神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)損傷識(shí)別模型建構(gòu)的作用

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本文作者：馮新軍 單位：陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院

1計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)建立損傷結(jié)構(gòu)模型

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是近年來(lái)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的重要分支，可以利用其優(yōu)越的性能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷的識(shí)別，本文主要是利用這種仿真技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷的識(shí)別。首先利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)建立一個(gè)算例模型。

采用的懸臂板物理參數(shù)為：板長(zhǎng)lm，寬度0.5m，密度為7.85×103kg/m3，彈性模量為2.02×105MPa，泊松比為0.3。圖1為其實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D。模擬采用單元?jiǎng)偠鹊恼蹨p，并忽略由結(jié)構(gòu)損傷所引起的結(jié)構(gòu)質(zhì)量的改變。對(duì)結(jié)構(gòu)中的2、7、10、11單元所發(fā)生的損傷情況分別進(jìn)行識(shí)別。

懸臂板在無(wú)損傷時(shí)的前三階頻率是：ω=8.3216Hz，ω=35.6910Hz，ω=51.7790Hz。（理論值為ω=8.5610Hz，ω=36.8210Hz，ω=53.2800Hz），模擬單元的損傷情況采用16個(gè)位置的剛度分別降低5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%。表1為剛度下降5%所得數(shù)據(jù)。同理，剛度下降其他百分比的數(shù)據(jù)也可得到。

2計(jì)算機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立損傷識(shí)別模型

2.1BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種多層前向網(wǎng)絡(luò)，傳播途徑為單向傳播。其除了輸入輸出節(jié)點(diǎn)以外，同層的節(jié)點(diǎn)中沒(méi)有任何的耦合，還含有一層或多層的隱節(jié)點(diǎn)。輸入信號(hào)通過(guò)輸入層節(jié)點(diǎn)依次經(jīng)過(guò)各隱層節(jié)點(diǎn)最終傳到輸出節(jié)點(diǎn)，各層節(jié)點(diǎn)的輸出只會(huì)對(duì)下一層節(jié)點(diǎn)的輸出產(chǎn)生影響。此網(wǎng)絡(luò)就像是一個(gè)從輸入到輸出的高度非線性映射，即：F：Rn→Rm（fx）=Y（1）針對(duì)樣本的集合：輸入xi（∈Rn）和輸出yi（∈Rm），可當(dāng)作存在某一映射g使：g（xi）=yi（i=1,2,3,…,n）（2）Kolmogorov定理證明，任何一個(gè)映射關(guān)系都可以用三層的網(wǎng)絡(luò)表示。

運(yùn)用前推選擇算法，通過(guò)在隱含層中選擇匹配節(jié)點(diǎn)，從而找到起主導(dǎo)作用的隱節(jié)點(diǎn)，改變此隱節(jié)點(diǎn)相連接的權(quán)值，計(jì)算實(shí)際的輸出值，以加快運(yùn)算速度，而新樣本的輸入也不影響已學(xué)習(xí)好的樣本。動(dòng)態(tài)的學(xué)習(xí)率下降理論（DSD）的基本思想是：經(jīng)過(guò)T，T+1次訓(xùn)練的誤差函數(shù)為E(T)，E(T+1)，定義誤差率為A=[E(T)-E(T+1)]/E(T)。動(dòng)態(tài)的學(xué)習(xí)率通過(guò)相鄰兩次訓(xùn)練的全局誤差的變化率來(lái)修改。而下一個(gè)訓(xùn)練過(guò)程的學(xué)習(xí)率η則由下式?jīng)Q定，如果0<A<ε，則η=ηc1；如果A<0，則η=ηc2；否則，η不變。ε一般取一非常小的較為理想的正數(shù)0.001～0.1。學(xué)習(xí)率增大控制因子c1和學(xué)習(xí)率減小控制因子c2分別為一大于1的正數(shù)和一小于1的正數(shù)，從而達(dá)到根據(jù)梯度下降的快慢程度來(lái)控制學(xué)習(xí)進(jìn)度，避免錯(cuò)過(guò)全局最小點(diǎn)，或者陷入局部極小點(diǎn)。另一方面，此方法不論初始學(xué)習(xí)率怎樣選擇都能很好的收斂。

2.2結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入?yún)?shù)

輸入?yún)?shù)的選擇及其表達(dá)式形式在結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別中會(huì)對(duì)損傷識(shí)別的效果產(chǎn)生直接影響，所以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入?yún)?shù)的選擇對(duì)其應(yīng)用有很重要的作用。其主要以模態(tài)信息或動(dòng)靜力響應(yīng)數(shù)據(jù)為主。結(jié)構(gòu)固有特性的整體量代表結(jié)構(gòu)的固有頻率，其隨著結(jié)構(gòu)局部出現(xiàn)損傷而發(fā)生變化；也隨著剛度的降低而增大。很多研究者根據(jù)結(jié)構(gòu)固有頻率的這一特性及易于測(cè)量和測(cè)量誤差小將其作為結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的損傷標(biāo)示量。

2.3計(jì)算結(jié)果分析

采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，由以上除了2、7、10、11四個(gè)單元的12種損傷所構(gòu)成。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入?yún)?shù)是將振型分量和各損傷情況前階固有頻率的相對(duì)減少率歸一化組合在一起。

所采用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，其隱含層是3層，輸入層是3個(gè)神經(jīng)元，神經(jīng)元分別是12，6，12。這里隱含層取多層而不是取一般的1層是為了提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)能力，可以進(jìn)行損傷識(shí)別在模態(tài)取較低階時(shí)：輸出層是2個(gè)神經(jīng)元，一個(gè)代表?yè)p傷程度，另外一個(gè)代表位置坐標(biāo)x，y。

懸臂板損傷檢測(cè)的方法是在訓(xùn)練過(guò)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中輸入2，7，10，11位置經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)。若檢測(cè)結(jié)果和實(shí)際損傷位置和損傷程度能較好的吻合，則說(shuō)明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷程度和損傷位置有很好的識(shí)別能力。

3結(jié)論

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不僅能預(yù)測(cè)最大誤差而且能處理復(fù)雜的非線性關(guān)系，就結(jié)構(gòu)工程而言，可以說(shuō)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不僅可以反映結(jié)構(gòu)工程損傷識(shí)別的基本要求，還被證實(shí)其有著很好的前景在損傷識(shí)別領(lǐng)域內(nèi)。本文算例的輸入?yún)⒘繛楣逃蓄l率的改變，它有著比較理想的訓(xùn)練效果和較高的精度在數(shù)值模擬中。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的有效性在利用網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練向量中損傷的數(shù)據(jù)來(lái)檢驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練效果這一實(shí)驗(yàn)中得到了很好的驗(yàn)證。