基于Savitzky-Golay平滑-小波降噪处理的桥梁结构监测数据分析方法

doi:10.13474/j.cnki.11-2246.2023.0272

测绘通报 ›› 2023, Vol. 0 ›› Issue (9): 100-106.doi: 10.13474/j.cnki.11-2246.2023.0272

基于Savitzky-Golay平滑-小波降噪处理的桥梁结构监测数据分析方法

董是^1,2, 龙志友^1,2, 毕洁夫^2,3, 王建伟^1,2, 邵永军⁴, 杨超⁴, 左琛^1,2, 张士远^1,2, 万昭龙^1,2

1. 长安大学运输工程学院, 陕西西安 710064;
2. 道路基础设施数字化教育部工程研究中心, 陕西西安 710064;
3. 长安大学公路学院, 陕西西安 710064;
4. 陕西高速公路工程试验检测有限公司, 陕西西安 710086

收稿日期:2022-10-10 发布日期:2023-10-08
通讯作者: 龙志友。E-mail:2020234028@chd.edu.cn
作者简介:董是(1989—),男,博士,研究方向为交通基础设施智能运维管理。E-mail:dongshi@chd.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(52108395);中国博士后科学基金(2021M692427);陕西省交通运输厅科研项目(20-03K;22-01X);浙江省交通运输科技计划项目(202316-2)

Analysis method for bridge structure monitoring data based on Savitzky-Golay smoothing-wavelet noise reduction processing

DONG Shi^1,2, LONG Zhiyou^1,2, BI Jiefu^2,3, WANG Jianwei^1,2, SHAO Yongjun⁴, YANG Chao⁴, ZUO Chen^1,2, ZHANG Shiyuan^1,2, WAN Zhaolong^1,2

1. College of Transportation Engineering, Chang'an University, Xi'an 710064, China;
2. Engineering Research Center of Highway Infrastructure Digitalization, Ministry of Education, Xi'an 710064, China;
3. College of Highway, Chang'an University, Xi'an 710064, China;
4. Shaanxi Expressway Engineering Testing Inspection & Testing Co., Ltd., Xi'an 710086, China

Received:2022-10-10 Published:2023-10-08

摘要/Abstract

摘要： 桥梁结构健康监测源信号数据存在毛刺、噪声及异常值等复杂情况,对信号数据分析、桥梁结构状态评估结果产生巨大偏差。本文提出了解决桥梁结构监测数据处理中复杂问题的系统性方法。首先,通过对比研究Savitzky-Golay(SG)滤波与信号平滑方法,并评价各方法的适用性;然后,基于复合评价指标量化选出最优小波基函数及最佳小波分解尺度;最后,采用卡尔曼滤波对同一监测项目的4个应变计数据进行融合,并用Monte Carlo仿真进行验证。研究表明,本文提出的SG平滑-小波降噪方法,可为桥梁健康监测数据处理提供较为全面、系统的参考。

关键词: 结构健康监测, Savitzky-Golay平滑, 小波降噪, 信号评价指标, 数据融合

Abstract: Bridge structural health monitoring signal data have some complexities such as burrs, noise and outliers, which produce huge deviations in signal data analysis and assessment of bridge structural status. In this paper, we propose a systematic approach to solve the complex problems in bridge structure monitoring data processing. Firstly, the applicability of each method is evaluated by comparing Savitzky-Golay (SG) filtering and traditional smoothing methods. Secondly, the optimal wavelet basis function and the optimal wavelet decomposition scale are quantified and selected based on the composite evaluation index. Finally, the Kalman filter is used to fuse four strain gage data of the same monitoring project and verified by Monte Carlo simulation. The study shows that the SG smoothing-wavelet noise reduction method is proposed in this paper can provide a more comprehensive and systematic reference for bridge health monitoring data processing.

Key words: structural health monitoring, Savitzky-Golay smoothing, wavelet noise reduction, signal evaluation metrics, data fusion

中图分类号:

P258

董是, 龙志友, 毕洁夫, 王建伟, 邵永军, 杨超, 左琛, 张士远, 万昭龙. 基于Savitzky-Golay平滑-小波降噪处理的桥梁结构监测数据分析方法[J]. 测绘通报, 2023, 0(9): 100-106.

DONG Shi, LONG Zhiyou, BI Jiefu, WANG Jianwei, SHAO Yongjun, YANG Chao, ZUO Chen, ZHANG Shiyuan, WAN Zhaolong. Analysis method for bridge structure monitoring data based on Savitzky-Golay smoothing-wavelet noise reduction processing[J]. Bulletin of Surveying and Mapping, 2023, 0(9): 100-106.

参考文献

[1] 王东升,童磊,王荣霞,等.大跨PC连续刚构桥抗震研究进展综述[J/OL].西南交通大学学报:1-16[2022-10-02].http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1277.U.20211020.0828.002.html.
[2] 袁长征,滕德贵,李超,等. 重庆嘉华大桥健康监测系统设计与建设[J]. 测绘通报,2021(S2):116-120.
[3] 中国工程建设标准化协会. 大跨度桥梁结构健康监测系统预警阈值标准:T/CECS 529-2018[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2018.
[4] 李征,房宏才,柯熙政,等. 滑动平均法在MEMS陀螺信号趋势项提取中的应用[J]. 电子测量与仪器学报,2019,33(7):43-49.
[5] 樊学平,周衡,刘月飞. 桥梁时变可靠性的多过程贝叶斯动态混合预测[J/OL]. 吉林大学学报(工学版):1-11[2022-10-02].http://xuebao.jlu.edu.cn/gxb/CN/article/showOldPictureList.do.
[6] SAVITZKY A,GOLAY M J E. Smoothing and differentiation of data by simplified least squares procedures[J]. Analytical Chemistry,1964,36(8):1627-1639.
[7] 吴迪,陈健,石满,等. 基于Savitzky-Golay滤波算法的FY-2F地表温度产品时间序列重建[J]. 国土资源遥感,2019,31(2):59-65.
[8] 汪松,王斌,刘长征,等. 利用Landsat时序NDVI数据进行新疆石河子垦区灌溉作物分类[J]. 测绘通报,2016(9):56-59.
[9] 鲁一冰,刘文清,张玉钧,等. 一种自适应层进式Savitzky-Golay光谱滤波算法及其应用[J]. 光谱学与光谱分析,2019,39(9):2657-2663.
[10] 宁鸿章,谭鑫,李宇航,等. 空-谱维联合Savitzky-Golay高光谱滤波算法及其应用[J]. 光谱学与光谱分析,2020,40(12):3699-3704.
[11] 董博. 小波变换技术在变形监测中的应用[J]. 测绘通报,2016(S2):150-152.
[12] NGELJARATAN L,MOUSTAFA M A,PEKCAN G. A compressive sensing method for processing and improving vision-based target-tracking signals for structural health monitoring[J]. Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering,2021,36(9):1203-1223.
[13] LI Tianqi,HE Qingbo,PENG Zhike.Parameterized resampling time-frequency transform[J].IEEE Transactions on Signal Processing,2022,70:5791-5805.
[14] 石安平,周吕,王成,等. 结合EMD与小波阈值去噪的GB-RAR桥梁监测信号去噪[J]. 测绘通报,2022(S2):227-232.
[15] 陈竹安,胡志峰. 小波阈值改进算法的遥感图像去噪[J]. 测绘通报,2018(4):28-31.
[16] 钟建军,宋健,由长喜,等. 基于信噪比评价的阈值优选小波去噪法[J]. 清华大学学报(自然科学版),2014,54(2):259-263.
[17] 朱建军,章浙涛,匡翠林,等. 一种可靠的小波去噪质量评价指标[J]. 武汉大学学报(信息科学版),2015,40(5):688-694.
[18] 岳胜杰,王红旗,刘群坡,等. 结合扩展卡尔曼滤波与基于点线的最近点迭代扫描匹配算法的机器人位姿自适应估计[J]. 测绘通报,2022(7):49-53.
[19] 刘新宇,王勇,唐超. 静力水准自动化测量技术应用于地铁隧道结构监测[J]. 测绘通报,2021(8):69-73.
[20] LI Shoupeng,MU Rongjun,CUI Naigang. Simplified augmented cubature information filtering and multi-sensor fusion for additive noise systems[J]. Aerospace Science and Technology,2022,123:107445.
[21] SADRIAN ZADEH D,MOSHIRI B,ABEDINI M,et al. Supervised learning for more accurate state estimation fusion in IoT-based power systems[J]. Information Fusion,2023,96:1-15.

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Analysis method for bridge structure monitoring data based on Savitzky-Golay smoothing-wavelet noise reduction processing

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[1]	黄鑫, 张继文, 于永堂, 徐传召, 张率, 曾涛, 王竞革. 基于北斗卫星导航系统的地下车库深基坑沉降监测与分析[J]. 测绘通报, 2023, 0(9): 18-24.
[2]	田力男, 孙琦, 徐文坤, 董平, 田志欣, 荣超, 焦泽中. 城市空间立体单元在CIM建设中的探索实践[J]. 测绘通报, 2023, 0(9): 160-164.
[3]	张舒, 石丽红, 赵习枝. 场景视角下社区智慧停车的数据融合[J]. 测绘通报, 2023, 0(3): 61-66.
[4]	陈超, 陶旸, 赫春晓. 一种利用数据融合的森林资源“一张底图”建设方法[J]. 测绘通报, 2023, 0(3): 155-159.
[5]	沈正中, 冯杨民, 胡正伟, 杨子健, 刘立, 王凯时. 长三角跨区域北斗位置应用服务模型设计及应用[J]. 测绘通报, 2023, 0(2): 124-127,149.
[6]	陈睿哲, 涂伟, 李清泉, 谷宇, 左小清, 高文武. 融合多源测量数据的桥梁挠度异常探测方法[J]. 测绘通报, 2022, 0(9): 105-110.
[7]	刘春杉, 曾元武, 罗宏明, 程迎轩, 钟小君, 张彤辉, 岳文. 广东省国土空间规划"一张图"实施监督信息系统下的海洋数据融合研究与实践[J]. 测绘通报, 2022, 0(6): 154-157.
[8]	陈兰兰, 夏益强, 肖海平, 刘小生. 露天矿边坡稳定性监测方法研究现状及进展[J]. 测绘通报, 2022, 0(5): 7-13.
[9]	倪慧珠, 万术海, 司涵, 冯思园, 任晓磊, 李正强, 卢涛. 结合空间位置和语义匹配的多源房屋灾害数据融合[J]. 测绘通报, 2022, 0(11): 118-122.
[10]	高莎, 袁希平, 甘淑, 杨明龙, 袁新悦, 罗为东. 融合无人机影像与LiDAR点云的山区地表覆被景观特征探测[J]. 测绘通报, 2022, 0(1): 110-115.
[11]	孙保燕, 周鑫, 覃禹程, 韦龙华, 葛广昊. 空地多数据互辅融合技术在大型牌式古建筑重建的应用[J]. 测绘通报, 2022, 0(1): 121-127,132.
[12]	高莎, 袁希平, 甘淑, 杨亚复, 李霞. 面向复杂山地的机载LiDAR与无人机影像融合应用[J]. 测绘通报, 2021, 0(7): 65-69.
[13]	吴学雨, 李明峰, 董思学, 王彬, 赵志胜. 利用基于抗差垂直向方差分量估计的GPS-InSAR数据融合方法反演三维形变场[J]. 测绘通报, 2021, 0(12): 38-43.
[14]	孙晓玮, 邱俊武. 工程建设项目全生命周期“多测合一”综合服务平台研究及应用[J]. 测绘通报, 2021, 0(12): 153-157.
[15]	张荣春, 衣雪峰, 李浩, 岳建平, 卢官明, 张学东. 多源数据多语义岩体结构面提取方法[J]. 测绘通报, 2021, 0(11): 76-80,105.