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GPS结构监测数据失真分析与异常识别方法研究

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摘要

1 绪论

1.1 结构健康监测的研究背景和意义

1.2 结构健康监测的系统组成

1.3 GPS技术在结构健康监测中的应用

1.3.1 GPS测量技术的发展

1.3.2 GPS-RTK技术在土木工程监测中的应用

1.4 本文的主要研究工作

2 GPS监测技术原理及实测研究

2.1 土木工程监测中GPS定位技术原理

2.1.1 GPS绝对定位技术原理

2.1.2 GPS相对定位中的RTK技术原理

2.1.3 GPS-RTK监测技术中的坐标转换

2.2 GPS测量误差分析

2.3 基于GPS-RTK技术的大连北大桥动态监测

2.3.1 大桥概况

2.3.2 桥梁有限元模型分析及GPS测点布置

2.3.3 桥梁动态位移解算

2.4 本章小结

3 基于控制图的GPS异常数据检验的研究

3.1 数据挖掘中的异常数据识别方法

3.2 统计过程控制的发展

3.3 GPS异常监测数据的预警模型建立

3.3.1 监测数据异常模型的建立

3.3.2 休哈特均值控制图的建立

3.3.3 CUSUM控制图的建立

3.3.4 基于平均运行链长的(k,h)选取

3.3.5 非正态数据的转换

3.3.6 休哈特控制图和CUSUM控制图的异常检验实施步骤

3.4 GPS模拟数据分析

3.5 GPS实测数据分析

3.6 本章小结

4 基于关联负选择的GPS异常监测数据分步识别算法的研究

4.1 灰色关联理论

4.1.1 灰色关联分析的特征

4.1.2 关联度分析四公理

4.1.3 常用关联度计算

4.2 GPS监测数据的关联性分析

4.2.1 GPS测点的关联性分析

4.2.2 关联模型的建立

4.3 改进的负选择算法

4.3.1 人工免疫负选择算法

4.3.2 改进的自适应半径负选择算法

4.4 基于关联负选择的GPS异常数据分步识别算法的提出

4.5 模拟数据分析

4.6 实测数据分析

4.7 本章小结

5 结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间参与项目及发表学术论文情况

致谢

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摘要

GPS监测技术以其全天候、全自动、高效快速和高精度等特点,已经越来越多地应用于多种大型结构的安全性监测中。GPS信号作为一种功率很小的微弱信号,在其传播过程中易受到各种外界因素的干扰如多路径效应、整周跳变现象等。这些干扰源会引起相当比例数据的异常和失真,致使结构性态识别与故障诊断结果频频出现误/漏警现象,因此,无论是在信息获取阶段还是在安全评价环节,为了获取更为准确的监测数据,GPS监测过程中的数据失真与变异问题都应引起高度重视。针对GPS异常失真数据的检验和识别的问题,本论文主要进行了以下几个方面的理论和试验的研究。
  (1)系统总结了GPS定位技术的相关理论,详细介绍了GPS定位中的误差分类。针对不同的误差项给出相应地削弱方法,以期减少在GPS监测中由于测量误差而造成的数据失真和异常。
  (2)完成了基于GPS技术的大连北大桥动态监测。基于ANSYS软件建立的大桥的有限元模型,获取大桥自振频率和振型,为GPS流动站的布置提供参考。最后利用GrafNav/Net软件完成了流动站坐标的动态解算,获得了大桥的实时动态位移。
  (3)提出了基于控制图的GPS异常监测数据检验方法。构建了休哈特和累积和(Cumlative Sum,简称CUSUM)两种控制图,给出了对应的异常预警模型。针对GPS监测数据不服从正态分布的问题,提出了利用累积分布函数的核密度估计将其转化为Q统计量,并以此为基础构建了基于Q统计量的控制图应用于GPS异常数据的检验中。将两种控制图应用于GPS仿真和实测数据中,结果表明休哈特控制图能够检测出3倍标准差以上的大偏移,但是缺少小偏移检验能力。CUSUM控制图能够检测出3倍标准差以下的连续小偏移,最小可达0.5倍的标准差,但是随着偏移的增大CUSUM控制图的误判范围在增加。实际应用中可以根据需要,选择不同的控制图进行异常数据的判别。
  (4)提出了一种基于关联负选择的分步识别算法用于GPS监测数据的异常检验。首先构建GPS监测数据的关联模型,通过设定预警控制限对异常数据快速初步判定,然后再利用自适应半径负选择算法对异常数据发生范围进行精确的二次识别。对于负选择算法中固定半径检测器和固定半径自体表示方法的不足文中给出了相应改进。分别用仿真的正弦数据和GPS实测数据验证了该方法的有效性,结果表明本文提出的方法能够准确识别GPS监测数据中的异常,关联负选择的双重机制保证了异常检验的效果,能够用于GPS异常数据识别的实际工程中。

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