本技術(shù)涉及橋梁疲勞壽命預(yù)測(cè)，特別涉及一種基于小波包分析的橋梁疲勞壽命預(yù)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

1、橋梁在長(zhǎng)期承受交通載荷的作用下，會(huì)發(fā)生疲勞裂縫，這種疲勞破壞對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)安全和使用壽命構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。因此，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)橋梁的疲勞壽命對(duì)于制定維護(hù)策略和延長(zhǎng)橋梁使用壽命至關(guān)重要。傳統(tǒng)的疲勞壽命預(yù)測(cè)方法依賴于大量的結(jié)構(gòu)或材料疲勞試驗(yàn)，這些方法往往計(jì)算量大，操作復(fù)雜，且需要大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。目前，橋梁疲勞壽命預(yù)測(cè)的方法主要包括基于統(tǒng)計(jì)模型的方法和基于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法。統(tǒng)計(jì)模型方法通常將應(yīng)力幅視為隨機(jī)變量，利用伽馬分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布、威布爾分布等進(jìn)行模擬。然而，這些方法的模擬精度較低，未能充分利用實(shí)測(cè)資料的信息。

2、目前，橋梁疲勞壽命預(yù)測(cè)領(lǐng)域廣泛采用基于傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)方法的技術(shù)，如應(yīng)力-壽命（s-n）曲線法。s-n曲線法通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立應(yīng)力與疲勞壽命之間的關(guān)系，能夠定性地描述橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞損傷過程，并定量計(jì)算其疲勞壽命。然而，這種方法在實(shí)際應(yīng)用中存在一些技術(shù)缺點(diǎn)，如對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的依賴性強(qiáng)、模型更新緩慢、難以適應(yīng)復(fù)雜多變的工況條件，導(dǎo)致預(yù)測(cè)精度有限。

3、由此可見，目前的橋梁疲勞壽命預(yù)測(cè)方法存在橋梁疲勞壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性低的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本技術(shù)提供了一種基于小波包分析的橋梁疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，可以解決橋梁疲勞壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性低的問題。

2、第一方面，本技術(shù)實(shí)施例提供了一種基于小波包分析的橋梁疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，該橋梁疲勞壽命預(yù)測(cè)方法包括：

3、獲取目標(biāo)橋梁的撓度信號(hào)；撓度信號(hào)用于描述在多種效應(yīng)的共同作用下目標(biāo)橋梁在t個(gè)時(shí)刻的撓度，第t個(gè)時(shí)刻為當(dāng)前時(shí)刻；

4、向撓度信號(hào)中添加白噪聲，得到噪聲撓度信號(hào)，并對(duì)噪聲撓度信號(hào)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，得到多個(gè)最終模態(tài)分量；

5、對(duì)所有最終模態(tài)分量進(jìn)行去噪和重構(gòu)，得到重構(gòu)撓度信號(hào)，并對(duì)重構(gòu)撓度信號(hào)進(jìn)行小波包分析，得到撓度特征向量；

6、對(duì)撓度特征向量進(jìn)行編碼和解碼，得到最終撓度特征向量；

7、根據(jù)最終撓度特征向量對(duì)目標(biāo)橋梁的橋梁疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到目標(biāo)橋梁的橋梁疲勞壽命預(yù)測(cè)結(jié)果；橋梁疲勞壽命預(yù)測(cè)結(jié)果用于描述目標(biāo)橋梁的疲勞程度。

8、可選的，向撓度信號(hào)中添加白噪聲，得到噪聲撓度信號(hào)，包括：

9、計(jì)算撓度信號(hào)在多個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)差；

10、基于標(biāo)準(zhǔn)差生成自適應(yīng)白噪聲，并將自適應(yīng)白噪聲添加到撓度信號(hào)中，得到噪聲撓度信號(hào)。

11、可選的，計(jì)算撓度信號(hào)在多個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)差，包括：

12、通過對(duì)公式：

13、

14、求解得到標(biāo)準(zhǔn)差；

15、其中，表示局部均值，表示時(shí)間窗口，，表示撓度信號(hào)中第個(gè)歷史時(shí)刻的撓度；

16、基于標(biāo)準(zhǔn)差生成自適應(yīng)白噪聲，包括：

17、通過公式：

18、

19、

20、

21、

22、生成自適應(yīng)白噪聲；

23、其中，表示幅值，表示噪聲次數(shù)，表示第次的高斯白噪聲，表示基礎(chǔ)噪聲次數(shù)，表示變化量，表示變化量閾值，表示撓度信號(hào)，表示上一段撓度信號(hào)，表示基礎(chǔ)噪聲幅值；

24、將自適應(yīng)白噪聲添加到撓度信號(hào)中，得到噪聲撓度信號(hào)，包括：

25、通過公式：

26、

27、計(jì)算噪聲撓度信號(hào)。

28、可選的，對(duì)噪聲撓度信號(hào)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，得到多個(gè)最終模態(tài)分量，包括：

29、通過公式：

30、

31、

32、計(jì)算第個(gè)最終模態(tài)分量；

33、其中，表示第個(gè)模態(tài)分量，表示經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，表示模態(tài)分量的數(shù)量。

34、可選的，對(duì)所有最終模態(tài)分量進(jìn)行去噪和重構(gòu)，得到重構(gòu)撓度信號(hào)，包括：

35、對(duì)所有最終模態(tài)分量進(jìn)行小波包分解，得到多個(gè)去噪小波包系數(shù)；

36、對(duì)每個(gè)去噪小波包系數(shù)進(jìn)行軟閾值處理，得到每個(gè)去噪小波包系數(shù)對(duì)應(yīng)的最終去噪小波包系數(shù)；

37、對(duì)所有最終去噪小波包系數(shù)進(jìn)行逆小波包變換，得到重構(gòu)撓度信號(hào)。

38、可選的，對(duì)每個(gè)去噪小波包系數(shù)進(jìn)行軟閾值處理，得到每個(gè)去噪小波包系數(shù)對(duì)應(yīng)的最終去噪小波包系數(shù)，包括：

39、通過公式：

40、

41、

42、計(jì)算最終去噪小波包系數(shù)；

43、其中，表示去噪小波包系數(shù)的符號(hào)函數(shù)，表示閾值，表示噪聲標(biāo)準(zhǔn)差，表示信號(hào)的長(zhǎng)度。

44、可選的，對(duì)重構(gòu)撓度信號(hào)進(jìn)行小波包分析，得到撓度特征向量，包括：

45、迭代次數(shù)加1，根據(jù)步長(zhǎng)因子對(duì)重構(gòu)撓度信號(hào)進(jìn)行多層小波包分解，得到多個(gè)信號(hào)節(jié)點(diǎn)；

46、從所有信號(hào)節(jié)點(diǎn)中確定出目標(biāo)信號(hào)節(jié)點(diǎn)，并計(jì)算目標(biāo)信號(hào)節(jié)點(diǎn)的小波包系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差和小波包系數(shù)平均值；

47、將小波包系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差和小波包系數(shù)平均值進(jìn)行組合，得到初始撓度特征向量；

48、基于初始撓度特征向量計(jì)算誤差信號(hào)，并對(duì)步長(zhǎng)因子進(jìn)行更新，得到更新后的步長(zhǎng)因子；

49、對(duì)誤差信號(hào)進(jìn)行功率檢測(cè)，得到誤差信號(hào)的功率，并判斷誤差信號(hào)的功率與上一次迭代的誤差信號(hào)的功率之間的差值是否大于功率差值閾值；

50、若是，則將更新后的步長(zhǎng)因子作為步長(zhǎng)因子，返回迭代次數(shù)加1，根據(jù)步長(zhǎng)因子對(duì)重構(gòu)撓度信號(hào)進(jìn)行多層小波包分解，得到多個(gè)信號(hào)節(jié)點(diǎn)的步驟；

51、否則，將初始撓度特征向量作為撓度特征向量。

52、可選的，基于初始撓度特征向量計(jì)算誤差信號(hào)，包括：

53、通過公式：

54、

55、計(jì)算誤差信號(hào)；

56、其中，表示期望信號(hào)，表示濾波器對(duì)初始撓度特征向量進(jìn)行處理后的輸出信號(hào)；

57、對(duì)步長(zhǎng)因子進(jìn)行更新，得到更新后的步長(zhǎng)因子，包括：

58、通過公式：

59、

60、計(jì)算第次迭代的步長(zhǎng)因子；

61、其中，表示第次迭代的步長(zhǎng)因子，和均表示參數(shù)，表示掩碼比例，表示小波包系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差，表示小波包系數(shù)的平均值，表示正數(shù)，，表示最大迭代次數(shù)。

62、可選的，對(duì)撓度特征向量進(jìn)行編碼和解碼，得到最終撓度特征向量，包括：

63、生成撓度特征向量的掩碼矩陣；

64、根據(jù)掩碼矩陣對(duì)撓度特征向量進(jìn)行編碼，得到編碼向量，并對(duì)編碼向量進(jìn)行解碼，得到最終撓度特征向量。

65、可選的，生成撓度特征向量的掩碼矩陣，包括：

66、通過公式：

67、

68、

69、

70、

71、計(jì)算掩碼矩陣中第行第列的掩碼；

72、其中，表示在[0,?1]范圍內(nèi)均勻分布的隨機(jī)數(shù)，表示掩碼概率，和均表示超參數(shù)，表示的期望值，表示的波動(dòng)范圍，表示密度閾值，表示強(qiáng)信號(hào)閾值，表示弱信號(hào)閾值，表示范圍常數(shù)，，表示掩碼矩陣中最后一行的索引，，表示掩碼矩陣中最后一列的索引。

73、第二方面，本技術(shù)實(shí)施例提供了一種基于小波包分析的橋梁疲勞壽命預(yù)測(cè)裝置，包括：

74、獲取模塊，用于獲取目標(biāo)橋梁的撓度信號(hào)；撓度信號(hào)用于描述在多種效應(yīng)的共同作用下目標(biāo)橋梁在t個(gè)時(shí)刻的撓度，第t個(gè)時(shí)刻為當(dāng)前時(shí)刻；

75、經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解模塊，用于向撓度信號(hào)中添加白噪聲，得到噪聲撓度信號(hào)，并對(duì)噪聲撓度信號(hào)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，得到多個(gè)最終模態(tài)分量；

76、小波包分析模塊，用于對(duì)所有最終模態(tài)分量進(jìn)行去噪和重構(gòu)，得到重構(gòu)撓度信號(hào)，并對(duì)重構(gòu)撓度信號(hào)進(jìn)行小波包分析，得到撓度特征向量；

77、編解碼模塊，用于對(duì)撓度特征向量進(jìn)行編碼和解碼，得到最終撓度特征向量；

78、預(yù)測(cè)模塊，用于根據(jù)最終撓度特征向量對(duì)目標(biāo)橋梁的橋梁疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到目標(biāo)橋梁的橋梁疲勞壽命預(yù)測(cè)結(jié)果；橋梁疲勞壽命預(yù)測(cè)結(jié)果用于描述目標(biāo)橋梁的疲勞程度。

79、第三方面，本技術(shù)實(shí)施例提供了一種終端設(shè)備，包括存儲(chǔ)器、處理器以及存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中并可在處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，該處理器執(zhí)行上述計(jì)算機(jī)程序時(shí)實(shí)現(xiàn)上述的基于小波包分析的橋梁疲勞壽命預(yù)測(cè)方法。

80、第四方面，本技術(shù)實(shí)施例提供了一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，該計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，該計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)上述的基于小波包分析的橋梁疲勞壽命預(yù)測(cè)方法。

81、本技術(shù)的上述方案有如下的有益效果：

82、在本技術(shù)的實(shí)施例中，通過獲取目標(biāo)橋梁的撓度信號(hào)，然后向撓度信號(hào)中添加白噪聲，得到噪聲撓度信號(hào)，并對(duì)噪聲撓度信號(hào)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，得到最終模態(tài)分量，再對(duì)最終模態(tài)分量進(jìn)行去噪和重構(gòu)，得到重構(gòu)撓度信號(hào)，并對(duì)重構(gòu)撓度信號(hào)進(jìn)行小波包分析，得到撓度特征向量，然后對(duì)撓度特征向量進(jìn)行編碼和解碼，得到最終撓度特征向量，最后根據(jù)最終撓度特征向量對(duì)目標(biāo)橋梁的橋梁疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到目標(biāo)橋梁的橋梁疲勞壽命預(yù)測(cè)結(jié)果。其中，對(duì)撓度信號(hào)添加白噪聲后再進(jìn)行去噪和重構(gòu)，能夠有效過濾撓度信號(hào)中的噪聲部分，盡可能保留包含橋梁疲勞特征的有用成分，提高重構(gòu)撓度信號(hào)的精確度，對(duì)精確的重構(gòu)撓度信號(hào)進(jìn)行小波包分析，充分發(fā)揮了小波包分析在信號(hào)處理中精細(xì)而全面的優(yōu)勢(shì)，有效提高撓度特征向量的準(zhǔn)確性，基于準(zhǔn)確的撓度特征向量對(duì)橋梁疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，能夠提高橋梁疲勞壽命預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

83、本技術(shù)的其它有益效果將在隨后的具體實(shí)施方式部分予以詳細(xì)說明。