[发明专利]一种基于RNN的大型土木工程加速度响应时频域分解方法

说明书

本发明公开了一种基于RNN的大型土木工程加速度响应时频域分解方法，将待分解加速度信号划分为多个子段，每个子段分别通过RNN得到时频分解结果，最后进行连接；本发明使用了深层神经网络可动态自适应调整运算逻辑，并根据加速度响应前后段特性推断当前段特性，避免了现有加速度响应时频域分解方法均按照固定的数学逻辑进行运算，在加速度响应的跳跃点和突变点处易出现失真和模态混叠问题，显著提高了在加速度响应跳跃点和突变点处的时频域分解质量。

技术领域

本发明涉及土木工程结构的加速度响应，特别是一种基于RNN的大型土木工程加速度响应时频域分解方法。

背景技术

桥梁、隧道、高层建筑等土木工程结构的加速度响应中包含了丰富的结构状态信息，从其加速度响应中提取反映结构状态的指标是结构健康监测的常用手段。然而，大型土木工程结构的加速度响应具有明显的非平稳、非线性特征，为了从这类响应中准确提取结构状态指标，通常需要使用信号时频域分解方法。信号时频域分解方法按照不同的时频尺度将原始信号逐层分解为一系列的窄带分量，对这些分量的特性进行考察便可跟踪原始信号中不同模式分量在时域和频域上的变化情况，进而评估土木工程结构的健康状态。时频域分解结果质量的高低直接决定了土木工程结构状态评估结果的准确性，因此对高质量的时频域分解方法进行研究很有必要。

目前，常用的信号时频域分解方法主要有维格纳威利分布、小波变换、盲源分离、希尔伯特黄变换以及相应的改进算法。

(1)维格纳威利分布

维格纳威利分布(Wigner Ville Distribution,WVD)被认为是最早出现的信号时频域分解方法之一，由维格纳首先提出，并由威利将其引入到信号分解领域。WVD具有明确的物理意义，能准确描述信号在时域和频域内的能量分布情况，同时又具有时域有界性、频域有界性、时移不变性和频移不变性等优点。

但WVD算法中存在严重缺陷，即交叉干扰项的存在，交叉干扰项是指在信号的两个频率成分之间会存在由该两频率成分干涉所产生的虚假的振荡能量分布。由于交叉干扰项不具有真实的物理意义，它的存在会严重影响对信号各分量特性的提取，且交叉干扰项从数学角度无法消除，目前WVD的应用已相对较少。

(2)小波变换

小波变换(Wavelet Transform,WT)首次由Morlet在地震波分析中应用，WT通过将原始信号进行伸缩和平移，从而分解成一系列具有不同空间分辨率和不同频率特性的子信号，这些子信号在时域和频域内都具有良好的分辨率，可描述原始信号的局部时频域特征。

WT同样也存在缺陷，小波母函数一经选定便不可重选，实际上一个小波母函数难以在不同尺度上准确逼近信号的局部特性；小波母函数形式多样，如何准确快速的找到合适的小波母函数也存在一定的困难。

(3)盲源分离

盲源分离(Blind Source Separation,BSS)由Herault和Jutten提出，是一种可以实现从多通道观测的混合信号中分离出源信号的技术方法。BSS适用于分离非平稳信号与微弱信号，在通信领域应用广泛。

BSS也存在明显不足，在源信号数目大于观测信号数目时或信号中含有较强噪声干扰时，BSS的应用受到限制，另外BSS在分离振动模态相近的信号时也存在困难。

(4)希尔伯特黄变换

希尔伯特黄变换(Hilbert-Huang Transform,HHT)由Nordeng E.Huang提出，HHT以经验模态分解为基础，并引入了Hilbert谱分析方法，可根据信号自身的局部特征而进行自适应地调整分解过程，适用于精细化处理非线性、非平稳信号。

但经验模态分解方法通常存在模态混叠问题，即在同一分解分量中出现了不同的振动模式，或是同一振动模式分散在不同分解分量中，模态混叠问题严重干扰了信号时频分析结果，制约了HHT的应用与推广。