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基于GPRS和EMD的嵌入式桥梁裂缝远程监测系统研究

作　者: 赵强
导　师: 钟佑明
学　校: 重庆交通大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 裂缝监测 EMD GPRS技术 嵌入式技术 视频扫描 端点效应 实时信号处理
分类号: TP274
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


裂缝是桥梁健康状态的重要征兆之一,也是桥梁安全状态恶化的重要根源之一,对其进行实时监测具有十分重要的意义。随着视频扫描技术、计算机技术、无线传输技术和信号分析技术的迅猛发展,裂缝监测呈现出新的面貌。本文主要对导师及其合作者提出的一款桥梁裂缝远程监测系统——BCMSBVF中的一些关键技术进行了研究和解决,实现了该系统的几项重要功能,并对它们的有效性进行了验证。本文系统中采用了一种新的信号分解方法——经验模态分解法(Empirical Mode Decomposition,EMD)来进行裂缝图片处理。EMD是Hilbert-Huang变换(Hilbert-Huang Transform,HHT)信号处理方法的核心技术,它直接针对数据,可以自适应地将一维信号分解成有限个固有模态函数(Intrinsic Mode Function,IMF)。由于EMD分析方法是基于数据的局部特征尺度的,而不是其它既定函数(如傅立叶变换中的正余弦函数),因而EMD方法既可以适用于平稳信号,又能运用于非平稳信号。EMD有几项关键技术——包络线拟合技术、终止准则技术、端点效应抑制技术等,这些技术的好坏决定了EMD结果的可靠性和有效性。针对EMD的端点效应抑制问题,本文成功实现了一种基于本征波匹配的抑制方法——本征波匹配预测法,并用巧妙构造的仿真信号和实测的实际信号算例验证了本征波匹配预测法的有效性和先进性。桥梁裂缝监测需要对图像信号进行实时在线处理,但目前还没有实时EMD方法。针对这一问题,本文使用信号分段、均值继承、重叠处理等几项特别技术提出了实时EMD处理算法——重叠分段-均值继承EMD法(简称SS-MIEMD),从而实现了对在线信号的动态、连续、快速、高精度EMD处理。通过若干仿真和实测信号算例验证了重叠分段-均值继承EMD法的有效性和可行性,并将该算法扩展至了二维EMD方法。同时,本文将嵌入式技术、GPRS技术引入到BCMSBVF系统,构建并初步实现了一款基于GPRS和HHT的嵌入式桥梁裂缝远程监测系统,该系统结构简洁、使用灵活,可以实现对桥梁视频图片的远程采集、裂缝识别、信息发布和灾害报警等功能。在实验室环境下进行了实验,验证了该系统的效果。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-8
第一章 绪论  8-14
  1.1 课题来源  8
  1.2 选题背景和研究意义  8-11
  1.3 国内外研究现状及分析  11-12
    1.3.1 桥梁裂缝检测研究现状及分析  11-12
    1.3.2 EMD 的研究现状及分析  12
  1.4 本文研究内容和创新点  12-14
第二章 基于 EMD 的裂缝图像处理技术  14-24
  2.1 一维经验模态分解（EMD）  14-19
    2.1.1 EMD 基本理论  14
    2.1.2 一维EMD 的基本方法  14-16
    2.1.3 EMD 的相关特性  16-17
    2.1.4 EMD 理论主要研究内容  17-19
  2.2 二维经验模态分解（BEMD）  19-22
    2.2.1 矩阵 BEMD 方法  20-21
    2.2.2 行列 BEMD 方法  21-22
  2.3 基于BEMD 的裂缝图像处理  22-23
  2.4 本章小结  23-24
第三章 基于本征波匹配的 EMD 端点效应抑制方法  24-37
  3.1 EMD 端点处理及其研究现状  24-29
    3.1.1 EMD 的边界效应  24
    3.1.2 现有EMD 端点处理方法介绍  24-28
    3.1.3 边界处理方法的改进  28-29
  3.2 基于EMD 的信号形成原理  29-30
  3.3 基于本征波匹配的EMD 端点效应抑制方法  30-35
    3.3.1 算法描述  30-31
    3.3.2 算例及结论  31-35
  3.4 本征波匹配预测法在BEMD 中的应用  35-36
  3.5 本章小结  36-37
第四章 实时 EMD 图像处理实现算法  37-47
  4.1 实时一维 EMD(REMD)算法  37-38
  4.2 SS-MIEMD 的可行性和有效性验证  38-44
    4.2.1 重叠处理技术的可行性验证  38-39
    4.2.2 均值继承法改进运算速度的验证  39-40
    4.2.3 均值继承法改进运算精度的验证  40-44
  4.3 实时二维EMD(RBEMD)算法  44-45
  4.4 RBEMD 在图像处理中的应用  45-46
  4.5 本章小结  46-47
第五章 基于 GPRS 的嵌入式桥梁裂缝远程监测系统  47-57
  5.1 GPRS 技术及其应用  47-48
    5.1.1 GPRS 技术概述  47-48
    5.1.2 GPRS 的应用领域  48
  5.2 嵌入式技术及其应用  48-50
    5.2.1 嵌入式技术概述  48-49
    5.2.2 嵌入式系统的应用领域  49-50
  5.3 基于GPRS 的嵌入式桥梁远程裂缝监测系统的框架  50-51
  5.4 基于GPRS 的嵌入式桥梁远程裂缝监测系统的实现  51-54
    5.4.1 系统硬件设计  51-53
    5.4.2 系统软件设计  53-54
    5.4.3 裂缝识别算法描述  54
  5.5 系统实验与结论  54-56
  5.6 本章小结  56-57
第六章 结论和展望  57-59
  6.1 本文的主要工作及结论  57-58
  6.2 进一步的研究展望  58-59
致谢  59-60
参考文献  60-64
在学期间发表的论著及取得的科研成果  64

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 数据处理、数据处理系统
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