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专利号: 2020112531168
申请人: 东华理工大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-08-30
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种高铁桥墩沉降曲线预测方法,包括以下步骤:步骤1,数据准备,包括采集n期等时间间距的沉降监测数据,提取监测时刻ti对应的沉降监测数据zi,其中i=1,2,3,…,n,设根据前n期沉降监测数据预测后m期沉降监测数据,模拟区间为前n期,预测区间为后m期,m+n=N;

步骤2,参数解算,包括输入监测数据,曲线模型方程线性化,利用稳健最小二乘求解模型参数,削弱监测数据异常值扰动;对Logistic模型参数的最小二乘估计值作为稳健最小二乘计算的初值;稳健最小二乘解算参数是一个多次迭代过程,动态调整权因子;

T

设 bLS=[b1 b2],参数的稳健最小二乘估计值为T ‑1 T

bRLS=(XPX) XPY

式中,权阵P采用的IGG权因子为

式中,wi为第i点的权因子,ui=vi/σ0,vi为第i点的残差,σ0为监测值中误差;k0、k1为决定权因子的2个阈值;

稳健最小二乘优化削弱异常值扰动的具体实现如下,T ‑1 T

第一步,根据bLS=(XX) XY,取参数的最小二乘估值bLS作为初值;

第二步,计算模型当前参数下,监测值残差vi,监测值中误差σ0;

第三步,根据

确定一组新的权因子wi,得到权因子矩阵 得权阵P=P0·W,其中P0为初始权阵,等精度观测时初始权阵为单位矩阵;

T ‑1 T

第四步,根据bRLS=(XPX) XPY,计算参数的稳健最小二乘估计值bRLS;

k+1 k ‑10

重复第二步至第四步,直至||bRLS ‑bRLS||≤10 ,得参数的稳健最小二乘估计值bRLS,k k+1参数解算完毕,其中,bRLS为第k次迭代所得参数的最小二乘估值,bRLS 为第k+1次迭代所得参数的最小二乘估值;

步骤3,沉降预测,包括根据所得稳健最小二乘参数建立曲线模型,基于所得稳健最小二乘曲线模型分别计算模拟区间的模拟值和预测区间的预测值;实现方式如下,参数的稳健最小二乘估计值建立稳健最小二乘‑Logistic模型,计算模拟值与预测值;

根据稳健最小二乘法得到参数bRLS后,线性方程 已确定,自变量x输入期数1~N,得到一组因变量 根据变量代换关系将 还原为yRLS,前n期为模拟值,记为RL1,RL2,…,RLn,后m期为预测值记为RLn+1,RLn+2,…,RLN,n+m=N;

步骤4,预测修正,包括首先计算稳健最小二乘曲线模型模拟值的残差与相对误差,根据相对误差进行状态划分,并建立状态转移概率矩阵,得到马尔科夫预测模型,根据马尔科夫预测模型对稳健最小二乘曲线模型的预测值进行修正,最终输出高铁桥墩沉降预测值,记为RLMn+1,RLMn+1RLMn+3,…,RLMN,得到高铁桥墩的沉降趋势。

2.根据权利要求1所述一种高铁桥墩沉降曲线预测方法,其特征在于:步骤2中曲线模型采用Logistic模型,Logistic模型形式为式中,a1、a2、a3为Logistic模型待解算参数;

最后令 b1=ln a2,b2=‑a3,得到Logistic模型的线性形式1

y=b1+b2x

式中,b1、b2为待解算参数。

3.根据权利要求1所述一种高铁桥墩沉降曲线预测方法,其特征在于:步骤4中计算模拟区间的残差与相对误差,计算公式为εi=zi‑RLi

式中,zi为沉降监测数据,RLi为稳健最小二乘—Logistic模型模拟值。

4.根据权利要求1或2或3所述一种高铁桥墩沉降曲线预测方法,其特征在于:步骤4中根据*实际数据划分成若干状态区间或以最值均方差法将相对误差区间划分n个, σ为样本标准差,d是最大残差与最小残差之差,EVEN(·)函数是指沿绝对值增大方向取最接近的偶数。

5.根据权利要求4所述一种高铁桥墩沉降曲线预测方法,其特征在于:步骤4中根据模拟值状态建立状态转移概率矩阵,公式为式中,Mab(k)是指在k步长中Sa转移到Sb的次数,Ma(k)是指Sa在k步长中发生转移的次*数;a,b为状态Sa,Sb的计数下标,1≤a,b≤n;

依次计算所有转移概率,建立k步状态转移概率矩阵

6.根据权利要求5所述一种高铁桥墩沉降曲线预测方法,其特征在于:步骤4中通过状态转移概率矩阵确定预测值状态,并修正预测值,实现方法如下:

1)设第n期模拟值所处状态区间为Sa,若矩阵第a行中最大的状态转移概率为Pab,则认为状态转移一步后会从Sa转移至Sb,即认为第n+1期预测值所处状态区间为Sb;

2)确定预测值状态后,根据所在状态所对应的相对误差区间对稳健最小二乘—Logistic预测值进行修正,计算公式为式中,ΔD、ΔU分别为状态区间的上下限值,i=n+1,n+2,…,N;

3)得到稳健最小二乘—Logistic—马尔科夫高铁桥墩沉降预测值。

7.根据权利要求1或2或3所述一种高铁桥墩沉降曲线预测方法,其特征在于:在高铁桥墩沉降预测值超出阈值时进行报警。

8.一种高铁桥墩沉降曲线预测系统,其特征在于:用于实现如权利要求1‑7任一项所述的一种高铁桥墩沉降曲线预测方法。

9.根据权利要求8所述高铁桥墩沉降曲线预测系统,其特征在于:包括处理器和存储器,存储器用于存储程序指令,处理器用于调用存储器中的存储指令执行如权利要求1‑7任一项所述的一种高铁桥墩沉降曲线预测方法。