本發(fā)明涉及腐蝕傳感器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理，特別是一種多光纖光柵鋼筋腐蝕傳感器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法。

背景技術(shù)：

鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)可實(shí)時(shí)獲取混凝土中鋼筋的腐蝕信息，不僅是盡早分析鋼筋腐蝕原因的有效手段，而且可為及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施提供必要條件，對(duì)于保障結(jié)構(gòu)耐久性和降低后期維護(hù)費(fèi)用有著積極意義。目前，已被廣泛用于港口碼頭、跨海大橋、海底隧道等處于嚴(yán)酷腐蝕環(huán)境下的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。光纖光柵鋼筋腐蝕傳感器集傳感與信息傳輸于一體，且具有抗干擾強(qiáng)、體積小、精度高等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為國(guó)內(nèi)外鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)開(kāi)發(fā)的新熱點(diǎn)。光纖光柵鋼筋腐蝕傳感器通常由腐蝕傳感器和補(bǔ)償傳感器兩部分組成，如中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利103616325b所公開(kāi)的一種鋼筋混凝土腐蝕監(jiān)測(cè)用光纖傳感器組合。光纖傳感器組合可通過(guò)光纖并聯(lián)器、光纖轉(zhuǎn)接盒、光纜、光纖監(jiān)測(cè)儀器等部件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，如中國(guó)實(shí)用新型專(zhuān)利203630020u所公開(kāi)的用于監(jiān)測(cè)混凝土中鋼筋腐蝕的光纖傳感遙測(cè)系統(tǒng)。實(shí)際使用時(shí)，單個(gè)傳感器僅能從某一范圍描述鋼筋腐蝕狀況，只能提供局部信息，很難準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)中鋼筋的普遍腐蝕狀況。因此，在實(shí)際工程中，通常會(huì)在結(jié)構(gòu)的典型區(qū)域埋設(shè)一定數(shù)量的傳感器，這便形成了多傳感器系統(tǒng)。與單個(gè)傳感器相比，多傳感器不僅能夠增強(qiáng)傳感器系統(tǒng)的存活能力和抗干擾能力，而且可以提高數(shù)據(jù)的可信度和精度，并增加信息的利用率。盡管多傳感器系統(tǒng)存在上述優(yōu)點(diǎn)，但由于采集的數(shù)據(jù)信息量大，范圍廣泛，而且數(shù)據(jù)之間可能存在相互關(guān)系等，使得多傳感器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理較單個(gè)傳感器更為復(fù)雜，且難度更大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)上述問(wèn)題，提出一種多光纖光柵鋼筋腐蝕傳感器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法，用以解決多光纖光柵鋼筋腐蝕傳感器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理問(wèn)題，并提高多傳感器系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可信度和精度。

為實(shí)現(xiàn)上述目的提出如下技術(shù)方案：

一種多光纖光柵鋼筋腐蝕傳感器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法，包括波長(zhǎng)數(shù)據(jù)預(yù)處理、異常數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)與剔除、一致性檢驗(yàn)、基于bayes估計(jì)的數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)融合值的模糊區(qū)間建立等過(guò)程。

所述波長(zhǎng)數(shù)據(jù)預(yù)處理，指根據(jù)采集的傳感器系統(tǒng)波長(zhǎng)信息，包括補(bǔ)償傳感器中心波長(zhǎng)、腐蝕傳感器中心波長(zhǎng)等，確定某時(shí)間段相對(duì)初始波長(zhǎng)的波長(zhǎng)變化量，然后根據(jù)波長(zhǎng)變化量與腐蝕率的定量關(guān)系得到相應(yīng)的腐蝕率數(shù)據(jù)；

所述異常數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)與剔除，指對(duì)從某組傳感器得到的腐蝕率數(shù)據(jù)進(jìn)行異常數(shù)據(jù)t檢驗(yàn)，剔除異常的數(shù)據(jù)，接著計(jì)算該組數(shù)據(jù)的均值和方差，并以腐蝕率均值代表該組傳感器某時(shí)間段的腐蝕率。

所述一致性檢驗(yàn)，指通過(guò)分布圖法對(duì)傳感器所得到的腐蝕率均值進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，根據(jù)相應(yīng)的閥值淘汰掉無(wú)效數(shù)據(jù)；

所述基于bayes估計(jì)的數(shù)據(jù)融合，指對(duì)經(jīng)過(guò)異常數(shù)據(jù)剔除和一致性檢驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行基于bayes估計(jì)的數(shù)據(jù)融合，獲得相應(yīng)的融合腐蝕率，作為某典型區(qū)域的腐蝕率；

所述腐蝕率融合值的模糊區(qū)間建立，指根據(jù)模糊隸屬函數(shù)及相應(yīng)閾值，確定某典型區(qū)域腐蝕率融合值的模糊區(qū)間，作為某典型區(qū)域的腐蝕率范圍。

一種多光纖光柵鋼筋腐蝕傳感器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法，具體步驟如下：

(1)波長(zhǎng)數(shù)據(jù)預(yù)處理

鋼筋腐蝕傳感器和相應(yīng)的補(bǔ)償傳感器構(gòu)成一個(gè)傳感器組，根據(jù)第j號(hào)補(bǔ)償傳感器h時(shí)間段的波長(zhǎng)和初始時(shí)間段的波長(zhǎng)計(jì)算補(bǔ)償波長(zhǎng)，接著對(duì)腐蝕傳感器中心波長(zhǎng)進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算，然后結(jié)合腐蝕傳感器初始波長(zhǎng)得到波長(zhǎng)變化量，最后根據(jù)波長(zhǎng)變化量與腐蝕率的定量關(guān)系計(jì)算h時(shí)間段的腐蝕率；波長(zhǎng)變化量δλi(h,j)及腐蝕率ρi(h,j)計(jì)算公式如下：

ρi(h,j)＝f[δλi(h,j)]i＝1,2,…,m；j＝1,2,…,n(2)

式中，λi(h,j)為h時(shí)間段第j號(hào)鋼筋腐蝕傳感器的第i次中心波長(zhǎng)的讀數(shù)值，λb(h,j)為h時(shí)間段相應(yīng)補(bǔ)償傳感器的讀數(shù)，λb(h0,j)為初始時(shí)間段相應(yīng)補(bǔ)償傳感器的波長(zhǎng)，λi(h0,j)為初始時(shí)間段第j號(hào)鋼筋腐蝕傳感器波長(zhǎng)讀數(shù)的平均值，ρi(h,j)為第j號(hào)傳感器h時(shí)間段的鋼筋腐蝕率，δλi(h,j)為波長(zhǎng)變化量，f(·)為波長(zhǎng)變化量與鋼筋腐蝕率的定量關(guān)系。

(2)異常數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)與剔除

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，得到h時(shí)間段每組傳感器的m個(gè)腐蝕率ρi(h,j)，然后用t檢驗(yàn)準(zhǔn)則對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)和剔除。

①計(jì)算h時(shí)間段第j號(hào)鋼筋腐蝕傳感器ρi(h,j)的平均值

②在m個(gè)腐蝕率值中找出與平均值相比誤差最大的腐蝕率值ρk(h，j)作為可疑值，即

③計(jì)算不包括可疑值ρk(h,j)在內(nèi)的m-1個(gè)腐蝕率值的平均值以及標(biāo)準(zhǔn)誤差σ(h,j)*：

④選定顯著性水平α，計(jì)算t檢驗(yàn)系數(shù)k(m,α)：

其中tα(m-2)為顯著水平為α，自由度為m-2時(shí)的t分布臨界值；

⑤檢驗(yàn)異常值ρk(h,j)，當(dāng)

時(shí)，確定ρk(h,j)為異常值，將其剔除，然后對(duì)剩下的m-1個(gè)采集值重復(fù)上述檢驗(yàn)步驟；當(dāng)上式不成立時(shí)，ρk(h,j)不能剔除，檢驗(yàn)結(jié)束。

(3)一致性檢驗(yàn)

假設(shè)n個(gè)傳感器組在h時(shí)間段剔除異常數(shù)據(jù)后所求得的平均值分別為將這些平均值作為單個(gè)傳感器組的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。定義n個(gè)傳感器組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的范數(shù)n(j)為：

將n(j)從小到大排列為n(1)，n(2),…，n(n-1),n(n)，則n(n)和n(1)分別稱(chēng)為上極限值和下極限值，中位數(shù)為：

相應(yīng)的上、下四分位數(shù)fu和fv分別為區(qū)間[m,n(n)]與[n(1),m]的中位數(shù)。四分位數(shù)極差為：

df＝fu-fv(11)

若認(rèn)為與中位數(shù)的距離大于γdf是為離異值，當(dāng)|n(j)-m|＞γdf(j＝1,2,…，n-1,n)時(shí)n(j)是無(wú)效數(shù)據(jù)，相應(yīng)的淘汰點(diǎn)為：

θv＝m-γdf(12)

θu＝m+γdf(13)

式中，γ為一致性檢驗(yàn)常數(shù)，其大小視系統(tǒng)的測(cè)量誤差要求而定，在區(qū)間[θv,θu]內(nèi)傳感器數(shù)據(jù)被認(rèn)為是有效的一致傳感器數(shù)據(jù)，將用于多傳感器數(shù)據(jù)融合。

(4)基于bayes估計(jì)的數(shù)據(jù)融合

對(duì)經(jīng)過(guò)異常數(shù)據(jù)剔除和一致性檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行bayes數(shù)據(jù)融合，得到相應(yīng)的腐蝕率融合值μn，假設(shè)h時(shí)間段n個(gè)傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)一致性檢驗(yàn)后得到一致數(shù)據(jù)集為：bayes數(shù)據(jù)融合的基本公式如下：

式中，μn為腐蝕率融合值；為經(jīng)過(guò)一致性檢驗(yàn)后的有效數(shù)據(jù)；為的方差；μ0和分別為經(jīng)過(guò)一致性檢驗(yàn)后，有效傳感器組的多次有效數(shù)據(jù)的均值和方差。

(5)腐蝕率融合值的模糊區(qū)間建立

根據(jù)模糊隸屬函數(shù)及相應(yīng)閾值確定腐蝕率融合值的模糊區(qū)間，公式如下：

其中，為腐蝕率數(shù)據(jù)，ω為閥值，μn為腐蝕率融合值，的方差。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果為：

該數(shù)據(jù)處理方法可有效解決多光纖光柵鋼筋腐蝕傳感器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理問(wèn)題。采用每個(gè)傳感器組的多次讀數(shù)，剔除異常數(shù)據(jù)，并采用多傳感器數(shù)據(jù)融合，可提高傳感器系統(tǒng)的可靠性和魯棒性，擴(kuò)展時(shí)間或空間上的觀測(cè)范圍，增強(qiáng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可信度和精度，并增加信息的利用率。采用腐蝕率融合值的模糊區(qū)間，更能體現(xiàn)鋼筋腐蝕不均勻的特點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為多光纖光柵鋼筋腐蝕傳感器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案。

某鋼筋混凝土構(gòu)件布設(shè)了10個(gè)傳感器組，每個(gè)腐蝕傳感器讀數(shù)6次，每個(gè)補(bǔ)償傳感器讀數(shù)1次。腐蝕傳感器的平均初始波長(zhǎng)、補(bǔ)償傳感器的初始波長(zhǎng)和某次采集的波長(zhǎng)讀數(shù)見(jiàn)表1。腐蝕傳感器某次采集的波長(zhǎng)讀數(shù)見(jiàn)表2。傳感器組的腐蝕率ρ＝2.26916(δλ)²+0.64302δλ+0.23229，其中δλ為波長(zhǎng)變化量。傳感器組所得腐蝕率t檢驗(yàn)的顯著性水平為0.05，腐蝕率均值一致性檢驗(yàn)的系數(shù)γ為1.0，腐蝕率模糊區(qū)間建立時(shí)采用的閥值為0.5。根據(jù)表1和表2中的數(shù)據(jù)，計(jì)算腐蝕率融合值的模糊區(qū)間。

表1腐蝕傳感器及補(bǔ)償傳感器的波長(zhǎng)讀數(shù)

表2腐蝕傳感器采集的波長(zhǎng)讀數(shù)

根據(jù)本發(fā)明一種多光纖光柵鋼筋腐蝕傳感器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法，實(shí)施例1的具體數(shù)據(jù)處理步驟如下：

(1)波長(zhǎng)數(shù)據(jù)預(yù)處理

按照式(1)對(duì)表1和表2所采集的波長(zhǎng)讀數(shù)進(jìn)行波長(zhǎng)數(shù)據(jù)預(yù)處理，得到波長(zhǎng)變化量，然后將波長(zhǎng)變化量代入式(16)，得到相應(yīng)的腐蝕率值ρi(h,j)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

ρi(h,j)＝2.26916[δλi(h,j)]²+0.64302δλi(h,j)+0.23229(16)

表3傳感器的腐蝕率數(shù)據(jù)

備注：*異常數(shù)據(jù)，#為淘汰點(diǎn)。

(2)異常數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)與剔除

以第1號(hào)傳感器的6次讀數(shù)來(lái)演示異常數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)和剔除過(guò)程：

①根據(jù)式(3)計(jì)算傳感器組h時(shí)間段6個(gè)腐蝕率值的平均值，結(jié)果為4.78％。

②在6個(gè)腐蝕率值中找出與平均值相比誤差最大的腐蝕率值，結(jié)果為3.90％。

③計(jì)算不包括可疑值3.90％在內(nèi)的5個(gè)腐蝕率值的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)果為4.96％和0.261％。

④顯著性水平為0.05，根據(jù)式(7)計(jì)算t檢驗(yàn)系數(shù)k(6,0.05)，結(jié)果為3.041。

⑤檢驗(yàn)可疑值3.90％，計(jì)算得到

k(m,α)·σ(h,j)*＝3.041×0.261％＝0.79％(18)

由于確定3.90％為異常值，將其剔除；然后，對(duì)剩下的5個(gè)腐蝕率值重復(fù)上述檢驗(yàn)步驟。結(jié)果表明，剩下腐蝕率值均非異常值。采用與第1號(hào)傳感器相同的步驟對(duì)第2～10號(hào)傳感器的異常值進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。

(3)一致性檢驗(yàn)

對(duì)剔除異常值后計(jì)算所得的有效均值(見(jiàn)表3)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)：

①將有效均值從小到大排列：n(1)＝2.72％,n(2)＝4.52％,n(3)＝4.68％,n(4)＝4.95％,n(5)＝4.96％,n(6)＝5.04％,n(7)＝5.10％,n(8)＝5.27％,n(9)＝5.36％,n(10)＝5.48％。

②根據(jù)式(10)計(jì)算有效均值的中位數(shù)[n(6)+n(5)]/2，結(jié)果為m＝5.00％。

③根據(jù)式(11)計(jì)算四分位數(shù)極差df＝fu-fv＝5.32％-4.82％＝0.50％。

④根據(jù)式(12)計(jì)算有效的一致傳感器數(shù)據(jù)所在的區(qū)間[θv,θu]，結(jié)果為[4.50％,5.50％]，那么淘汰點(diǎn)為2.72％，即第10號(hào)傳感器組的數(shù)據(jù)。

(4)基于bayes估計(jì)的數(shù)據(jù)融合

根據(jù)式(14)對(duì)第1～9號(hào)傳感器組的有效均值進(jìn)行bayes數(shù)據(jù)融合，計(jì)算所得的腐蝕率融合值為5.07％，具體結(jié)果見(jiàn)表4。

表4根據(jù)第1～9傳感器組數(shù)據(jù)計(jì)算所得的腐蝕率融合值

(5)腐蝕率融合值的模糊區(qū)間建立

根據(jù)式(15)計(jì)算腐蝕率融合值的模糊區(qū)間，計(jì)算結(jié)果為[4.81％，5.33％]。

以上對(duì)本發(fā)明做了示例性的描述，應(yīng)該說(shuō)明的是，在不脫離本發(fā)明的核心的情況下，任何簡(jiǎn)單的變形、修改或者其他本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠不花費(fèi)創(chuàng)造性勞動(dòng)的等同替換均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。