一种缆索吊试吊多源参量自适应状态表征方法及系统与流程

本发明属于桥梁施工装备安全监测，更具体地，涉及一种缆索吊试吊多源参量自适应状态表征方法及系统。

背景技术：

1、在大跨度桥梁建设工程中，缆索吊作为重型吊装核心装备，正式投入使用前必须开展分级加载试吊检验，以此验证索塔、主索、锚碇等关键构件的整体受力安全性能。超大跨缆索吊试吊过程涉及缆塔应力、塔顶偏位、锚碇位移、主索垂度、索力等多项监测指标，各类指标物理意义不同、量纲存在差异，分级加载下各阶段监测数据相互割裂，若仅依靠单指标阈值开展安全判别，难以提前识别构件之间的力学耦合风险，容易出现漏判或者误判。

2、现有缆索吊相关技术方案虽已实现试吊阶段部分参数的监测工作。如现有技术公开了缆索吊安装完成后的试吊作业，能够对跨中垂度与塔顶偏位开展监测，也有方案可实现扣塔偏位、倾角以及多组索力的在线监测与安全判别。但上述现有技术大多停留在传感器采集与简单越限报警层面，并未形成完整的多源参量耦合分析与状态表征体系，缺少对多参量耦合偏离、演化趋势以及测点一致性的综合研判逻辑。

3、现有技术无法根据试吊载荷工况实现参量评价权重自适应调整，也未建立起持荷观测、复测、降级、卸载相联动的闭环处置逻辑，仅依靠静态阈值评判难以适配分级加载过程的动态受力特征，无法为缆索吊试吊作业提供可靠的风险预判与自动化处置依据。

技术实现思路

1、本发明旨在克服现有缆索吊试吊依靠单指标阈值判别、难以识别构件耦合风险的不足，通过多源参量构建状态空间，自适应确定表征权重，结合流形空间得到综合状态指数，据此判别试吊状态并生成对应控制指令，实现缆索吊试吊安全的动态评价与闭环处置。

2、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，作为本发明的第一方面，本发明提供一种缆索吊试吊多源参量自适应状态表征方法，包括：

3、s1.在缆索吊试吊的分级加载过程中，实时采集多源监测数据以构建多源参量集合，并基于所述多源参量集合在当前加载阶段下的时序演化特征以及所述缆索吊的结构拓扑约束关系，构建多源参量状态空间；所述多源参量集合包括缆塔应力、塔顶偏位、锚碇位移、主索垂度以及索力；

4、s2.获取所述当前加载阶段对应的理论响应基准，并基于所述理论响应基准与所述多源参量状态空间内各参量演化轨迹的偏离程度，确定多源参量间的耦合响应偏离度，基于所述耦合响应偏离度自适应确定各参量的动态表征权重；

5、s3.基于所述多源参量状态空间、所述多源参量集合中各参量的安全阈值边界以及所述动态表征权重，构建多维状态表征向量，并基于所述多维状态表征向量在预设状态流形空间中的映射位置，确定所述缆索吊的综合状态表征指数；

6、s4.基于所述综合状态表征指数、所述当前加载阶段的预设状态判定条件以及所述多维状态表征向量的演化趋势，确定所述缆索吊的试吊状态表征结果，并基于所述试吊状态表征结果生成对应的试吊控制指令。

7、进一步地，所述s1中，基于所述多源参量集合在当前加载阶段下的时序演化特征以及所述缆索吊的结构拓扑约束关系，构建多源参量状态空间，包括：

8、对所述多源参量集合中各参量的时序监测数据进行小波包分解，提取各参量在不同频带下的时序演化特征分量；基于所述缆索吊的结构拓扑约束关系，构建所述多源参量集合中各参量间的物理关联矩阵；所述物理关联矩阵表征各参量在结构传力路径上的力学耦合关系；以所述时序演化特征分量为状态变量，以所述物理关联矩阵为状态转移约束，构建所述多源参量状态空间。

9、进一步地，所述多源参量状态空间的具体构建过程为：

10、计算所述多源参量集合中任意两个参量的时序演化特征分量之间的时滞互信息，确定使所述时滞互信息达到最大值的最优时滞阶数；

11、基于所述最优时滞阶数，对各参量的时序演化特征分量进行时移拼接，构建时滞增广特征矩阵；

12、将所述物理关联矩阵作为图邻接矩阵，计算对应的图拉普拉斯矩阵，并以最小化所述时滞增广特征矩阵在投影后的局部结构损失以及图拉普拉斯正则化项为目标，求解投影矩阵；目标函数为：

13、

14、其中，表示矩阵的迹，表示frobenius范数，为预设的正则化系数；

15、利用所述投影矩阵对所述时滞增广特征矩阵进行降维映射，得到所述多源参量状态空间。

16、进一步地，所述时滞互信息的计算公式为：

17、

18、其中，为第个参量与第个参量在时滞下的时滞互信息，为第个参量在时刻与第个参量在时刻的联合概率分布，和分别为对应的边缘概率分布；

19、所述最优时滞阶数。

20、进一步地，所述s2中，基于所述理论响应基准与所述多源参量状态空间内各参量演化轨迹的偏离程度，确定多源参量间的耦合响应偏离度，包括：

21、计算所述多源参量状态空间内各参量演化轨迹与所述理论响应基准之间的轨迹偏离距离；

22、基于所述轨迹偏离距离以及所述结构拓扑约束关系，确定各参量对之间的协同偏离指数；所述协同偏离指数表征具有力学耦合关系的参量对偏离理论响应基准的一致性程度；

23、基于各参量对之间的所述协同偏离指数，构建耦合响应偏离矩阵，并将所述耦合响应偏离矩阵的范数作为所述多源参量间的耦合响应偏离度。

24、进一步地，所述s2中，基于所述耦合响应偏离度自适应确定各参量的动态表征权重，包括：

25、当所述耦合响应偏离度大于预设偏离阈值时，识别所述耦合响应偏离矩阵中贡献度最大的异常参量对；

26、基于所述异常参量对中各参量的所述轨迹偏离距离，增大所述异常参量对中偏离程度较大参量的初始权重，并减小偏离程度较小参量的初始权重，得到各参量的所述动态表征权重；

27、当所述耦合响应偏离度不大于所述预设偏离阈值时，将各参量的预设基准权重作为所述动态表征权重。

28、进一步地，所述s3中多维状态表征向量的构建过程具体包括：

29、基于所述安全阈值边界，计算所述多源参量集合中各参量在所述多源参量状态空间内的归一化安全裕度，为第个参量在时刻的归一化安全裕度；

30、利用所述动态表征权重对所述归一化安全裕度进行自适应加权修正，得到各参量的加权状态分量，为第个参量在时刻的加权状态分量；

31、将所述多源参量集合中所有参量在同一时刻的所述加权状态分量按预设顺序拼接，构建所述多维状态表征向量；所述多维状态表征向量的表达式为：

32、

33、其中，为时刻的多维状态表征向量，为所述多源参量集合中的参量总数，表示向量转置。

34、进一步地，所述s3中，基于所述多维状态表征向量在预设状态流形空间中的映射位置，确定所述缆索吊的综合状态表征指数，包括：

35、基于历史试吊数据构建所述预设状态流形空间；所述预设状态流形空间包括正常状态子流形、预警状态子流形以及危险状态子流形；

36、计算所述多维状态表征向量到所述正常状态子流形、所述预警状态子流形以及所述危险状态子流形的测地线距离；

37、基于所述测地线距离以及各子流形对应的预设状态基准值，通过加权融合计算得到所述综合状态表征指数。

38、进一步地，所述s4中，基于所述试吊状态表征结果生成对应的试吊控制指令，包括：

39、当所述试吊状态表征结果为正常状态时，生成继续加载指令并输出至缆索吊的卷扬控制系统；

40、当所述试吊状态表征结果为预警状态时，生成持荷观测指令，并在预设持荷时长内持续监测所述综合状态表征指数的变化率；若所述变化率收敛至预设收敛阈值内，则生成继续加载指令；若所述变化率未收敛至所述预设收敛阈值内，则生成卸载指令；

41、当所述试吊状态表征结果为危险状态时，生成紧急卸载指令并输出至所述卷扬控制系统，同时触发声光报警。

42、作为本发明的第二方面，还提供一种缆索吊试吊多源参量自适应状态表征系统，包括：

43、参量状态空间构建单元，用于在缆索吊试吊的分级加载过程中，实时采集多源监测数据以构建多源参量集合，并基于所述多源参量集合在当前加载阶段下的时序演化特征以及所述缆索吊的结构拓扑约束关系，构建多源参量状态空间；所述多源参量集合包括缆塔应力、塔顶偏位、锚碇位移、主索垂度以及索力；

44、动态表征权重确定单元，用于获取所述当前加载阶段对应的理论响应基准，并基于所述理论响应基准与所述多源参量状态空间内各参量演化轨迹的偏离程度，确定多源参量间的耦合响应偏离度，基于所述耦合响应偏离度自适应确定各参量的动态表征权重；

45、综合状态指数计算单元，用于基于所述多源参量状态空间、所述多源参量集合中各参量的安全阈值边界以及所述动态表征权重，构建多维状态表征向量，并基于所述多维状态表征向量在预设状态流形空间中的映射位置，确定所述缆索吊的综合状态表征指数；

46、试吊控制指令生成单元，用于基于所述综合状态表征指数、所述当前加载阶段的预设状态判定条件以及所述多维状态表征向量的演化趋势，确定所述缆索吊的试吊状态表征结果，并基于所述试吊状态表征结果生成对应的试吊控制指令。

47、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

48、1.本发明的缆索吊试吊多源参量自适应状态表征方法，通过采集缆塔应力、塔顶偏位、锚碇位移、主索垂度以及索力多源监测数据，结合参量时序演化特征与缆索吊结构拓扑约束构建多源参量状态空间。该方式对分级加载下的时序监测数据开展特征提取，同时纳入结构传力路径的力学耦合关系，将原始监测数据转换为具备力学约束的标准化状态表达，规避不同参量量纲差异带来的数据割裂问题，消除监测时序中的时滞耦合干扰，为后续参量偏离分析与状态评估提供统一可靠的数据计算基础。

49、2.本发明的缆索吊试吊多源参量自适应状态表征方法，通过对比参量演化轨迹与理论响应基准，计算多源参量间的耦合响应偏离度并自适应输出各参量动态表征权重。该方式不再采用固定不变的评价权重，能够依据参量之间耦合偏离的实际情况调整各参量评价占比，识别耦合响应偏离矩阵中的异常参量对，当系统出现耦合异常时自动放大偏离程度较大参量的权重，正常工况下沿用预设基准权重，客观反映试吊加载过程中各监测参量对整体结构安全的实际贡献水平。

50、3.本发明的缆索吊试吊多源参量自适应状态表征方法，通过构建多维状态表征向量并依托预设状态流形空间映射得到综合状态表征指数，结合指数结果与向量演化趋势输出试吊控制指令。该方法兼顾参量归一化安全裕度与状态演化趋势，依靠测地线距离完成状态归属判别，按照正常、预警、危险的不同工况，分别输出继续加载、持荷观测或者紧急卸载指令，对预警工况还监测指数变化率完成二次判断，实现缆索吊试吊作业状态量化表征以及作业流程的闭环处置。