本發(fā)明涉及橋梁技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于深度學(xué)習(xí)的橋梁結(jié)構(gòu)健康診斷方法。
背景技術(shù)：
橋梁是交通的咽喉，橋梁結(jié)構(gòu)的安全問題涉及重大財(cái)產(chǎn)安全甚至生命安全，一直都被各界高度重視。隨著服役時(shí)間的推進(jìn)，材料老化加劇，加上日趨增大的交通量和超載，會造成橋梁結(jié)構(gòu)的局部損傷。最終危機(jī)橋梁的安全。然而，由于橋梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，損傷影響因素眾多，采用傳統(tǒng)的診斷方法往往只采用某一階段的數(shù)據(jù)，難以取得有效的診斷結(jié)果。因此橋梁結(jié)構(gòu)的健康診斷問題已成為公認(rèn)的難題。鑒于橋梁結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)、監(jiān)測中均保存了大量數(shù)據(jù)，其中必然蘊(yùn)含了橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的各種特征，因此研究一種有效的基于深度學(xué)習(xí)的橋梁結(jié)構(gòu)健康診斷方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明提供了一種基于深度學(xué)習(xí)的橋梁結(jié)構(gòu)健康診斷方法，旨在解決由于橋梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜、影響因素眾多，橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)難以有效診斷的問題。
一種基于深度學(xué)習(xí)的橋梁結(jié)構(gòu)健康診斷方法，包括以下步驟：
步驟一，數(shù)據(jù)預(yù)處理，將多座橋梁在設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)、監(jiān)測四個(gè)階段的數(shù)據(jù)收集后，根據(jù)數(shù)據(jù)性質(zhì)不同進(jìn)行分類整理，然后采用大數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，形成深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)所需的各類輸入數(shù)據(jù)；其中的橋梁包括某種類型的不同大小、不同地域的橋梁，并含有正常狀態(tài)和各種劣化狀態(tài)的情況；
步驟二，利用設(shè)計(jì)階段和施工階段的數(shù)據(jù)，建立橋梁結(jié)構(gòu)的精確有限元模型，分別模擬橋梁結(jié)構(gòu)正常狀態(tài)和各種劣化狀態(tài)的情況，并保存相關(guān)數(shù)據(jù)作為深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練輸入；
步驟三，構(gòu)建一個(gè)五層的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)DN，第一層SS采用稀疏自動編碼器，第二、三層采用通用自動編碼器，第四層DS采用降噪自動編碼器，第五層SVM采用支持向量機(jī)，其輸入數(shù)據(jù)為A[i](i＝1,2,…,n)，為步驟一所形成的輸入數(shù)據(jù)，可為任意矩陣。輸出數(shù)據(jù)為S[j](j＝1,2,…,m)，表示橋梁結(jié)構(gòu)各個(gè)區(qū)域的具體健康狀態(tài)以及橋梁結(jié)構(gòu)整體的健康狀態(tài)，可以是任意矩陣；
步驟四，特征學(xué)習(xí)，將設(shè)計(jì)、施工兩個(gè)階段的數(shù)據(jù)輸入深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)DN，采用無監(jiān)督訓(xùn)練，獲取橋梁結(jié)構(gòu)正常的各類參數(shù)的特征；將維護(hù)階段和監(jiān)測階段的一部分?jǐn)?shù)據(jù)以及有限元模擬的數(shù)據(jù)輸入網(wǎng)絡(luò)，采用有監(jiān)督訓(xùn)練，獲取結(jié)構(gòu)在各種劣化狀態(tài)的各類參數(shù)的特征，并微調(diào)深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的第五層；
步驟五，數(shù)據(jù)驗(yàn)證，將監(jiān)測階段的另一部分?jǐn)?shù)據(jù)輸入網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證，并根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化整個(gè)深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，最終形成一個(gè)可以通用于各種橋梁結(jié)構(gòu)健康診斷的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)；
步驟六，橋梁結(jié)構(gòu)健康診斷，根據(jù)步驟五形成的可用于結(jié)構(gòu)健康診斷的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，對任一座橋采用類似步驟一的方法對該橋梁的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，形成可輸入數(shù)據(jù)后即可輸入到已成功訓(xùn)練的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行診斷，從而準(zhǔn)確得到該橋梁的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)是正常還是處在哪一級劣化狀態(tài)。
進(jìn)一步地，如上所述的基于深度學(xué)習(xí)的橋梁結(jié)構(gòu)健康診斷方法，步驟一中所述數(shù)據(jù)性質(zhì)包括：環(huán)境、地質(zhì)、結(jié)構(gòu)、時(shí)間。
進(jìn)一步地，如上所述的基于深度學(xué)習(xí)的橋梁結(jié)構(gòu)健康診斷方法，步驟二中所述劣化狀態(tài)根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)可靠性規(guī)范分為輕微、輕度、中級、嚴(yán)重和不可接受五級。
本發(fā)明提供的基于深度學(xué)習(xí)的橋梁結(jié)構(gòu)健康診斷方法，通過建立深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，從而可以快速、有效地對各種橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)進(jìn)行診斷檢查。
附圖說明
圖1為本發(fā)明深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面本發(fā)明中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
本發(fā)明的目的在于提供一種基于深度學(xué)習(xí)的橋梁結(jié)構(gòu)健康診斷方法，該方法包括以下步驟：
步驟一，數(shù)據(jù)預(yù)處理。將多座橋梁在設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)、監(jiān)測四個(gè)階段的數(shù)據(jù)收集后，根據(jù)數(shù)據(jù)性質(zhì)(環(huán)境、地質(zhì)、結(jié)構(gòu)、時(shí)間)不同進(jìn)行分類整理，然后采用大數(shù)據(jù)處理方法Mapreduce進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，形成以下深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)所需的各類輸入數(shù)據(jù)。其中的橋梁包括某種類型的不同大小、不同地域的橋梁，并含有正常狀態(tài)和各種劣化狀態(tài)的情況。
步驟二，利用設(shè)計(jì)階段和施工階段的數(shù)據(jù)，建立橋梁結(jié)構(gòu)的精確有限元模型，分別模擬橋梁結(jié)構(gòu)正常狀態(tài)和各種劣化狀態(tài)的情況，并保存相關(guān)數(shù)據(jù)作為深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練輸入。其中劣化狀態(tài)根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)可靠性規(guī)范分為輕微、輕度、中級、嚴(yán)重和不可接受五級。
步驟三，構(gòu)建一個(gè)五層的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)DN。第一層SS采用稀疏自動編碼器，第二、三層(分別為GS1、GS2)采用通用自動編碼器，第四層DS采用降噪自動編碼器，第五層SVM采用支持向量機(jī)(如圖1)。其輸入數(shù)據(jù)為A[i](i＝1,2,…,n)，為步驟一所形成的輸入數(shù)據(jù)，可為任意矩陣。輸出數(shù)據(jù)為S[j](j＝1,2,…,m)，表示橋梁結(jié)構(gòu)各個(gè)區(qū)域的具體健康狀態(tài)以及橋梁結(jié)構(gòu)整體的健康狀態(tài)，可以是任意矩陣。
步驟四，特征學(xué)習(xí)。將設(shè)計(jì)、施工兩個(gè)階段的數(shù)據(jù)輸入深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，采用無監(jiān)督訓(xùn)練，獲取橋梁結(jié)構(gòu)正常的各類參數(shù)的特征；將維護(hù)階段和監(jiān)測階段的一部分?jǐn)?shù)據(jù)以及有限元模擬的數(shù)據(jù)輸入網(wǎng)絡(luò)，采用有監(jiān)督訓(xùn)練，獲取結(jié)構(gòu)在各種劣化狀態(tài)的各類參數(shù)的特征，并微調(diào)深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的第五層。
步驟五，數(shù)據(jù)驗(yàn)證。將監(jiān)測階段的另一部分?jǐn)?shù)據(jù)輸入網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證，并根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化整個(gè)深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)。最終形成一個(gè)可以通用于各種橋梁結(jié)構(gòu)健康診斷的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)。
步驟六，橋梁結(jié)構(gòu)健康診斷。經(jīng)過了步驟五形成可用于結(jié)構(gòu)健康診斷的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)后，對任一座橋梁而言，診斷時(shí)需要采用類似步驟一的方法對該橋梁的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，形成可輸入數(shù)據(jù)后即可輸入到已成功訓(xùn)練的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行診斷，從而準(zhǔn)確得到該橋梁的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)是正常還是處在哪一級劣化狀態(tài)。
最后應(yīng)說明的是：以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。