專利名稱：基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的橋梁動(dòng)載測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的橋梁動(dòng)載檢測技木，尤其適用于各類橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)載響應(yīng)測試及進(jìn)行橋梁動(dòng)カ性能評估。
背景技術(shù)：
橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性是橋梁承載カ評定的重要參數(shù)，同時(shí)也是識(shí)別橋梁結(jié)構(gòu)工作性能和進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析的重要參數(shù)。隨著我國公路橋梁檢驗(yàn)評定制度的推廣以及橋梁安全評估的需要，橋梁動(dòng)載試驗(yàn)越來越受到重視，已成為新橋成橋荷載試驗(yàn)和舊橋承載能力評定的重要手段。橋梁的動(dòng)載試驗(yàn)主要包括跑車試驗(yàn)、制動(dòng)試驗(yàn)、跳車試驗(yàn)，具體如下1)跑車試驗(yàn)主要是測試重車以各種不同時(shí)速駛過橋梁時(shí)，橋梁各主要特征部位的動(dòng)カ響應(yīng)，由此得到?jīng)_擊系數(shù)等。其車速可選擇5、10、20、40、60、80km/h等，每種車速跑車 3 4次，試驗(yàn)結(jié)果取平均值，且記錄下每個(gè)跑車試驗(yàn)速度下各測點(diǎn)的時(shí)程曲線，求出每個(gè)車速下各測點(diǎn)的最大振幅值并分析其規(guī)律。2)制動(dòng)試驗(yàn)中汽車以設(shè)計(jì)最高時(shí)速的一半駛過橋梁，在橋梁制動(dòng)墩的墩頂位置剎車，測量橋梁各特征部位的豎向振幅、橫向振幅和縱向振幅。分析汽車制動(dòng)時(shí)順橋向測點(diǎn)的衰減曲線，可求得橋梁的順橋向自振頻率及阻尼比。3)跳車試驗(yàn)采用重車從15cm高的枕木上自由落體激振橋梁。由壓電加速度傳感器拾振，配電荷放大器進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，利用動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，同樣可以得出橋跨結(jié)構(gòu)固有頻率和阻尼比。以上常見的橋梁動(dòng)載試驗(yàn)往往要花費(fèi)幾天時(shí)間，需要封閉部分橋梁交通，且受溫度、儀器精度等影響，測試結(jié)果的精度不穩(wěn)定，這些現(xiàn)實(shí)問題困擾著相關(guān)研究者。此外，橋梁結(jié)構(gòu)除了承受本身自重和各種附加恒載以外，還要承受車輛、人群、風(fēng)カ和地震等活荷載， 其振動(dòng)影響因素復(fù)雜，僅靠現(xiàn)場試驗(yàn)分析還不能滿足工程應(yīng)用的需要，因此，引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合的方法，來保證測試結(jié)果準(zhǔn)確可靠且工作量減少。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是人腦及其活動(dòng)的一個(gè)理論化的數(shù)學(xué)模型，它是由大量的處理單元以適當(dāng)?shù)姆绞交ミB構(gòu)成，是ー個(gè)大規(guī)模的非線性自適應(yīng)系統(tǒng)。它具有大規(guī)模并行處理、分布式儲(chǔ)存和容錯(cuò)性的結(jié)構(gòu)特征，具有自學(xué)習(xí)、自組織與自適應(yīng)性的能力特征。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不僅在形式上模擬了生物神經(jīng)系統(tǒng)，而且也具有大腦的ー些基本特征，從系統(tǒng)構(gòu)成的形式及連接模式上，基本上都是與生物神經(jīng)系統(tǒng)相似的。由于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的學(xué)習(xí)和普化能力，能夠?qū)⒂行畔⒎植即娣?，將神?jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于橋梁動(dòng)載試驗(yàn)中，能夠克服現(xiàn)有橋梁動(dòng)載響應(yīng)完全需人工實(shí)測的不足，最大程度地減小實(shí)測工程量與工程費(fèi)用。結(jié)構(gòu)的可靠性是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定條件下，完成預(yù)定功能的能力，其可靠性指標(biāo)常用可靠度來描述?？煽啃詸z驗(yàn)的目的是對所需結(jié)果的可靠性進(jìn)行控制，檢驗(yàn)出不可靠的情況并及時(shí)進(jìn)行處理，使其最終結(jié)果能達(dá)到結(jié)構(gòu)安全評估要求。將可靠度檢驗(yàn)應(yīng)用于橋梁動(dòng)載試驗(yàn)中，能夠在減小實(shí)測工程量與工程費(fèi)用的同吋，保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確可靠，因此近年來可靠度檢驗(yàn)在工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測及安全性評估領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本發(fā)明由此提出一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的橋梁動(dòng)載測試技術(shù)，能很好地解決試驗(yàn)費(fèi)用貴、時(shí)間長、精度不足及不具有普遍性等問題，并對未來的橋梁動(dòng)載測試具有指導(dǎo)性作
ο

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明對大量橋梁荷載試驗(yàn)中的實(shí)測動(dòng)載數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，在此基礎(chǔ)上，將結(jié)構(gòu)參數(shù)等作為輸入層，結(jié)構(gòu)動(dòng)載響應(yīng)作為輸出層，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)獲得具有一定可靠度的橋梁動(dòng)載響應(yīng)值，進(jìn)而進(jìn)行橋梁安全性能評估，對未來的橋梁動(dòng)載測試技術(shù)的發(fā)展起到一定的促進(jìn)作用。技術(shù)方案為了能夠發(fā)展一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的橋梁動(dòng)載測試方法，以克服現(xiàn)有橋梁動(dòng)載測試中存在的較多不足，本發(fā)明統(tǒng)計(jì)分析已有的大量橋梁動(dòng)載實(shí)測數(shù)據(jù)，從中提取出橋梁動(dòng)載響應(yīng)影響參數(shù)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)推導(dǎo)出具有一定可靠度的特定橋梁動(dòng)載響應(yīng)，方便橋梁工作者進(jìn)行橋梁性能評估。解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是統(tǒng)計(jì)分析已有的大量橋梁動(dòng)載測試數(shù)據(jù)，確定出橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)載響應(yīng)影響參數(shù)；將橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)載響應(yīng)影響參數(shù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層，并將其在不同車輛運(yùn)行速度下的動(dòng)載響應(yīng)作為輸出層，構(gòu)造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，推導(dǎo)出結(jié)構(gòu)在不同車速下的動(dòng)載響應(yīng)；對橋梁進(jìn)行動(dòng)載實(shí)測，僅實(shí)測某一速度下的動(dòng)載響應(yīng)，并采用實(shí)測結(jié)果對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推導(dǎo)結(jié)果進(jìn)行可靠度檢驗(yàn)，以確保神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推導(dǎo)結(jié)果的可靠性；從而分析得到橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性、強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)、動(dòng)カ性能，識(shí)別橋梁結(jié)構(gòu)工作性能?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的橋梁動(dòng)載測試方法包括以下步驟第一歩根據(jù)已有的動(dòng)載測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析出在不同動(dòng)載響應(yīng)影響參數(shù)下不同的動(dòng)載響應(yīng)值，確定出相應(yīng)的動(dòng)載響應(yīng)影響參數(shù)，包括車速、橋跨、橋型、截面幾何參數(shù)、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期、已使用年限和環(huán)境因素；第二步將橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)載響應(yīng)影響參數(shù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層，將不同車輛運(yùn)行速度下的動(dòng)載響應(yīng)作為輸出層，從而構(gòu)造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；第三步將需要進(jìn)行動(dòng)載測試橋梁的相關(guān)參數(shù)輸入到第二步所構(gòu)造的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型當(dāng)中，獲得由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型推導(dǎo)出的結(jié)構(gòu)動(dòng)載響應(yīng)；第四步對橋梁進(jìn)行動(dòng)載實(shí)測，僅實(shí)測某一速度下的動(dòng)載響應(yīng)，并采用實(shí)測結(jié)果對第三步中所得推導(dǎo)結(jié)果進(jìn)行可靠度檢驗(yàn)，以確保神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推導(dǎo)結(jié)果的可靠性；第五步若第四步中的可靠度檢驗(yàn)結(jié)果不滿足要求，則將該實(shí)測數(shù)據(jù)按照20% 40%的比重加入樣本層，重復(fù)1 4步驟，保證該速度下動(dòng)載響應(yīng)可靠性滿足要求；且重新補(bǔ)充不同速度下的動(dòng)載響應(yīng)實(shí)測，進(jìn)行可靠度檢驗(yàn)，直至第三步所得結(jié)構(gòu)動(dòng)載響應(yīng)的可靠性得到保證；第六歩得到該橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)載響應(yīng)與動(dòng)力特性，用于評估結(jié)構(gòu)的安全性能。在第二步中，將橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)載響應(yīng)影響參數(shù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層，在不同車輛運(yùn)行速度下的動(dòng)載響應(yīng)作為輸出層，運(yùn)用矩陣實(shí)驗(yàn)室(matlab)中紐夫(newff)函數(shù)構(gòu)造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；該模型輸入層有η個(gè)神經(jīng)元χ，χ e (Xl, X2L xn)，隱含層有d個(gè)神經(jīng)元h， h e (hi; h2L hd)，輸出層有m個(gè)神經(jīng)元y，y e (Yl, y2L ym)；輸入層與隱含層之間的權(quán)值和閾值分別為和θ ρ隱含層與輸出層之間的權(quán)值和閾值分別為和ek:
η隱含層節(jié)點(diǎn)ケ=/(I^リス-^)
d—“輸出層節(jié)點(diǎn)凡=/(Σ’、-代)，其中f(x)為傳遞函數(shù)。在第四步中采用實(shí)測結(jié)果對第三步中所得推導(dǎo)結(jié)果進(jìn)行可靠度檢驗(yàn)，具體為由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練得到的動(dòng)載響應(yīng)值作為理論推導(dǎo)值μ，動(dòng)載試驗(yàn)實(shí)測得到某一速度下動(dòng)
載響應(yīng)值作為實(shí)測值_對理論值進(jìn)行可靠度檢驗(yàn)《 =—ど><100%，若α e [-5%,5%]
則表明理論值具有滿足可靠度要求；若上述可靠度檢驗(yàn)結(jié)果不滿足要求，則將該實(shí)測數(shù)據(jù)按照20% 40%比重加入樣本層，重復(fù)第一歩 第四歩，保證該速度下動(dòng)載響應(yīng)可靠性滿足要求；且重新補(bǔ)充不同速度下的動(dòng)載響應(yīng)實(shí)測，進(jìn)行可靠度檢驗(yàn)，直至所得結(jié)構(gòu)動(dòng)載響應(yīng)的可靠性得到保證為止。有益效果現(xiàn)有的橋梁動(dòng)載測試技術(shù)種類雖然較多，但均有著明顯的不足之處，如測試時(shí)間長、影響橋面交通、造成結(jié)構(gòu)損傷、工程費(fèi)用巨大等。針對上述問題，本專利發(fā)明了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的橋梁動(dòng)載測試法，該方法結(jié)合了常規(guī)動(dòng)載測試方法的優(yōu)點(diǎn)，并且運(yùn)用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來優(yōu)化動(dòng)載測試過程，由單ー車速下的跑車測試試驗(yàn)結(jié)果來推斷橋梁在不同車速下的動(dòng)載響應(yīng)，大大減少了其中跑車試驗(yàn)的次數(shù)。本專利能夠在保證測試結(jié)果準(zhǔn)確可靠的基礎(chǔ)上，大大減小常規(guī)動(dòng)載測試所造成的結(jié)構(gòu)損傷，提高分析效率和可操作性。鑒于我國交通基礎(chǔ)設(shè)施日益完善，舊橋危橋也隨之越來越多，迫切需要發(fā)展ー套科學(xué)、準(zhǔn)確、可靠、便捷的橋梁監(jiān)測技木。因此，本專利在未來橋梁動(dòng)載測試中必將具有廣泛的應(yīng)用前景， 產(chǎn)生顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。


圖1基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)橋梁動(dòng)載測試法技術(shù)流程圖；圖2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型示意圖；圖3正態(tài)分布示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明實(shí)現(xiàn)方案的主要流程具體如下(參見圖1)1)對已有的大量橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)載測試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定出動(dòng)載響應(yīng)影響參數(shù)，如車速、橋跨、橋型、截面幾何參數(shù)、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期、已使用年限、環(huán)境因素等；2)將橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)載響應(yīng)影響參數(shù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層，并將其在不同車輛運(yùn)行速度下的動(dòng)載響應(yīng)作為輸出層，構(gòu)造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法模型輸入層有η個(gè)神經(jīng)元x,x e (Xl, X2L xn)，隱含層有d個(gè)神經(jīng)元h,h e (h” h2L hd)，輸出層有m個(gè)神經(jīng)元y, ye (Yl, y2L ym)。輸入層與隱含層之間的權(quán)值和閾值分別為Wu和θ ρ隱含層與輸出層之間的權(quán)值和閾值分別為和θ k(參見圖2)隱含層節(jié)點(diǎn)ケ=ICLwijXl-Oj)(1)
輸出層節(jié)點(diǎn)
權(quán)利要求
1.一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的橋梁動(dòng)載測試方法，其特征在于該方法包括以下步驟 第一歩根據(jù)已有的動(dòng)載測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析出在不同動(dòng)載響應(yīng)影響參數(shù)下不同的動(dòng)載響應(yīng)值，確定出相應(yīng)的動(dòng)載響應(yīng)影響參數(shù)，包括車速、橋跨、橋型、截面幾何參數(shù)、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期、已使用年限和環(huán)境因素；第二步將橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)載響應(yīng)影響參數(shù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層，將不同車輛運(yùn)行速度下的動(dòng)載響應(yīng)作為輸出層，從而構(gòu)造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；第三步將需要進(jìn)行動(dòng)載測試橋梁的相關(guān)參數(shù)輸入到第二步所構(gòu)造的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型當(dāng)中，獲得由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型推導(dǎo)出的結(jié)構(gòu)動(dòng)載響應(yīng)；第四步對橋梁進(jìn)行動(dòng)載實(shí)測，僅實(shí)測某一速度下的動(dòng)載響應(yīng)，并采用實(shí)測結(jié)果對第三步中所得推導(dǎo)結(jié)果進(jìn)行可靠度檢驗(yàn)，以確保神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推導(dǎo)結(jié)果的可靠性；第五步若第四步中的可靠度檢驗(yàn)結(jié)果不滿足要求，則將該實(shí)測數(shù)據(jù)按照20% 40% 的比重加入樣本層，重復(fù)1 4步驟，保證該速度下動(dòng)載響應(yīng)可靠性滿足要求；且重新補(bǔ)充不同速度下的動(dòng)載響應(yīng)實(shí)測，進(jìn)行可靠度檢驗(yàn)，直至第三步所得結(jié)構(gòu)動(dòng)載響應(yīng)的可靠性得到保證；第六步得到該橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)載響應(yīng)與動(dòng)力特性，用于評估結(jié)構(gòu)的安全性能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的橋梁動(dòng)載測試法，其特征在于第二步中，將橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)載響應(yīng)影響參數(shù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層，在不同車輛運(yùn)行速度下的動(dòng)載響應(yīng)作為輸出層，運(yùn)用矩陣實(shí)驗(yàn)室matlab中紐夫newff函數(shù)構(gòu)造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；該模型輸入層有η個(gè)神經(jīng)元x,x e (Xl, X2L xn)，隱含層有d個(gè)神經(jīng)元h，h e Qll，h2L hd)，輸出層有m個(gè)神經(jīng)元y，ye (Yl, y2L ym)；輸入層與隱含層之間的權(quán)值和閾值分別為和θゴ，隱含層與輸出層之間的權(quán)值和閾值分別為 和θ k 隱含層節(jié)點(diǎn)h] = /(ΣWljX1 - θ〗) 輸出層節(jié)點(diǎn)yk=fもJh-Θ)，其中/(χ)為傳遞函數(shù)。J=I
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的橋梁動(dòng)載測試法，其特征在于第四步中采用實(shí)測結(jié)果對第三步中所得推導(dǎo)結(jié)果進(jìn)行可靠度檢驗(yàn)，具體為由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練得到的動(dòng)載響應(yīng)值作為理論推導(dǎo)值μ，動(dòng)載試驗(yàn)實(shí)測得到某一速度下動(dòng)載響應(yīng)值作為實(shí)測值_對理論值進(jìn)行可靠度檢驗(yàn)《 =ちLxl00%，若α e [-5%,5% ]則表明理論值滿足可靠度要求；若上述可靠度檢驗(yàn)結(jié)果不滿足要求，則將該實(shí)測數(shù)據(jù)按照20% 40%比重加入樣本層，重復(fù)第一歩 第四歩，保證該速度下動(dòng)載響應(yīng)可靠性滿足要求；且重新補(bǔ)充不同速度下的動(dòng)載響應(yīng)實(shí)測，進(jìn)行可靠度檢驗(yàn)，直至所得結(jié)構(gòu)動(dòng)載響應(yīng)的可靠性得到保證為止。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的橋梁動(dòng)載測試法通過對大量既有橋梁測試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定出橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)載響應(yīng)影響參數(shù)，將這些影響參數(shù)作為輸入層構(gòu)造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并由此推導(dǎo)出結(jié)構(gòu)動(dòng)載響應(yīng)預(yù)測值；對橋梁進(jìn)行單個(gè)車速下的動(dòng)載實(shí)測，并采用實(shí)測值對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論推導(dǎo)值進(jìn)行可靠度檢驗(yàn)，獲得橋梁結(jié)構(gòu)經(jīng)實(shí)測驗(yàn)證的動(dòng)力響應(yīng)及其特性，并據(jù)此評判橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)和安全性能。由于結(jié)合了常規(guī)動(dòng)載測試方法的優(yōu)點(diǎn)，并且運(yùn)用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來優(yōu)化測試過程，采用本發(fā)明進(jìn)行橋梁動(dòng)測評估，能夠在保證測試結(jié)果準(zhǔn)確可靠的基礎(chǔ)上，大大減小常規(guī)動(dòng)載測試所造成的結(jié)構(gòu)損傷，提高分析效率和可操作性。
文檔編號(hào)G01M7/08GK102539098SQ20111042009
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月15日
發(fā)明者宗周紅, 李峰峰, 王浩, 王龍花 申請人:東南大學(xué)