本發(fā)明涉及橋梁施工控制，具體是大跨徑鋼桁架拱橋施工時空關聯(lián)機制構建與線形控制方法。

背景技術：

1、鋼桁架拱橋由桁架和拱兩種結(jié)構體系組合而成，兼具桁架和拱的受力特點，桁架部分承受軸向力，而拱的水平推力減少了跨中彎矩，使跨中實腹段在恒載作用下主要承受軸向壓力。其綜合了桁架和拱的有利因素，以承受軸向力為主，利于節(jié)約材料，并且相比其它結(jié)構的同跨梁橋，桁架拱橋節(jié)省鋼材較多，具有良好的適應性。

2、現(xiàn)有的鋼桁架拱橋施工控制預測方法主要以灰色系統(tǒng)理論法和kalman濾波法為主?；疑到y(tǒng)理論法能夠灰化處理各種影響橋梁施工狀態(tài)的因素，把這些影響因素收集后集中地反饋到目標矢量中，最終通過目標矢量來完成整個預測過程；kalman濾波法是在已被噪聲污染的信號中將真實的信號提取出來，對系統(tǒng)的真實狀態(tài)進行估計。這兩種方法在斜拉橋施工中均能夠較好的應用，但對于鋼桁架拱橋，由于環(huán)境溫度和構件質(zhì)量對施工誤差的影響需要著重考慮，受自身方法的局限性，這兩種方法都無法考慮各種因素的影響權重。

3、鑒于上述原因，本發(fā)明在傳統(tǒng)長短時記憶網(wǎng)絡的基礎上，建立了鋼桁架拱橋吊裝施工的時空關聯(lián)機制，能夠在考慮歷史吊裝誤差影響的同時，考慮環(huán)境溫度和構件質(zhì)量以及施工累積誤差的影響，避免了其他神經(jīng)網(wǎng)絡模型的梯度爆炸和梯度消失線形，結(jié)合dropout方法和自注意力機制，防止模型過擬合，增加了臨近時間吊裝誤差的影響權重，能夠提高模型預測的準確性。

技術實現(xiàn)思路

1、為解決背景技術存在的不足，針對大跨徑鋼桁架拱橋施工控制的理論標高計算問題，本發(fā)明提供大跨徑鋼桁架拱橋施工時空關聯(lián)機制構建與線形控制方法，其可以計算得到考慮多種時空因素不同影響權重下的理論標高，彌補了傳統(tǒng)施工預測方法因無法考慮環(huán)境溫度、構件質(zhì)量和施工累積誤差對權重的不利影響。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取下述技術方案：大跨徑鋼桁架拱橋施工時空關聯(lián)機制構建與線形控制方法，包括以下步驟：

3、步驟一：收集實測數(shù)據(jù)

4、定義吊裝階段i＝1,2,...,n-1,n，每個吊裝階段存在控制點j＝1,2,...,l-1,l，收集前n個吊裝階段的環(huán)境溫度t、構件質(zhì)量m以及n×l個控制點落梁后的實際標高f3，各數(shù)據(jù)形式如下：

5、t＝(t1,t2…,tn-1,tn)t，m＝(m1,m2…,mn-1,mn)τ，

6、式中，ti和mi分別表示第i個吊裝階段的環(huán)境溫度和構件質(zhì)量，表示第i個吊裝階段的第j個控制點落梁后的實際標高；

7、步驟二：計算理論數(shù)據(jù)

8、計算前n個吊裝階段，n×l個控制點落梁前的理論標高f1、落梁后的理論標高f2以及誤差調(diào)整變量δ，各數(shù)據(jù)形式如下：

9、

10、式中，和δi,j分別表示第i個吊裝階段的第j個控制點落梁前的理論標高、落梁后的理論標高和誤差調(diào)整變量；

11、步驟三：數(shù)據(jù)處理，形成數(shù)據(jù)集

12、定義區(qū)間[xmin,xmax]，其中：

13、xmax＝q3+2×iqr，xmin＝q1-2×iqr

14、式中，iqr表示四分位數(shù)間距，iqr＝q3-q1，q3為第三分位數(shù)，q1為第一分位數(shù)；

15、將超出區(qū)間的數(shù)據(jù)標記為異常值并刪除，采用均值填補法處理，再將數(shù)據(jù)進行歸一化處理，則有歸一化處理后的數(shù)據(jù)集如下：

16、

17、式中，和分別為歸一化的落梁前的理論標高、環(huán)境溫度、構件質(zhì)量和誤差調(diào)整變量；

18、步驟四：劃分數(shù)據(jù)集

19、將歸一化處理后的數(shù)據(jù)集xsd進行時間序列劃分訓練集xt和測試集xe，定義訓練集中的吊裝階段i1＝1,2,...,k-1,k，則：

20、

21、式中，和分別為訓練集中歸一化的落梁前的理論標高、環(huán)境溫度、構件質(zhì)量和誤差調(diào)整變量；

22、定義測試集中的吊裝階段i2＝k+1,k+2,...,n-1,n，則：

23、

24、式中，和分別為測試集中歸一化的落梁前的理論標高、環(huán)境溫度、構件質(zhì)量和誤差調(diào)整變量；

25、步驟五：使用訓練集xt構建時空關聯(lián)機制模型

26、指定訓練集xt中的為輸入數(shù)據(jù)，訓練集xt中的為輸出數(shù)據(jù)，建立dropout層對輸入數(shù)據(jù)進行正則化處理：

27、

28、式中，ο為哈達瑪積，d為從伯努利分布中抽取的隨機向量；

29、建立長短時記憶層，定義遺忘門、輸入門、單元候選和輸出門的輸入權重矩陣分別為wf、wi、wc、wo，隱藏權重矩陣分別為uf、ui、uc、uo，偏置項分別為bf、bi、bc、bo，將xi'作為長短時記憶層i'時間步的輸入，則有：

30、遺忘門：

31、fi'＝σ(wfxi'+ufhi'-1+bf)

32、輸入門：

33、ii'＝σ(wixi'+uihi'-1+bi)

34、單元候選：

35、

36、單元狀態(tài)：

37、

38、輸出門：

39、oi'＝σ(woxi'+uohi'-1+bo)

40、隱藏狀態(tài)：

41、hi'＝oi'·tanh(ci')

42、式中，σ(·)為sigmoid函數(shù)，tanh(·)為雙曲正切函數(shù)，hi'-1為長短時記憶層i'-1時間步的隱藏狀態(tài)，ci'-1為長短時記憶層i'-1時間步的單元狀態(tài)；

43、建立自注意力機制層，計算注意力權重：

44、

45、將其作用于長短時記憶層的隱藏狀態(tài)，則有經(jīng)自注意力機制處理后的隱藏狀態(tài)：

46、

47、式中，softmax(·)為激活函數(shù)，為權重向量，wa為權重矩陣，ba為偏置項，利用與計算損失函數(shù)的梯度，通過反向傳播算法更新wf、wi、wc、wo和uf、ui、uc、uo以及bf、bi、bc、bo，進行迭代直到梯度為0，完成時空關聯(lián)機制模型的構建和訓練；

48、步驟六：使用測試集xe檢驗模型有效性

49、將測試集xe輸入時空關聯(lián)機制模型，輸出歸一化的誤差調(diào)整變量的預測值計算其與的均方根誤差，若均方根誤差滿足所需的精度要求，則進入步驟七，否則返回步驟五更新時空關聯(lián)機制模型參數(shù)，直至均方根誤差滿足所需的精度要求；

50、步驟七：利用模型預測第n+1個吊裝階段l個控制點的誤差調(diào)整變量

51、將第n+1個吊裝階段l個控制點落梁前的理論標高、環(huán)境溫度以及構件質(zhì)量進行歸一化處理如下：

52、

53、式中，為第n+1個吊裝階段l個控制點歸一化的落梁前的理論標高，和分別為第n+1個吊裝階段歸一化的環(huán)境溫度和構件質(zhì)量；

54、將輸入時空關聯(lián)機制模型，輸出第n+1個吊裝階段l個控制點歸一化的誤差調(diào)整變量的預測值，并將其進行逆歸一化處理得到預測的誤差調(diào)整變量δn+1,j；

55、步驟八：修正第n+1個吊裝階段落梁前的理論標高實現(xiàn)線形控制

56、將第n+1個吊裝階段l個控制點落梁前的理論標高按照下式進行修正計算：

57、

58、式中，為第n+1個吊裝階段的第j個控制點落梁前的理論標高，使用落梁前的理論標高修正值替代落梁前的理論標高

59、進一步的，所述步驟二中的和δi,j計算如下：

60、

61、

62、

63、式中，和分別為第i個吊裝階段的第j個控制點的設計標高、設計預拱度、預拋高和理論彈性變形。

64、進一步的，所述步驟四中將歸一化處理后的數(shù)據(jù)集xsd以4：1的比例進行時間序列劃分，劃分的前4/5數(shù)據(jù)作為訓練集xt，后1/5數(shù)據(jù)作為測試集xe。

65、進一步的，所述步驟七中逆歸一化處理表達如下：

66、

67、式中，δn+1,j為第n+1個吊裝階段的第j個控制點預測的誤差調(diào)整變量，為第n+1個吊裝階段的第j個控制點歸一化的誤差調(diào)整變量的預測值，δmax為數(shù)據(jù)集中誤差調(diào)整變量的最大值，δmin為數(shù)據(jù)集中誤差調(diào)整變量的最小值。

68、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明適用于吊裝施工的大跨徑鋼桁架拱橋的線形控制，可以計算得到考慮多種時空因素不同影響權重下的理論標高，彌補了傳統(tǒng)施工預測方法因無法考慮環(huán)境溫度、構件質(zhì)量和施工累積誤差對權重的不利影響，能夠有效提高吊裝施工精度，具有以下優(yōu)勢：

69、1、構建的時空關聯(lián)機制模型只需收集理論標高、環(huán)境溫度、構件質(zhì)量等基本參數(shù)，無需進行復雜的有限元建模和非線性分析；

70、2、構建的時空關聯(lián)機制模型能夠考慮不同因素的影響權重，同時考慮歷史施工誤差的影響，能夠有效提高吊裝施工精度，使成橋階段線形更加接近理想狀態(tài)；

71、3、構建的時空關聯(lián)機制模型能夠重點考慮環(huán)境溫度的影響，從而準確預測出在指定環(huán)境溫度下的誤差調(diào)整變量，提出更加合理的理論標高。