CN114577419A - 一种提高地下连续墙渗漏安全监测有效性方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高地下连续墙渗漏安全监测有效性方法,涉及建筑工程安全监测领域,用于解决常用的阈值去噪方法中存在不连续和恒定偏差的缺陷的技术问题,在对地下连续墙渗漏监测过程中,渗漏会引起的光纤表面温度的变化,根据光纤沿线温度变化便能找出地下连续墙的渗漏点;由于地连墙接缝处渗漏程度对应温度的微弱变化,为了能够有效监测到初期的微小渗漏,保证安全施工,工程应用中对测温系统的温度测量精度提出很高要求,本发明对系统采集的温度信号进行处理,通过对传统阈值函数以及阈值选取规则的改进,能够有效滤除噪声,提高信号的信噪比、减小均方误差,提高系统的测温精度,增加渗漏点监测的精确度。
Description
技术领域
本发明涉及建筑工程安全监测技术领域,具体的是一种提高地下连续墙渗漏安全监测有效性方法。
背景技术
地下连续墙作为深基坑的一种支护结构,可兼作止水帷幕,在城市建设过程中得到了广泛的应用。由于深基坑施工过程中的诸多不确定性因素的存在,需要在施工过程中及时地对地连墙进行安全监测,观察是否存在渗漏等情况;当地下连续墙发生局部渗水时,渗水部位会逐渐扩大,导致石土流失,引起基坑外地表沉降,造成安全隐患,若不及时发现并处理,当基坑内的土体开挖至渗漏位置,特别是存在承压水时,地下连续墙外的水会大量涌入基坑,造成事故。
传统的地连墙渗水监测费时费力,并且无法做到实时监测,因此采用分布式光纤的优势便体现了出来,将光纤埋入地下连续墙后,采用设备对其进行实时监测。当有水流经过时,会引起光纤表面的温度变化,在测量设备中检测出来,并且渗漏处水流越大,温度的变化也会越大,国内的分布式测温设备的测温精度基本上都保持在±1℃、±2℃左右,该精度并不能很好的满足地连墙接缝处微小渗漏的监测,因此,为了能够让测温设备准确监测到地下连续墙接缝处初期因微小渗漏而引发光纤沿线温度微弱变化,避免渗水部位逐渐扩大,造成安全隐患,工程中对测温系统的精度要求进一步提高。
影响分布式监测设备测温精度的主要因素是各种噪声的干扰,噪声会将系统采集到的散射信号淹没,造成测温精度的损失,为了能够提高分布式监测设备的测温精度,保证地下连续墙接缝处渗水情况的实时安全监测,需要对采集的数据结果进行处理,尽可能滤去噪声的干扰,解调出光纤沿线的温度信息,提高其精度,进而保证施工的安全进行,小波阈值去噪方法在数据处理模块有着很好的效果,其去噪效果主要取决于阈值函数以及阈值选取规则的设计,传统的阈值函数主要分为硬阈值函数和软阈值函数,但是这两个函数存在着一些不足与缺陷,如硬阈值函数在阈值处并不连续,容易引发伪吉布斯现象;并且软阈值函数在阈值处虽然连续,但却引入了恒定偏差的问题;为此,现在提出一种提高地下连续墙渗漏安全监测有效性方法,为了能够提高阈值去噪方法的去噪效果,需要对阈值选取规则以及阈值函数进行改进后再进行数据处理,增加系统的测温精度,便于监测初期的微小渗漏,为施工提供安全保障。
发明内容
为解决上述背景技术中提到的不足,本发明的目的在于提供一种提高地下连续墙渗漏安全监测有效性方法,用于解决常用的阈值去噪方法中存在不连续和恒定偏差的缺陷的技术问题,
本发明的目的可以通过以下技术方案实现:一种提高地下连续墙渗漏安全监测有效性方法,其特征在于,方法包括以下步骤:
步骤一:获取温度信号,其中温度信号包括含噪信号、原始信号和噪声信号;
步骤二:通过累加平均法将获取的多个含噪信号进行叠加处理,从而得到单个一维染噪信号;
步骤三:将单个一维染噪信号进行H层小波分解,得到低频小波系数和高频小波系数,再将高频小波系数处采用改进的阈值选取规则得出阈值后,利用改进的阈值函数进行相应的阈值处理,得到估计低频小波系数;
步骤四:将第H层的低频小波系数和阈值处理过后的得出的估计低频小波系数进行小波逆变换重构信号,得到去噪信号;
步骤五:通过得到的去噪信号计算信号信噪比与均方误差,通过信号信噪比与均方误差判断去噪效果。
进一步地,所述温度信号的数字模型如下:
进一步地,所述含噪信号通过温度信号采用randn函数并添加白噪声得到。
进一步地,将单个一维染噪信号进行H层小波分解,得到低频小波系数和高频小波系数的过程如下:
根据采集信号的正则性、相似性等特性,选取'bior5.5'小波基函数以及5层分解层数对单个一维染噪信号进行小波分解,得到低频小波系数和高频小波系数,并且将高频小波系数标记为,其中表示小波分解后第j层所对应的第k个小波系数。
进一步地,所述改进的阈值选取规则过程包括:
进一步地,所述改进的阈值函数表达式为:
进一步地,所述信号信噪比与均方误差的计算过程如下:
本发明的有益效果:
本发明在使用的过程中,通过在获取温度信号,然后通过累加平均法对温度信号中的含噪信号进行处理,得到单个一维染噪信号,然后对单个一维染噪信号进行小波分解,得到低频小波系数和高频小波系数,再将高频小波系数采用改进的阈值选取规则得出阈值后,利用改进的阈值函数进行相应的阈值处理,得到估计低频小波系数,将低频小波系数与估计低频小波系数小波逆变换重构信号,得到去噪信号,然后通过原始信号和去噪信号计算得出信号信噪比与均方误差来判断去噪效果,能够有效增加信噪比,减小均方误差,提高系统的测温精度,有利于监测地下连续墙接缝处初期的微小渗漏,避免渗漏扩大,引发安全事故。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图;
图1是本发明流程图;
图2是本发明不同温度下原始信号及一维染噪温度信号图;
图3是本发明在30℃时原始信号及一维染噪温度信号图;
图4是本发明改进阈值函数的示意图;
图5是本发明不同温度下不同阈值去噪效果图;
图6是本发明30℃时不同阈值去噪效果图;
图7是本发明30℃区间温度误差曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
如图1-7所示,一种提高地下连续墙渗漏安全监测有效性方法,方法包括以下步骤:
步骤一:获取温度信号,其中温度信号包括含噪信号、原始信号和噪声信号;
需要进一步进行说明的是,在具体实施过程中,温度信号将1.6公里光纤盘圈放入水浴锅中加热,分别加热至30℃、40℃和50℃后,使用分布式测温系统记录下的温度信号,用来模拟地下连续墙渗漏过程中光纤沿线的温度曲线;同时以30℃实验为例,观察其测温精度变化;所述含噪信号通过randn函数对原始信号进行染噪处理,得出单个一维染噪温度信号。
步骤二:通过累加平均法将获取的多个含噪信号进行叠加处理,从而得到单个一维染噪信号;
步骤三:将单个一维染噪信号进行H层小波分解,得到低频小波系数和高频小波系数,再将高频小波系数处采用改进的阈值选取规则得出阈值后,利用改进的阈值函数进行相应的阈值处理,得到估计低频小波系数;
需要进一步进行说明的是,在具体实施过程中,分布式传感设备会不断地采集信号信息进行解调分析,因此采集下来的信号数据并非一组,而是多组数据,在信号处理之前,需要对多组数据分析、完成光纤定标,便于后续确定地下连续墙接缝处渗漏点的位置;在定标完成之后,还将进行叠加处理,做信号预处理,累加次数需要结合实际情况进行选择;为了快速处理数据,分解层数选定为3~8层,考虑到分解层数越大,计算复杂度越高,在本实例中,将分解层数设定为5层;使用MATLAB软件在同一分解层数的情况下对常用小波基函数(即sym类、db类、bior类)进行对比发现,bior类和db类的去噪效果均比sym类的去噪效果好,且bior类的提升效果要优于db类,同时结合采集信号的正交性、相似性等特性,选取'bior5.5'作为小波基函数对一维染噪温度信号进行5层小波分解,得到低频小波系数和高频小波系数。
步骤三的具体过程:采用改进的阈值选取规则得出阈值,其中改进的阈值选择规则表达式为:
经过小波变换之后,原始信号所对应的小波系数的幅值会随着分解尺度的增加而增大,但是噪声所对应的小波系数幅值会随着分解尺度的增加而减小,在本实例中,将采用反函数对其进行阈值规则改进。
需要进一步进行说明的是,在具体实施过程中,利用数学方法证明阈值函数的连续性和改进现有固定偏差问题;
连续性:
同理:
综上:本方案构造的改进阈值函数在±th处均连续,改进阈值函数的连续性表明改进的阈值函数能够避免吉布斯震荡的产生;
偏差性:
同理:
步骤四:将第H层的低频小波系数和阈值处理过后的得出的估计低频小波系数进行小波逆变换重构信号,得到去噪信号;
步骤五:通过得到的去噪信号计算信号信噪比与均方误差,判断去噪效果的好坏。
需要进一步进行说明的是,在具体实施过程中,通过信号信噪比和均方误差来验证改进阈值函数的去噪效果,其中计算公式分别为:
计算出信号信噪比和均方误差后,信号信噪比越高、均方误差越小,表明使用该去噪方法得出的去噪信号越接近原始信号,去噪效果越好,系统的测温精度也就越高。
使用分布式测温系统采集的温度曲线进行仿真计算,采用本发明的去噪方法和传统阈值去噪方法进行信号去噪,得到本发明与传统阈值去噪方法的输出信噪比和均方误差,表1、2为不同去噪方法去噪效果对比结果;表3为30℃区间温度曲线标准差对比结果。
表1
表2
表3
在本实施例中,如图5、6所示为不同阈值函数去噪效果图,并结合表1、2不同方法去噪效果对比分析结果可以看出,对比传统的小波阈值方法,本方案提出的联合改进小波阈值的方法,使得系统的信噪比进一步提高了约2.3dB、2.1dB,同时减小了约0.2、0.16的均方误差,在细节刻画方面更加明显;从图7的误差曲线图可看出,采用本方案提出的去噪方法得出的温度曲线更加平滑,结合表3的标准差对比结果。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (7)
1.一种提高地下连续墙渗漏安全监测有效性方法,其特征在于,方法包括以下步骤:
步骤一:获取温度信号,其中温度信号包括含噪信号、原始信号和噪声信号;
步骤二:通过累加平均法将获取的多个含噪信号进行叠加处理,从而得到单个一维染噪信号;
步骤三:将单个一维染噪信号进行H层小波分解,得到低频小波系数和高频小波系数,再将高频小波系数处采用改进的阈值选取规则得出阈值后,利用改进的阈值函数进行相应的阈值处理,得到估计低频小波系数;
步骤四:将第H层的低频小波系数和阈值处理过后的得出的估计低频小波系数进行小波逆变换重构信号,得到去噪信号;
步骤五:通过得到的去噪信号计算信号信噪比与均方误差,通过信号信噪比与均方误差判断去噪效果。
3.根据权利要求1所述的一种提高地下连续墙渗漏安全监测有效性方法,其特征在于,所述含噪信号通过温度信号采用randn函数并添加白噪声得到。
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