張文鋒，唐聰，楊太年

（中交天津港灣工程研究院有限公司，天津港灣工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司，天津300222）

光纖光柵鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理方法

張文鋒，唐聰，楊太年

（中交天津港灣工程研究院有限公司，天津港灣工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司，天津300222）

光纖光柵傳感器具有抗干擾強(qiáng)、體積小、精度高、耐久性高等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)研究的熱點(diǎn)。文章針對(duì)典型的光纖光柵鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提出了一種多傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理方法，具體包括波長(zhǎng)數(shù)據(jù)預(yù)處理（補(bǔ)償后波長(zhǎng)、波長(zhǎng)變化量、鋼筋腐蝕率）、異常數(shù)據(jù)檢驗(yàn)與剔除（t檢驗(yàn)法）、一致性檢驗(yàn)（分布圖法）、基于Bayes估計(jì)的數(shù)據(jù)融合、腐蝕率融合值的模糊區(qū)間建立等過(guò)程，并通過(guò)算例驗(yàn)證了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理方法的有效性。

光纖光柵；鋼筋腐蝕；監(jiān)測(cè)；數(shù)據(jù)處理；傳感器

0 引言

氯離子侵蝕引起的鋼筋腐蝕是導(dǎo)致海洋環(huán)境鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性不足的主要原因。鋼筋腐蝕在海洋環(huán)境下普遍存在，后期有加速發(fā)展的趨勢(shì)，若不及時(shí)處理，往往會(huì)造成后期維修難度和成本的增大。由此可見(jiàn)，盡早發(fā)現(xiàn)鋼筋腐蝕，并及時(shí)采用處理措施，不僅有利于保障結(jié)構(gòu)耐久性，而且有助于降低維護(hù)成本。鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)可在不破壞結(jié)構(gòu)完整性的基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)獲取混凝土中鋼筋的腐蝕信息，是盡早分析鋼筋腐蝕原因的有效手段，并可為及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施提供必要條件，對(duì)于保障結(jié)構(gòu)耐久性和降低結(jié)構(gòu)后期維護(hù)費(fèi)用有著積極意義。

國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)了一系列鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器，其中陽(yáng)極梯、Corrowatch傳感器、ECI腐蝕傳感器等在國(guó)內(nèi)外工程中已得到廣泛應(yīng)用[1]。與傳統(tǒng)傳感器相比，光纖傳感器集傳感與信息傳輸于一體，且具有抗干擾強(qiáng)、體積小、精度高、耐久性高等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為國(guó)內(nèi)外鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)研究的新熱點(diǎn)。目前，用于鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)的光纖傳感器主要有微彎型光纖傳感器、光纖光柵傳感器、長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器，光波導(dǎo)型傳感器等，其中以光纖光柵傳感器研究最為廣泛。

提出一種基于鋼筋腐蝕膨脹及光纖光柵傳感原理的鋼筋腐蝕傳感器組合[2]，通過(guò)光纖并聯(lián)器、光纖轉(zhuǎn)接盒、光纜、光纖監(jiān)測(cè)儀等部件可實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸[3]，目前已在工程結(jié)構(gòu)中得到應(yīng)用。單個(gè)傳感器組合僅從某一范圍描述鋼筋腐蝕狀況，只提供局部信息，很難準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)中鋼筋的普遍腐蝕狀況。因此，在實(shí)際工程中，通常會(huì)在結(jié)構(gòu)的典型區(qū)域埋設(shè)一定數(shù)量的傳感器組合形成多傳感器系統(tǒng)。與單個(gè)傳感器相比，多傳感器不僅能增強(qiáng)傳感器系統(tǒng)的存活能力和抗干擾能力，而且可提高數(shù)據(jù)的可信度和精度，并增加信息的利用率。以下針對(duì)典型的光纖光柵鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提出一種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理方法。

1 光纖光柵鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理步驟

假設(shè)在某實(shí)體工程的典型區(qū)域埋設(shè)n組傳感器，每組傳感器由一個(gè)鋼筋腐蝕傳感器和一個(gè)補(bǔ)償傳感器構(gòu)成，分別對(duì)每組傳感器中的鋼筋腐蝕傳感器讀數(shù)m次，對(duì)補(bǔ)償傳感器讀數(shù)1次。某典型區(qū)域多傳感器系統(tǒng)，h時(shí)間段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理步驟包括波長(zhǎng)數(shù)據(jù)預(yù)處理、異常數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)與剔除、一致性檢驗(yàn)、Bayes數(shù)據(jù)融合、腐蝕率融合值的模糊區(qū)間建立等。圖1為光纖光柵鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理的流程圖。

圖1 光纖光柵鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理的流程圖Fig.1Flow diagram for the monitoring data processing of the fiber Bragg grating sensors for steel corrosion

1.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

在數(shù)據(jù)處理前，首先通過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理將光纖監(jiān)測(cè)儀采集的波長(zhǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為鋼筋腐蝕率數(shù)據(jù)。根據(jù)第j號(hào)補(bǔ)償傳感器h時(shí)間段的波長(zhǎng)和初始時(shí)間段的波長(zhǎng)計(jì)算補(bǔ)償波長(zhǎng)，接著對(duì)腐蝕傳感器中心波長(zhǎng)進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算，然后結(jié)合腐蝕傳感器初始波長(zhǎng)得到波長(zhǎng)變化量，最后根據(jù)波長(zhǎng)變化量與腐蝕率的定量關(guān)系計(jì)算h時(shí)間段的腐蝕率。波長(zhǎng)變化量Δλi（h，j）及腐蝕率ρi（h，j）計(jì)算公式如下：

式中：λ（ih，j）為h時(shí)間段第j號(hào)鋼筋腐蝕傳感器的第i次中心波長(zhǎng)的讀數(shù)值；λ（Bh，j）為h時(shí)間段相應(yīng)補(bǔ)償傳感器的讀數(shù)；λ（Bh0，j）為初始時(shí)間段相應(yīng)補(bǔ)償傳感器的波長(zhǎng)；λ（ih0，j）為初始時(shí)間段第j號(hào)鋼筋腐蝕傳感器波長(zhǎng)讀數(shù)的平均值；ρ（ih，j）為第j號(hào)傳感器h時(shí)間段的鋼筋腐蝕率；Δλ（ih，j）為波長(zhǎng)變化量；f[Δλ（ih，j）]為波長(zhǎng)變化量與鋼筋腐蝕率的定量關(guān)系。

1.2 異常數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)與剔除

一般認(rèn)為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，常用的異常數(shù)據(jù)檢驗(yàn)準(zhǔn)則有t檢驗(yàn)（3S）準(zhǔn)則、狄克松（Dixon）準(zhǔn)則、布拉格斯（Grubbs）準(zhǔn)則等，本文采用t檢驗(yàn)準(zhǔn)則[4]。對(duì)預(yù)處理得到的h時(shí)間段每個(gè)傳感器組的m個(gè)腐蝕率值ρ（ih，j）進(jìn)行t檢驗(yàn)，并剔除異常數(shù)據(jù)。異常數(shù)據(jù)t檢驗(yàn)的基本公式如下：

式中：ρ（kh，j）為可疑值；ρ（h，j）*和σ（h，j）*分別為不包括可疑值在內(nèi)的m-1個(gè)采集值的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差；K（m，α）為t檢驗(yàn)系數(shù)，α為顯著性水平，m為讀數(shù)次數(shù)。當(dāng)確定ρ（kh，j）為異常值，將其剔除，對(duì)剩余數(shù)據(jù)繼續(xù)檢驗(yàn)；當(dāng)ρ（kh，j）為非異常值時(shí)，不能剔除，檢驗(yàn)結(jié)束。

1.3 一致性檢驗(yàn)

腐蝕率值ρ（ih，j）通過(guò)異常數(shù)據(jù)檢驗(yàn)和剔除后，進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，本文采用分布圖法[5]。分位圖法用中位數(shù)（M）、四分位數(shù)（F）、四分位數(shù)離散度（dF）、淘汰點(diǎn)（Θ）等統(tǒng)計(jì)量來(lái)反映數(shù)據(jù)的分布結(jié)構(gòu)，以找出數(shù)據(jù)中較不可靠的離異值。將n個(gè)傳感器組在h時(shí)間段剔除異常數(shù)據(jù)后所求得的平均值作為單個(gè)傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，那么一致性數(shù)據(jù)的區(qū)間邊界可按式（4）計(jì)算：

式中：γ為一致性檢驗(yàn)系數(shù)，其大小視系統(tǒng)的測(cè)量誤差要求而定，一般取0.5、1.0、2.0等值[6]。當(dāng)傳感器數(shù)據(jù)處于區(qū)間[Θv，Θu]時(shí)，認(rèn)為數(shù)據(jù)是有效一致的，檢驗(yàn)結(jié)束；當(dāng)數(shù)據(jù)不處于該區(qū)間時(shí)，將其淘汰，并對(duì)剩余數(shù)據(jù)繼續(xù)檢驗(yàn)。

1.4 基于Bayes估計(jì)的數(shù)據(jù)融合

多傳感器數(shù)據(jù)融合方法有加權(quán)平均法、卡爾曼濾波法、Bayes估計(jì)法、D-S證據(jù)推理、產(chǎn)生式規(guī)則等，本文采用Bayes估計(jì)法[6-7]。假設(shè)h時(shí)間段n個(gè)傳感器組的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)一致性檢驗(yàn)后得到一致數(shù)據(jù)集為H={ρ（h，1）**，ρ（h，2）**，…，ρ（h，r）**}，r≤n。采用Bayes估計(jì)法對(duì)一致性數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，計(jì)算公式如下：

式中：μN(yùn)為Bayes數(shù)據(jù)融合所得融合值；ρ（h，j）**為經(jīng)過(guò)一致性檢驗(yàn)后的數(shù)據(jù)；σ2j為ρ（h，j）**的方差；μ0和σ20分別為單個(gè)傳感器多次有效讀數(shù)的均值和方差。

1.5 腐蝕率融合值的模糊區(qū)間建立

腐蝕率融合值μN(yùn)是點(diǎn)估計(jì)值，僅僅是腐蝕率數(shù)據(jù)的一個(gè)近似值。盡管這個(gè)近似值很接近真實(shí)值，但未反映出其誤差范圍。然而，鋼筋腐蝕往往是不均勻的，且傳感器數(shù)量有限，腐蝕率數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)在某個(gè)區(qū)間內(nèi)，因此僅用融合值μN(yùn)來(lái)表示鋼筋腐蝕程度顯得不夠科學(xué)。為此，采用腐蝕率模糊區(qū)間[8]來(lái)表示鋼筋的腐蝕程度，模糊區(qū)間計(jì)算公式如下：

式中：ρ?為腐蝕率數(shù)據(jù)；ω為閥值；μN(yùn)為腐蝕率融合值；σ2j為ρ（h，j）**的方差。

2 算例

假設(shè)某鋼筋混凝土構(gòu)件布設(shè)了10個(gè)傳感器組，每個(gè)腐蝕傳感器讀數(shù)6次，每個(gè)補(bǔ)償傳感器讀數(shù)1次。腐蝕傳感器的平均初始波長(zhǎng)、補(bǔ)償傳感器的初始波長(zhǎng)和某次采集的波長(zhǎng)讀數(shù)見(jiàn)表1。腐蝕傳感器某次采集的波長(zhǎng)讀數(shù)見(jiàn)表2。傳感器組腐蝕率公式為ρ=2.269 16（Δλ）2+0.643 02Δλ+ 0.232 29，其中Δλ為波長(zhǎng)變化量。傳感器組所得腐蝕率t檢驗(yàn)的顯著性水平為0.05，腐蝕率均值一致性檢驗(yàn)的系數(shù)γ為1.0，腐蝕率模糊區(qū)間確定時(shí)采用的閥值為0.5。采用本文方法計(jì)算某次：1）傳感器的有效腐蝕率數(shù)據(jù)；2）有效的腐蝕率均值；3）腐蝕率融合值；4）腐蝕率的模糊區(qū)間。

表1 腐蝕傳感器及補(bǔ)償傳感器的波長(zhǎng)讀數(shù)Table 1Wavelength of the corrosion sensors and their compensation sensors nm

表2 腐蝕傳感器采集的波長(zhǎng)讀數(shù)Table 2Wavelength of the corrosion sensorsnm

求解過(guò)程見(jiàn)表3。1）根據(jù)式（1）計(jì)算腐蝕傳感器的波長(zhǎng)變化量，然后通過(guò)式（2）計(jì)算腐蝕率。2）對(duì)各個(gè)傳感器組監(jiān)測(cè)到的腐蝕率值進(jìn)行t檢驗(yàn)，有效腐蝕率和異常腐蝕率均見(jiàn)表3。3）計(jì)算有效腐蝕率的均值及方差，并對(duì)均值進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。4）根據(jù)上述結(jié)果及式（5）計(jì)算腐蝕率融合值。5）根據(jù)式（6）計(jì)算腐蝕率融合值的模糊區(qū)間。

表3 傳感器的腐蝕率數(shù)據(jù)Table 3Corrosion rate of the sensors %

由表3計(jì)算結(jié)果可知，本文方法有效剔除了算例中設(shè)置的異常數(shù)據(jù)，并淘汰不一致數(shù)據(jù)。為研究本文方法的有效性，對(duì)1號(hào)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行擾動(dòng)，并將其相對(duì)擾動(dòng)與傳統(tǒng)均值法的相對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行比較。具體而言，假設(shè)1號(hào)傳感器的腐蝕率讀數(shù)1由1 529.506 4 nm變?yōu)? 529.356 4 nm，按本文方法計(jì)算所得腐蝕率融合值仍為5.07%，相對(duì)擾動(dòng)為0；而用傳統(tǒng)均值法計(jì)算時(shí)，腐蝕率平均值由原來(lái)的4.81%變?yōu)?.63%，相對(duì)擾動(dòng)為3.7%。由此可見(jiàn)，與傳統(tǒng)均值法相比，本文方法具有更強(qiáng)的抗干擾能力，計(jì)算結(jié)果精度更高。另外，模糊區(qū)間更能體現(xiàn)鋼筋腐蝕不均勻的特點(diǎn)。綜上所述，通過(guò)本文方法可有效處理光纖光柵鋼筋腐蝕多傳感器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)典型的光纖光柵鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提出一種多傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理方法，并通過(guò)算例驗(yàn)證了其有效性。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理的具體過(guò)程如下：

1）波長(zhǎng)數(shù)據(jù)預(yù)處理：根據(jù)采集的波長(zhǎng)信息確定波長(zhǎng)變化量，接著通過(guò)波長(zhǎng)變化量與腐蝕率的定量關(guān)系得到腐蝕率數(shù)據(jù)。

2）異常數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)與剔除：對(duì)從某傳感器組得到的腐蝕率數(shù)據(jù)進(jìn)行t檢驗(yàn)，剔除異常數(shù)據(jù)，并計(jì)算有效數(shù)據(jù)的均值和方差，以腐蝕率均值代表傳感器組h時(shí)間段的腐蝕率。

3）一致性檢驗(yàn)：通過(guò)分布圖法對(duì)n組傳感器所得到的腐蝕率均值進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，并根據(jù)相應(yīng)的閥值淘汰掉無(wú)效數(shù)據(jù)。

4）Bayes數(shù)據(jù)融合：對(duì)經(jīng)異常數(shù)據(jù)剔除和一致性檢驗(yàn)所得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行Bayes融合，獲得腐蝕率融合值，作為某典型區(qū)域的腐蝕率。

5）模糊區(qū)間建立：根據(jù)模糊區(qū)間基本公式，確定某典型區(qū)域腐蝕率融合值的模糊區(qū)間，作為該區(qū)域的鋼筋腐蝕率范圍。

[1]曹承偉，趙鐵軍，劉洪珠，等.應(yīng)用于鋼筋混凝土腐蝕監(jiān)測(cè)電化學(xué)傳感器的發(fā)展與應(yīng)用[J].混凝土，2016（8）：156-160. CAO Cheng-wei,ZHAO Tie-jun,LIU Hong-zhu,et al.Development and application on steel corrosion monitoring of electrochemical sensors[J].Concrete,2016(8):156-160.

[2]張文鋒，趙金山，馬化雄，等.一種鋼筋混凝土腐蝕監(jiān)測(cè)用光纖傳感器組合：中國(guó)，CN103616325B[P].2015-10-28. ZHANG Wen-feng,ZHAO Jin-shan,MA Hua-xiong,et al.Optical fiber sensor combination for monitoring corrosion of reinforced concrete:China,CN103616325B[P].2015-10-28.

[3]張文鋒，馬化雄，秦鐵男，等.用于監(jiān)測(cè)混凝土中鋼筋腐蝕的光纖傳感遙測(cè)系統(tǒng)：中國(guó)，CN203630020U[P].2014-06-04. ZHANG Wen-feng,MA Hua-xiong,QIN Tie-nan,et al.Optical fiber sensing remote metering system for monitoring reinforcement corrosion in concrete:China,CN203630020U[P].2014-06-04.

[4]周玉新.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理[M].武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，2005：34-35. ZHOUYu-xin.Experimental designanddateprocessing[M].Wuhan: Hubei Science&Technology Press,2005:34-35.

[5]孫皓瑩，蔣靜坪.基于參數(shù)估計(jì)的多傳感器數(shù)據(jù)融合[J].傳感器技術(shù)，1995（6）：32-36. SUN Hao-ying,JIANG Jing-ping.Multisensor data fusion based on parameter estimation[J].Journal of Transducer Technology,1995(6): 32-36.

[6]付華，杜曉坤.基于Bayes估計(jì)理論的數(shù)據(jù)融合方法[J].控制理論與應(yīng)用，2005，24（4）：10-12. FU Hua,DU Xiao-kun.Multi-sensor optimum fusion based on the Bayes estimation[J].Techniques of Automation and Application, 2005,24(4):10-12.

[7]吳小俊，曹奇英，陳保香，等.基于Bayes估計(jì)的多傳感器數(shù)據(jù)融合方法研究[J].系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，2000（7）：45-48. WU Xiao-jun,CAO Qi-ying,CHEN Bao-xiang,et al.Study on multisensor data fusion methods based on Bayes estimation[J]. Systems Engineering Theory and Practice,2000(7):45-48.

[8]李俊.混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋腐蝕光纖光柵傳感器設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)耐久性分析[D].南京：南京航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院，2008. LI Jun.Design of optical fiber grating sensors reinforcement corrosion and analysis for structure durability in concrete[D]. Nanjing:College of Aerospace Engineering of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,2008.

Monitoring data processing method of the fiber Bragg grating sensors for rebar corrosion

ZHANG Wen-feng,TANG Cong,YANG Tai-nian
（CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,Tianjin Port Engineering Quality Testing Center,Tianjin 300222,China）

Fiber Bragg grating sensor has the advantages such as anti-interference ability,small size,high accuracy,high durability,etc.,and now it becomes the new hot spot of rebar corrosion monitoring technology research.Aiming at the typical fiber Bragg grating monitoring system for rebar corrosion,we presented a monitoring data processing method for multiple fiber Bragg grating sensors for rebar corrosion.The method includes the phases of wavelength data pre-processing(wavelength after compensating,variation of the wavelength and corrosion rate for rebar),abnormal data removing(Student′s t-test), consistency check(distribution display method),data fusion based on the Bayes estimation and fuzzy interval confirming for the fused corrosion rates,etc.And then,the effectiveness of the monitoring data processing method is validated by an example. Key words：fiber Bragg grating;rebar corrosion;monitoring;data processing;sensor

TU503

A

2095-7874（2017）07-0072-04

10.7640/zggwjs201707017

2017-04-06

2017-05-17

張文鋒（1985—），男，江蘇丹陽(yáng)人，碩士，工程師，材料物理與化學(xué)專業(yè)，從事海洋腐蝕與防護(hù)研究。E-mail：zhwf528@163.com