神經(jīng)網(wǎng)絡在橋梁檢測中的應用

1、神經(jīng)網(wǎng)絡在橋梁檢測中的應用1 引言隨著我國基礎(chǔ)建設的迅速進展， 越來越多的橋梁得以修建，并逐步投入使用。如何科學地了解運營中橋梁的健康情況，并實時地對橋梁舉行養(yǎng)護和管理日益成為橋梁養(yǎng)管人員及專家關(guān)注和研究的熱點。以斜拉橋為例，準時精確地了解橋索受力的變化狀況，在斜拉橋的運營和維護過程中占有重要的地位。在對斜拉橋舉行檢測的過程中，首先將加速度傳感器安裝在斜拉索上，通過測定橋索振動的頻率，按照公式（1）得到該橋索所受的拉力值。式（1）中， 為弦單位長度的分量，L為斜拉索長度，g為重力加速度，rt是弦振動的階數(shù)， 是第rt階的自振頻率。為了將測量過程中的外部影響減到最小，對所有橋索（一般為幾百根）受

2、力的測量，理論上務必在同一時光內(nèi)完成。在實際狀況下，這一點是很難做到的，而且在測量過程中，因為測量人員在技術(shù)上的差異性，以及在繁重工作下引發(fā)的疲憊性，必定會在檢測結(jié)果中引入較大的人為誤差。文章著重探求一種方法，按照橋梁測量的歷史數(shù)據(jù)，通過構(gòu)造相關(guān)模型，在橋索受力值（或其變化）之間建立映射關(guān)系。這樣做的目的，是對部分斜拉索的索力舉行測量，然后通過映射關(guān)系，得到其余橋索的受力狀況。大家知道，按照結(jié)構(gòu)理論，斜拉橋是一個高次超靜定體系。當某一根斜拉索的受力狀況發(fā)生變化時，其余斜索的受力情況必然發(fā)生相應變化。因為斜拉橋結(jié)構(gòu)的復雜性，以及斜拉索分布的互異性等諸多緣由，很難使用傳統(tǒng)方法建立模型，來反映這種相

3、對變化邏輯。人工神經(jīng)網(wǎng)絡是以人腦的微觀網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過大量神經(jīng)元的復雜銜接，采用自底向上的方法，通過自學習、自組織和非線性動力學所形成的并行分布方式來處理難于形式化的模式語言【】1。另外，人工神經(jīng)網(wǎng)絡的設計構(gòu)造以實際數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，不僅將環(huán)境因素直接融入到模型當中，而且對其感愛好的數(shù)據(jù)具有信息處理的功能閉?；谝陨咸攸c，筆者認為人工神經(jīng)網(wǎng)絡對于該問題的處理將更為有效。2 建立橋索索力的人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型鑒于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的諸多優(yōu)點，人工神經(jīng)網(wǎng)絡已廣泛運用于模式識別與圖像處理，控制和優(yōu)化以及通信等諸多領(lǐng)域。在流行的神經(jīng)網(wǎng)絡模型中，BP模型是進展較為成熟的一種，文中將使用BP模型建立橋索受力之間的映射

4、關(guān)系。21 橋索索力的BP網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)該文建立的BP模型是一種多層前饋式神經(jīng)網(wǎng)絡，其結(jié)構(gòu)分為三層：一個輸入層，一個輸出層和一個隱層，其中隱層節(jié)點采用sigmoid作用函數(shù)，輸入、輸出層節(jié)點均采用pureline作用函數(shù)。層間節(jié)點的銜接使用全聯(lián)接方式，并為每個銜接賦予一定權(quán)值。其結(jié)構(gòu)圖如圖1。其中，輸入層節(jié)點數(shù)為實測橋索數(shù)目，輸出層節(jié)點數(shù)為余下的橋索數(shù)目-； 因而，BP神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入層和輸出層節(jié)點總數(shù)將與橋索總數(shù)相同，這樣建模可以使索力值變化的相關(guān)狀況直接從BP網(wǎng)絡輸入與輸出的關(guān)系中得到；網(wǎng)絡隱層節(jié)點個數(shù)為輸入、輸出層節(jié)點個數(shù)之和；網(wǎng)絡學習策略采用監(jiān)督式算法。22 BP網(wǎng)絡的教育從斜拉橋測量的歷史數(shù)

5、據(jù)，得到用于BP網(wǎng)絡權(quán)重調(diào)整的教育樣本集s=s1，sn ，其中N為樣本集大小，且有ISil=橋索總數(shù)M。用I表示某一教育樣本中作為BP網(wǎng)絡輸入元素構(gòu)成的矢量，有I=x1,x2 ，xn；用 表示該教育樣本中作為BP網(wǎng)、 絡輸出的元素構(gòu)成的輸出矢量，有 T=d1，d2， ，dm-pBP網(wǎng)絡的教育過程如下：（1）隱層用 Vj表示隱層節(jié)點J的輸入，yj表示該節(jié)點的輸出；輸入層節(jié)點i和隱層節(jié)點j之間的銜接權(quán)重用Wij表示， 并有以下關(guān)系：3 試驗及分析文章以長江上某座斜拉橋作為研究對象， 該橋為4塔及208根斜拉索組成的斜拉橋。筆者使用自行研制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在不同時期采集了ll組索力數(shù)據(jù)，其中每一組數(shù)

6、據(jù)由所有208根橋索索力組成。為了簡化BP網(wǎng)絡規(guī)模，并且突出研究重點，分離對這11組數(shù)據(jù)舉行預處理：首先，按照橋索與水平夾角求出每根橋索索力的垂直重量，這樣做主要是考慮到橋索在垂直方向上所受的力更為顯著并且重要；第二，考慮到橋梁結(jié)構(gòu)的對稱性，對位于同一位置上的上、下游兩根橋索的索力垂直重量求算術(shù)平均，用得到的均值作為該兩根斜拉索索力的代表，這樣做在保證模型合理性的前提下，有效地削減了數(shù)據(jù)的規(guī)模。于是，得到預處理后的11組數(shù)據(jù)，設為S=S1,S2， ，Sn，其中Si=di1,di2 ,di104且i=1，2， ，且i=1，2， ，11,S 中元素的編號挨次與橋索羅列挨次全都。在構(gòu)造BP網(wǎng)絡的過程

7、中，使用S中的前八組數(shù)據(jù)作為B網(wǎng)絡的教育樣本集，用其余的三組數(shù)據(jù)組成測試樣本集。對于第i組數(shù)據(jù)，選取奇數(shù)編號的項作為網(wǎng)絡的輸入矢量 =（di1，di3， ，di103，偶數(shù)編號的項作為輸出矢量Ti=di2,di4,.,di104這樣。BP網(wǎng)絡的輸入層和輸出層節(jié)點數(shù)目恰好相等，并且皆為52。BP網(wǎng)絡的測試結(jié)果見圖3，圖4和圖5。在圖3，圖4和圖5中，橫軸標注與BP網(wǎng)絡的輸出層各節(jié)點相對應；縱軸表示輸出層各節(jié)點對應的索力值（對兩條曲線歸一化后，縱軸在【0，1】之間）。對于同一組測試樣本數(shù)據(jù)，節(jié)點用小正方形代表的曲線是用BP網(wǎng)絡映射得到的結(jié)果，節(jié)點用圓形代表的曲線表示對應橋索經(jīng)實測得到的受力值。兩條曲線的全都程度，反映了所構(gòu)造BP模型的有效性。兩條曲線越全都，就表明BP模型對真切狀況的模擬越發(fā)精確。從測試結(jié)果來看，構(gòu)造的BP網(wǎng)絡確實可以對斜拉橋的橋索受力之間的關(guān)系有大致正確的反映。固然，也可以看到結(jié)果并不是徹低吻合，這主要是由于BP網(wǎng)絡的教育樣本的數(shù)量有限，網(wǎng)絡教育不夠充分；另外，在網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取上，還有需要進一步改進的地方。這些將是筆者將來研究工作的重點。4 結(jié)論在斜拉橋的檢測過程中，對斜拉索受力狀況的了解是重點之一。采用傳統(tǒng)實測的方法，不僅要耗費巨大的人力、物力。而且可能會將人為誤差引入測量數(shù)據(jù)中。為此該文在已有橋梁檢測的歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上， 使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法構(gòu)