基于BP神经网络的结构损伤检测

蒙古工业大学土木 工程 学院。 焦 阳（ ９ ２ ） 男， １ ８ 一 ， 内蒙古工大 学土木 工 程 学院硕 士研 究生 郭余 锁（９ ５ ）男 ， １８一 ， 内蒙古工业 大学土木 工程 学院硕 士研 究生。 作者简 介： 米力 （９ ９ ）男， １７ 一 ， 内蒙 古工业 大 学 ２ ０ 级 结构 工程 专业硕士研 究生 。 ０７ 王 玉清（９ ２ ） ， １ ７ 一 ， 内蒙古工业 大学土木 女 工程 学院教 师 ， 副教授 ， 硕士研 究生 导师 ， 一级
系列 的模拟实 验 ， 测定相 关的荷 载 、 位移 、 变 应 及加速度 等， 从材料性 能如强度 、 刚度和动力特 征（ 如振动频率 和模态振 型） 面对结构 给 出评 方 估 。最早将神经 网络用 于结构损伤检测的是美 国 Ｐ ｒｕ大 学的 Ｖｅ ｋ ｔｓｂａ ｎａ ｕｄ ｎ ａａｕ ｒｍａ ｉ ｎ和 Ｃ ａ ． ｈ ｎ 他们于 １８ 年第一次运用 Ｂ ９ ９ Ｐ网络进行 了工程 结构 的损伤检测 与诊 断 ， 与专家系统进行 了 并 比较 ， 研究发现 Ｂ 网络正确识别损伤 的效果非 Ｐ 常理想 ，正确率达 ９ ％～ ８ ４ ９ ％。１ ９ 年 Ｅｋ ｒｙ ９４ ｌ ｄ ｏ 等人 提ｆ 了一个基 于 Ｂ ｆ Ｊ Ｐ网络 的结构损 伤检测 系统 ，该系统采用 来 自 动台实验和有限元分 振 析得 到的应 变模 态作为振动信号 ，研究发现神 经 网络可 以用来 诊断 比较复杂 的损伤模 式 ， 对 于处理具有噪声和不完整的数 据 ， 效果较好 。 在 国内学者 中，王柏生等较早进行 用神经网络进 行损伤识别 的研究 ，对神经 网络的输 人参数进
高 新 技 术
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基于 Ｂ Ｐ神 经 网络 的结构损 伤检 测
杨 晓明 焦 阳 郭 余 锁
（ 内蒙 古工 业 大 学 土 木 工程 学 院 ， 内蒙 古 呼和 浩特 ０ ０ ５ ） １０ １
引 青
人 丁神经 网络 （Ｎ Ａ 是对 人脑或 自然神 经 系统若 干基本特征的抽象与模拟 ，由大量 神经 元 广泛互 连而成。人 １ 神经网络 以其处理信 息 的并行性 、】 ｆ组织 、 习性 、 ｜ ＝ 自学 联想 记忆 功能 以 及很强 的鲁棒性 和容错性 ，广泛应用于许多领 域。 应用 Ａ Ｎ的结构损伤诊 断方法不需要结构 Ｎ 动力特性的 ；验知识 ，具有损伤 诊断非参数 的 ｌ 己 优点。 在人 工神经 网络实 际应用 中，０ ～ ０ ８ ％ ９ ％的 人Ｔ神经 网络模 型是采用 Ｂ Ｐ网络或 它的变 化 形式 ， 它是前 向网路 的核心部分 ， 体现 了人工 神 经网络最精华 的部分 。 Ｐ神经网络按 拓扑结 构 Ｂ 分 ， 向网络 ， 属前 但它采用 的是 反向传播的学 习 方法 ， 因此又称为反向传播 神经网络。 本文运用 Ｂ 神经网络对结构进行损伤检 测 ， Ｐ 并通过钢筋 混凝土 简支梁 的算 例来分析其对于损伤结构检 测 的可行性 。
损伤程度Ｑ 理想 实际 绝对 ｍ 输出 ５ 输出 误差
相对 误差
１ ２ ０９ ％
０９ ２ ０ ９ ９ ０ ２ｌ ｌ０ ０ ０ ｏ ９ １ ％ Ｉ ３ ７ ２ ０ ９３ ０ ０ ３６ ３ １
％ ． ４ ｌ ０ ％ １ ‰ ４ １７
正 比 即
表 ２Ｂ Ｐ神 经网络损伤程度仿真结果
损伤 捐伤 位置 深度 ｎⅡ ， 口 ｉ Ｌ １ １曲 Ｊ ｎ ｚ Ⅲ
１０ ８０ １（ ８３ ０ １ （】 ８ｘ ３ ８ ７ ０ １Ｏ ２
裤 网络的归一化输入 经 ＂ ２ Ｌｒ Ｕ３ ｅ 。ｒ ‘Ｈ ４
ｌ０ ８ ０ ｌ Ｏ ２ ０４ ９ ７ １ ０ ６ 嚣６ ｛ ０７ ７ ６８ ０９ ９ ０３ ７４ １， ３ ８ ４ ∞ ４１ ０ ％ ９ １ ９ ％ ０ ４ ７ ｎ ５ｂ
隐层 到输 出层 之间的权值和输人层到 隐层之 间 的权值 ； 负号表示梯度下降 ； 常数 Ｔ （，） １ ｏ１ 表示 比例系数， 在训练中反映了学习速率 。这种算法 称之为梯度下降算法 。 ３基 于 Ｂ 神经 网络在 损伤检测 中的应用 Ｐ 实例 为确定 Ｂ Ｐ神经 网络 进行结构损伤 检测的 能力 ， 本文利用一 个钢筋混凝土简支梁进行数 值模拟分析 （ 梁长度为 ３ ，横截面为 ２０ ｎ ｍ ０ｍ ￣ ３０ ｍ 的矩形 ） 析过程 中， ０ｍ 。分 用损伤后 的归一 化 固有频 率作为 Ｂ Ｐ神经 网络的输入对 结构进 行损伤程度的评估 。 通过对某一位置施加不同程度的裂缝来模 拟其损伤程度 ， 本文选择在梁 １０ｍ ８０ ｍ处 ， 施加 深度 为 ３ ｒ ６ ｍ ９ ｒ １ ０ ｍ １０ ｍ， ０ ｍ、 ｍ、 ａ ａ ０ ０ ｍ、２ ｒ 、５ ｒ 宽 ａ ａ 为 ２ ｍ 的裂缝 作为 Ｂ 神经 网络的训练样 本 。 ｍ Ｐ 行 了深入 的研究 ， 并用数值模拟 技术对青马大 运用 编制 的 Ｍ ｔｂ程序实 现神 经 网络 的数 据 ａａ ｌ 桥桥板的损伤位置进行 了成功的识别 ，同时讨 模拟功能 ，采用训练样本是 为了检验 网络的记 论 了模型误差及测量误差对用 神经网络进行损 忆能力。训 练的具 体过程可 由表 １ 所示。 伤识别的影响。 ４结语 ２Ｂ Ｐ网络 的学 习算法 本文将 Ｂ 神 经网络应用 于结构 的损伤 检 Ｐ 神经网络 的学 习或训练， 其本质是对 可变 测 ， 通过上述 的分析看 出用 固有频率作 为 Ｂ Ｐ网 权值 的动态调整 。不 同的网络结构通 常采用不 络的输 入向量 ， 通过 网络训练后 的 Ｂ Ｐ神经网络 同的学 习算 法， Ｂ Ｐ网络采 用不断调 整误差 和权 对钢 筋混凝土简支梁 的损伤程度进行 网络识别 值的梯度下降法 。 误差均 小于 ５ ％满足实际的需要 。由此可见 ，Ｐ Ｂ 对于三层 网络，当网络输 出与期望输 出不 神经 网络的分析方法在对结构损伤识 别研究 中 等时存 在输 出误差 Ｅ ， 其定义如下 有着广 阔的发展前景 。
Ｉ 车据卜Ｎ敦处 ｝ 驿敦 ＿ － 据理 一
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图 １基于神 经网络 的损伤识 别流程
ｌ结构损伤识 别的圉内外现状 利用神经网络进行损伤识 别是近年来结构 ￡ （ 。 ＝ ＝ ） （ ） 损伤检测领域一 个非 常热的研究课题 。对于遭 受破坏 的结构 ， 其本 身的某些 杼 『往往发生变 生 式中 ：： ．ｄ ． 为期望输 出 向量 ； ｄ¨， ，， ｄ ． ． ． 化。 为了鉴定这些变化对结构的影响 ， 常进行一 ０（ ＇， １ ０ｒ ＝ ｌ ．】 ｌ为输 出层输 出向量 为输 出层 ０ （ ．ｌ 『 Ｊ ＿ ¨ 神经元的个数 。 表 １Ｂ Ｐ神 经 网络 损伤 程度 训练情 况 网络输 出误 差 是 各 损 伤 损 伤 神 经 网络 的归 一 Ｉ辅 八 ￡ 损伤 程度 Ｑ 层权值的函数， 可通 过调 位置 深度 理 想 实 际 绝 对 相对 整权 值 来改 变误 差 Ｅ 调 （ ｍ ｆｌ、 ＿ １ ｍ ） ｎｌ ｎ Ｊ ， ２ ３ ｄ 输出 输出 误差 误差 整 的原 则是 使误 差 不 断 ｌ ［］ ８ｘ ３ ０９ ８ ０ ９ ７ ｄ９ ３ ｌ∞ Ｏ ０９ ４ ｌ ％ ｌ ７ ０ ６ ４ ８５ ６４ Ｏ ４７ Ｏ ０６ ％ ０ ６ ％ ６ ７ ％ ７ ｌ ｌ０ ８ 。 ６ ０８ ９ ０ ９ 。ｌ ｎ８ ２ｌ ０９ ２ ０８ ０ ７ ０ ２ ９ ９８ ０ ２ １ ９ ‰ ６９ ％ 一 １ ３ ０ ％ ｌ ５ ０ ％ ５ 地减小 ， 应 使权值 的 因此 ｌ０ ８ ０ ９ ｎ７ ４ ０ ８ ４ ０ ０ ５ ０６ ７ ７ ０｜ ７ ０５ 岛 ３ ９６ ； ９ ８ ９ ３１ ２ ％ １ ０ ％ ３ ４ ０ ２ 调整 与 误差 的负梯 度 成
０８ ５ ０ ９ ０ ｎ １ ００ ３ ０ ６ ８ ２ ％ ２ １ ２６ ０ ４ ８ ０ ７ ８６ ６ ８９ ７７ ４ ６６ ％ ２
０４ ９ ０ ６ ８ Ｏ７ ７ ０９ ９１ ０ １ ∞ ４ ％ ４ ５ ３８ ０ ９ ６ ７ｌ ８ ６ ６ｇ ７ ９ ０ ３８ ％ ５ ｏ
摘 要 ： 介绍 了 Ｂ 神 经网络 的学 习算法 ， 对一个钢筋混凝 土简支梁模 型进 行 了损伤数值模 拟 ， Ｐ 通过 提取 固有频率作为 Ｂ 神 经网络的输入 Ｐ 参数 ， 并应用简 支梁损 伤前后 的数据输入训 练好 的神 经网络 来判 断结构损伤。检测表明 ， 该方法在 结构损 伤检 测 中 有较好 的应 用前景 。 具 关 键词 ： 损伤ｉ ￣ ； ｙｉ 固有频 率 ；Ｐ神 经 网络 ； ，Ｉ 】 Ｂ 简支 梁
注册 结 构 工 程 师
５ 卢 周婷 ． 纤维布 与钢板复合 加 固梁剥 碳 ｌ王文炜 ， 国藩并 维复合物加 固钢筋混凝 土 ｌＪ 亦炎， ２ ｌ 赵 梁抗弯承载力及参数 分析 工业建 筑，０３３ 离破坏研 究１＿ 用力学学报 ， ０ ， （ ） ８ ２０ ，３ ． Ｉ Ｉ 应 ２ ６２ ２： ６ ０ ３ ２ ：６ ０ ｌ ～２ ｌＩ ６ 滕锦 光， 陈建飞，卫史密斯 等． Ｐ加 固混凝 Ｓ Ｆ Ｒ 北京： 中国建筑工 业 出版 社 ，ｏ ５２ ４ ２ ０ ， １～ Ｉ姜 四友 ， 建波． ３ １ 徐 关于影响碳 纤维加 固效 果的 土结构． ２５ ２ 几个因素分析 ｌ 四川建 筑， ０ ，３ ）３４ Ｊ Ｉ ． ２ ３２ （ ： － ９ ０ ３４ ｌ杨 勇新 ， ４ ｌ 胡云 昌， 清瑞 ， 岳 陈小兵． 纤维布加 『ｌ 碳 ７ 易小红并 维片材加固铜筋混凝土梁的剥 离承 固混凝土受 弯构件的剥 离破 坏及其 防治ｌ． 工业 载力研 究 １ 南大学硕士学位论文． ０． ～ Ｊ １ ． 湖 ２ ７ ８ ０ １
【韩力群人 工神经网络理论、 ５ １ 设计及应用［ ． Ｍ１ 北
京： 学工业 出版社 ， ０ ． 化 ２ ２ ０
作 者 简 介 ： 晓 明 （９ ７ ， ， 教 授 ， 杨 １７ 一）女 副 内
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