土木工程结构安全性在线评估及监测技术研究

2022-06-21李争李伟

粘接 2022年6期

李争　李伟

摘要：针对土木工程监测方案中存在的人工成本高、检测精度较低和无法实时监控等问题，利用分布式光纤布里渊监测技术设计一套在线监测系统，实现土木工程结构的实时监控。利用小波变换对传感器采集的布里渊频移数据进行降噪处理，实现建筑损伤的精确识别;为验证本设计方案的可靠性，比较不同波基的算法的降噪效果。采用波基为N=3的小波滤波最大误差为4.21%，波基为N=5的小波濾波最大误差为3.38%;研究采用波基为db5的滤波方案，将其与孤立森林算法进行比较，得出采用db5小波滤波方案处理数据相对误差降低了3.8%。将光纤布里渊频移监测方案与拉压力传感器监测方案的检测数据进行比较，得出采用光纤布里渊频移监测方案其平均误差降低了5%以上。

关键词：土木工程结构;在线检测;布里渊频移;小波滤噪;建筑损伤识别

中图分类号：FU3

文献标识码：A文章编号：1001-5922（2022）06-0138-05

Research on online safety assessment and monitoring technology of civil engineering structure

Li Zheng Li Wei

（1.Zaozhuang Housing Development Center， Zaozhuang 277800， Shandong China;

2. School of Civil Engineering， Shandong University， Jinan 250061， China

）

Abstract：Aiming at the problems of high labor cost， low detection accuracy and inability to monitor in real time in the civil engineering monitoring scheme， this study uses distributed optical fiber Brillouin monitoring technology to design an online monitoring system， which can realize real-time monitoring of civil engineering structures. Wavelet transform is used to denoise the Brillouin frequency shift data collected by the sensor to achieve accurate identification of building damage. In order to verify the reliability of this design scheme， the noise reduction effects of algorithms with different wave bases are compared. The maximum error of wavelet filtering with wave base N=3 is 4.21%， and the maximum error of wavelet filtering with wave base N=5 is 3.38%; therefore， the filtering scheme with wave base db5 is adopted in this study. Compared with the isolated forest algorithm， it is concluded that the relative error of the data processed by the db5 wavelet filtering scheme is reduced by 3.8%. Comparing the detection data of optical fiber Brillouin frequency shift monitoring scheme with that of tension pressure sensor monitoring scheme， it is concluded that the average error of optical fiber Brillouin frequency shift monitoring scheme is reduced by more than 5%.

Key words：civil engineering structure; online detection; Brillouin frequency shift; wavelet denoising; building damage identification

随着全国范围内基础设施建设的逐步开展，对于土木工程设施的维护称为重中之重，需要一套对土木工程进行监控的方案。由于土木工程长期存在，该监控方案需要能够长时间提供稳定的监控能力，用于传统人工利用简易设备进行监测，这需要消耗大量人工成本且效率低下[1-2]。

由于传统建筑监测方案的不足，有学者提出一种利用有限元分析实现对建筑损伤进行识别，该方案通过将传感器采集到的数据进行降噪处理，然后进行模态参数识别，完成对建筑损伤的识别[3]，但是用于建筑故障种类繁多，并且受限于传感器的精度，因此监测精度较低;还有采用物联网技术建立三维全景监控方案，通过Java和Matlab进行设计软件交互语言[4];利用三维激光扫描装置对建筑断面进行分析，通过多角度综合分析，得出建筑安全状况[5]。但是，由于受限于设备信息来源问题，无法做到实时对建筑进行监测，不能及时掌握方案建筑状况。

鉴于此，本研究利用分布式光纤布里渊监测技术对建筑信息进行采集，进而针对本土木建筑的在线监控方案进行详细说明。

1土木建筑在线监测方案

土木建筑在线监测方案，如图1所示。

土木结构建筑包含范围广，监控时间长，如何实现土木建筑在线监测就成为亟待解决的问题，本研究利用分布式光纤布里渊监测技术实现建筑主体的检测[6]，并利用小波变换对采集布里渊移频数据进行降噪处理，完成土木工程形变和温度异常的实时监控，该研究在线监控方案具体见图[7-8]。

由图1可知，本研究利用光纤布里渊传感设计对土木工程结构的各项数据进行采集，设备系统对采集的详细信息进行汇聚。并研究了光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）对布里渊信号的影响。由于布里渊频移会受到到周围环境的影响，需要对布里渊信号进行处理，利用小波变换对数据进行降噪处理，该技术大大提高了土木工程数据检测的准确性。在监测算法模型中，通过对光纤的智能共线系统能够实现数据信息的汇总，并将光纤材料的力学特性和光纤在建筑内部的分布情况综合到数据库中，通过分析光强功率的变化分析异常点到采集节点的距离，以此完成对异常点位置的定位，并通过运维平台进行标准化、协议化处理[9-10]。

2土木工程应变在线监测方案

由于土木工程监测方案中需要对墙体的温度和形变数据进行长时间进行监测，这更需要稳定、可靠的监控方案，本研究采用分布式光纤布里渊监测技术对建筑进行检测，并利用小波变换对采集布里渊移频数据进行降噪处理，完成土木工程形变和温度异常的实时监控。

（1）在本研究采用分布式光纤布里渊监测技术对建筑进行检测，在建筑中连接光纤管道，当建筑单元发生形变或温度异常时，其光纤管道也会发生变化，导致光纤中传输光线的布里渊移频发生变化，通过分析布里渊移频的变换值和光强功率变化对故障位置进行精确定位[11];

（2）在对光纤中布里渊移频数据进行测量，鉴于安装工艺、设备材料等因素造成误差，为提高监测系统的测量精度，本研究通過小波变换和洛伦兹拟合对数据进行处理，研究光纤长时监测的有效性[12]。

2.1分布式光纤布里渊检测方案

在土木工程结构中常发生的安全性问题主要是材料膨胀系数不同，各个结构之间发生形变，造成不同结构之间产生内部应力，本研究利用光纤布里渊技术对建筑结构进行健康监测和结构损伤识别。布里渊散射是由于光子与声子之间产生交互作用造成的，通过布里渊散射的变化情况可以对光路中的温度和应变进行定位，在布里渊检测中通过在光纤的两端通入探测激光和泵浦激光，分析其发生的布里渊激光频差，通过连续检测得到的不同位置的布里渊移频，利用建立的布里渊移频与建筑结构的温度、形变的关系函数得出光纤任意位置的温度和形变情况，声波在光纤中进行传播拥有一定的速度，因此散射的光子的频率相对于入射光子会发生偏移，其偏移的程度称为布里渊移频，其数学表达式：

式中：v为光纤中由于热运动产生的声子移动的速度;λ为入射的泵浦光光线的波长;n为光纤材料本身的折射率;v为在光纤材料中进行传递的光纤发生的布里渊移频。其中，声子的移动速度可以通过利用光线材料本身固有的介质泊松比、光纤的弹性模量以及密度进行计算，其计算公式：

式中：E为光纤材料的弹性模量;k表示为光纤材料的泊松比;ρ为光纤材料的密度。通过3项二氧化硅材料的固有属性数据就可以计算光纤中的声子传播的速度[13-14]。

在光纤管道中发生着热光效应和弹光效应2种影响光线传输的效应。其中，温度通过改变原子振动的幅度等因素影响热光效应，光纤材料应变是由于宏观材料发生形变，光纤材料在微观结构上产生应力，造成分子不处于最低能级，影响光子传递中的弹光效应，该2种效应最终造成光纤材料折射率的改变，其中光纤材料的温度、应变程度对构成光纤的二氧化硅材料折射率、弹性模量、泊松比和密度的影响通过构造变量函数进行表示，其布里渊移频的完整表达式如式3所示。

由于布里渊移频同时受到温度和材料形变的影响，当材料温度或者形变量恒定保持不变时，可以通过光纤中传导的光信号的布里渊频移变换量和光强功率变化量得出温度变化或形变程度的位置，其中需要探测的地点到探测光源的距离如式（4）所示。

式中：Z为探测光源与探测地点之间的距离;c为光线在光纤中传播的速度;n为光纤的组成材料二氧化硅的折射率;t为光线在光纤中进行传播的时间。当光纤的温度恒定时，其布里渊移频的二阶表达式：

式中：C为设备材料的布里渊频移对材料形变的敏感系数;v为二氧化硅材料初始的布里渊频移系数;ε为光纤导线初始化的应变情况;ε为光纤材料的形变程度数据;Δε为光纤材料从初始化应变状态到现在箱变程度数据。因此，在光纤材料形变程度不变的情况下，其布里渊移频的二级展开函数：

式中：C为设备材料的布里渊频移对材料温度的敏感系数;T和T为光纤材料的温度和初始化温度。通过对式（5）、式（6）进行联立，可以得出温度和形变对布里渊移频影响的二元函数关系：

根据式（7），通过测量光纤通路中光线的布里渊移频的变化情况，进而监控空间中的温度和形变程度，提高土木建筑的监控能力[15-16]。

2.2布里渊频移数据的滤噪处理

由于布里渊分布式光纤传感技术是分析散射信号的布里渊频移信号，通过分析布里渊频移信号的时空特性，可以得出光纤导路中不同位置的温度和形变数据。由于光纤通路固定在建筑墙体中，因此墙体的温度和形变会带动光纤的形变和温度变化，通过这种原理实现建筑实时监控。土木工程施工采用粗放式施工，这会对光路造成影响，使采集到的频移信号信噪比较低，需要对数据进行降噪处理。本研究通过利用小波变换对数据进行降噪处理，实现海量信息的局部特征的提取，在小波变换域中区分信号和噪音数据。

在小波变换中通过利用时域变换对数据进行处理，可以实现对数据的多分辨率分析。其中小波变换的母函数需要满足一定的积分边界条件，边界条件：

式中：ψ（x）为小波变换母函数，通过傅里叶变换可以得出函数ψω;小波变换母函数通过对函数图像进行拉伸、收缩和平移处理，可以得出小波函数的通式ψ（x）。其通式ψ（x）：

式中：a、b分别为小波函数图像伸缩和平行位移的函数因子;通过傅里叶变换得出函数ψ（x）就可以定义为受到a和b影响的连续性小波函数。其中连续性小波变换函数定义：

式中：W（a，b）为函数f（x）在小波基函数ψ（x）方向的分解结果;ψ*（x）、ψ（x）为互为共轭函数。由于在计算时无法进行无限精度的划分，因此函数尺度因子a按照幂级数进行离散化处理，将函数伸缩因子b按照均匀取值的方式进行离散化划分，其分析函数f（x）的离散化小波变换函数：

通过式（12）的离散型小波函数就可以对光纤设备检测的布里渊频移数据进行处理，降低其中存在的噪音数据，提高对形变和温度数据的监测精度。

3模拟仿真试验

为了分析本研究设计建筑安全性监测装置的可靠性，通过对小波变换的滤噪效果和布里渊频移监测方案的准确性2个方面进行试验。其中在对小波变换降噪效果试验中通过选取一套36组的光线布里渊频移数据和光纤内部具体应力数据，通过利用未滤波、孤立森林和db5 3种方案对数据进行处理，预测光纤内部的应力数据，并将预测数据与实际应力数据進行比较，得出其的误差数据;在对布里渊频移监测方案的准确性试验中通过对10 m钢轨的形变进行检测来模拟实验;通过利用拉压力传感器和光纤布里渊频移监测装置分别对钢轨进行检测，通过设备对钢轨进行不定期的施加外部压力使其形变，分析2种检测方案对形变情况的检测效果[17-18]。

在本次实验中所选取的计算机模拟环境为：选用Ubuntu12.04作为操作系统平台，设置计算机内存为32 GB，Intel Xeon W-2145 CPU 3.70 GHz，采用NVlDIAGeForce4 MX440 64M显卡，本次模拟仿真实验的软件选取Matlab 7.0软件[19]。在对小波变换降噪效果试验中将滤波处理数据与2种不同的小波滤波方案进行比较，分析小波变换的降噪效果和不同波基的小波变换方案的降噪效果，统计数据结果如表1所示。

由表1可知，通过对光纤通路增加不同的负载，并统计光路中传输光信号的布里渊频移数据，利用波基为N=3和波基为N=5的小波，对获取的数据信息进行滤波处理，得出采用小波变换可以提高数据预测的精度。其中不进行滤波处理方案最大误差为17.82%，采用波基为N=3的小波滤波最大误差为4.21%;采用波基为N=5的小波滤波最大误差为3.38%。这表明，采用小波滤波可以明显降低数据的误差;采用波基为N=5的可以更高效对数据进行处理[20]。

为了分析不同滤波方案的滤波效果，通过db5小波滤波算法、孤立森林算法和未进行滤波处理的数据进行相对误差率计算，相对误差统计结果如图2所示。

由图2可知，实线为采用db5小波滤波处理数据预测的相对误差，最大值为2.3%;短横线线为采用孤立森林滤波处理数据预测的相对误差，最大值为6.1%;虚线为未采用滤波处理数据预测的相对误差，最大值为9.8%，通过相对误差数据可以得出采用波基为N=5的小波滤波方案可以高效的过滤噪音数据。为分析本研究设计的检测模型对形变负载的监测情况，对钢轨增加负载使其形变，通过拉压力传感器监测方案和光纤布里渊频移监测方案2种监测方案进行分析，将2种监测方案与试验外加负载进行比较，分析监测方案检测的准确性，监测方案的检测结果如图3所示。

由图3可知，短横线为采用拉压力传感器监测方案监测的钢轨的负载数据;虚线为采用光纤布里渊频移监测方案进行监测的钢轨负载数据;实线为试验中对钢轨真实外加的负载，通过图像可以看出采用光纤布里渊频移监测方案的负载监测误差比较稳定，平均小于3%;采用拉压力传感器监测方案在高负载时误差较大，其平均误差在8%左右。

4结语

本研究通过小波变换对数据进行降噪处理，通过试验进行监测该方案的可靠性，并得出以下结论[20]：

（1）本实验对不同波基的小波滤波方案进行比较试验，得出采用波基为N=3的小波滤波最大误差为4.21%;采用波基为N=5的小波滤波最大误差为3.38%。由此可知，采用小波滤波可以明显降低数据的误差性;采用波基为N=5的参数后，可以更高效地实现对数据滤波。通过将孤立森林算法与波基为db5小波滤波进行比较，可以得出，采用db5小波滤波处理后，数据预测相对误差降低了3.8%。因此采用波基为db5小波滤波能够更精确地进行检测;

（2）本研究为了分析光纤布里渊频移监测方案对墙体形变的监测准确性，利用钢轨来代替墙体进行模拟实验，其中采用光纤布里渊频移监测方案的负载监测误差比较稳定，平均小于3%;采用拉压力传感器监测方案在高负载时误差较大，其平均误差在8%左右。因此本研究设计的光纤布里渊频移监测方案可以更准确的进行建筑监测。

采用本研究设计光纤布里渊频移监测方案可以更准确的对建筑墙体的形变和温度异常进行监测，但是由于光纤中光线频移数据复杂，在数据分析时是会出现一定的误差，因此需要更进一步的优化。

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