基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定圖自動(dòng)分析方法

蘇 亮， 宋明亮， 董石麟

(浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，杭州 310058)

準(zhǔn)確獲取結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)(Structural Health Monitoring, SHM)理論及應(yīng)用的基礎(chǔ)[1]。眾所周知，為獲得與結(jié)構(gòu)相關(guān)的所有信息，在模態(tài)參數(shù)識(shí)別之前，需預(yù)設(shè)較高的模態(tài)階次。然而，較高的模態(tài)階次將無(wú)法避免地引進(jìn)虛假模態(tài)。

正確區(qū)分物理模態(tài)與虛假模態(tài)是模態(tài)分析領(lǐng)域存在已久的研究課題[2]。過(guò)去20年，在頻域和時(shí)域模態(tài)識(shí)別理論中，專家學(xué)者提出了很多剔除虛假模態(tài)的方法,然而經(jīng)典方法都傾向于選擇合適的系統(tǒng)階次，并不能區(qū)分物理模態(tài)和虛假模態(tài)[3]。另一方面，在現(xiàn)代模態(tài)分析商業(yè)軟件中使用的模態(tài)參數(shù)識(shí)別算法大多衍生自多項(xiàng)式模型，盡管這些算法存在應(yīng)用上的微小差別，它們卻都可以使用穩(wěn)定圖法區(qū)分物理與虛假模態(tài)[4]，這使得穩(wěn)定圖法成為該領(lǐng)域使用最廣泛的分析方法[5]。

使用穩(wěn)定圖法區(qū)分真實(shí)模態(tài)和虛假模態(tài)的容易程度和精確度依賴于傳感器監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)質(zhì)量、模態(tài)識(shí)別理論的穩(wěn)健性以及分析人員的經(jīng)驗(yàn)[6]。因而這一過(guò)程不僅需要耗費(fèi)大量的時(shí)間精力，且具有一定的主觀性，降低了識(shí)別的精度。此外，對(duì)于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，自由度數(shù)目龐大，且在運(yùn)營(yíng)模態(tài)分析時(shí)，要求能夠?qū)Ψ€(wěn)定圖進(jìn)行實(shí)時(shí)在線分析，以上原因使得人工分析穩(wěn)定圖在運(yùn)營(yíng)模態(tài)分析中很難實(shí)現(xiàn)。因此，如何對(duì)運(yùn)營(yíng)中的大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的龐大數(shù)量的穩(wěn)定圖進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)分析，并有效剔除穩(wěn)定圖上的虛假模態(tài)成為健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域需解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

自動(dòng)分析穩(wěn)定圖的研究主要分為兩類：第一類主要通過(guò)設(shè)定不同的穩(wěn)定性指標(biāo)來(lái)獲得更為清晰的穩(wěn)定圖，促進(jìn)穩(wěn)定圖的自動(dòng)分析[7-9]；第二類研究則主要使用模糊聚類等智能算法結(jié)合穩(wěn)定指標(biāo)來(lái)自動(dòng)搜索真實(shí)模態(tài)[10-13]。如孫鑫暉等[14]提出了一些自動(dòng)獲取穩(wěn)定圖上真實(shí)極點(diǎn)的方法,并對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)。這些方法或者需要人為主觀地設(shè)定聚類中心數(shù)目，或者需要對(duì)提出的穩(wěn)定指標(biāo)(或特征)設(shè)定閾值，使得這些算法無(wú)法真正做到完全自動(dòng)化。

另一方面，利用穩(wěn)定圖區(qū)分真假模態(tài)的過(guò)程可看成是圖像分析的過(guò)程，即將穩(wěn)定圖上的點(diǎn)分為代表真實(shí)模態(tài)和虛假模態(tài)兩類，因而可以借助計(jì)算機(jī)視覺(jué)理論進(jìn)行穩(wěn)定圖自動(dòng)分析。自2006年誕生以來(lái)，深度學(xué)習(xí)[15]在圖像識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別、自然語(yǔ)言處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)等諸多領(lǐng)域取得了巨大成功[16]。深度學(xué)習(xí)與傳統(tǒng)模式識(shí)別方法最大的不同在于它能從大數(shù)據(jù)中自動(dòng)學(xué)習(xí)特征，無(wú)需人為提取圖像中的特征或設(shè)定特征閾值。而卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為深度學(xué)習(xí)中使用最廣泛的算法，適用于解決數(shù)據(jù)量大的圖像分析問(wèn)題，其自動(dòng)學(xué)習(xí)到的特征比手工特征或局部特征的分類準(zhǔn)確率更高[17]。

基于上述原因，本文提出一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Convolutional Neural Network, CNN)的穩(wěn)定圖自動(dòng)分析方法。將穩(wěn)定圖劃分成若干個(gè)較小的圖像塊作為CNN的輸入，并根據(jù)專家識(shí)別結(jié)果給定每個(gè)輸入的標(biāo)簽，利用訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)得到穩(wěn)定圖的真假模態(tài)的分類結(jié)果。用3自由度和7自由度彈簧質(zhì)量模型的數(shù)值算例以及加拿大HCT大樓和瑞士Z24橋振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)提出的算法進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法能夠自動(dòng)學(xué)習(xí)真實(shí)模態(tài)的特征，在無(wú)需人工提取特征參數(shù)，也無(wú)需設(shè)定任何閾值的情況下，可快速自動(dòng)地獲取結(jié)構(gòu)興趣頻帶內(nèi)的真實(shí)模態(tài)參數(shù)，算法具有較好的收斂性和穩(wěn)健性。此外，本文搭建的CNN網(wǎng)絡(luò)亦可應(yīng)用于其他一般結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定圖自動(dòng)識(shí)別。

1 穩(wěn)定圖

穩(wěn)定圖作為一種有效剔除虛假模態(tài)的工具，一般包含3類信息：頻率f，阻尼比ξ和模態(tài)振型φ，這些參數(shù)均由假設(shè)的不同的系統(tǒng)階次計(jì)算所得。通常，如果所有的3個(gè)模態(tài)參數(shù)均滿足如下條件，則認(rèn)為該點(diǎn)是穩(wěn)定點(diǎn)

(1)

(2)

MAC表示了2個(gè)振型向量之間的空間相關(guān)性。眾所周知，隨著系統(tǒng)階次n的變化，代表真實(shí)模態(tài)的極點(diǎn)和代表虛假模態(tài)的極點(diǎn)會(huì)同時(shí)出現(xiàn)在穩(wěn)定圖上，真實(shí)極點(diǎn)通常是穩(wěn)定的，虛假極點(diǎn)則可能不穩(wěn)定。穩(wěn)定圖正是根據(jù)這一原則，將虛假極點(diǎn)從穩(wěn)定圖中剔除。圖1顯示了一個(gè)數(shù)值算例的穩(wěn)定圖，從圖1可知，當(dāng)沒(méi)有噪聲干擾時(shí)，隨著假定模態(tài)階次的改變，代表系統(tǒng)真實(shí)模態(tài)的極點(diǎn)在固有頻率(圖1中豎線)處會(huì)排成一列，而虛假模態(tài)則不會(huì)一直存在，表明用穩(wěn)定圖法確定真實(shí)模態(tài)具有一定的可行性。然而，在實(shí)際工程中，由于噪聲的干擾以及結(jié)構(gòu)本身的復(fù)雜性，穩(wěn)定圖變得相當(dāng)復(fù)雜，人工從穩(wěn)定圖上判斷真實(shí)模態(tài)需要耗費(fèi)大量時(shí)間精力，且容易產(chǎn)生錯(cuò)誤。

☆-頻率、阻尼、振型都穩(wěn)定的點(diǎn)；○-頻率、阻尼穩(wěn)定點(diǎn)；-僅有頻率穩(wěn)定的點(diǎn)圖1 某數(shù)值算例穩(wěn)定圖Fig.1 Stabilization diagram of one numerical example

2 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)

2.1 CNN的背景與概念

深度學(xué)習(xí)模擬人腦的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)接收到的信息層層篩選，最終得到對(duì)輸入信息的認(rèn)知。它是機(jī)器學(xué)習(xí)的一個(gè)重要分支，也是機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域最近的研究熱點(diǎn)。CNN[18]是一種用于處理二維輸入數(shù)據(jù)的多層人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其作為深度學(xué)習(xí)使用最廣泛的模型，有著良好的容錯(cuò)能力、并行處理能力和自學(xué)能力。CNN中的每一層都是由多個(gè)二維平面組成，每個(gè)平面則由若干獨(dú)立的神經(jīng)元組成，相鄰兩層的神經(jīng)元互相連接。此外，CNN采用了權(quán)值共享有效降低模型的學(xué)習(xí)復(fù)雜度，使之具有更少的網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)和權(quán)值參數(shù)，從而更適應(yīng)于計(jì)算量龐大的圖像特征學(xué)習(xí)與分類。這些優(yōu)良性能使得CNN能夠較好地應(yīng)用于語(yǔ)言識(shí)別、圖像識(shí)別和自然語(yǔ)言處理等機(jī)器學(xué)習(xí)問(wèn)題中。

2.2 CNN的基本結(jié)構(gòu)與工作原理

一個(gè)典型的CNN模型結(jié)構(gòu)，如圖2所示。它主要由輸入層、卷積層、下采樣層(池化層)、全連接層和輸出層組成。

圖2 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of convolutional neural network structure

輸入層通常為經(jīng)預(yù)處理后的二維圖像X。定義Hi為CNN第i層的特征圖。對(duì)于卷積層，Hi的計(jì)算方式為

Hi=f(Hi-1?Wi+bi)

(3)

式中：Wi為第層卷積核的權(quán)值向量；運(yùn)算符號(hào)“?”為卷積核與第i-1層圖像或特征圖像進(jìn)行卷積操作；bi為第i層的偏置向量；f(x)為激勵(lì)函數(shù)。

下采樣層依據(jù)一定的采樣規(guī)則[19]對(duì)特征圖進(jìn)行下采樣，其主要功能是將不同位置的特征進(jìn)行聚合，從而對(duì)特征圖進(jìn)行降維，而在一定程度上保持特征尺度的不變。

經(jīng)過(guò)多個(gè)卷積層和下采樣層的交替?zhèn)鬟f，使用全連接層針對(duì)提取到的特征進(jìn)行分類，得到基于輸入的概率分布Yi其中l(wèi)i表示第i個(gè)訓(xùn)練樣本標(biāo)簽的類別。

Y(i)=P(L=li|H0;(W,b))

(4)

CNN的訓(xùn)練方法是使損失函數(shù)L=(W,b)最小化。輸入H0經(jīng)過(guò)前饋運(yùn)算后通過(guò)損失函數(shù)計(jì)算出與期望值之間的差異，成為“殘差”。常用均方誤差(Mean Squared Error，MSE)作為損失函數(shù)

(5)

在反向傳播階段，CNN常用的優(yōu)化方法是梯度下降法，殘差通過(guò)梯度下降進(jìn)行反向傳播，逐層更新CNN的各個(gè)層的訓(xùn)練參數(shù)(W和b)，從而得到訓(xùn)練好的CNN。

CNN訓(xùn)練完成后，便可對(duì)測(cè)試樣本進(jìn)行預(yù)測(cè)，即將輸入數(shù)據(jù)通過(guò)訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行前饋運(yùn)算，在各個(gè)層次上輸出特征圖，最后利用全連接網(wǎng)絡(luò)輸出基于輸入數(shù)據(jù)得條件概率分布，從而達(dá)到對(duì)樣本分類的目的。

3 基于CNN的穩(wěn)定圖自動(dòng)分析

3.1 將穩(wěn)定圖分析轉(zhuǎn)化為CNN圖像分類問(wèn)題

由于CNN的適用條件是對(duì)大量圖像進(jìn)行分析，而單一的穩(wěn)定圖無(wú)法應(yīng)用CNN。因此，本文提出構(gòu)建如圖3所示的僅代表真實(shí)模態(tài)或虛假模態(tài)的單一模態(tài)穩(wěn)定圖(Single Mode Stabilization Diagram, SMSD)，作為CNN的輸入樣本，即一張700×900像素的二維圖像。具體做法是，以一定的頻率寬度bf將穩(wěn)定圖劃分為若干個(gè)長(zhǎng)矩形條，其中bf由頻率識(shí)別精度確定。每一個(gè)矩形條包含若干個(gè)極點(diǎn)，這些極點(diǎn)被歸為一類，代表一個(gè)真實(shí)模態(tài)或者虛假模態(tài)，如圖3所示。隨著模態(tài)階次的增加，極點(diǎn)整齊地排為一列，因此圖3代表了一個(gè)真實(shí)模態(tài)。相反，在圖4中，隨著模態(tài)階次的變化，在同一頻率處僅有少量的極點(diǎn)排為一列，因此圖4代表了虛假模態(tài)。通過(guò)對(duì)照專家識(shí)別的結(jié)果，即可給出每個(gè)SMSD的輸出標(biāo)簽，分別用yphysical和yspurious表示真實(shí)模態(tài)和虛假模態(tài)。

yphysical=[1 0]T,yspurious=[0 1]T

(6)

圖3 真實(shí)模態(tài)的單一模態(tài)穩(wěn)定圖Fig.3 Single mode stabilization diagram of physical mode

圖4 虛假模態(tài)的單一模態(tài)穩(wěn)定圖Fig.4 Single mode stabilization diagram of spurious mode

3.2 對(duì)CNN輸入樣本進(jìn)行預(yù)處理

因?yàn)樵谙嗤膮?shù)下，圖像分辨率越大，通過(guò)卷積和采樣得到的特征數(shù)目就越多，而訓(xùn)練時(shí)間和測(cè)試時(shí)間就越長(zhǎng)。為了提升運(yùn)算速率，并降低無(wú)效信息對(duì)圖像特征學(xué)習(xí)的干擾，本文在輸入樣本原有信息的前提下，將原有的SMSD的像素從700×900降低到了200×150，如圖5所示。

圖5 縮小像素后的單一模態(tài)穩(wěn)定圖Fig.5 Single mode stabilization diagram after zooming out

另一方面，CNN需要成千上萬(wàn)的輸入樣本進(jìn)行訓(xùn)練，因此需要對(duì)樣本數(shù)進(jìn)行擴(kuò)充。在濾除空白部分以后，結(jié)合興趣頻帶的范圍以及識(shí)別頻率的精度要求，設(shè)定合適的頻帶寬度bf，如0.02 Hz。隨后，將如圖1所示的穩(wěn)定圖上的穩(wěn)定點(diǎn)歸類到每個(gè)頻帶內(nèi)，歸類的原則是：每一類內(nèi)頻率相差的最大值不大于頻帶寬度值，即可得到若干個(gè)包含不同數(shù)量穩(wěn)定點(diǎn)的矩形條，從而獲得一定數(shù)量的SMSD。由于CNN對(duì)于圖像位置變換和輪廓變化具有較高的敏感性，采用變換標(biāo)簽法和平移法擴(kuò)充樣本數(shù)量，如將“△”改為“☆”和“○”等。同時(shí)采用變換結(jié)構(gòu)環(huán)境激勵(lì)的方法，最終得到接近1萬(wàn)

個(gè)訓(xùn)練樣本。在樣本擴(kuò)充過(guò)程中，采用正負(fù)例均衡化方法人工增加樣本的數(shù)據(jù)量，避免因樣本分布不均導(dǎo)致過(guò)擬合現(xiàn)象而降低分類準(zhǔn)確率。將擴(kuò)充得到的訓(xùn)練樣本打亂，取80%作為訓(xùn)練集，20%作為測(cè)試集，訓(xùn)練集和測(cè)試集在圖像內(nèi)容上是絕對(duì)隔離的。

3.3 構(gòu)建CNN模型

網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建需結(jié)合訓(xùn)練樣本的數(shù)據(jù)量以及樣本數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，以此確定網(wǎng)絡(luò)深度、網(wǎng)絡(luò)每一層的功能以及網(wǎng)絡(luò)中的超參數(shù)，如學(xué)習(xí)率η等。研究表明[20]，CNN應(yīng)用于圖像分類時(shí)有以下規(guī)律：①如果訓(xùn)練數(shù)據(jù)集越大越復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)的深度就越深；②后面的卷積層所取特征數(shù)目通常比前面的卷積層多；③輸入圖像的分辨率越大，所取的特征數(shù)目越多，下采樣層的抽樣矩陣也越大；④CNN的下采樣層數(shù)通常不超過(guò)3層。

結(jié)合以上規(guī)律，考慮到SMSD樣本本身較簡(jiǎn)單，且樣本訓(xùn)練數(shù)據(jù)量?jī)H需數(shù)千的級(jí)別就可訓(xùn)練得到有效的CNN模型。因此，針對(duì)輸入大小為200×150的灰度圖SMSD(彩色維度為1)分類問(wèn)題設(shè)計(jì)一個(gè)6C-2S-12C-5S的CNN模型，如圖6所示，其中C表示卷積層，S表示下采樣層；數(shù)字表示相應(yīng)層所取特征映射個(gè)數(shù)；其中第一個(gè)卷積層的卷積核大小設(shè)定為5×5，第二個(gè)卷積層的卷積核大小設(shè)定為4×4。

圖6 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Schematic diagram of convolutional neural network structure

以圖6為例，說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的CNN特征提取的過(guò)程。首先輸入像素為200×150 的SMSD 圖像通過(guò)第一個(gè)卷積層(C1)在特征空間重構(gòu)，獲得6個(gè)特征圖像，每個(gè)特征圖像大小為196×146，根據(jù)C1層卷積核大小為5×5，其計(jì)算方式為

(200-5+1)×(150-5+1)=196×146

(7)

經(jīng)過(guò)下采樣層S1的池化作用后，大小為(196/2)×(146/2)=98×73的特征圖像。同理，經(jīng)過(guò)卷積層C2后，特征圖像大小變?yōu)?5×70；經(jīng)過(guò)下采樣層S2后，特征圖像大小變?yōu)?9×14，因此，全連接層得到的特征向量長(zhǎng)度為19×14×12=3 192。

3.4 使用CNN模型預(yù)測(cè)真假模態(tài)

反向傳播階段，設(shè)定學(xué)習(xí)參數(shù)，采用梯度下降法對(duì)CNN進(jìn)行訓(xùn)練，得到訓(xùn)練好的CNN。經(jīng)過(guò)激活函數(shù)計(jì)算得到預(yù)測(cè)的標(biāo)簽值，從而進(jìn)行真假模態(tài)的分類。

激勵(lì)函數(shù)是CNN的核心部分之一，常用的兩種函數(shù)有Sigmoid(x)函數(shù)和雙曲正切tanhx函數(shù)，如圖7所示。在進(jìn)行計(jì)算對(duì)比之后發(fā)現(xiàn)，對(duì)于SMSD的識(shí)別，Sigmoid(x)函數(shù)收斂性優(yōu)于tanhx函數(shù)，因此本文采用Sigmoid(x)函數(shù)作為激勵(lì)函數(shù)。

(8)

(9)

此外，在網(wǎng)絡(luò)模型初始設(shè)置中，如權(quán)重設(shè)定過(guò)高，則Sigmoid會(huì)飽和，導(dǎo)致死神經(jīng)元(Dead Neurons)，如果權(quán)重太小，梯度值也會(huì)很小。因此，需要在中間區(qū)域選擇權(quán)值。根據(jù)已有關(guān)于初始權(quán)值的研究[21]，可將該層卷積核每個(gè)元素初始化為式(10)之間的隨機(jī)數(shù)，如式(10)所示

(10)

式中：Fin為該層輸入維度；Fout為該層輸出維度。

圖7 不同激活函數(shù)的函數(shù)圖像Fig.7 Graphs for different activation functions

4 算例分析

為驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的CNN自動(dòng)分析SMSD剔除虛假模態(tài)的有效性和對(duì)于不同結(jié)構(gòu)穩(wěn)定圖自動(dòng)分析的通用性，編制了隨機(jī)子空間法模態(tài)識(shí)別的Matlab程序，分別計(jì)算出3自由度數(shù)值模型、7自由度數(shù)值模型、HCT大樓、Z24橋4個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定圖，并通過(guò)預(yù)處理得到相應(yīng)的SMSD訓(xùn)練樣本和測(cè)試樣本，隨后輸入構(gòu)建好的CNN模型進(jìn)行訓(xùn)練和測(cè)試。每個(gè)算例的介紹及穩(wěn)定圖的獲取過(guò)程，如圖8所示。

圖8 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)分析穩(wěn)定圖流程圖Fig.8 Flow chart of automatically analyzing stabilizationdiagram with convolutional neural network

4.1 3自由度彈簧質(zhì)量模型

3自由度彈簧質(zhì)量模型[22]由Matlab軟件建立，其中系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣、剛度矩陣分別為

(11)

由此，可計(jì)算得到固有頻率為：2.82 Hz，7.49 Hz，10.93 Hz。

在每個(gè)質(zhì)量點(diǎn)上施加白噪聲激勵(lì)，設(shè)定采樣頻率為100 Hz，將采集得到的加速度數(shù)據(jù)代入隨機(jī)子空間法程序，即可計(jì)算得到穩(wěn)定圖，如圖9所示。

圖9 3自由度模型穩(wěn)定圖Fig.9 Stabilization diagram of 3 DOF model

4.2 7自由度彈簧質(zhì)量模型

同樣采用Matlab軟件建立一個(gè)7自由度彈簧質(zhì)量模型[23]，其系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣、剛度矩陣分別為

[M]=I(7, 7)

(12)

(13)

設(shè)阻尼比為

[C]=0.2[M]+0.000 3[K]

(14)

通過(guò)特征值分解，可得理論模態(tài)的固有頻率為：13.39 Hz，22.85 Hz，28.17 Hz，28.87 Hz，40.15 Hz，41.39 Hz，46.90 Hz。

同理，設(shè)定采樣頻率為1 000 Hz，由隨機(jī)子空間法計(jì)算得到的穩(wěn)定圖，如圖10所示。

4.3 加拿大HCT大樓

以加拿大一所運(yùn)營(yíng)中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)大樓(Heritage Court Tower, HCT)為研究對(duì)象，采用英國(guó)哥

圖10 7自由度系統(tǒng)穩(wěn)定圖Fig.10 Stabilization diagram of 7 DOF model

倫比亞大學(xué)Felber研究團(tuán)隊(duì)采集的環(huán)境激勵(lì)振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)計(jì)算得到該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定圖。所采用的測(cè)試數(shù)據(jù)共有為4個(gè)分布，其中第1分布包含6個(gè)通道，其他分布各有8個(gè)通道，每個(gè)通道包含13 108個(gè)加速度數(shù)據(jù)，采樣頻率為40 Hz。隨機(jī)子空間法計(jì)算得到穩(wěn)定圖如圖11所示。

圖11 HCT大樓穩(wěn)定圖Fig.11 Stabilization diagram of heritage court tower

4.4 Z24橋及振動(dòng)數(shù)據(jù)簡(jiǎn)介

瑞士Z24[24]橋位于瑞士伯恩州，是一座單箱雙室形式的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋。其主跨30 m，兩邊跨均為14 m。本文使用的Z24橋加速響應(yīng)數(shù)據(jù)來(lái)源于丹麥SVS公司。監(jiān)測(cè)一共分為9個(gè)分布，每個(gè)分布有33個(gè)通道，其中28個(gè)通道位于橋面，3個(gè)位于橋面的參考點(diǎn)通道，2個(gè)為橋墩測(cè)試通道共5個(gè)固定通道作為參考點(diǎn)，每個(gè)通道數(shù)據(jù)長(zhǎng)度均為21 839，采樣頻率為33.33 Hz。由隨機(jī)子空間法計(jì)算得到的穩(wěn)定圖如圖12所示。

4.5 CNN模型訓(xùn)練及測(cè)試

將上述4個(gè)算例計(jì)算得到的穩(wěn)定圖經(jīng)過(guò)前文所述的預(yù)處理方法進(jìn)行處理，得到9 500個(gè)SMSD，并以8 000個(gè)樣本(其中4 000個(gè)為真實(shí)模態(tài)，4 000個(gè)為虛假模態(tài))作為訓(xùn)練集，1 500個(gè)樣本(其中690個(gè)為真實(shí)模態(tài)，810個(gè)為虛假模態(tài))作為測(cè)試集。每個(gè)樣本的期望標(biāo)簽由數(shù)值計(jì)算的理論值和專家人工識(shí)別的真實(shí)模態(tài)確定。采用本文構(gòu)建的“6C-2S-12C-5S”卷積網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練，學(xué)習(xí)率設(shè)定為0.1，迭代次數(shù)設(shè)為50。經(jīng)過(guò)訓(xùn)練，得到的損失函數(shù)隨訓(xùn)練次數(shù)變化曲線，如圖13所示。由圖13可知，本文設(shè)計(jì)的CNN能夠在無(wú)需人為設(shè)定特征參數(shù)的情況下，自動(dòng)識(shí)別穩(wěn)定圖上真假模態(tài)的特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)50次迭代以后，損失函數(shù)即由45.75下降到了0.32，平均每訓(xùn)練一次，可下降1.98%。

圖12 Z24大橋穩(wěn)定圖Fig.12 Stabilization diagram of Z24 Bridge

圖13 損失函數(shù)隨訓(xùn)練次數(shù)變化圖Fig.13 Training lose-epoch curve

將測(cè)試集中包含的1 500個(gè)樣本代入訓(xùn)練好的CNN進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤率僅為0.267%，僅錯(cuò)誤4個(gè)，說(shuō)明本文所提出的算法能夠很好的區(qū)分穩(wěn)定圖上的真假模態(tài)。此外，識(shí)別錯(cuò)誤的樣本號(hào)分別為：137，270，386，1 405，其中某一識(shí)別錯(cuò)誤的SMSD，如圖14所示。

圖14 識(shí)別錯(cuò)誤的單一模態(tài)穩(wěn)定圖Fig.14 Wrong examples of single mode stabilization diagrams

與專家識(shí)別結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上這4個(gè)SMSD都是同一個(gè)SMSD變換而來(lái)，且都是將虛假模態(tài)識(shí)別成了真實(shí)模態(tài)。這是因?yàn)樘摷倌B(tài)常常出現(xiàn)在高階部分[25]，雖然這一模態(tài)有部分極點(diǎn)也排成了一列，但是在階次為0～24內(nèi)，并沒(méi)有極點(diǎn)存在，因而造成了一種類似真實(shí)模態(tài)的“假象”。為避免這樣的錯(cuò)誤，保持網(wǎng)絡(luò)模型其他參數(shù)不變，將訓(xùn)練次數(shù)提升到100次，損失函數(shù)由45.75降低到了0.11，測(cè)試準(zhǔn)確率即達(dá)到了100%。

最后，將預(yù)測(cè)為真實(shí)模態(tài)的單一模態(tài)穩(wěn)定圖列出，并取其平均值作為該階真實(shí)模態(tài)的識(shí)別結(jié)果。4個(gè)算例的識(shí)別結(jié)果，如表1～表4所示。由識(shí)別結(jié)果發(fā)現(xiàn)CNN可用于自動(dòng)識(shí)別真實(shí)模態(tài)和虛假模態(tài)。

表1 3自由度CNN自動(dòng)識(shí)別與理論值的結(jié)果比較

表2 7自由度CNN自動(dòng)識(shí)別與理論值的結(jié)果比較

表3 HCT CNN自動(dòng)識(shí)別與專家識(shí)別結(jié)果比較

表4 Z24CNN自動(dòng)識(shí)別與專家識(shí)別結(jié)果比較

5 結(jié) 論

本文結(jié)合穩(wěn)定圖理論和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，提出了一種自動(dòng)剔除穩(wěn)定圖中虛假模態(tài)的新方法。采用數(shù)值模型算例和真實(shí)結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)將提出算法自動(dòng)識(shí)別模態(tài)參數(shù)的結(jié)果與專家人工識(shí)別結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了算法的可靠性。在試驗(yàn)過(guò)程中，得出了以下結(jié)論：

(1)樣本量充足的前提下，提出的基于CNN的穩(wěn)定圖自動(dòng)識(shí)別方法能夠有效自動(dòng)地區(qū)分穩(wěn)定圖上的真實(shí)模態(tài)與虛假模態(tài)；

(2)搭建的CNN可用于識(shí)別不同結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定圖，具有一定的通用性，可推廣應(yīng)用于模態(tài)分析軟件中；

(3)在搭建CNN過(guò)程中，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)針對(duì)SMSD的自動(dòng)分類，Sigmoid激活函數(shù)具有較好的收斂性；通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)當(dāng)學(xué)習(xí)率取值為0.1，訓(xùn)練次數(shù)取值為100時(shí)，具有較好的識(shí)別效率和精度。