CN110147781B - 基于机器学习的桥梁振动模态可视化损伤识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于机器学习的桥梁振动模态可视化损伤识别方法，包括如下步骤：S1.采集桥梁振动的数字视频信息，并对数字视频信息进行放大处理；S2.采集数字视频图像信息的参数，包括视频图像信息的频率、相位以及幅值；S3.以视频图像信息的相位以及幅值构建桥梁振动的可视化模态图像；S4.利用卷积神经网络CNN提取桥梁可视化模态图像中的多层次特征信息，将取出的特征信息输入广义回归神经网络GRNN，对桥梁结构损伤性质进行识别估计。本发明的基于机器学习的桥梁振动模态可视化损伤识别方法，使用少量简单的装置对桥梁的结构进行检测，能够准确全面地识别桥梁的结构损伤，并且该方法科学高效。
Description
技术领域
本发明涉及一种结构工程及安全监测的方法，具体涉及一种基于机器学习的桥梁振动模态可视化损伤识别方法。
背景技术
随着我国的已建桥梁数量的逐渐增多，不可否认我国已经进入桥梁大国的行列，但是由于我国特殊的国情以及国内频繁的超载现象，部分桥梁提前老化、桥梁结构材料老化、荷载作用、腐蚀、疲劳效应以及桥梁管理存在不足，加之各种不可预见的自然灾难都使得桥梁结构疲劳损伤日趋严重，并逐渐显示为使用性能降低，承载能力不足等诸多问题，已成为现代交通的潜在威胁，影响着桥梁的健康以及正常使用。对此桥梁结构损伤识别就显得尤为必要和关键。
目前损伤识别方法中多数方法都是建立在通过相关的测试装置，如各类振动传感器、激光扫描装置等获取桥梁的静力特性参数或者动力特性参数，如结构位移、应变、曲率等特征参数以此来与桥梁初始状态相关参数进行对比分析，进而实现损伤识别。并且大多数的损伤方法都是针对结构的关键点局部进行测试与数据采集，方式多采用接触式的测量方法，如在桥梁结构上安装各类的传感器，不但测试范围相对局部同时还存在着传感器的各类养护问题和使用期限相比桥梁寿命明显偏短等问题，而采用传统的非接触式的测量方法，其设备装置的价格又十分昂贵。
因此，为解决以上问题，需要一种基于机器学习的桥梁振动模态可视化损伤识别方法，使用少量简单的装置对桥梁的结构进行检测，能够准确全面地识别桥梁的结构损伤，并且该方法科学高效。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供一种基于机器学习的桥梁振动模态可视化损伤识别方法，使用少量简单的装置对桥梁的结构进行检测，能够准确全面地识别桥梁的结构损伤，并且该方法科学高效。
本发明提供的基于机器学习的桥梁振动模态可视化损伤识别方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1.采集桥梁振动的数字视频信息，并对数字视频信息进行放大处理；
S2.采集数字视频图像信息的参数，包括视频图像信息的频率、相位以及幅值；
S3.以视频图像信息的相位以及幅值构建桥梁振动的可视化模态图像；
S4.利用卷积神经网络CNN提取桥梁可视化模态图像中的多层次特征信息，将取出的特征信息输入广义回归神经网络GRNN，对桥梁结构损伤性质进行识别估计。
进一步，步骤S1中，对桥梁的目标数字视频信息进行幅值放大处理。
进一步，步骤S2中，对数字视频信息时间序列上的单帧图像的像素值进行频谱分析处理，得到目标结构区域的频率与相位等动力参数，对数字视频信息时间序列上的单帧图像的边缘轮廓进行边缘算子分析，得到目标边缘点的幅值参数。
进一步，步骤S3中，以视频图像信息的相位以及幅值构建桥梁振动的可视化模态图像包括：使用不同的颜色表示不同的相位信息，使用颜色的深浅表示不同的幅值信息。
进一步，步骤S4中，包括如下步骤：
S4-1：将桥梁不同区域位置及不同损伤程度作为标签引入桥梁振动可视化模态图像，将此图像作为训练样本数据；
S4-2：对桥梁振动可视化模态图像进行归一化处理；
S4-3：建立CNN特征提取器和GRNN回归分析器模型；
S4-4：对CNN特征提取器与GRNN回归分析器进行网络训练；
S4-5：将归一化的桥梁振动可视化模态图像输入计算机，得到预测结果。
本发明的有益效果是：通过本发明公开的基于机器学习的桥梁振动模态可视化损伤识别方法，使用少量简单的装置对桥梁的结构进行检测，能够准确全面地识别桥梁的结构损伤，并且该方法科学高效；实时估计桥梁结构损伤性质，掌握桥梁安全状态，预防灾害事故发生，保证了桥梁运营的安全。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明的桥梁振动可视化模态概念图像；
图3为本发明的卷积神经网络CNN特征提取器的结构示意图；
图4为本发明的广义回归神经网络GRNN回归分析器的结构示意图；
图5为本发明的卷积神经网络CNN特征提取器训练流程示意图；
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明做出进一步的说明，如图所示：
本发明提供的基于机器学习的桥梁振动模态可视化损伤识别方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1.采集桥梁振动的数字视频信息，并对数字视频信息进行放大处理；
S2.采集数字视频图像信息的参数，包括视频图像信息的频率、相位以及幅值；
S3.以视频图像信息的相位以及幅值构建桥梁振动的可视化模态图像；
S4.利用卷积神经网络CNN提取桥梁可视化模态图像中的多层次特征信息，将取出的特征信息输入广义回归神经网络GRNN，对桥梁结构损伤性质进行识别估计。
本实施例中，步骤S1中，使用摄像机对桥梁进行拍摄得到多组视频，对桥梁结构受到激励的视频进行截取，删除视频前后多余的片段，从而减少后期计算机处理的计算量，将截取的视频采用基于相位的高斯金字塔进行视频空间分解，比对不同尺度下的视频图片，防止目标内容在图片上有不同的大小，进而获取不同空间频率下的基带，对获取的每个基带进行时域上的带通滤波处理，提取目标视频区域的变化信号，将得到的目标视频区域的变化信号进行幅值放大处理，最后与剩余的基带进行合并，从而得到放大的桥梁振动数字视频信息。
本实施例中，步骤S2中，对放大的桥梁振动数字视频进行分解，得到时间序列上的单帧图像，将图像上某固定点像素颜色的RGB，通过现有算法转换为灰度，观察该像素点的灰度值在时域上的变化情况，采用快速傅里叶变换，把固定像素点的灰度值序列，依次分解成一系列的短序列。充分利用离散傅里叶计算式中指数因子所具有的对称性质和周期性质，进而求出这些短序列相应的离散傅里叶结果并进行适当组合，达到删除重复计算，减少乘法运算和简化结构的目的。采用此方式获取多个像素点的频率与相位信息，进而获取整个视频区域或目标结构视频区域的频率与相位信息。
对时间序列上的单帧图像的边缘轮廓进行增强，即采用边缘算子对图像边缘轮廓进行分析，固定图像像素点所在列数，提取连续单帧图像边缘所在行随时间变化的变化值，即获取单点图像的幅值随时间变化的曲线，得到单点图像的幅值，进而采用同样方式获取目标结构视频区域边缘的多点幅值信息。
本实施例中，步骤S3中，以视频区域图像信息的相位以及幅值构建桥梁振动的可视化模态图像包括：使用不同的颜色表示不同的相位信息，使用颜色的深浅表示不同的幅值信息；其中，相位信息与幅值信息都是在同一时域下的参数信息。使用桥梁振动可视化模态图像所处的不同阶数，表示视频区域图像信息不同的频率，根据桥梁平常承受的载荷分析可知，视频区域图像信息的频率动力参数值一般不会太高，可以只考虑前几阶的桥梁振动可视化模态图像。
本实施例中，步骤S4中，包括如下步骤：
S4-1：对所得的桥梁振动可视化模态图像进行有限元理论模型模拟，组合桥梁不同区域位置及不同损伤程度工况，计算得到多组可视化模态图像差异性变化理论形状。将所设置的区域位置和损伤程度作为标签引入桥梁振动可视化模态图像，将其作为广义回归神经网络的训练样本数据。
S4-2：对桥梁振动可视化模态图像进行归一化处理，归一化处理的公式为：
其中，Xi为桥梁振动可视化模态图像大小变化的变形值，Xmin和Xmax分别为各个桥梁振动可视化模态图像大小变化范围的最小值和最大值；
通过上式将其归一化到区间[0,1]范围内，保证了预测得到的桥梁数据与实际的桥梁数据各个维度都中心化为0，都在同一个区间范围内，便于比较与分析。
S4-3：建立CNN特征提取器和GRNN回归分析器模型；
1).CNN特征提取器模型包括输入层、隐含层、隐含单元和输出层。其中，隐含层包括卷积层与采样层。将桥梁振动可视化模态图像数据从输入层输出到隐含层，隐含层的卷积层利用若干个卷积核对图像数据进行卷积计算操作，得到多个特征图像信息，将特征图像信息输出到隐含层的采样层中进行偏移和扭曲消除处理，降低网络的空间分辨率，将无关的信息进一步剔除，从而防止过拟合，提高泛化性，实现位移不变性。将采样层输出的特征图像信息输入到隐含单元，在隐含单元中，经过多次的卷积与采样操作，得到若干幅特征图像，将所有的特征图像变换为一列向量，该列向量即是从样本图像中提取出的特征向量。输出层与上层神经元采用全连接方式，输出层神经元个数与样本图像标签个数相同，样本图像标签包括桥梁结构损伤程度与损伤位置两个。
2).GRNN回归分析器包括输入层、模式层、求和层和输出层。将CNN特征提取器中的输出层输出的特征桥面图像神经元输入到输入层中，神经元的数目等于图像样本中抽取的特征向量的维数，直接传递给模式层，模式层神经元数目等于输入层的神经元数目，各神经元对应不同的样本，求和层中使用两种类型神经元进行求和，第一个节点是对所有模式层神经元的输出进行算术求和，其模式层与各神经元的连接权值为1，第二个节点是对所有模式层的神经元进行加权求和；输出层中的神经元数目等于学习样本中输出向量的维数，各神经元将求和层的输出相除，即是第二个节点除以第一个节点，最终得到对桥梁结构损伤性质的预测。
S4-4：对CNN特征提取器与GRNN回归分析器进行网络训练；
1).CNN特征提取器网络训练步骤为：从训练样本集中取出样本桥面形状图像，初始化桥面形状图像模型中所有的卷积核权值与偏置项，将样本桥面形状图像输入得到输出值O，将输出值O与样本标签y进行计算，得到模型误差值E，若E收敛则结束，否则计算出输出层的残差，残差从输出层反向计算，逐层计算残差值，并调整权值与偏置项，直到收敛；
2).GRNN回归分析器网络训练步骤为：从CNN特征提取器中，得到所有桥面训练图像的特征向量与对应的标签输入到GRNN回归分析器，采用监督式学习进行训练；
S4-5：将归一化的桥梁振动可视化模态图像输入计算机，调整所述目标域数据模型，得到桥梁结构损伤性质预测结果。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种基于机器学习的桥梁振动模态可视化损伤识别方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1.采集桥梁振动的数字视频信息，并对数字视频信息进行放大处理；
对桥梁的目标数字视频信息进行幅值放大处理，具体包括：
对桥梁结构受到激励的视频进行截取，删除视频前后多余的片段；
将截取的视频采用基于相位的高斯金字塔进行视频空间分解，比对不同尺度下的视频图片；
获取不同空间频率下的基带，对获取的每个基带进行时域上的带通滤波处理，提取目标视频区域的变化信号；
将得到的目标视频区域的变化信号进行幅值放大处理，最后与剩余的基带进行合并，得到放大的桥梁振动数字视频信息；
S2.采集数字视频图像信息的参数，包括视频图像信息的频率、相位以及幅值；
S3.以视频图像信息的相位以及幅值构建桥梁振动的可视化模态图像；
S4.利用卷积神经网络CNN提取桥梁可视化模态图像中的多层次特征信息，将取出的特征信息输入广义回归神经网络GRNN，对桥梁结构损伤性质进行识别估计。
2.根据权利要求1所述的基于机器学习的桥梁振动模态可视化损伤识别方法，步骤S2中，对数字视频信息时间序列上的单帧图像的像素值进行频谱分析处理，得到目标结构区域的频率与相位动力参数，对数字视频信息时间序列上的单帧图像的边缘轮廓进行边缘算子分析，得到目标边缘点的幅值参数。
3.根据权利要求1所述的基于机器学习的桥梁振动模态可视化损伤识别方法，步骤S3中，以视频图像信息的相位以及幅值构建桥梁振动的可视化模态图像包括：使用不同的颜色表示不同的相位信息，使用颜色的深浅表示不同的幅值信息。
4.根据权利要求1所述的基于机器学习的桥梁振动模态可视化损伤识别方法，步骤S4中，包括如下步骤：
S4-1：将桥梁不同区域位置及不同损伤程度作为标签引入桥梁振动可视化模态图像，将此图像作为训练样本数据；
S4-2：对桥梁振动可视化模态图像进行归一化处理；
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