小波方法的自動(dòng)化沉降傳感器數(shù)據(jù)處理范文

本站小編為你精心準(zhǔn)備了小波方法的自動(dòng)化沉降傳感器數(shù)據(jù)處理參考范文，愿這些范文能點(diǎn)燃您思維的火花，激發(fā)您的寫(xiě)作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

摘要:在自動(dòng)化沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理中，針對(duì)自動(dòng)化沉降傳感器得到的信號(hào)會(huì)包含有噪聲成分的問(wèn)題，提出基于動(dòng)態(tài)選取閾值的小波去噪方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。本文采用首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得合適的小波基函數(shù)，并在實(shí)時(shí)處理中采用動(dòng)態(tài)選取閾值的方法進(jìn)行自動(dòng)化沉降傳感器數(shù)據(jù)的去噪。運(yùn)用時(shí)間滑動(dòng)窗口構(gòu)建實(shí)時(shí)處理的框架，將數(shù)據(jù)預(yù)處理和基于小波及擬合的數(shù)據(jù)處理方法嵌入其中。并將結(jié)果與人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該自動(dòng)化沉降傳感器數(shù)據(jù)的處理方法與流程的可靠性，符合變形監(jiān)測(cè)要求，為以后的研究提供了一些借鑒和參考。

關(guān)鍵詞:自動(dòng)化監(jiān)測(cè);動(dòng)態(tài)選取;閾值;人工監(jiān)測(cè);實(shí)時(shí)處理 

引言

變形監(jiān)測(cè)是建筑物沉降監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容，通常采用人工精密水準(zhǔn)測(cè)量與自動(dòng)化監(jiān)測(cè)兩種方式。隨著技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用更趨普遍。隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)技術(shù)由不成熟走向成熟，由單一的測(cè)量逐漸形成一個(gè)有機(jī)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也由人工值守監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)換為自動(dòng)監(jiān)測(cè)［1］。在各種建筑物的監(jiān)護(hù)項(xiàng)目中，自動(dòng)化沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，連續(xù)實(shí)時(shí)可靠的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在保障建筑物穩(wěn)定方面發(fā)揮了重要作用［2－6］。自動(dòng)化沉降傳感器的運(yùn)用雖然提供了數(shù)據(jù)的來(lái)源，但由于環(huán)境綜合原因的影響，會(huì)影響自動(dòng)化沉降傳感器分析得到的沉降結(jié)果的可靠性。只有采用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法，才能更好地發(fā)揮自動(dòng)化沉降傳感器的優(yōu)勢(shì)。一套系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)處理方法不僅能夠使數(shù)據(jù)量的提取更加真實(shí)和可靠，而且可以對(duì)測(cè)量結(jié)果給出準(zhǔn)確的評(píng)定，并且進(jìn)一步提高測(cè)量系統(tǒng)的精度和可靠性。傳統(tǒng)的處理測(cè)量數(shù)據(jù)的方法運(yùn)用到由傳感器獲取的數(shù)據(jù)中會(huì)出現(xiàn)一定的不足［7－8］，如假設(shè)數(shù)據(jù)正態(tài)分布、計(jì)算繁瑣等，應(yīng)結(jié)合傳感器數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量大、實(shí)時(shí)獲取等特點(diǎn)，對(duì)數(shù)據(jù)的處理方法進(jìn)行探索并實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理。小波變換具有良好的時(shí)頻特性，現(xiàn)階段小波去噪是一種運(yùn)用比較廣泛的方法。小波去噪具有多分辨率、小波基選取多樣性、去相關(guān)性等優(yōu)點(diǎn)。故本文根據(jù)裘偉等［9］利用小波及曲線擬合對(duì)瞬時(shí)電信號(hào)進(jìn)行處理的思路，對(duì)自動(dòng)化沉降傳感器的數(shù)據(jù)，采用動(dòng)態(tài)的閾值選取方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪，運(yùn)用滑動(dòng)窗口構(gòu)建實(shí)時(shí)處理框架，并與人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證其精度。

1自動(dòng)化沉降傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理方法

1．1基于小波及擬合的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理方法

閾值選取是小波去噪中重要的一步，考慮到要實(shí)現(xiàn)的是自動(dòng)化沉降傳感器的實(shí)時(shí)處理，在每個(gè)窗口的數(shù)據(jù)會(huì)有各自的特點(diǎn)，如果單一的使用某一種閾值，與實(shí)時(shí)處理不能很好地契合。故在沿用了裘偉等處理瞬時(shí)電磁信號(hào)方法的同時(shí)，針對(duì)閾值選取問(wèn)題采取動(dòng)態(tài)處理的方法。1．1．1閾值選取在該方法中，首先確立4個(gè)閾值，其獲取是從閾值估計(jì)的兩種方法中分別選擇了兩種具體的閾值，構(gòu)成本文方法的預(yù)選項(xiàng)，分別為penalty閾值和Birge－Massart閾值，固定閾值和基于史坦的無(wú)偏似然估計(jì)原理的自適應(yīng)閾值。前兩種penalty閾值和Birge－Massart閾值主要基于數(shù)據(jù)本身進(jìn)行閾值選取;固定閾值則是通過(guò)公式λ=2ln(M槡)，M為信號(hào)的長(zhǎng)度;基于史坦的無(wú)偏似然估計(jì)原理是對(duì)一個(gè)給定的閾值t，得到它的似然估計(jì)，再將非似然t最小化，就得到了所選的閾值。1．1．2去噪效果評(píng)定小波分析由于其理論的完善與發(fā)展，在眾多方面得到廣泛地運(yùn)用，已經(jīng)不僅僅局限在數(shù)學(xué)領(lǐng)域，在信號(hào)處理［10－11］、圖像處理［12］、語(yǔ)音識(shí)別［13］、地震勘察［14］等方面也有很多實(shí)用價(jià)值。但由于各個(gè)領(lǐng)域不同，一個(gè)針對(duì)小波去噪精度的評(píng)價(jià)指標(biāo)尚無(wú)法給出一個(gè)確切的評(píng)價(jià)指標(biāo)，可通過(guò)均方根誤差與信噪比進(jìn)行判斷信號(hào)去噪的效果。在本文中，由于處理的是自動(dòng)化沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，具有物理意義，故在利用均方根誤差與信噪比兩個(gè)指標(biāo)判定完之后，可以將其得到的沉降量與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，可進(jìn)一步判斷其去噪效果。1)均方根誤差均方根誤差是原信號(hào)與去噪后的信號(hào)的方差的平方根，其公式為: 其中，f(n)為原信號(hào)，f^(n)為去噪后信號(hào)。2)信噪比信噪比是信號(hào)與噪聲的比例，單位是分貝，表達(dá)式為:1．1．3基于滑動(dòng)窗口的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理由于自動(dòng)化沉降傳感器得到的數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、連續(xù)、在線等特點(diǎn)，為了對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行在線處理，需要構(gòu)建一個(gè)在線處理的方案，將數(shù)據(jù)預(yù)處理和基于小波及擬合的數(shù)據(jù)處理方法嵌入其中。傳統(tǒng)的靜態(tài)數(shù)據(jù)，需要數(shù)據(jù)全部到達(dá)，進(jìn)行統(tǒng)一的處理，沒(méi)有時(shí)效性，需要通過(guò)建立緩沖區(qū)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。緩沖的建立通過(guò)滑動(dòng)窗口來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)數(shù)據(jù)在滑動(dòng)窗口上的移動(dòng)來(lái)得到更新的目的。滑動(dòng)窗口根據(jù)得到數(shù)據(jù)不同的方式可以分為兩種［15］，一種是基于時(shí)間間隔的滑動(dòng)窗口;一種是基于元組數(shù)量的滑動(dòng)窗口。基于時(shí)間間隔的滑動(dòng)窗口是指在過(guò)去的t=t1－t0時(shí)間內(nèi)所獲得數(shù)據(jù)，基于元組數(shù)量的滑動(dòng)窗口是指過(guò)去所進(jìn)入系統(tǒng)的n個(gè)數(shù)據(jù)。鑒于自動(dòng)化傳感器數(shù)據(jù)是按時(shí)間順序到達(dá)的，選取的基于時(shí)間間隔的滑動(dòng)窗口，如圖1所示。滑動(dòng)窗口的寬度是根據(jù)時(shí)間來(lái)確定的，對(duì)于不同采用頻率的系統(tǒng)，相同寬度滑動(dòng)窗口內(nèi)的觀測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)量是不一樣的。當(dāng)t1時(shí)刻數(shù)據(jù)達(dá)到時(shí)，對(duì)應(yīng)的t0數(shù)據(jù)將會(huì)被移出滑動(dòng)窗口，通過(guò)數(shù)據(jù)的不斷流入與輸出實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理。1．1．4基于小波及擬合的數(shù)據(jù)處理流程基于小波及擬合的數(shù)據(jù)處理框架概述如圖2所示。1)建立滑動(dòng)的數(shù)據(jù)窗口，進(jìn)行小波去噪。2)根據(jù)信噪比和均方根誤差動(dòng)態(tài)選取閾值進(jìn)行自動(dòng)化沉降傳感器數(shù)據(jù)的去噪。3)自動(dòng)化沉降傳感器數(shù)據(jù)去噪之后，在對(duì)該段自動(dòng)化沉降傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合并通過(guò)均方根誤差選擇最好的擬合參數(shù)。4)獲取該窗口內(nèi)沉降曲線輸出沉降量。5)滑動(dòng)窗口移動(dòng)到下個(gè)時(shí)間段，重復(fù)2)、3)、4)步。

2實(shí)驗(yàn)

2．1數(shù)據(jù)準(zhǔn)備選取

成貴鐵路大山坳隧道下穿內(nèi)宜高速地表沉降監(jiān)測(cè)的沉降數(shù)據(jù)，其中包括050L1到050L9，一共9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，其中包括人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及相對(duì)應(yīng)的自動(dòng)化沉降傳感器獲取的數(shù)據(jù)。

2．2確立該算法參數(shù)———小波函數(shù)選取

為了初步確定一個(gè)小波基，選取其中一段自動(dòng)化傳感器數(shù)據(jù)在保持其他條件都一致的情況下，分別運(yùn)用Daubechis小波基和Symlets小波基進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到結(jié)果見(jiàn)表1。利用不同小波基函數(shù)去噪，通過(guò)比較信噪比以及均方根誤差數(shù)據(jù)，選擇信噪比最大、均方根誤差最小的sym6小波基來(lái)進(jìn)行后面的小波去噪實(shí)驗(yàn)。

2．3方法對(duì)比分析

在實(shí)時(shí)處理中，本文選擇根據(jù)每段窗口內(nèi)不同數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)選取閾值的方法進(jìn)行自動(dòng)化沉降傳感器數(shù)據(jù)的去噪。為了驗(yàn)證動(dòng)態(tài)閾值選取的小波去噪在該實(shí)時(shí)處理框架中的作用，選取同一組數(shù)據(jù)，將采用動(dòng)態(tài)閾值的小波去噪獲得沉降量與人工監(jiān)測(cè)沉降量的差值和采用固定的閾值小波去噪獲得沉降量與人工監(jiān)測(cè)沉降量的差值進(jìn)行比較。表2是050L1—050L99個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。從上表可以看出，使用動(dòng)態(tài)閾值的小波去噪處理獲得的沉降量與人工監(jiān)測(cè)獲得數(shù)據(jù)更加接近，與人工監(jiān)測(cè)得到的沉降量的差值降低了大約0．1—0．4mm，可以提高獲得的沉降量的精度。由此可見(jiàn)，動(dòng)態(tài)閾值取值的小波去噪在自動(dòng)化沉降傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理中更加適用。

2．4自動(dòng)化沉降傳感器數(shù)據(jù)處理結(jié)果與人工沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

為了驗(yàn)證自動(dòng)化沉降傳感器數(shù)據(jù)的處理方法與流程的可靠性，將自動(dòng)化沉降傳感器數(shù)據(jù)處理結(jié)果與人工沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析。050L1－050L99個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與自動(dòng)化沉降獲得的數(shù)據(jù)的對(duì)比，見(jiàn)表3。從表中可以看出，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與自動(dòng)化沉降傳感器獲得的數(shù)據(jù)的沉降量基本一致;各監(jiān)測(cè)點(diǎn)人工監(jiān)測(cè)成果與靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)成果差異值最大為0．9mm，最小為0．3mm，表明自動(dòng)化沉降傳感器監(jiān)測(cè)相對(duì)于人工監(jiān)測(cè)能夠滿足變形精度±1．0mm要求。

3結(jié)束語(yǔ)

提出基于動(dòng)態(tài)選取閾值的小波去噪方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得沉降量與人工監(jiān)測(cè)獲得數(shù)據(jù)更加接近，與人工監(jiān)測(cè)得到的沉降量的差值降低了大約0．1—0．4mm，提高了自動(dòng)化沉降傳感器數(shù)據(jù)處理的精度。運(yùn)用時(shí)間滑動(dòng)窗口構(gòu)建實(shí)時(shí)處理的框架，將數(shù)據(jù)預(yù)處理和基于小波及擬合的數(shù)據(jù)處理方法嵌入其中，并將結(jié)果與人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，確認(rèn)自動(dòng)化沉降傳感器監(jiān)測(cè)能夠滿足變形精度±1．0mm要求，為以后的研究提供了一些借鑒和參考。

參考文獻(xiàn):

［1］常青．靜力水準(zhǔn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究［J］．地質(zhì)裝備，2014，15(1):30－32．

［2］詹龍喜，唐繼民，張少夏．基于自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)的地鐵沉降數(shù)據(jù)一致性分析［J］．上海國(guó)土資源，2013，34(4):84－86．

［3］楊宏，張獻(xiàn)州，張拯，等．液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)在高速鐵路運(yùn)營(yíng)期實(shí)時(shí)沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究［J］．鐵道勘察，2015(6):28－31．

［4］賀麗娟．自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在高速鐵路線下工程變形中的應(yīng)用［J］．自動(dòng)化與儀器儀表，2015(9):42－43．

［5］于來(lái)波．高速鐵路路基常用沉降變形監(jiān)測(cè)方法探究［J］．黑龍江科學(xué)，2016，7(19):72－73．

［6］周擁軍．基于小波的運(yùn)營(yíng)地鐵隧道自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理［J］．勘察科學(xué)技術(shù)，2010(1):26－29．

［7］高用竹，蔡冬曼．測(cè)量中粗大誤差的非統(tǒng)計(jì)判定方法［J］．科技資訊，2011(30):59．

［8］張必明，蔣奇云，莫丹，等．電磁勘探數(shù)據(jù)粗大誤差處理的一種新方法［J］．地球物理學(xué)報(bào)，2015，58(6):2087－2102．

［9］裘偉，李享元，程衍富．基于小波和曲線擬合對(duì)瞬變電磁信號(hào)去噪的優(yōu)化［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37(11):61－64．

［10］易飛，曹源文．小波去噪在振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)信號(hào)處理中的應(yīng)用［J］．重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，30(1):162－165．

［11］蔡劍華，李晉．基于頻率域小波去噪的大地電磁信號(hào)工頻干擾處理［J］．地質(zhì)與勘探，2015，51(2):353－359．

［12］趙曉雷．基于小波變換和均值濾波的圖像去噪研究［J］．信息技術(shù)，2017(2):69－71，75．

［13］李洋，景新幸，楊海燕．基于改進(jìn)小波閾值和emd的語(yǔ)音去噪方法［J］．計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2014，35(7):2462－2466．

［14］韓松．小波去噪在地震信號(hào)處理中的應(yīng)用［J］．中國(guó)勘察設(shè)計(jì)，2016(3):96－98．

［15］楊仁凱，王坤朋，木偉民，等．一種數(shù)據(jù)流上基于滑動(dòng)窗口的點(diǎn)連接查詢(xún)處理算法［J］．計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2014(S1):161－168．

作者：王福貴 張同剛 單位：西南交通大學(xué)