藏式古建筑砌体结构健康监测数据挖掘

作     者：付颖煜 

作者单位：北京交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨娜

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 081402[工学-结构工程] 081304[工学-建筑技术科学] 0813[工学-建筑学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：结构健康监测 古建筑砌体结构 监测数据挖掘 监测数据预处理 监测数据相关性 监测数据异常识别 

摘      要：结构健康监测是实现古建筑预防性保护的重要手段,我国古建筑结构健康监测的研究与应用已取得阶段性的成果,充分发挥对结构的实时监测作用,但是在古建筑结构健康监测数据分析与挖掘方面仍然存在许多不足。“十四五规划纲要明确提出确保古建筑等历史文化遗产安全是提升中华民族文化自信的重要措施,在“十四五期间基本实现全国重点文物保护单位从抢救性保护到预防性保护的转变。因此,深入挖掘古建筑结构健康监测数据中蕴含的结构状态信息是亟待解决的科学问题。针对现有研究的问题,本文以古建筑砌体结构健康监测数据为驱动,利用数理统计与数据科学技术,深入挖掘监测数据的有效信息,以评估结构损伤状况。本文的主要研究内容与成果为:(1)概述古建筑砌体结构监测数据特征,将监测对象分为本体损伤(对应传感器为裂缝位移计和柔性测斜仪)和环境变量(对应传感器为空气温湿度计和土体温湿度计)两类,分别从传感器的空间状态和监测数据的时间特征入手,通过描述不同类别监测数据的基本特征,总结出在竖向荷载、温度等共同作用下,古建筑砌体结构的本体响应监测数据具有长期静态缓变的数据特征。为保证结构健康监测数据质量及数据挖掘的有效性,得到了古建筑砌体结构无效监测数据是由于数据采集、传输和存储过程出现异常而导致的数据离群点和数据缺失现象导致。通过数据试验对比,分别给出适配于古建筑砌体结构无效监测数据的预处理方法。(2)以结构健康监测数据驱动,探究砌体结构墙体裂缝开合变化的季节性特征,利用监测数据序列的自相关函数,结合裂缝开合监测数据与环境温湿度监测数据的相关系数计算结果,得到使裂缝开合变化具有季节性的根本原因是结构内部场环境温度作用的影响。对裂缝开合变化监测数据序列应用层次聚类算法,将砌体结构墙体裂缝分为活跃裂缝和休眠裂缝两类。再以活跃裂缝为研究对象,推导裂缝开合监测数据与环境温度监测数据的相关关系表达式,并发现应用经验模态分解将监测数据序列分解为周期项、趋势项和随机项三个部分的组合,再对重构后的数据序列拟合,能够有效提高数据拟合的准确性,得到更精确的裂缝开合随环境温度变化而变化的关系表达式,有助于精准阐述活跃裂缝开合变化的季节性规律。(3)应用已获取的结构健康监测信息,对结构本体响应进行预测是实现监测数据异常识别的基础。本文通过建立基于长短时记忆网络和支持向量回归的监测数据预测模型,并应用网格搜索算法实现模型参数的优化,实现对结构本体响应监测数据的高精度和高效率预测。再结合结构健康监测系统获取的实时监测数据,绘制均值-移动极差控制图,应用统计过程控制理论识别控制图的异常情况,依据分析结果判断实时监测数据是否处于正常状态,实现结构健康监测系统预警模块的构建,做到对结构安全状态的实时监控,降低结构健康监测系统对人工运维的依赖性,实现从结构抢救性保护至结构预防性保护的转变。图98幅,表23个,参考文献102篇。