TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.5, May 2014, pp . 3338 ~ 33 4 7   DOI: http://dx.doi.org/10.11591/telkomni ka.v12i5.4935          3338     Re cei v ed O c t ober 1 9 , 201 3; Revi se d Novem b e r  30, 2013; Accept ed De cem b e r  18, 2013   A Kind of  H 2 / H   Filtering Sheme on Deformation  Monitoring Data      Chen gman Sha*, Yachun  Mao, Dongm ei Yang  Schoo l of Reso urce & Civil E n gin eeri ng, Nort heaster n  Univ e r sit y , She n y an g, Chin a, 110 8 1 9   No. 11, La ne 3 ,  W enhua Ro a d , Hepi ng Distr ict, Shen yan g   Cit y ,  Ch in a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : shache ngm a n @mai l.ne u.ed u.cn       A b st r a ct   Based o n  the r e searc h  of t he Kal m a n  filter, a kind of H 2 / H   filter is put forw ard w h ich de p ends o n   the mode l. H 2  filter assu mes  that the nois e   i s  w h ite noise,  but do es not r equ ire the stati s tical pro perti e s also ig nor es co lor nois e . H  fil t er only consi d ers the non-w h ite and  e nergy-  limit ed no ise. It can ensure th accuracy  of t he filt er in  w o rst frequ ency  poi nt, but  d oesn t  cons id e r  the i n flu enc e of w h ite  no ise.  Synthesi z i n g  t he  adv antag es   an d disa dva n tages   of H 2  a nd H  fi lter sc he me,  H 2 / H   hyb r id filt er d e vi de  the   nois e  into the  w h ite noise a n d  non-w h ite n o i se of li mite d e nergy. Bae d  o n  nor m an alysi s about the n o i s and syste m , th e opti m i z a t io n i ndex J is  ado pt ed as th e opt i m i z at io n go al,  and its p h ysic a l mean in g is gi ven.  T he hybri d  filt er is des ign e d  by solvi ng th e corresp on din g  Riccati E q u a tion, the s i mulati on a nd ac tu a l   calcul atio n exa m p l e ar e give n .         Ke y w ords : H 2 / H  filter, defor mati on  mo nitor i ng,  estim a te error, filtering       Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  No wad a ys,  with the d e v elopment of  eco nomi c   con s tru c tion,  high-ri se b u ilding,the  proje c ts  of water  con s e r vancy & hyd r o power, t he la rge b r id ge p r oject a nd o p en-pit mi ning  are   becoming mo re and mo re.  It is the most comm on ge ologi cal environmen,in  whi c h  the huma n   engin eeri ng  and th e life  a c tivities filled.  Its defo r mati on  can  cau s e the  deteri o ration  of hu m a n   survival g eol ogical enviro n ment, even  bring  seve re disa ste r  to the human.  In the relev ant  geolo g ical  di sa sters, its d a mage s i s  o n ly next to  earthqu ake. T he a c curate  monitori ng pl ay an   importa nt patr in land slide  disa ster a n a l ysis an d pre d iction. So d a ta analysi s   of deformatio n   monitori ng ha ve becom e a n  importa nt rese arch di re ction.     In the pra c tice of foundati on pit and  sl ope  defo r mat i on monito rin g , the accura cy and  efficien cy of monitori ng  is g r eatly  impr ove d  wit h  the imp r o v ement of  automation   and  measurement  preci s io n of monitori ng eq uipment.  But some n e w p r oblem s are p u t forwa r d to the  traditional  da ta pro c e s sin g  method  with the ha rd ware level e nhan ce d [1-5]. The current  observation  d a ta filtering  method s can  be divided  i n to seve ral  categori e s [6 -7]. The traditi onal  data filtering  method in clu de three  kind s of met hod:  One is rel a ted to gro ss  error, aimin g  at  jumping o n  large r  data p r oce s sing, su ch a s  Layda  Criteri on, etc; Another i s  to suppress the   observation noise,  su ch as  the data point  pe plce d  with the ave r age val ue of  few ne ar p o i nts  instea d of itself; Another i s  si gnal filtering meth o d . Fouri e r tran sform of si gn al is a filteri n g   method. It co nvert the sig nal in time domain  into freque ncy dom ain, and elimi nate the part  of  high fre que ncy part as  noi se. In re cent y ears, so me  of  the ne w filtering metho d  h a ve sp run g  u p They  can  be   divided i n to t w cate gori e s. On kind   depe nd s o n  t he m odel  ,an d  the  othe r o n e   doe s not rely  on model.  Wavelet metho d [8-9], for ex ample, is n o t depe nd on th e model, mai n ly  is  time-freq uen cy deco m positio n of  sign als.  It se t the thresho l d value an d  eliminate  so me   freque ncy  pa rts. Th e Kalm an Filte r  met hod i s   dep en d on  the m o d e l [5], and  its filtering  effect is  excelle nt. But it is neede d  both to e s ta blish th e mot i on mod e l of  deform a tion  and move me n t   system   an d statistical ch aracteri stic of  n o ise  given.  T he filter in m e thod whi c h  we have refe rred   to is p opul ar  in currently. But they gen erally a s sum e  that the  ob servatio n n o i s e i s   white  n o ise.   su ch a s sump tion in the p r actice of the  observation  i s  not fully e s tablished, at l east n o t accu rat e   enou gh. A ki nd of filter i s  given i n  th is pa per, the y  are de pen dent on th model.  H Filt er  con s id ers the  wo rst  ca se  about the  noi se  com pon en t, and minimi zie m a ximum  gain of filteri n g   system fro m  noise to esti mated erro r o n  frequ en cy  domain. So It make  su re th e pre c i s ion in  the  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     A Kind of H 2 /H   Filterin g Shem e on Def o rm ation Mon i toring Data (Che ngm an Sha)  3339 worst  point s.  But it is con s ervative b e ca use  it d o e s  n o t pay  attention to  the  othe sign als   out side  of  the wo rst point.  H 2  Filtering  sch e m e  is u s ed  to  deal  with  white noi se,  a nd i s  the  ov erall   optimal filter whe n  co nsi d e r ing the hi ghe st pro bab ility at the most g enerally situa t ion. But it does  not con s id er  the worst case about noi se outsid e  of  white, so it cannot en su re  the pre c isio n of  the individ u a l  wo rst poi nt. Synthesi z in g the   adva n t ages an d i sadva n tage s of the  si ng le   optimizatio n i ndex of  H 2  fi lter a nd    H fi lter, the  hybri d  filter  sche me i s  p r op osed. It uses t he  hybrid optimi z ation in dex J as th e opti m ization  goal  base d  on the  norm an alysi s  abo ut the n o ise   sign al and  m odel. On th e  con d ition of  the  H  no rm of the filter syste m  le ss than th e gi ve n   value γ , the  H 2  norm of filter syste m  is  overall optimi z ed. compa r eing  H 2 H  and  H 2 / H  three  kind s of filter sch eme, the  advantag e s  and di sa dvantage s of va riou s optio n s  is  discu ssed  adeq uately.      2. The Filter Design o f   H H / 2 De formatio n Sy stem   2.1. Defo rma t ion Sy stem  Modeling an d Filter Desi gn  Con s id erin g the disto r tion  system  P(s) is de scribe d by the followin g  st ate spa c e m ode l   [10].    11 0 1 22 1 2 () , ( 0 ) () x Ax B t x x zC x yC x D t   & ,                                                                       (1)    Whe r e, state   variabl x  is  a vector,  [, , , , , ] T xy z x y z x xx x x x x && & , ,, x yz x xx  res p ec t the  relative co ordinate s  of x 、、 y z  dire ction in observ a tion point relative to th e control poi nts  r e spec tively.  ,, x yz x xx && &  are the relative displa ceme nt of the ob servati on point in   x 、、 yz   dire ction. t  is the ob servatio n time, and  () t  is the ob serv ation noi se, whi c h is a s su med to be   contai ning  g a u ssian white noise  and co lored noi se,  z  is estim a ted  deform a tion  vector.  y is  obsrved di spl a cem ent valu e. A is relate d to mod e l system.  11 2 2 1 ,C ,C , D B are  th e co nsta nt of  the model s.  0 x Is the initial st ate, which is  known. the  first observed v a lue will act as the initial   state.    De signi ng  a dynamic filter  () Ls      0 ˆˆ ˆ ( ) () () , 0 ˆ ˆ () ( ) LL LL xt A x t B y t x zC x t D y t   &                  ( 2 )     Make  sure  th e differe nt no rm ind e x of  t he tra n sfe r  fu nctionfrom from the  noi se  (sy s tem   1 () t  and observation noise   2 () t  )to the  estimation e rro ˆ zz z  sat i sf y  cert a i n   requi rem ents.  Set  ˆ [( ) ( ) ] TT x xt z t , then the dynamic e q uation of f iltering error i s  gi ven as:   0 () () () , 0 () ( ) xt A x t B t x zC x t D t   &% % %% % % % % %                                                  (3)    Whe r e   0 L L A A B CA    %  ,    L B B B D    %  ,  12 f L CC D C C  %  ,  L D DD  % .     2.2. Filtering D y namic S y stem No rm   The no rm de finition of the following si g nal  and the  system tra n sfer function  on time   domain a nd freque ncy dom ain are int r od uce d The n o rm  def inition of the  observation  n o ise  sig nal  12 [( ) ( ) ] tt  , filtering  estim a te  the error outp u t z  on time domain  are foll owin g:   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3338 – 33 47   3340 If ) ( sup , ) ( 2 t ess dt t , the  2 L  of o b se rvation  n o ise  sig nal  () s are  defined a s :     2 2 () , td t                                                                    (4)    su p ( ) es s t  ) ( ) ( sup t t ess T ,                                (5)     If 2 z( ) , s u p ( ) td t e s s t    , the  2 L and  L n o rm of o b servation noi se  sign al  () zs are defin ed a s   2 2 () , zz t d t   ,                                                                  (6)    su p z ( ) ze s s t sup ( ) z ( ) T es s z t t ,                                      ( 7 )     e s s s u p   m e a n s   e s sure d u pper limit.   The no rm d e finition of the ob servati on noi se  Estimation e r ror outp u z an d the   trans fer func tion  G  of filtering syste m  on  complex fre q uen cy domai s  are followi ng:   if 2 ( s ) , sup ( s) ds e s s    .The signal  doe s not hav e pulse, The 2 L  norm  of obse r vatio n  noise  (s)  is de fined as:                                          2 2 1 (s ) 2 ds   1 (s ) ( s ) 2 T ds   ,                                                        (8)    if 2 z(s ) , s u p z(s ) ds e s s     .The signal  doe s not hav e pulse, The 2 L  norm  of  observation n o ise  z( s )  is define d  as:     2 2 11 (s ) ( s ) (s ) 22 T zz d s z z d s        ,                                                        (9)    the  H n o r m   o f   G sy stem i n  the fo rm o f  transfe r fun c tion in  freq uen cy dom ai n is  defined a s  :  (s ) s u p ( ) GG s  ,      or  22 () s u p ( / ) Gs z                                                                                     (10)    Whe r   i s   a   positive  kno w n n u mb er,  s ia th e com p lex freq uen cy,  σ  is th e l a rge s sing ular  value. The  2 H n o r m   o f   sy ste m ’s in the form of transfe function in fre quen cy doma i n is define d   as:     2 1 (s ) ( (s ) * ( s ) 2 T Gt r a c e G G d s  ,                                                                        (11)  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     A Kind of H 2 /H   Filterin g Shem e on Def o rm ation Mon i toring Data (Che ngm an Sha)  3341 Whe r s  i s  th e co mplex fre quen cy, t r a c e  is the  matri x ’s  tra c e. If the de scription   from the  stat e of  the system e quation,  2 H  norm of system G can b e  exp r esse d as:     ) ( ) ( ' 1 1 2 LC C trace s G   Whe r L  i s  t h e  s o l u t i o n  o f   Lyapnov e q u a t i o n  a s  f o l l o w s : 0 ' 1 1 B B LA AL . The definition of  sign al  syste m  in time  do main a nd fre quen cy  do m a in i s  eq uival ent, they can  be  conve r each   other by F o u r i e r    Tran sfo r m.     2.3.  2 H  Filter Design  For th e filter  descri bed  by  the  formula (2),  if  it can  make   2 H  norm   2 G  o f  tr an s f er  function  G  fro m  the  system  noise  () t  to es timate the  error ˆ zz z  to get the m i nimum n o rm   index, the filt er d e scribe d  by the fo rm ula (2) is its 2 H  filter.   Want  tp get th 2 H  filter (2 ),  followin g  two  Hamilton m a trix (12-13 ) in the first pla c e  are given:      T T T T T T C D B A C D D C B B C D B A H ) ( ) ( : 1 12 2 1 * 12 * 12 1 2 2 1 12 2 2  ,                                                       (12)    ) ( ) ( ) ( : 2 21 1 1 * 21 * 21 1 2 2 2 21 1 2 C D B A B D D B C C C D B A J T T T T T T   ,                                                          (13)    If the filter so lution exist s and m a trix 2 : H an 2 J  have  no e i genvalue  on  the imagi nary axis, , XY   are the two  positive se midefinite sol u ti on of the Ricatti equati on co rrespon ded to  Hamilton m a trix (12), ( 13 ), the  2 H optimized  filter is given by (14) [10]:     0 ˆ 2 2 2 F L A K .                                                                                    (14)    Whe r e 2 2 2 2 2 ˆ C L F B A A , ) ( : 2 2 1 12 2 X B C D F T T ) ( 2 2 21 1 2 T T C Y D B L , I D D * 12 12 , I D D * 21 21 ,  namely * 21 * 12 , D D a s   t h e  ortho gon a l  array of  21 12 , D D Based o n   2 H   n o rm definition  of the system  G , as the input noise si gnal is a s su med to  be ga ussia n   white n o ise p r ocess to  2 H  filter,It is  not  hard to d educ e d the integral term in  2 H    norm d e finition is the gai n function a r ray about freq uen cy (formu la 11). The i n tegral  re sult to  freque ncy  ref l ects the  gain  on th e frequ ency  domai n. So p h ysi c al  meanin g  of t he  system’ s 2 H   norm i s  that i t  reflect s  the  con d ition to  suppr ess n o ise of filtering  sys tem when t he noi se  sig n a probability is  uniform  on  the whole frequency domai n . Accordingl y, it is not hard to known i t geomet ric si g n ifican ce  is the a r ea  surround ed  by  la rge s singul a r  value   curve  and  fre quen cy  axis.  For  2 H  filtere d   system  expre s sed  by  the  form of t r an sfer fun c tion ( ) () () zs G s s Assu me th at the n o ise  si gnal s i s  g a u ssi an  whit e   noise p r o c e s s. With out lo sing  ge nerali t y,  assume  as m ean value 0,  variance 1, then  i T i = I (unit matrix),  22 2 zG G  . S o   optimizin g th 2 z  mean s o p timizing  the  G , The  optimi z a t ion go al is o n ly relate d to  the sy stem   G  itself. Thus the  2 H  filter is to redu ce the  estimation e r ror  ˆ zz z in the frequen cy doma i n   (or time ) on the wh ole, as  far as p o ssibl e .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3338 – 33 47   3342 2.4.  H  Filter Design  For th e filter  descri bed  by  the  form ula (2),  if  it can make   H  norm  G  of tran sfer  function   G  f r om t h e  sy st e m  noi se   () t  to es timate the error ˆ zz z  to get th e minim u m, t he  filter describe d  by the form ula (2 ) is it s H  filter.  Want t o  get the  H  filter (2), follo wi ng two  Hamilton m a trix in the first place are giv en:     T T T T T T T C D B A C D D C B B B B C D B A H ) ( ) ( : 1 12 2 1 * 12 * 12 1 2 2 1 1 2 1 12 2                                                            (15)        ) ( ) ( ) ( : 2 21 1 1 * 21 * 21 1 2 2 1 1 2 2 21 1 C D B A B D D B C C C C C D B A J T T T T T T T                                                            (16)      If the filter solution exists,  and matrix H an J  have no ei genvalu e  on the imagin a ry  axis, an d the  pola r   radi us  2 , , XY  are the  two po sitive  se midefinite  sol u tion of th e   Ricatti equation co rre sp on ded to Hamil t on matrix (1 5-16 ), the  H op timized filter is given by  (17) [10]:    0 ˆ F L Z A K                                                                           (17)    Whe r e 2 2 1 1 2 ˆ C L Z F B X B B A A T , ) ( : 2 1 12 X B C D F T T , ) ( 2 21 1 T T C Y D B L , 1 2 ) ( X Y I Z , I D D * 12 12 , I D D * 21 21 ,  namely * 21 * 12 , D D a s   t h e  orthog on al array of  21 12 , D D   H Filter ca n also be got by solving a  set   of linear m a trix inequalit y (LMI) for the  following:    0 2 I D D P B PB C C A P P A T T T   Whe r e P is a s ymmetri c  po sitive definite matrix, 0 mea n s the ne gati v e semi defini t e.    It also can b e  see n  from the definition  of  H norm s   G of filter system. Its physi cal   meanin g  is the bigg est g a in of filter syste m (the  worst freq ue ncy point), a nd its geom etric  meanin g  is th e pea k of the large s t sin gul ar value curv e.     On the frequ ency d o main , only wh en f r equ en cy  eq uals  certai n value, the  gain o f   f ilt er sy st e m  G f r o m    to es timated  error z a c q u i r e  to ma x i mu m. It i s   H norm s   G of filter  sy st em Con s ide r ing th freque ncy p o int whi c h i s  on the maxi mum gai n system, the  H filter minimi zed the  su pre m um that fro m  t he filter  noise inp u t to e s t i m a t e d   e r r o r z  (en e r g y   amplificatio n ) , which fre quen cy i s   al so  call ed   a s   the wo rst  noise ca se.   The   H  filte r   consider the worst possi ble frequency point (l ow probability) only in the  whol e frequency   domain. Wh en  index  G is smalle r, it mean s the infl uen ce de gre e  to estimat e  error i s   smalle r o n  t h is frequ en cy point.   H  filter con s ide r   colo red  noi se, and it  gu arante e  the  es timate error  z  minimizatio n  on  the  wo rst freq uen cy  point, but  it  wa s n o t be  consi dered  on  other fre que n c y point wh e n   L( ) s  is be de sig ned. The r efore it c onsi der t hat the noise rea c h the  worst-ca se in  a limited ran ge of ene rgy values. Th e filtered wavefo rm also re pre s ent s the wo rst- Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     A Kind of H 2 /H   Filterin g Shem e on Def o rm ation Mon i toring Data (Che ngm an Sha)  3343 ca se n o ise  waveform, so its filtering i s   conser vative a nd reli able. It's impo rtant t o  note that  H   filter is not d e sig ned fo white n o ise, and the  i n flu ence of white noi se o n  the si gnal  ca n be   treated throu gh other m e a n s such as  2 H  fil t er.    2.5.  2 H / H  Filter Design   For the  H 2  filter, assum e  that the noi se  signal i s  Ga ussian  white  noise( B S ). Th optimizatio n goal is only  asso ciated  with the syst e m  itself and is overall o p timization. Fo r a  colo red  noi se  (incl udin g  the wo rst - case  that of  small  prob ability), It is not optimal and  ca n not  assure the  H norm le ss than  a given valu  (suboptimal). Besi de, the  stability of the filtering  perfo rman ce i ndex  z  is not consi dered.   H   filtering me thod avoid e d  the dra w ba cks of the  2 H  filtering method in statisti pro c e s s of n o ise  si gnal.  Con s id erin g t he  worst  situ ation that  col o red  noi se  si gnal i s   boun ded ,   prop ose a filtering m e thod  to minimize  2 z . However, this  method is  n o t optimize d  for commo white  noi se  signal  (hig h p r obability), a n d  in m o st  sit uation s  it  sh ows a  con s e r vative and  b ad  effec t.  The trad eoff  2 H / H  filtering method ove r com e  this si ded n e ss. It divided the noi se   sign al  () t (inclu ding system   noise  1 and observed noi se  2 ) into a  determi nisti c  part   belon gs to a  boun ded  set  (col ored noi se) an d a ra nd om part d e scribed  by the random va riab le  (Gau ssian  white noise). Reco rde d  a s 01 ww 0 w B S , 1 w P ) Th us, the distortio n   sy st em  P(s) (form u la 1) can be  descri bed by  the follo win g  state sp ace model (fo r mul a  18).         00 1 1 1 22 0 0 2 1 1 xA x B w B w zC x y Cx D w D w   &                                                                 (18)    The tran sfe r  functio n  form  can b e  de scri bed by     01 0 1 [ ( ) ( )][ ( ) ( ) ] T zG G s G s s s   .                     (19)              To ta ke  P z  -no r m a s  o p timization in dex, it ca be  se en  from  the  defi n ition of  P-n o r m that  the  physi cal me a n ing of  P z -norm  is the total e nergy in stea d  of  the total power which differs  from  2 L -no r m. It’s e a s y to un de rst and that   wh en  P z is optimal  the  ǁ 2 z  will be optimal  either.  Thus, the foll owin g optimization index was ad opted:     22 2 1 su p ( ) pp w Jz   ,where. 1 G .                                      (20)  It  can be prov ed  that  2 2 JG ,w h en  0  is orth ogo na l to  1 , 0 B S , 1 P , G < . Thus, the p h ysical meani ng of hybrid fi lter ing p e rfo r mance indi ca tor J is to mi n i mize  2 G  in   con d ition of ǁ G ǁ < . For  syst ems  expressed by th stat e Equatio n  (18 ) whe n   the colored  noise si gnal  satisfie s  th e  con d ition  1 P  and  0  is  orth ogon al to  1 , a stable  optim ized  filter can b e  g o t to minimize the index J  in con d ition o f ǁ G ǁ < . The hy brid filtering issue will be   turned into  standa rd  H 2  issue wh en   or stand ard  H  issue  whe n   0 =0.   These hyb r id  filtering  met hod will hav e so lution whe n  the  foll owin conditi ons are  sat i sf ie d:   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3338 – 33 47   3344 (1)  Hamilton  matrix corre s po ndin g  to  the system  doe sn’t have  eigenvalue s on the  imagina ry axis and the  corresp ondi ng Ri ccati Equatio ns definite.   (2) T here is  certain  ,, L YP  to satisfy the follows couplin g Ri ccati equatio n and Lya pno equatio ns:     T T T D B PX PC D B LR Y 21 1 2 2 20 0 0 ( 0 ) 21 1 2 1 2 T D PYB PYLR                    (21)        Y LD B LD B Y Y A YA T T ml ml ) )( ( 21 1 21 1 2 0 F F T                                                       (22)         0 Y and Y LD B LD B A T ml ) )( ( 21 1 21 1 2                                                                                      (23)    T T ml T ml Y LD B LD B A P P Y LD B LD B A } ) )( ( { } ) )( ( { 21 1 21 1 2 21 1 21 1 2 0 ) )( ( 20 0 20 0 T LD B LD B                    (24)         Whe n  these above conditi ons a r e satisf ied, the hy bri d  optimizatio n filter (linea r fraction al  transfo rmatio n form) i s  given by:    0 | | : ) ( 2 F L F B A s K ml                                       Whe r e, T T D D R D D R 21 21 1 20 20 0 , , ) ( 1 21 2 2 1 1 2 X B D C L X B B A A T T ml m ) ( 2 1 12 X B C D F T T The  equatio ns  above  ca n be  solved  thro ugh  the  followi ng  st eps of the   algorith m   prog ram m ing  in matlab en vironme n t:  (1) Initiali ze t he  > 0,   0 L = 0; To plu g   i L  in equatio n (2 2) the n  calculate the  i Y Conditions to plug  i Y  in (9 ), i f  satisfy the  condition s,  we  ca n exe c ute   the nex step,  if doe not,  do the agai n;     (2)  Usi ng  i L i Y plus them int o  the equatio n (24 )  for gett i ng  i P (3) Plu s ing  i Y   i P  into the equa tion (21 )  for g e tting  1 i L (4) If  1 ii LL (requ ired a c cura cy), the prog ram is over,   i L , i Y , i P  are answer,   otherwise  1 ii LL , repeat  step  (2), In the a c t ual ca lculatio n, If no conv erge nce of   1 ii L L   iterative calculation, or (2 3) d oes not  satisfy the co n d itions, it is likely the diffe ren c e i s  too  big   betwe en the i n itial value a nd the a c tual,  we  shoul d a d just the initi a l value, and    value sh oul d   be gra dually redu ced.       3. Filter Effe ct An aly s is   T he effect  o f  three  kin d s  of filteri n g  schem e a r e analy s ed   with a  kn own mod e example s . As sho w n in  Figure 1, X, Y, Z resp e c tively represe n t the displa ceme nt valu e of  observation  p o ints. T he  ab sci ssa i s  th observation  time  sequ en ce , assumi ng th e ob se rvation  of   100 d a ys, sa mpled o n ce  a day. The t o tal displa ce ment of X, Y, Z is 0.8m m ,  0.7mm, 1.6 m respe c tively,  and the defo r mation is a s sumed to b e  uniforma n d  linear. The noise sign al is  comp osed  of two p a rts.  T hey ar e ga ussian  col o red  noise (Fi g u r e  2(e ))  and  wh ite noise (Fig ure  2(d ))  re sp ecti vely. The ma ximal displa cement of   the  colo red  noi se  is  0.5mm.   T he true valu e  of  the displa ce ment and co mbined  with noise rep r e s ent observed  values (a s shown in Figu re 3   contai ns n o ise in the ob served cu rve). T houg ht thr ee  different ki nd s of filtering schem e, Figu re 3  sho w s the cu rves filtere d . Table 1 sho w s the thr ee types of pe rformance i ndi ca tors of the no ise   before a nd after filtering. The noise  value in cu rves after filtering i s  got according to  the  differen c e bet wee n  the wav e form data af ter filtering an d the true value.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     A Kind of H 2 /H   Filterin g Shem e on Def o rm ation Mon i toring Data (Che ngm an Sha)  3345           (a) T he true v a lue of X dire ction di spla ce ment, (b) the  true value of Y directio n di spla cem ent, (c)  the true value  of Z direction  displa cem e n t, (d) the colo red noi se, (e) white gau ss noise     Figure 2. The  Time-di s pla c e Curve s  of T r ue Di spl a ce and Noise on  Known Mo de     Table 1.  Noi s e Perfo r ma n c e Indi cators  before a nd af ter Filtering      Before  filter  rmm)  H2  filtering(mm)   HINF  filtering(mm)   Mixed  F ilter ( mm)  The noise  standard dev iation  X 0.1484   0.0440   0.0479   0.0446   Y 0.1484   0.0440   0.0479   0.0447   Z 0.1484   0.0455   0.05  0.0465   The Noise  mean value  X 0.005   0.0115   0.0065   0.009   Y 0.005   0.0115   0.0065   0.009   Z 0.005   0.0115   0.0065   0.009   The noise  max i mum  value  X 0.5  0.1471   0.0987   0.1195   Y 0.5  0.1471   0.0988   0.1195   Z 0.5  0.1471   0.11  0.1195       The effe ct o f  each  kind  of filter i s   obviou s  thro ugh th e Ta b l e 1  and  Fi gure  2,  Deformation  curve  smo o ths si gnifican t ly after f ilte r ing, an d largely in coi n cide nt with the   displ a cement  deform a tion  law. But com pare d  with th e ideal di spl a ceme nt true  value, som e   gap  also  exist. Th is i s  no rmal   becau se  we  can  not   sep a r ate the  noi se from  the  si gnal  com p let e ly.  The n o ise m ean i s  n o t eq ual to  ze ro b e ca use of  co ntaining th colore d n o ise.  After filtering  by   0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 0. 5 1 X/ m m 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 0. 5 1 Y/ m m 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 -2 -1 0 Z/ m m 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 0. 5 1 Co l o r e d  No i s e / m m 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 -0 . 5 0 0. 5 sa mp l e d  t i me  s e r i e s W h it w  G a u s s  N o is e / m m (a ) (d ) (e ) (c ) (b ) Fi g ure 1.  Sketch of Filter  S y st em z   y   P ( s ) G ( s ) ˆ z L ( s ) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3338 – 33 47   3346 the  2 H filter  sch e me,  the noi se stan dard deviation  i s  t he mini mum,  the  curve  is smo o th, an filtering to  white noi se  is the m o st  effective.  But t he n o ise of   averag e a n d  maximum  is the   bigge st and t he re sult of filtering colo re d noise  is ba d, the supp ression effe ct to the colored  noise at the 42 point i s  the  wo rst. After filtering by  the  H filter sch e me, the noi se sta nda rd   deviation is t he high est, the effect of filteri ng the  white noise is  not good, b u t  the mean a n d   maximum of noise is the minimum, the result of  sup p re ssi ng and  filtering the colo red n o ise  is  good. Th e su ppre s sion  effect to the col o red  noi se at   the 42 poi nt is the be st, bu t it is at the cost  the filtering effect of other point. Th e hybr id scheme, not o n ly consi d e r s the effecti v e   sup p re ssion   to the colo re d noi se, b u t also  con s id ers to filter t he white n o i s as  mu ch  as  possibl e.The r efore, in the  actual  work    can be  cho o se d acco rdi ng to tolera n c e of col o re noise, so it is a kind of effe ctive filtering scheme.           Figure 3. The  Time-di s pla c e Curve s  of  Observed a n d  Filtered Val ue on Kno w Model       4. Calculatio n Example      Figure 4. The  Time-di s pla c e Curve s  of  Observ ed a n d  Filtered Val ue on a Strip  Mine in Liao n i ng  P r ov inc e ,  (a)  X  displa ce/ m m,  (b) Y  displ a ce/ mm,  ( c Z displa ce   0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 -0. 5 0 0. 5 1 1. 5 X/ m m 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 -0. 5 0 0. 5 1 Y/ m m 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 -2 -1. 5 -1 -0. 5 0 0. 5 Sa m p le d  t i m e   s e r i e s Z / m m     i deal  c u rv e w i t hout  n o i s e obs erv e d   c u rv e w i t h  boi s e H i nf  f i l t eri ng c u rv e H 2  f i l t eri ng c u re hy bri d  f i l t eri ng c u rv e -2 mm  0 mm  0 mm  2 mm  0 mm  2 mm  Sa m p led ti m e  se rie s   y   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     A Kind of H 2 /H   Filterin g Shem e on Def o rm ation Mon i toring Data (Che ngm an Sha)  3347 Figure 3 is  deform a tion  observation  waveform dia g ram from a  monitori ng po int on the   slop e of an open -pit iron  ore in Lia oni ng Provin ce , Chin a. The h o rizontal  axis represents t he  observation ti me and x,y, z rep r e s ent th e displa ce me nt comp one nt of the ob serv ation poi nt fro m   the co ntrol  p o int in the th ree coo r din a te  re spe c ti vely. The  solid line is th e o r igin al ob se rvatio nal  data. Accordi ng to the d a ta analy s is  a nd colored n o ise tol e ra nce, the   H 2 / H   hybrid filteri n g   method  was  applie d to filter the ori g inal  obse r va tion  data and the  filtered dat a curve  is sho w n   as  the dotted lin e in Figu re  4. From th e an alysis  of  defo r mation  cu rve s  befo r e a nd  after filtering,  it  can  be  se en  that amplitud e of ob se rvat ion noi se  exceed th e defo r mation true v a lue s . In oth e words, the d e formatio n value is sm all while the o b servation noi sy is large. Th us, the filterin g is  very importan t. A good result has bee n achi eved afte r usin g the   H 2 / H     hybrid  filtering meth od  as  we   can  see from th Figure 4.  Th H 2 / H    hyb r id filteri ng  m e thod i s  not  only theo reti cally  rigo rou s  but a l so practi cabl e.      5. Conclusio n   A kind of  H 2 / H   filter sche me is pro p o s ed, with  re sp ect to the high-p r e c isi on o b se rved  data by  mea s ureme n t rob o t. Base d o n  the  previo u s   wo rk,  H 2  a nd  H   filterin g sch e me  are   prop osed, an d the solving  method of  filter is given. T he assum p tio n  that noise  consi s ts of whi t e   gau ss  noi se  and col o r noi se of  limited ener gy is p r o posed.  Referring to th H 2  and H   ffiltering  algorith m   respectively, an d  ba sed  on  the  analy s is of  th e no rm  of  sig nals an syst ems, th e hyb r id  perfo rman ce  index J is giv en and an alysed. Fo r a given   value, by solving the corre s p ondin g   riccati e quati on to  get a r ith m etic to  mini mize  i ndex  J.  Thro ugh  theo retical  an alysi s  a nd  nume r i c al   example s , th e advanta g e s  and di sa dva n tage s of  H 2   H  and  hybri ed filter a r discusse d. It is  an   effective met hod to  deal  with the noi se  contai ni ng  no n-white n o ise ,  unde r the  premise  of limiting   the impa ct of the non -white  noise  com p o nent, as fa r a s  po ssi ble to redu ce the i n fluen ce of whit e   noise.      Referen ces   [1]  José F ,  R o sa n a  R,  Da nie l  C.  Detecti o n  of  Dis pl acem ents  on  T enerife  Islan d , Ca nar ies,  Usi ng  Ra dar   Interferometr y Geophys i cal J ourn a l Intern ati ona l.  200 5; 16 0(1): 33-4 5 [2]  Ach F ,  Schm ied e l A, K a e m ling  A, Hi g h  Po w e r Infr ared  Las er B eam Mo nitor i n g  b y  Optic a l   Measur ement  of Mirror Surface Deformati on Laser Physics  Letters.  2005; 2(5):  267- 27 1.  [3]  Xi ufen g H, Def o rmatio n   Mo ni to ri ng  Me th od  an d  i t s Ap pl i c a t io n ,   Beij in g: Sci ence P ubl ishi n g  Comp an y.   200 7.  [4]  Jon M, Ian N,  Gu y  C P e irs on. Pavem ent  Defo rmatio n  Monitori ng in a  Rol lin L o a d   Facilit y,  T he  Photogr a m met r ic Record .  20 01; 17(9 7 ): 07- 24.   [5]  Che n  L,  Lil ong  L, do ng yi C. Ada p tive K a l m an  F ilter ing   Method  is Us e d  for D e format i on M onit o rin g   Data Processing,  Surveyin g Engi neer in g.  20 08; 17(1): 4 8 -5 4.  [6]  Ale x a ndra S, Anthon y O. Ba yesi an Infere nce for  Non-st ation a r y  S pati a l Cov a ria n ce  Structure vi a   Spatia l Defor m ations.  Jo urn a l of the R o y a l Statistica l S o ciety Seri es B  (Statistical Method olo g y) 200 3; 65(3): 74 3-75 8.  [7]  Kääb W ,  Ha eb erli G, Hilm ar  G. Anal ysin g the Cr eep  of M ounta i n P e rma frost Using  Hi gh Prec isio n   Aerial  Phot ogr ammetr y :   25  Years of Mo nit o rin g  Grube Rock Glac ier,  S w i ss Al ps,  Permafrost and  Perigl aci a l Pro c esses . 199 7; 8(4): 409- 42 6.  [8]  Yachu n  M, W e i w ei J, C h e n g m an S, End e   W ,  Dongmei  Y .  Slope  Defor m ation  in a Gr e y  F o r e casti n g   Method Bas ed  on W a vel e t  Anal ysis.  Min e ral Engi neer in g . 2010; 8(6): 1 7 -2 0.  [9]  Yachu n  M, C h engm an S,  En de W .  T he Re search  of W a v e let  Den o isi n g  Use d  to th Deformati o n   Monitori ng D a ta.  Metal Mine 201 0; 45(9): 13 9-14 2.   [10]  Kemin Z ,  John  D. Essentials o f  Robus t Contr o l, Ne w  Jers e y : Prentice Hal l . 199 8.           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.