后，令^/=1-為/，則rj越大表示兩個(gè)傳感器之間的支持度越高； 最后，由每個(gè)傳感器之間的r,./組成支持矩陣夕，即②給由上步計(jì)算出來(lái)的每個(gè)支持矩陣中的支持度指標(biāo)r,./標(biāo)上正負(fù)號(hào)，即
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)不完備下基于一致性數(shù)據(jù)替換的結(jié)構(gòu)異常檢測(cè)方法， 其特征在于，所述將完備化處理后的數(shù)據(jù)利用小波分解實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)異常檢測(cè)包括以下步驟①提取經(jīng)一致性數(shù)據(jù)替換方法完備化處理后的數(shù)據(jù)；②選擇小波函數(shù)，并對(duì)提取出的數(shù)據(jù)進(jìn)行多尺度的小波分解；③觀察分解后信號(hào)的高頻成分，看高頻成分波形有無(wú)突變點(diǎn)，若存在突變點(diǎn)，則表示結(jié)構(gòu)存在異常，且突變點(diǎn)的位置就是結(jié)構(gòu)異常發(fā)生的時(shí)間，否則，則結(jié)構(gòu)正常。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種數(shù)據(jù)不完備下基于一致性數(shù)據(jù)替換的結(jié)構(gòu)異常檢測(cè)方法。該方法首先利用多個(gè)傳感器對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行采集，其中某些傳感器失效，從而得到含有不完備數(shù)據(jù)的響應(yīng)信號(hào)；然后對(duì)采集到的所有信號(hào)進(jìn)行去噪處理；接著對(duì)其中的不完備數(shù)據(jù)利用一致性數(shù)據(jù)替換方法進(jìn)行完備化處理；最后將完備化處理后的數(shù)據(jù)利用小波分解實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)異常檢測(cè)。該方法能夠很好地處理多自由度、非自由振動(dòng)、非線性、非穩(wěn)態(tài)及不完備的響應(yīng)信號(hào)，可用于土木工程、航空航天、自動(dòng)控制、機(jī)械工程、橋梁工程、水利工程等領(lǐng)域的信號(hào)處理，具有提高數(shù)據(jù)的抗干擾能力，提高不完備數(shù)據(jù)下的結(jié)構(gòu)異常檢測(cè)準(zhǔn)確率的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01M13/00GK102323049SQ20111020065
公開(kāi)日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月18日
發(fā)明者吳兆旗, 姜紹飛, 韓哲東 申請(qǐng)人:福州大學(xué)