分布式光纤桩基检测里特征点压缩算法的应用研究_吴充宇.pdf

年第 期总第 期福 建 建 筑 分布式光纤桩基检测里特征点压缩算法的应用研究吴充宇（福建华砺工程技术有限公司 福建厦门）摘 要：在开展桩基分布式检测工作时，常常用布里渊散射光时域反射技术（）测量桩基，对数据的平滑去噪处理，是此工作中重要的一步。以某桩基为例子，借助特征点压缩算法，对检测数据进行平滑去噪处理，分析这种数据处理方法的特点和在实际中的应用效果。研究结果表明：数据的去噪会受到压缩算法的特征点阈值影响，参数的选择应结合实际情况和具体数据来确定；以不同的指标对平滑处理效果进行分析时，得出的压缩算法最优次数也不同；从摩阻力和轴力分布图来看，实际应用效果和桩体荷载传递规律以及国家相关规范基本一致，可以将荷载作用下桩体的实际受力情况准确地反映出来，效果良好。关键词：桩基；分布式检测；特征点压缩算法；平滑去噪中图分类号：文献标识码：文章编号：（）（，）：（），：，；，：；作者简介：吴充宇（），男，工程师。：收稿日期：引 言随着科技的不断进步，光纤感测技术逐渐成熟。由于分布式光纤监测和检测技术具有耐久性好、长距离、抗电磁干扰等特点，被大量应用于我国的桩基、桥梁、隧道以及边坡等工程。而在这种技术里，感测光纤兼顾着传感器和传输介质的作用，会有大量监测和检测数据产生，同时，会有很多程度不同的噪声掺杂在其中。所以，在对所得数据开始分析之前，要对其进行去噪处理工作。本文以某桩基为例子，借助特征点压缩算法，对其检测数据进行平滑去噪处理，分析了这种数据处理方法的特点和在实际中的应用效果，为相关工程提供了指导和借鉴。桩基检测中感测光纤的施工工艺在开展桩基分布式检测工作时中，常常会用到布里渊散射光时域反射技术（）来测量桩基。在测量过程中，感测光纤的施工质量，对测量结果起着决定性的作用。为了保证检测结果的准确性和真实性，感测光纤布设时，要顺着桩侧，在垂直方向上进行铺设。根据目前国家相关标准，为了确保检测结果为最佳值，通常将感测光纤布设为 字形，并对称设置，布设方式如图 所示。这种光纤铺设方式下所得出的桩基检测结果，在总体也会呈现出对称现象。但是，在载荷试验里，桩常常会产生偏心荷载压缩的现 年 期 总第 期吴充宇分布式光纤桩基检测里特征点压缩算法的应用研究 象；桩 土作用和桩体质量参差不齐，往往会造成应力在桩体分布不均和分布集中的结果。桩体感测光纤在进行测量工作时，会受到以上因素的影响，从而导致测出的桩身局部应变没有对称均匀分布。在进行桩基分布式光纤检测工作时，对数据的后期处理，经常要结合测得数据的特征位置（比如桩端），来找出桩侧数据所对应的部位。因此，要对所得数据进行平滑去噪处理，以避免检测误差的出现，以此确保桩的侧摩阻力和轴力的计算准确性。平滑去噪处理数据的手段较多，若是采用的手段不是很适合，就有可能导致特征数据缺失，使检测出现误差。图 桩剖面图 特征点压缩算法及参数的选择 工程概况本文选择某基础工程钻孔灌注桩为研究对象，分析特征点压缩算法对桩检测数据平滑处理的效果。桩径 ，桩长 ，钢筋笼长 。图 为某桩基分布式光纤的检测结果。图 桩基分布式光纤检测结果 特征点压缩算法检测结果的曲线中，有显著转折的应变点即为特征点，而在检测结果曲线里，确定这些特征点位置的方法，就是特征点压缩算法。此方法的基本原理是：每次按照顺序在曲线上取两点并连接成直线，计算直线和两点之间全部点的最大垂直距离，同时和阈值 进行对比。如果 ，就把中间全部点去掉；如果，就将垂线距离最大的点进行保留，同时将此点作为新的曲线分割点，再取下一部分数据接着处理，直至这条线处理完毕。借助压缩算法得出一部分特征点后，下一步的工作，是对各个特征点之间的结果开始平滑处理，在本文中采取的平滑处理方式为最小二乘法。为了得出拟合效果最好的曲线，在文中的最小二乘法拟合，分别选取了 次、次、次曲线。图 平滑度、均方误差、信噪比和参数值的关系曲线 参数选择及分析为了使平滑去噪效果更好，本次研究中的理论评价标准，选用了平滑度（）、信噪比（）和均方误差（）这 个指标，对不同参数值下特征点的平滑去噪程度进行判定。信噪比、均方误差，是对数据细节进行描述的物理量，具体对数据去噪细节的不同进行描述；而平滑度，则是代表数据与信息接近程度的物理量，具体对去噪数据的变化规律和特征趋势进行描述。平滑去噪处理相同数据时，平滑度越小、信噪比越高、均方误差越低，就代表平滑去噪效果越佳。对特征点阈值分别取不同的 个值。对不同荷载下的检测数据依次计算平滑度（）、信噪比（）和均方误差（）这 个指标，并取其平均值。计算结果如图 所示。从图中可以看出，数据的去噪会受压缩算法的特征点阈值的影响，并且随着参数值的不断提高，平滑度呈现渐渐降低的趋势，均方误差呈现增大趋势，而信噪比也呈现逐渐减小的趋势。这表示，随着参数值取值增大，信噪比逐渐减小、均方误差逐渐增大，平滑度逐渐减小。这表明，当参数取值比较低时，采用特征点压缩算法来对数据进行平滑去噪处 福 建 建 筑 年理，并不能取得很好的效果，无法达到实际工程中的设计标准。当参数取值逐渐增大时，处理效果就较好一些，而当参数取值继续增大时，就会可能使数据缺失关键信息部分，同时也会导致计算量的增大。所以，选用特征点压缩算法对数据进行处理时，参数的选择应结合实际的情况和具体数据来确定。去噪效果和实际应用效果分析在对桩基进行检测时，随着桩端所受荷载不断增高，桩体的变形和应力也会随之增大，而噪声信号在对检测数据的影响程度则会减弱，方法的选择对平滑去噪效果的影响也更大。因此，为了评判平滑去噪处理时特征点压缩算法的效果，采用了桩顶荷载最大（）时的检测数据，来开展去噪效果分析。依据图，同时考虑了平滑去噪效果和计算效率，选取阈值 时压缩算法，对桩基检测数据开展平滑去噪工作。评价数据平滑去噪效果的方法有两种，分别为定量法和定性法。通过人眼对数据去噪程度进行直接观察的方法，即为定性法，这种方法有着能够直接观察和识别出数据在平滑去噪处理时的不同，不足之处是准确性不大，只能对被明显改善的位置进行判断，不能用在优化参数方面。而另一种方法，定量法则可以补足定性法的缺点。因此，本文评价数据平滑去噪处理效果时，就采用了定量法和定性法相结合的方式，使评价结果更加准确。定量分析法表 所示为选定参数后对平滑度、信噪比以及均方误差进行计算后，得出的结果。从对数据细节进行反映的均方误差和信噪比这两个参数能够看出，效果最好的为压缩算法（次），处理效果最差的为压缩算法（次），压缩算法（次）处理效果中等。出现这种现象的原因，是压缩算法（次）在总体上与数据较为接近；压缩算法（次）尽管也与数据较为相近，但接近程度仍不如前者；压缩算法（次）的去噪效果最差，有可能会导致数据缺失关键信息部位。从能够对数据总体特征进行反映的平滑度指标能够看出，压缩算法的 次和 次效果较好，次最差。出现这种现象的原因，是在运用压缩算法 次和 次进行数据处理时，为了确保曲线有足够好的平滑度，舍弃一些信息，这一点从前两个指标中也可看出。综上所述，在对数据进行平滑去噪处理时，压缩算法（次与 次）的效果较好，但 次和 次所关注的点不同，次关注的重点是特征点在约束条件下对数据进行平滑处理，而 次则重点关注于数据的去噪处理。表 几次压缩算法下数据的去噪效果参数去噪方式平滑度（）均方误差（）信噪比（）压缩算法（次）压缩算法（次）压缩算法（次）定性分析法如图 所示，通过压缩法得出的特征点。通过特征点压缩算法得到的特征点，在检测数据里，出现显著转折的部位，这代表此方法可以取得将检测数据整体特征趋势反映出来的部位点。在图 中选择了三个部位（、），对应的光纤传感器位置分别处于桩底和桩顶，部位 对应桩底，部位、对应桩顶，具体见图。在特征点取得之后，对两特征点间的数据分别用、次曲线开展最小二乘法的拟合工作，图 所示为处理效果。在平缓阶段，种曲线都有比较好的拟合效果，重合度比较高，也说明有很好的平滑去噪效果。在、部位来说，次和 次曲线的平滑去噪效果更佳，次和 次的去噪效果明显更优。但从部位 能够看出，次曲线与原始数据更加接近，表明其具有更好的平滑去噪效果。图 压缩算法取得的特征值点图 压缩算法处理效果 特征点压缩算法的应用效果分析对本文所选桩基检测数据，借助特征点压缩算法进行平滑去噪处理，如图 所示，即为处理后得到的摩阻力图和轴力值的分布形态。图（）表明，从整 年 期 总第 期吴充宇分布式光纤桩基检测里特征点压缩算法的应用研究 体来看，同等级荷载条件下，桩体受到的摩阻力表现为先逐渐增大，达到峰值后继续降低的趋势，在个别部位会有些差异。当荷载条件不同时，桩身想同处的摩阻力，也会由于荷载的提高而提高。出现这种现象的原因，是由于荷载的提高，桩身相同部位在力的作用下，相对位移也会有所提高。同时，荷载的提高，也会使摩阻力峰值出现的部位向下移动。因为桩体上部的变形较大，上部土层的约束力更强，能够较好地发挥摩阻力作用；而下部桩体变形较小，土体相对位移也比较低，侧摩阻力可以进一步发挥作用。图（）表明，随之桩体深度的增加，桩体轴力也在慢慢降低，降低趋势没有较大的波动，这表示，该桩的施工质量较好，并且经过桩体两侧数据的平均处理，可以很好地防止偏心荷载的出现。总体而言，实际应用效果和桩体荷载传递规律以及国家相关规范基本一致，可以将荷载作用下桩体的实际受力情况准确地反映出来。（）摩阻力曲线图（）轴力曲线图图 摩阻力和轴力图 结论本文以某桩基为例子，借助特征点压缩算法，对其检测数据进行平滑去噪处理，分析了这种数据处理方法的特点和在实际中的应用效果，得到了如下结论：（）压缩算法特征点阈值会对数据的去噪效果造成影响，并且平滑度和信噪比会随着参数值提高而逐渐减小，但均方误差呈现增大的趋势。这表明，仅当参数取值比较大时，采用特征点压缩算法对数据进行平滑去噪处理效果较好，而当参数取值继续增大时，就会使数据关键信息缺失，也会增大计算量。（）从反映数据细节的均方误差和信噪比这两个参数进行分析时，压缩算法（次）效果最好；压缩算法（次）的去噪效果最差，有可能会导致数据缺失关键信息部位。从反映数据总体特征的平滑度指标进行分析，压缩算法 次和 次效果较好，次最差。（）从整体来看，同等级荷载条件下桩体受到的摩阻力表现为先增大后降低的趋势。当荷载条件不同时，桩身相同处的摩阻力也会由于荷载的提高而提高；随着桩体深度的增加，桩体轴力也在慢慢降低，降低趋势没有较大的波动，这表示该桩的施工质量较好。参 考 文 献 何宁，马桂珍，何斌，等 基于分布式光纤监测技术的板桩码头试验研究 水利水运工程学报，（）：向伏林，杨天亮，顾凯，等 钻孔全断面分布式光纤监测中光缆 土体变形协调性的离散元数值模拟 岩土力学，（）：杜鸿，韦梦贤 基于 光纤监测技术的大直径圆形抗滑桩的受力特征分析 西部交通技，（）：，侯公羽，李子祥，胡涛，等 基于分布式光纤应变传感技术的隧道沉降监测研究 岩土力学，（）：董鹏，夏开文，于长一，等 浅埋隧道覆岩变形沉降的分布式光纤监测与分析 防灾减灾工程学报，（）：罗勇，李春峰，邢皓枫 基于分布式光纤测试技术的大直径嵌岩桩承载性能研究 岩土力学，（）：苗鹏勇，王宝军，施斌，等 分布式光纤桩基检测数据智能化处理方案的研究与应用 工程地质学报，（）：