一種路面溫度響應(yīng)缺失值的補(bǔ)全方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及路面結(jié)構(gòu)溫度監(jiān)測(cè)的技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種路面溫度響應(yīng)缺失值的補(bǔ) 全方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 路面結(jié)構(gòu)的溫度狀況對(duì)路面承載能力和使用性能具有重要影響。對(duì)于瀝青路面， 高溫容易誘發(fā)車(chē)轍，低溫可能導(dǎo)致面層開(kāi)裂；對(duì)于水泥路面，行車(chē)荷載和溫度梯度的綜合作 用下，容易造成水泥板的疲勞斷裂。因此研宄路面溫度場(chǎng)的分布特征和變化規(guī)律，對(duì)于路面 結(jié)構(gòu)的使用性能研宄，以及路面結(jié)構(gòu)在全壽命周期內(nèi)的設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)等工作均具有重要 意義。
[0003] 不同于其它土木工程或機(jī)械工程，路面溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的服役環(huán)境非常惡劣，不僅 要承受高溫、低溫、水分的反復(fù)作用，還要直接承受自然車(chē)流狀態(tài)下的行車(chē)荷載，同時(shí)由于 受到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自身穩(wěn)定性、相容性、耐久性等因素的影響，因此在實(shí)際監(jiān)測(cè)工作中，很容易 出現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)生故障的情況。監(jiān)測(cè)一旦中斷，就會(huì)造成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)缺失值，導(dǎo)致溫度響 應(yīng)數(shù)據(jù)的不連續(xù)。
[0004] 路面的各種病害是一種損傷累積的過(guò)程，如果缺少連續(xù)的溫度響應(yīng)數(shù)據(jù)的輸入， 就無(wú)法對(duì)路面病害的發(fā)生、發(fā)展的全過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)確分析。因此如何采取科學(xué)的方法，在監(jiān)測(cè) 因故中斷的情況下，對(duì)出現(xiàn)缺失值的溫度響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)全，保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性、穩(wěn)定 性以及可靠性，就成為了必須得到有效解決的重要問(wèn)題。
[0005] 目前最為常用的溫度缺失值的處理方法是利用缺失數(shù)據(jù)的前后值的加權(quán)值或平 均值進(jìn)行插補(bǔ)。然而這種方法僅適用于出現(xiàn)少量缺失值的情況。如果溫度監(jiān)測(cè)因故中斷了 幾天乃至幾個(gè)星期，那么缺失值將達(dá)到幾十、成百甚至上千，對(duì)于這種情況，加權(quán)和平均的 方法均無(wú)法進(jìn)行有效處理。
[0006] 多重插補(bǔ)和貝葉斯估計(jì)的方法也是解決缺失值問(wèn)題的常用手段。多重插補(bǔ)的方法 建立在數(shù)據(jù)序列為正態(tài)分布的統(tǒng)計(jì)假設(shè)的基礎(chǔ)上。然而已有大量研宄證明，路面的溫度場(chǎng) 并不服從正態(tài)分布形式，分布形式假設(shè)的不正確必然導(dǎo)致缺失值的估計(jì)出現(xiàn)較大偏差。貝 葉斯估計(jì)的方法也需要判斷觀測(cè)序列的概率分布形式，而事實(shí)上，準(zhǔn)確判斷某一數(shù)據(jù)序列 的概率分布形式往往是非常困難的。另外，與多重插補(bǔ)方法類(lèi)似，貝葉斯估計(jì)也存在計(jì)算過(guò) 程復(fù)雜，不便于實(shí)際操作等問(wèn)題。
[0007] 因此，有必要研宄出一種路面溫度響應(yīng)缺失值的補(bǔ)全方法，從而解決現(xiàn)有技術(shù)的 上述缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明針對(duì)傳統(tǒng)的缺失值補(bǔ)全方法存在的可靠度低、應(yīng)用不便等問(wèn)題，提出一種 科學(xué)可靠、簡(jiǎn)單易行的方法，在路面溫度監(jiān)測(cè)因故中斷，溫度響應(yīng)出現(xiàn)缺失值的情況下，對(duì) 缺失值進(jìn)行補(bǔ)全，以保證路面溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性、穩(wěn)定性以及可靠性。
[0009] 本發(fā)明提供了一種路面溫度響應(yīng)缺失值的補(bǔ)全方法，該方法包括以下步驟：
[0010] SlOl :路而淵度監(jiān)測(cè)裝詈通討埋設(shè)在路而結(jié)構(gòu)中的傳感器宙時(shí)采集淵度原始數(shù)
[0011] S102 :路而淵度轉(zhuǎn)換裝詈對(duì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)獲得的淵度原始數(shù)據(jù)講行標(biāo)準(zhǔn)化處理：
[0012] 對(duì)溫度原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，具體包括如下步驟：
[0013] (1)導(dǎo)入路面溫度監(jiān)測(cè)裝置獲得的溫度原始數(shù)據(jù)；
[0014] (2)將溫度原始數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)結(jié)果包括采集時(shí)刻數(shù)據(jù)（定義為T(mén)ime) 和該時(shí)刻對(duì)應(yīng)的路面溫度（定義為T(mén)emperature)，采集時(shí)刻的時(shí)間格式一般為"年/月/ 日時(shí)：分"；
[0015] (3)篩選出每天同一時(shí)刻（定義為T(mén)imei, i代表采集時(shí)刻）的路面溫度及其對(duì) 應(yīng)的采集時(shí)刻數(shù)據(jù)，以時(shí)間升序的方式進(jìn)行單獨(dú)儲(chǔ)存，形成標(biāo)準(zhǔn)化的溫度響應(yīng)數(shù)據(jù)序列 (Time i, Temperaturei)；
[0016] S103 :路而淵度轉(zhuǎn)換裝詈對(duì)每天同一時(shí)刻采集到的路而淵度晌應(yīng)數(shù)據(jù)講行非線件 擬合，律立擬合樽塑。
[0017] 非線性擬合，具體包括如下步驟：
[0018] (1)將標(biāo)準(zhǔn)化的溫度響應(yīng)數(shù)據(jù)序列（Timei, Temperaturei)中的時(shí)間格式的時(shí)刻 數(shù)據(jù)TimeiR換為數(shù)值格式的數(shù)據(jù)（定義為Ntime D，形成數(shù)值形式的溫度響應(yīng)數(shù)據(jù)序列 (Ntimei, Temperaturei) 〇
[0019] ⑵以Ntimei作為自變量，Temperaturei作為因變量，利用以下公式對(duì)各個(gè)數(shù)值化 的（NtimepTemperature i)序列進(jìn)行非線性擬合，獲得模型中的各個(gè)參數(shù)；
[0020] Temperaturei= a Oi+an*cos (Ntime，）+bn*sin (Ntime，）
[0021] 式中：
[0022] Temperaturei:溫度響應(yīng)
[0023] Ntimei:數(shù)值格式的采集時(shí)刻數(shù)據(jù)
[0024] aQi，an，bn:由擬合回歸獲得的參數(shù)
[0025] w :常數(shù)項(xiàng)，賦值為0· 0172
[0026] 非線性擬合的具體方法為：以數(shù)值化的（NtimeiJemperature i)序列為輸入數(shù)據(jù)， 利用常用的統(tǒng)計(jì)工具的非線性回歸功能，對(duì)上述模型進(jìn)行擬合，即可獲得模型中的三個(gè)參 數(shù)：a 0i，EiliJ blit)
[0027] (3)匯總以上由擬合得到的各個(gè)（Ntimei, Temperaturei)序列所對(duì)應(yīng)的參數(shù)（aQi， an，b n)，為每天不同采集時(shí)刻的溫度響應(yīng)建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。
[0028] S104 :路而淵度補(bǔ)全裝詈對(duì)缺失的淵度晌應(yīng)數(shù)據(jù)講行補(bǔ)全。
[0029] 數(shù)據(jù)補(bǔ)全，具體包括如下步驟：
[0030] (1)利用由擬合得到的各個(gè)Ntimei-列的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算得到在 各個(gè)缺失的采集時(shí)間點(diǎn)上的溫度響應(yīng)的計(jì)算值；
[0031] (2)利用以下公式，對(duì)溫度響應(yīng)的計(jì)算值進(jìn)行修正，獲得修正后的Btemperaturei, 并將其作為缺失的溫度響應(yīng)的補(bǔ)全值，得到補(bǔ)全值序列（NtimepBtemperature i);
[0032] Btemperaturei= Temperature i+RQi)
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種路面溫度響應(yīng)缺失值的補(bǔ)全方法，其特征在于，該方法包括以下步驟： 5101 :路而淵度監(jiān)測(cè)裝詈通討埋設(shè)在路而結(jié)構(gòu)中的傳感器宙時(shí)采集淵度原始數(shù)據(jù)： 5102 :路而淵度轉(zhuǎn)換裝詈對(duì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)獲得的淵度原始數(shù)據(jù)講行標(biāo)準(zhǔn)化處理： 對(duì)溫度原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，具體包括如下步驟： (1) 導(dǎo)入路面溫度監(jiān)測(cè)裝置獲得的溫度原始數(shù)據(jù)； (2) 將溫度原始數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)結(jié)果包括采集時(shí)刻數(shù)據(jù)（定義為T(mén)ime)和該 時(shí)刻對(duì)應(yīng)的路面溫度（定義為T(mén)emperature)，采集時(shí)刻的時(shí)間格式一般為"年/月/日時(shí)： 分"； (3) 篩選出每天同一時(shí)刻（定義為T(mén)imei，i代表采集時(shí)刻）的路面溫度及其對(duì)應(yīng) 的采集時(shí)刻數(shù)據(jù)，以時(shí)間升序的方式進(jìn)行單獨(dú)儲(chǔ)存，形成標(biāo)準(zhǔn)化的溫度響應(yīng)數(shù)據(jù)序列 (Time；,Temperaturej)； 5103 :路而淵度轉(zhuǎn)換裝詈對(duì)每天同一時(shí)刻采集到的路而淵度晌應(yīng)數(shù)據(jù)講行非線件擬 合，律立擬合樽塑： 非線性擬合，具體包括如下步驟： (1) 將標(biāo)準(zhǔn)化的溫度響應(yīng)數(shù)據(jù)序列（TimepTemperaturei)中的時(shí)間格式的時(shí)刻數(shù) 據(jù)Timejf換為數(shù)值格式的數(shù)據(jù)（定義為Ntime^，形成數(shù)值形式的溫度響應(yīng)數(shù)據(jù)序列 (NtimepTemperaturei) 〇 (2) 以Ntimei作為自變量，Temperaturei作為因變量，利用以下公式對(duì)各個(gè)數(shù)值化的 (NtimepTemperaturei)序列進(jìn)行非線性擬合，獲得模型中的各個(gè)參數(shù)； Temperaturej=aoi+a^^cos(Ntime^w) +bli*sin(Ntime^w) 式中： Temperaturei:溫度響應(yīng)Ntimei:數(shù)值格式的采集時(shí)刻數(shù)據(jù) a(li，aii，由擬合回歸獲得的參數(shù) W :常數(shù)項(xiàng)，賦值為0.0172 非線性擬合的具體方法為：以數(shù)值化的（NtimepTemperaturei)序列為輸入數(shù)據(jù)，利 用常用的統(tǒng)計(jì)工具的非線性回歸功能，對(duì)上述模型進(jìn)行擬合，即可獲得模型中的三個(gè)參數(shù)： a0i,an,bn； ⑶匯總以上由擬合得到的各個(gè)（NtimepTemperaturei)序列所對(duì)應(yīng)的參數(shù)（aQi，an，bn)，為每天不同采集時(shí)刻的溫度響應(yīng)建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。 5104 :路而淵度補(bǔ)全裝詈對(duì)缺失的淵度晌應(yīng)數(shù)據(jù)講行補(bǔ)全： 數(shù)據(jù)補(bǔ)全，具體包括如下步驟： (1)利用由擬合得到的各個(gè)列的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算得到在各個(gè) 缺失的采集時(shí)間點(diǎn)上的溫度響應(yīng)的計(jì)算值； ⑵利用以下公式，對(duì)溫度響應(yīng)的計(jì)算值進(jìn)行修正，獲得修正后的Btemperaturei，并將 其作為缺失的溫度響應(yīng)的補(bǔ)全值，得到補(bǔ)全值序列（NtimepBtemperaturei); Btemperaturei=Temperaturej+R(h)
式中： Btemperaturei:溫度響應(yīng)的補(bǔ)全值 h:溫度傳感器的埋設(shè)深度 R(h):與溫度傳感器埋設(shè)深度相關(guān)的隨機(jī)數(shù)，當(dāng)h在0到10cm之間時(shí)，R(h)是在-2到 +2之間的隨機(jī)數(shù)；當(dāng)h在10到50cm之間時(shí)，R(h)是在-1到+1之間的隨機(jī)數(shù)；當(dāng)h大于 50cm時(shí)，R(h)是在-0. 5到+0. 5之間的隨機(jī)數(shù) (3)在溫度響應(yīng)出現(xiàn)缺失值的位置，將補(bǔ)全值序列（NtimepBtemperatureD插入到相 應(yīng)位置進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)全，其中數(shù)值格式的采集時(shí)刻數(shù)據(jù)Ntimei需要按照步驟S103(l)中的方 法逆轉(zhuǎn)換為時(shí)間格式的時(shí)刻數(shù)據(jù)，溫度響應(yīng)的缺失值則由Btemperaturei替代； S105 :路而淵度輸出裝詈對(duì)補(bǔ)全后的淵度數(shù)據(jù)講行輸出。
2. 如權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，路面溫度監(jiān)測(cè)裝置一般以某一固定的時(shí) 間間隔對(duì)路面結(jié)構(gòu)的溫度響應(yīng)進(jìn)行自動(dòng)化采集。
3. 如權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，非線性擬合可由常用的統(tǒng)計(jì)工具完成；為 保證擬合精度，每個(gè)Ntimei序列的數(shù)據(jù)量均不宜少于100個(gè)。
4. 如權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，隨機(jī)數(shù)的獲得，可由常用的Excel、 Matlab、SAS等統(tǒng)計(jì)工具生成。
【專利摘要】本發(fā)明針對(duì)傳統(tǒng)的缺失值補(bǔ)全方法存在的可靠度低、應(yīng)用不便等問(wèn)題，提出一種路面溫度響應(yīng)缺失值的補(bǔ)全方法，在路面溫度監(jiān)測(cè)因故中斷，溫度響應(yīng)出現(xiàn)缺失值的情況下，對(duì)缺失值進(jìn)行補(bǔ)全。該方法利用大氣溫度呈現(xiàn)季節(jié)性周期波動(dòng)這種自然規(guī)律，采用正弦和余弦曲線的加法模型模擬每天同一時(shí)刻路面溫度響應(yīng)的變化特征，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型；并基于路面結(jié)構(gòu)溫度響應(yīng)的隨機(jī)性特性，提出與溫度傳感器埋設(shè)深度有關(guān)的隨機(jī)數(shù)序列對(duì)上述模型進(jìn)行修正，以更好的模擬實(shí)際的溫度響應(yīng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)狀況。利用本發(fā)明提出的方法，可以對(duì)路面溫度響應(yīng)缺失值進(jìn)行科學(xué)有效的補(bǔ)全，能夠很好的保證路面溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性、穩(wěn)定性以及可靠性。
【IPC分類(lèi)】G01K13-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104776937
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510146304
【發(fā)明人】曾峰, 陳凱, 郭河, 賈其軍, 羅志剛
【申請(qǐng)人】中國(guó)路橋工程有限責(zé)任公司
【公開(kāi)日】2015年7月15日
【申請(qǐng)日】2015年3月31日