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摘要：為解決目前軟土路基沉降監(jiān)測(cè)方法去除噪聲數(shù)據(jù)不完全、對(duì)沉降規(guī)律監(jiān)測(cè)造成干擾的問題，提出一種物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下橋梁工程過渡段軟土路基監(jiān)測(cè)方法，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備結(jié)構(gòu)、監(jiān)測(cè)終端和監(jiān)控中心的結(jié)構(gòu)組織、通信選擇GPRS進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)設(shè)備結(jié)構(gòu)下的監(jiān)測(cè)過程進(jìn)行研究。使用嵌入式小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪，經(jīng)過計(jì)算得到閾值，剔除監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中的噪聲數(shù)據(jù)。在監(jiān)測(cè)方法的性能分析實(shí)驗(yàn)中，分別使用傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法和設(shè)計(jì)的沉降監(jiān)測(cè)方法在三個(gè)軟基路段進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)方法得到的觀測(cè)曲線經(jīng)過數(shù)據(jù)降噪后趨近于平滑，更加符合實(shí)際情況。
關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境；橋梁工程；過渡軟基；路基沉降監(jiān)測(cè)
0引言
在橋梁施工中，部分地基會(huì)發(fā)生置換，因此利用噴粉樁對(duì)軟基進(jìn)行加固成為了常用的軟土路基加固手段。但在橋梁建設(shè)過程中，軟土路基會(huì)發(fā)生一定的沉降，在橋梁建成后的運(yùn)營(yíng)期，由于承受路面荷載，也會(huì)出現(xiàn)沉降的情況。當(dāng)過渡段的軟土路基發(fā)生沉降時(shí)，會(huì)導(dǎo)致橋梁形變，存在一定的安全隱患。為保證工程壽命和行車安全，對(duì)軟土路基進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)是非常必要的。在研究路基沉降監(jiān)測(cè)的方法中，文獻(xiàn)1[1]方法主要應(yīng)用了回彈模量指標(biāo)代替壓實(shí)度，該指標(biāo)能在監(jiān)測(cè)的過程中反映路基抗變形能力，設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)軟土路基沉降的監(jiān)測(cè)。文獻(xiàn)2[2]中主要根據(jù)頂管施工的一般規(guī)律，利用高精度的TrimbleS9/S9HP全站儀和圧差式靜力水準(zhǔn)儀進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)的方案布設(shè)，并進(jìn)行了性能分析。兩種監(jiān)測(cè)方法在應(yīng)用中均取得了一定效果。傳統(tǒng)的軟土路基沉降監(jiān)測(cè)中，得到的沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中會(huì)存在噪聲，對(duì)沉降規(guī)律的研究造成一定干擾。因此，本文設(shè)計(jì)一種物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下橋梁工程過渡段軟土路基監(jiān)測(cè)方法。
1物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下橋梁工程過渡段軟土路基沉降監(jiān)測(cè)研究
1.1設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備結(jié)構(gòu)
對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的橋梁工程過渡段軟土路基沉降監(jiān)測(cè)，圖像式的在線監(jiān)測(cè)可監(jiān)測(cè)復(fù)雜多變的軟土路基，獲得觀測(cè)數(shù)據(jù)，從而發(fā)現(xiàn)其沉降形變量[3-5]。沉降監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵是路基斷面上所發(fā)生的沉降變形，但在橋梁工程中，路基軟基的施工監(jiān)測(cè)條件較差。因此在監(jiān)測(cè)過程中，需先對(duì)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的監(jiān)測(cè)設(shè)備（圖1）進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖1中主要包括橋梁工程過渡段路基軟基的沉降變形監(jiān)測(cè)終端及監(jiān)控中心。在監(jiān)測(cè)終端里，主要的輔助裝置有蓄電池、傾角傳感器等，數(shù)字信號(hào)處理器等嵌入式系統(tǒng)可完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及光斑圖像采集等工作，對(duì)于光斑的中心定位有較好的監(jiān)測(cè)效果，該監(jiān)測(cè)裝置主要利用GPRS進(jìn)行通信。監(jiān)控中心主要由報(bào)警裝置、圖像數(shù)據(jù)處理及控制中心構(gòu)成，通過修正靶面的位置計(jì)算出沉降量，并剔除數(shù)據(jù)中的噪聲。在監(jiān)測(cè)過程中，將圖1中的激光器放置在軟土路基上，由激光器發(fā)射激光，照射到靶面上，形成光斑。當(dāng)軟土路基發(fā)生形變或沉降，激光器的位置就會(huì)發(fā)生改變，光斑也會(huì)相應(yīng)發(fā)生位移。監(jiān)測(cè)過程示意圖如圖2所示。在沿著橋梁方向的兩側(cè)放置沉降監(jiān)測(cè)終端，并在其正前方安裝投影靶面。至此完成物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
1.2沉降數(shù)據(jù)處理
沉降監(jiān)測(cè)的環(huán)境惡劣，導(dǎo)致觀測(cè)數(shù)據(jù)中會(huì)存在很多的噪聲數(shù)據(jù)。這些噪聲數(shù)據(jù)雖在整體的監(jiān)測(cè)結(jié)果中影響不大，但會(huì)對(duì)工作人員造成一定的困擾。因此在本文的沉降監(jiān)測(cè)方法中，需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。本文引入小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪，主要使用閾值去噪法，較適合沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中心混入白噪聲的情況。該方法通過設(shè)置一個(gè)閾值作為門限，將低于該閾值的數(shù)據(jù)視為噪聲，從而達(dá)到去噪的目的，本文使用的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型為嵌入式模型（見圖3）。此種嵌入式小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是將小波變換與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行嵌套的一種網(wǎng)絡(luò)模型。利用小波函數(shù)、尺度因子與平移因子代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的激活函數(shù)、權(quán)值與閾值。假設(shè)在沉降監(jiān)測(cè)中的樣本形式為{x}(i),i=1,2,...,n，得到的樣本與預(yù)測(cè)值之間存在的非線性映射關(guān)系，進(jìn)一步得到目標(biāo)函數(shù)：E=min∑k=1m+1|x(n+1)-f[x](k+1),x(k+2)...2（1）式（1）中：f為樣本與預(yù)測(cè)值之間的映射函數(shù)；k為大于0的自然數(shù)。根據(jù)小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的嵌入式結(jié)構(gòu)，可以將連續(xù)小波函數(shù)進(jìn)行分解。為提高去噪算法的收斂速度，需要將學(xué)習(xí)步長(zhǎng)進(jìn)行優(yōu)化，輸入訓(xùn)練樣本，計(jì)算出輸入值的梯度，完成閾值的設(shè)定。至此完成物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下橋梁工程過渡段軟記錄及沉降監(jiān)測(cè)的研究。
2試驗(yàn)與分析
2.1工程概況
為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下橋梁工程過渡段軟土路基沉降監(jiān)測(cè)方法具有一定的有效性，選擇某橋梁施工段作為監(jiān)測(cè)對(duì)象。該工程為A市到B市鐵路站前5標(biāo)，線路全長(zhǎng)28.201km。橋梁17座，共計(jì)8094.3延米；隧道5座，共計(jì)14989m；區(qū)間路基22段，長(zhǎng)度4120.6m；車站1座（除站房、雨棚）；框架橋2座；涵洞4座；梁場(chǎng)1座（大觀制（存）梁場(chǎng)）；南川北綜合工區(qū)（站前工程）；無砟道床56.15km。路基地段巖溶塌陷分區(qū)表如表1所示。本文的方法性能測(cè)試將在此工程路段下，分別使用本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)方法和傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行測(cè)試。
2.2沉降變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置
在選擇的工程區(qū)段中，將混凝土預(yù)制樁作為實(shí)驗(yàn)中工作基點(diǎn)的標(biāo)識(shí)。在軟土路基的兩側(cè)，距離線路中心線50～200m范圍內(nèi)埋設(shè)72個(gè)監(jiān)測(cè)基點(diǎn)，沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置要求需要滿足規(guī)范的要求。觀測(cè)點(diǎn)的布置如圖4所示。在觀測(cè)過程中，根據(jù)工程的施工進(jìn)度，將沉降的監(jiān)測(cè)周期設(shè)置為7d，分別得到兩種方法的觀測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，與該觀測(cè)點(diǎn)的實(shí)際沉降結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。
2.3試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比與分析
在以上工程環(huán)境下，選擇沉降觀測(cè)點(diǎn)的兩種監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，如表2所示。將表2的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，圖5為本文監(jiān)測(cè)方法經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后的沉降監(jiān)測(cè)信號(hào)與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理信號(hào)的對(duì)比曲線。從圖5的數(shù)據(jù)可看出，本文設(shè)計(jì)的沉降監(jiān)測(cè)方法得到的沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過去噪后，得到的觀測(cè)曲線趨近平滑，由于較好地去除了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中的噪聲，沉降數(shù)據(jù)更加符合實(shí)際情況，易于發(fā)現(xiàn)其中規(guī)律。
3結(jié)語
本文針對(duì)現(xiàn)有的橋梁工程過渡段軟土路基沉降監(jiān)測(cè)方法所存在的缺陷，在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下對(duì)沉降監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行了改進(jìn)。設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備結(jié)構(gòu)與監(jiān)控中心結(jié)構(gòu)組織，通信選擇GPRS，并對(duì)設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)設(shè)備結(jié)構(gòu)下的監(jiān)測(cè)過程進(jìn)行研究；在得到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后使用嵌入式小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)得到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪，經(jīng)過計(jì)算得到閾值，剔除監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中的噪聲數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)方法具有一定的有效性。本文方法仍存在一些缺陷，在今后的研究中需進(jìn)一步探索。
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作者:袁曉靜 單位:邢臺(tái)市交通運(yùn)輸綜合行政執(zhí)法支隊(duì)