[发明专利]基于索力和位移分布相关性建模的斜拉桥状态评估方法

权利要求书

1.一种基于索力和位移分布相关性建模的斜拉桥状态评估方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一、对拉索索力及主梁位移进行预处理：

对拉索索力和主梁竖向位移时程数据采用相同的预处理流程，以30分钟为时间窗，将该时间窗内的所有数据点线性归一化到[0,1]范围，然后画出该时间窗内的所有数据点的频率柱状图，并以频率峰值位置处为中心，左右各取0.03，并挑选出落在此段频率范围内的原始数据极值点；

对选取出的原始数据极值点进行中值滤波、线性插值和光滑处理，光滑窗口取3600，得到温度趋势项，再从原始数据中减去温度趋势项，作为经过预处理的车致竖向位移响应和拉索索力；

对各个通道的车致竖向位移响应和拉索索力数据分别进行归一化处理，使各通道数值保持在[-1,1]范围内，并去除0.3倍标准差以内的噪声数据点，获得车致拉索索力与主梁竖向位移的概率分布；

步骤二、搭建变分自编码器模块：对于主梁竖向位移，以主梁竖向位移概率分布矩阵为输入，编码器由4个卷积层、4个残差连接层和2个共享卷积层组成，输入经过编码器后成为隐式特征向量然后再进入解码器，解码器由2个共享卷积层、4个残差连接层和4个卷积层组成；类似的，对于拉索索力，以拉索索力概率分布矩阵为输入，编码器由4个卷积层、4个残差连接层和2个共享卷积层组成，输入经过编码器后成为隐式特征向量然后再进入解码器，解码器由2个共享卷积层、4个残差连接层和4个卷积层组成，变分自编码器中的所有共享卷积层和隐式特征向量，对于主梁竖向位移和拉索索力共享参数；搭建生成对抗网络模块：对于主梁竖向位移，以变分自编码器的解码器作为生成器，判别器由8个卷积层组成；对于拉索索力，以变分自编码器的解码器作为生成器，判别器由8个卷积层组成，主梁竖向位移和拉索索力的生成器参数共享；

步骤三、从经过步骤一处理的数据中选取一部分构成训练集，输入至无监督图像变换模型中进行训练，训练过程中使用的损失函数为根据网络特点所构造的综合函数，优化算法为ADAM算法，并使用默认的超参数设置，其中，模型训练所采用的损失函数具体为：

式中，L为损失函数，下标1代表主梁竖向位移，下标2代表拉索索力；

VAE代表变分自编器模块，由编码器E和解码器G组成；

GAN代表生成对抗网络模块，由生成器G和判别器D组成；

CC代表循环约束项，由于存在参数和隐式特征向量共享，会存在以下情况：由主梁竖向位移的编码器E₁和拉索索力的解码器G₂生成拉索索力，以及由拉索索力的编码器E₂和主梁竖向位移的解码器G₁生成主梁竖向位移；min和max分别代表取最小值和最大值运算；

步骤四、将测试集中的主梁竖向位移分布输入至经过训练的无监督图像变换模型中，得到预测的拉索索力分布作为输出，并计算预测与真实拉索索力分布之间的EMD距离，并以预测与真实拉索索力分布之间的EMD距离为桥梁状态改变的评价指标，评估桥梁状态是否发生改变及相应的作用模式；

其中，所述的EMD距离，具体计算方式为：

式中，

EMD表示EMD距离，

P和Q分别代表模型预测与真实监测数据得到的拉索索力概率分布，

m和n分别代表分布P和Q的分段区间数量，

d_ij和f_ij分别代表由第i个P分布区段到第j个Q分布区段的位移变化值和概率数值变化值，min代表取最小值运算。

2.根据权利要求1所述的基于索力和位移分布相关性建模的斜拉桥状态评估方法，其特征在于，步骤二在无监督图像变换模型时，选取所有可用的27个主梁竖向位移与139个拉索索力通道，将各通道数据分布按行整合成矩阵后作为网络的两个输入：主梁竖向位移分布矩阵与拉索索力分布矩阵。