建筑物傾斜角度的預(yù)測方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及建筑物監(jiān)測系統(tǒng)領(lǐng)域，特別是設(shè)及一種建筑物傾斜角度的預(yù)測方法及 系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著鐵路無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，作為保障高速鐵路安全運(yùn)營的 重要基礎(chǔ)設(shè)施--GSM-R(GlobalSystemforMobileCommunications-Railway或 GSM-Railway，數(shù)字移動通信系統(tǒng)）通信鐵塔越來越多地被部署和應(yīng)用。然而，由于一些惡 劣地質(zhì)現(xiàn)象、鐵塔老化氧化、人為破壞等原因，造成鐵塔傾斜情況時有發(fā)生，嚴(yán)重時甚至導(dǎo) 致鐵塔倒塌。鐵塔的傾斜和倒塌不僅會造成通信網(wǎng)絡(luò)中斷和行車中斷，甚至?xí)l(fā)其他鐵 路事故，該對通信網(wǎng)正常工作和安全行車帶來安全隱患。類似的事故也經(jīng)常發(fā)生在其他建 筑物上，同樣會對建筑物內(nèi)部及其周邊的人員、財產(chǎn)和交通造成巨大的安全隱患。因此對建 筑物的傾斜狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測并對建筑物傾斜數(shù)據(jù)進(jìn)行自動分析顯得尤為重要。
[0003]目前針對建筑物（如；鐵塔）傾斜的數(shù)據(jù)分析采用較多的是使用傳感器已經(jīng)采集 到的建筑物傾斜數(shù)值進(jìn)行分析的方法，該方法不能基于已有數(shù)集中蘊(yùn)含的信息預(yù)測任意風(fēng) 向、任意風(fēng)速下的傾斜角度，因而不能對建筑物在一定范圍內(nèi)風(fēng)向、風(fēng)速下的傾斜情況作宏 觀趨勢分析，難W保證數(shù)據(jù)分析結(jié)果的精確性，也難W獲得造成建筑物傾斜的原因中風(fēng)向、 風(fēng)速等因素各自占據(jù)的比例，不能確定哪個是最主要的原因，使得相關(guān)應(yīng)對措施不及時產(chǎn) 生因為鐵塔傾倒造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失的現(xiàn)象。而依靠專口的監(jiān)控人員來進(jìn)行人工分析判 斷，不僅會急劇加大建筑物監(jiān)測系統(tǒng)的人工成本，還會因為人工判斷的主觀性和非精確性， 造成計算偏差，同樣不能保證數(shù)據(jù)分析結(jié)果的精確性，有可能導(dǎo)致應(yīng)對措施錯誤、鐵塔等建 筑物倒塌的后果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 基于此，有必要針對現(xiàn)有的建筑物傾斜的數(shù)據(jù)分析方法不能基于已有數(shù)集中蘊(yùn)含 的信息預(yù)測任意風(fēng)向、任意風(fēng)速下的傾斜角度，難W保證數(shù)據(jù)分析結(jié)果的精確性，可能導(dǎo)致 應(yīng)對措施錯誤、建筑物倒塌后果的問題，提供一種建筑物傾斜角度的預(yù)測方法及系統(tǒng)。
[0005]為達(dá)到發(fā)明目的，本發(fā)明提供一種建筑物傾斜角度的預(yù)測方法，包括W下步驟：
[0006]讀取建筑物在至少2個不同風(fēng)向和不同風(fēng)速下的傾斜角度測量值，并將所述傾斜 角度測量值導(dǎo)入風(fēng)向為縱坐標(biāo)軸、風(fēng)速為橫坐標(biāo)軸的數(shù)據(jù)矩陣中；
[0007] 采用矩陣分解法和梯度下降法，對所述數(shù)據(jù)矩陣中已知的所述傾斜角度測量值進(jìn) 行擬合，得到所述數(shù)據(jù)矩陣中各點對應(yīng)的所述建筑物的傾斜角度預(yù)測值，并在所述傾斜角 度測量值與所求得的所述數(shù)據(jù)矩陣中對應(yīng)的傾斜角度預(yù)測值的均方根誤差滿足預(yù)設(shè)條件 時，輸出所述數(shù)據(jù)矩陣中所有點對應(yīng)的所述傾斜角度預(yù)測值；
[0008]獲取輸出的所述傾斜角度預(yù)測值，將所述數(shù)據(jù)矩陣中各個點對應(yīng)的所述傾斜角度 預(yù)測值與預(yù)設(shè)傾斜角度闊值進(jìn)行比較，并將超出所述預(yù)設(shè)傾斜角度闊值的所有傾斜角度預(yù) 測值在所述數(shù)據(jù)矩陣中對應(yīng)點處的風(fēng)向和風(fēng)速進(jìn)行保存，形成易傾斜風(fēng)向風(fēng)速數(shù)集；
[0009] 獲取所述建筑物所處環(huán)境在未來一段時間內(nèi)的風(fēng)向和風(fēng)速的預(yù)報值；
[0010] 將所獲取的所述建筑物的風(fēng)向和風(fēng)速的預(yù)報值與所述易傾斜風(fēng)向風(fēng)速數(shù)集中的 各點處的風(fēng)向和風(fēng)速進(jìn)行比較；
[0011] 當(dāng)所獲取的風(fēng)向和風(fēng)速的預(yù)報值落入所述易傾斜風(fēng)向風(fēng)速數(shù)集中的風(fēng)向和風(fēng)速 的預(yù)設(shè)范圍時，發(fā)出預(yù)警的信號。
[0012] 作為一種可實施例，采用矩陣分解法和梯度下降法，對所述數(shù)據(jù)矩陣中已知的所 述傾斜角度測量值進(jìn)行擬合，得到所述數(shù)據(jù)矩陣中各點對應(yīng)的所述建筑物的傾斜角度預(yù)測 值，包括如下步驟：
[0013] 采用最小化均方根誤差方法，構(gòu)建需要優(yōu)化的函數(shù)表達(dá)式：
[0014]
[0015] 其中，所述建筑物的傾斜角度的預(yù)測公式為。1=&?如，Pd為風(fēng)向d的向量，q,為 風(fēng)速S的向量，K為所述建筑物經(jīng)歷的風(fēng)向和風(fēng)速的集合，rd,為特定風(fēng)向d與風(fēng)速S的組 合出現(xiàn)時所述建筑物的傾斜角度測量值，L為所述傾斜角度測量值與所述傾斜角度預(yù)測值 均方根誤差的最小值；
[001引采用梯度下降法得到Pd向其負(fù)梯度方向的迭代運(yùn)算公式為：
[0019] 采用梯度下降法得到q,向其負(fù)梯度方向的迭代運(yùn)算公式為；
[0020] 將函數(shù)L對于Pd的梯度R(d)代入Pd向其負(fù)梯度方向的迭代運(yùn)算公式，得到Pd= Pd+2n?Gds?Qs;
[0021] 將函數(shù)L對于ca勺梯度R(S)代入q,向其負(fù)梯度方向的迭代運(yùn)算公式，得到q,= Qs巧n?Gds?Pd;
[0022] 根據(jù)最終得到的風(fēng)向d的向量值和最終得到的風(fēng)速s的向量值，利用公式 =化.求得所述建筑物的傾斜角度預(yù)測值；
[002引其中；6ds= r ds_Pd?Qs，n為學(xué)習(xí)率。
[0024] 作為一種可實施例，采用矩陣分解法和梯度下降法，對所述數(shù)據(jù)矩陣中已知的所 述傾斜角度測量值進(jìn)行擬合，得到所述數(shù)據(jù)矩陣中各點對應(yīng)的所述建筑物的傾斜角度預(yù)測 值，包括如下步驟：
[0025] 采用最小化均方根誤差方法，并加入正則化項后構(gòu)建需要優(yōu)化的函數(shù)表達(dá)式如 下：
[0026] 其中，所述建筑物的傾斜角度的預(yù)測公式為=化乂，Pd為風(fēng)向d的向量，q,為 風(fēng)速S的向量，K為所述建筑物經(jīng)歷的風(fēng)向和風(fēng)速的集合，rd,為特定風(fēng)向d與風(fēng)速S的組 合出現(xiàn)時所述建筑物的傾斜角度測量值，L為所述傾斜角度測量值與所述傾斜角度預(yù)測值 均方根誤差的最小值；
[0029] 采用梯度下降法得到Pd向其負(fù)梯度方向的迭代運(yùn)算公式為
[0030] 采用梯度下降法得到q,向其負(fù)梯度方向的迭代運(yùn)算公式為
[003。將函數(shù)L對于Pd的梯度R(d)代入Pd向其負(fù)梯度方向的迭代運(yùn)算公式，得到Pd= Pd+2 n ?知日? Qs-入? Pd);
[003引將函數(shù)L對于屯的梯度R(s)代入q,向其負(fù)梯度方向的迭代運(yùn)算公式，得到q,=9日+2 n ?知日? P廣入? Qs);
[0033] 根據(jù)最終得到的風(fēng)向d的向量值和最終得到的風(fēng)速S的向量值，利用公式 心化?如求得所述建筑物的傾斜角度預(yù)測值；
[0034]其中，6ds=rds-Pd?Qs，MPdlI2為Pd的二范數(shù)，IkJI2為Qs的二范數(shù)，^ 為正則 化系數(shù)，n為學(xué)習(xí)率。
[00巧]作為一種可實施例，采用矩陣分解法和梯度下降法，對所述數(shù)據(jù)矩陣中已知的所 述傾斜角度測量值進(jìn)行擬合，得到所述數(shù)據(jù)矩陣中各點對應(yīng)的所述建筑物的傾斜角度預(yù)測 值，包括如下步驟：
[0036] 采用最小化均方根誤差方法，并加入正則化項和偏置部分后構(gòu)建的需要優(yōu)化的函 數(shù)表達(dá)式如下：
[0037]
[003引其中，所述建筑物的傾斜角度的預(yù)測公式為rJs=& ?樂，Pd為風(fēng)向d的向量，q,為 風(fēng)速S的向量，K為所述建筑物經(jīng)歷的風(fēng)向和風(fēng)速的集合，rd,為特定風(fēng)向d與風(fēng)速s的組 合出現(xiàn)時所述建筑物的傾斜角度測量值，L為所述傾斜角度測量值與所述傾斜角度預(yù)測值 均方根誤差的最小值；
[0043] 采用梯度下降法得到bd向其負(fù)梯度方向的迭代運(yùn)算公式為：
；
[0044]采用梯度下降法得到b,向其負(fù)梯度方向的迭代運(yùn)算公式為：
；
[0045] 采用梯度下降法得到Pd向其負(fù)梯度方向的迭代運(yùn)算公式為：
；
[0046] 采用梯度下降法得到q,向其負(fù)梯度方向的迭代運(yùn)算公式為：
[0047] 將函數(shù)L對于bd的梯度R化d)代入bi向其負(fù)梯度方向的迭代運(yùn)算公式，得到b d = bd+2 n ?知日-入? bd);
[004引將函數(shù)L對于b,的梯度R化代入b,向其負(fù)梯度方向的迭代運(yùn)算公式，得到b ,= bs+2 n ?知日-入? bs);
[0049] 將函數(shù)L對于Pd的梯度R(d)代入P d向其負(fù)梯度方向的迭代運(yùn)算公式，得到P d= Pd+2 n ?知日? Qs-入? Pd);
[0050] 將函數(shù)L對于ca勺梯度R(s)代入q ,向其負(fù)梯度方向的迭代運(yùn)算公式，得到q ,= Qs+2 n ?知日? P廣入? Qs);
[0051]根據(jù)最終得到的風(fēng)向d的向量值，最終得到的風(fēng)速s的向量值w及最終得到的風(fēng) 向偏置bd的值和風(fēng)速偏置b,的值，利用公式r；： =// + &, +6, +扔'g,求得所述建筑物的傾斜 角度預(yù)測值；
[005引其中，6d,=rd,-y-bd-b,-Pd?屯，y表示所述建筑物的所述傾斜角度測量值的總 體趨勢，bd為風(fēng)向偏置，表示某一特定風(fēng)向?qū)λ鼋ㄖ飪A斜角度的影響，其獨(dú)立于所述建 筑物對風(fēng)速的反應(yīng)特征，b,為風(fēng)速偏置，表示某一特定風(fēng)速對所述建筑物傾斜角度的影響， 其為獨(dú)立于所述建筑物對風(fēng)向的反應(yīng)特征，偏置部分表示為bd,=y+bd+lvIIpJL為Pd的 二范數(shù)，11屯IL為Qs的二范數(shù)，^為正則化系數(shù)，n為學(xué)習(xí)率。
[0053] 作為一種可實施例，在所述讀取建筑物在至少2個不同風(fēng)向和不同風(fēng)速下的傾斜 角度測量值，并將所述傾斜角度測量值導(dǎo)入到風(fēng)向為縱坐標(biāo)軸、風(fēng)速為橫坐標(biāo)軸的數(shù)據(jù)矩 陣之后，包括如下步驟：
[0054] 當(dāng)所有的所述傾斜角度測量值導(dǎo)入所述數(shù)據(jù)矩陣后，所述數(shù)據(jù)矩陣仍有空缺的數(shù) 據(jù)位置，則在所述空缺的數(shù)據(jù)位置上導(dǎo)入預(yù)設(shè)常數(shù)。
[0055] 作為一種可實施例，所述在所述傾斜角度測量值與所求得的所述數(shù)據(jù)矩陣中對應(yīng) 的傾斜角度預(yù)測值的均方根誤差滿足預(yù)設(shè)條件時，輸出所述數(shù)據(jù)矩陣中所有點對應(yīng)的所述 傾斜角度預(yù)測值，包括如下步驟：
[0056] 判斷前一次迭代所得的所述傾斜角度預(yù)測值與所述傾斜角度測量值的均方根誤 差和后一次迭代所得的所述傾斜角度預(yù)測值與所述傾斜角度測量值的均方根誤差的差值 的絕對值是否小于預(yù)設(shè)闊值；
[0057] 若是，則執(zhí)行結(jié)束的步驟，并輸出后一次迭代所得的所述傾斜角度預(yù)測值；
[0058] 若否，則繼續(xù)執(zhí)行所述采用矩陣分解法和梯度下降法，對所述數(shù)據(jù)矩陣中已知的 所述傾斜角度測量值進(jìn)行擬合，得到所述數(shù)據(jù)矩陣中各點對應(yīng)的所述建筑物的傾斜角度預(yù) 測值的步驟；
[0059] 或者判斷后一次迭代所得的所述傾斜角度預(yù)測值與所述傾斜角度測量值的均方 根誤差是否大于前一次迭代所得的所述傾斜角度預(yù)測值與所述傾斜角度測量值的均方根 誤差；
[0060] 若是，則執(zhí)行結(jié)束的步驟，并輸出前一次迭代所得的所述傾斜角度預(yù)測值；
[0061] 若否，則繼續(xù)執(zhí)行所述采用矩陣分解法和梯度下降法，對所述數(shù)據(jù)矩陣中已知的 所述傾斜角度測量值進(jìn)行擬合，得到所述數(shù)據(jù)矩陣中各點對應(yīng)的所述建筑物的傾斜角度預(yù) 測值的步驟。
[0062] 本發(fā)明還提供一種建筑物傾斜角度的預(yù)測系統(tǒng)，包括讀取導(dǎo)入模塊，擬合模塊，數(shù) 集模塊和獲取比較模塊，其中：
[0063] 所述讀取導(dǎo)入模塊，被配置W讀取建筑物在至少2個不同風(fēng)向和不同風(fēng)速下的傾 斜角度測量值，并將所述傾斜角度測量值導(dǎo)入到風(fēng)向為縱坐標(biāo)軸、風(fēng)速為橫坐標(biāo)軸的數(shù)據(jù) 矩陣中；
[0064] 所述擬合模塊，被配置W采用矩陣分解法和梯度下降法，對所述數(shù)據(jù)矩陣中已知 的所述傾斜角度測量值進(jìn)行擬合，得到所述數(shù)據(jù)矩陣中各點對應(yīng)的所述建筑物的傾斜角度 預(yù)測值，并在所述傾斜角度測量值與所求得的所述數(shù)據(jù)矩陣中對應(yīng)的傾斜角度預(yù)測值的均 方根誤差滿足預(yù)設(shè)條件時，輸出所述數(shù)據(jù)矩陣中所有點對應(yīng)