CN116756656A - 一种工程结构异常识别方法、系统、电子设备及存储介质 - Google Patents

一种工程结构异常识别方法、系统、电子设备及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种工程结构异常识别方法、系统、电子设备及存储介质，涉及土木工程结构健康监测技术领域，所述方法包括：获取待检工程结构的多个传感器在当前时段中多个采样时刻的原始监测数据；将待检工程结构的各原始监测数据输入至数据重构模型的编码器中，得到各原始监测数据对应的隐藏层向量；利用高斯函数，基于所有隐藏层向量确定待检工程结构在当前时段的监测数据取值的概率；根据概率确定待检工程结构的异常情况。本发明利用数据重构模型先对原始监测数据进行重构，减少了现实中的噪声对数据的干扰，提高了监测数据的鲁棒性，提高了工程结构异常检测的准确性。

Description

一种工程结构异常识别方法、系统、电子设备及存储介质
技术领域
本发明涉及土木工程结构健康监测技术领域，特别是涉及一种工程结构异常识别方法、系统、电子设备及存储介质。
背景技术
随着数字化监测技术的发展，结构健康检测系统（Structural HealthyMonitoring System，SHMS）被越来越多的用在基础设施健康监测领域。SHMS积累了大量的监测数据，为开展结构健康监测基础科学问题的研究奠定了基础。传统的异常检测方法大多基于领域知识和物理模型仿真。尽管此类方法具有较高的可解释性，但受限于对相关专业知识的高度依赖，并且无法综合考虑众多外部因素的影响，因此基于力学模型的研究无法较好地完成基础设施结构健康监测。
近年来，随着人工智能和机器学习技术的发展，基于数据驱动的异常检测方法得到研究人员的重视。与传统的基于力学模型的方法不同，基于数据驱动的方法能够挖掘数据间潜在的、深层的、复杂的关系，通过度量学习和非线性特征提取构建早期微损伤的特征集，实现对基础设施性态的精准认知，以及对早期微破坏和隐蔽缺陷的智能识别。
然而SHMS数据采集过程常受到湿度、温度、电磁场环境、传输功率、传感器性能退化等众多外部因素的影响，因此采集到的数据通常含有较多噪声，这些噪声影响了检测模型对基础设施性态的判断，带来安全隐患和不必要的人力、经济损失。因此，现有的异常检测方法在实际场景中的应用效果还有待提升，工程结构异常检测的检测准确性较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种工程结构异常识别方法、系统、电子设备及存储介质，提高了工程结构异常检测的准确性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种工程结构异常识别方法、系统、电子设备及存储介质，包括：
获取待检工程结构的多个传感器在当前时段中多个采样时刻的原始监测数据；
将所述待检工程结构的各原始监测数据输入至数据重构模型的编码器中，得到各原始监测数据对应的隐藏层向量；所述数据重构模型是利用训练集对重构网络进行训练得到的；所述重构网络包括编码器和解码器；
利用高斯函数，基于所有所述隐藏层向量确定待检工程结构在当前时段的监测数据取值的概率；
根据所述概率确定所述待检工程结构的异常情况。
可选地，利用高斯函数，基于所有所述隐藏层向量确定待检工程结构在当前时段的监测数据取值的概率，具体包括：
基于各传感器对应的所有隐藏层向量，计算对应的隐藏层向量均值，从而得到均值矩阵；
计算各传感器对应的所有隐藏层向量和均值矩阵的协方差矩阵；
利用高斯函数，基于所有隐藏层向量、所述均值矩阵和所述协方差矩阵，计算待检工程结构在当前时段的监测数据取值的概率。
可选地，根据所述概率确定所述待检工程结构的异常情况，具体包括：
当所述概率小于随机异常阈值时，所述待检工程结构存在随机异常；
当所述概率小于结构异常阈值时，所述待检工程结构存在结构异常。
可选地，所述数据重构模型的训练过程，包括：
获取多个训练用结构工程的N个传感器在T个采样时刻的原始监测数据；T≥1，N≥1；
利用大小为w的滑动窗口，对各所述传感器对应的原始监测数据均进行数据截取，从而得到各训练用结构工程的对应的N×（T-w+1）×w的输入数据；
对各输入数据均添加随机噪声，得到添加噪声后的输入数据；
将各所述输入数据和对应的添加噪声后的输入数据作为训练集，对重构网络进行训练，得到数据重构模型。
可选地，将各所述输入数据和对应的添加噪声后的输入数据作为训练集，对重构网络进行训练，得到数据重构模型，具体包括：
初始化所述重构网络中的参数；
利用各所述输入数据和对应的添加噪声后的输入数据，对重构网络进行训练，得到所述数据重构模型，其中，对于任一当前训练次数下的训练过程包括：
将各添加噪声后的输入数据输入至当前训练次数下的重构网络中，得到对应的当前训练次数下的重构数据；
基于所有当前训练次数下的重构数据和对应的输入数据，计算当前训练次数下的损失；
判断是否满足训练停止条件；所述训练停止条件为当前训练次数下的损失小于预设损失阈值或达到预设训练次数；
若是，则将当前训练次数下的重构网络确定为所述数据重构模型；
若否，则更新重构网络中的参数，并进行下一次训练，直到满足所述训练停止条件。
一种工程结构异常识别系统，包括：
原始监测数据获取模块，用于获取待检工程结构的多个传感器在当前时段中多个采样时刻的原始监测数据；
隐藏层向量确定模块，用于将所述待检工程结构的各原始监测数据输入至数据重构模型的编码器中，得到各原始监测数据对应的隐藏层向量；所述数据重构模型是利用训练集对重构网络进行训练得到的；所述重构网络包括编码器和解码器；
概率计算模块，用于利用高斯函数，基于所有所述隐藏层向量确定待检工程结构在当前时段的监测数据取值的概率；
异常检测模块，用于根据所述概率确定所述待检工程结构的异常情况。
一种电子设备，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，其上存储有一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现如上述所述的工程结构异常识别方法、系统、电子设备及存储介质。
一种存储介质，其上存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述所述的工程结构异常识别方法、系统、电子设备及存储介质。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开了一种工程结构异常识别方法、系统、电子设备及存储介质，首先获取待检工程结构的多个传感器在当前时段中多个采样时刻的原始监测数据；其次，将待检工程结构的各原始监测数据输入至数据重构模型的编码器中，得到各原始监测数据对应的隐藏层向量；再次，利用高斯函数，基于所有隐藏层向量确定待检工程结构在当前时段的监测数据取值的概率；最后，根据概率确定待检工程结构的异常情况。本发明利用数据重构模型先对原始监测数据进行重构，减少了现实中的噪声对数据的干扰，提高了监测数据的鲁棒性，提高了工程结构异常检测的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1提供的工程结构异常识别方法流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种工程结构异常识别方法、系统、电子设备及存储介质，旨在提高工程结构异常检测的准确性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
图1为本发明实施例1提供的工程结构异常识别方法流程示意图。如图1所示，本实施例中的工程结构异常识别方法，包括：
步骤101：获取待检工程结构的多个传感器在当前时段中多个采样时刻的原始监测数据。
步骤102：将待检工程结构的各原始监测数据输入至数据重构模型的编码器中，得到各原始监测数据对应的隐藏层向量。
其中，数据重构模型是利用训练集对重构网络进行训练得到的；重构网络包括编码器和解码器。
步骤103：利用高斯函数，基于所有隐藏层向量确定待检工程结构在当前时段的监测数据取值的概率。
步骤104：根据概率确定待检工程结构的异常情况。
作为一种可选的实施方式，步骤103，具体包括：
基于各传感器对应的所有隐藏层向量，计算对应的隐藏层向量均值，从而得到均值矩阵。
具体的，均值矩阵H1的计算公式为：
H1=mean(H)。
其中，mean( )为均值函数，H为任一传感器对应的所有隐藏层向量构成的矩阵。
计算各传感器对应的所有隐藏层向量和均值矩阵的协方差矩阵。
具体的，协方差矩阵cov(H1，H)的计算公式为：
cov(H1,H)=transpose(H-H1)×(H-H1)/(N1×(T1-w1+1)×w1)。
其中，transpose()为矩阵转置，N1为待检工程结构对应的传感器的数量，T1为待检工程结构对应的采样时刻的数量，w1为待检工程结构对应的滑动窗口的大小。
利用高斯函数，基于所有隐藏层向量、均值矩阵和协方差矩阵，计算待检工程结构在当前时段的监测数据取值的概率。
具体的，概率gauss(H)的计算公式为：
。
其中，gauss( )为高斯函数，D为隐藏层向量特征的维度总数，k为隐藏层向量特征的维度序号，σk为协方差矩阵中第k维的协方差，e为自然数，hk为隐藏层向量构成的矩阵中第k维元素，μk为均值矩阵中第k维均值向量。
作为一种可选的实施方式，步骤104，具体包括：
当概率小于随机异常阈值时，待检工程结构存在随机异常。
当概率小于结构异常阈值时，待检工程结构存在结构异常。
具体的，对于既不存在结构异常也不存在随机异常对应的原始监测数据，认为是正常数据。对于正常数据，不用处理。对于随机异常数据，判定是传感器受到例如温度、湿度等外部因素（基础设施本身的结构发生变化是内部因素，温度、湿度等算外部因素）产生的波动，不用特殊处理。对于结构异常，判定是待检工程结构（如桥梁、隧道等）发生了结构性损坏，可能会导致安全事故，需要专业人员进行排查。
作为一种可选的实施方式，数据重构模型的训练过程，包括：
获取多个训练用结构工程的N个传感器在T个采样时刻的原始监测数据；T≥1，N≥1。
利用大小为w的滑动窗口，对各传感器对应的原始监测数据均进行数据截取，从而得到各训练用结构工程的对应的N×（T-w+1）×w的输入数据。
其中，T-w+1为每个传感器对应的滑动窗口的数量。
对各输入数据均添加随机噪声，得到添加噪声后的输入数据。
实际上，在对输入数据添加随机噪声之前，还对输入数据进行归一化处理，归一化处理的公式为：。其中，y为归一化后的输入数据，x为输入数据，min(X)为所有输入数据中的最小值，max(X)为所有输入数据中的最大值。
将各输入数据和对应的添加噪声后的输入数据作为训练集，对重构网络进行训练，得到数据重构模型。
作为一种可选的实施方式，将各输入数据和对应的添加噪声后的输入数据作为训练集，对重构网络进行训练，得到数据重构模型，具体包括：
初始化重构网络中的参数。
具体的，重构网络由一个编码器和一个解码器组成，编码器和解码器都由一层单向长短期记忆（Long Short-Term Memory，LSTM）人工神经网络组成，并且在编码器和解码器输出上添加随机失活层（dropout层）以缓解模型过拟合现象。
利用各输入数据和对应的添加噪声后的输入数据，对重构网络进行训练，得到数据重构模型，其中，对于任一当前训练次数下的训练过程包括：
将各添加噪声后的输入数据输入至当前训练次数下的重构网络中，得到对应的当前训练次数下的重构数据。
具体的，利用重构网络得到重构数据X1的公式为：
X1=LSTM2(LSTM1(X+ε))。
其中，X+ε为输入重构网络中的数据，X为添加随机噪声前的数据，ε为随机噪声，LSTM1( )为编码器对应的LSTM，LSTM2( )为解码器对应的LSTM。
基于所有当前训练次数下的重构数据和对应的输入数据，计算当前训练次数下的损失。
具体的，损失Loss的计算公式为：
Loss=MSE(X,X1)。
其中，MSE( )为均方误差函数。
判断是否满足训练停止条件；训练停止条件为当前训练次数下的损失小于预设损失阈值或达到预设训练次数。
若是，则将当前训练次数下的重构网络确定为数据重构模型。
若否，则更新重构网络中的参数，并进行下一次训练，直到满足训练停止条件。
实施例2
本实施例中的工程结构异常识别系统，包括：
原始监测数据获取模块，用于获取待检工程结构的多个传感器在当前时段中多个采样时刻的原始监测数据。
隐藏层向量确定模块，用于将待检工程结构的各原始监测数据输入至数据重构模型的编码器中，得到各原始监测数据对应的隐藏层向量；数据重构模型是利用训练集对重构网络进行训练得到的；重构网络包括编码器和解码器。
概率计算模块，用于利用高斯函数，基于所有隐藏层向量确定待检工程结构在当前时段的监测数据取值的概率。
异常检测模块，用于根据概率确定待检工程结构的异常情况。
实施例3
一种电子设备，包括：
一个或多个处理器。
存储装置，其上存储有一个或多个程序。
当一个或多个程序被一个或多个处理器执行时，使得一个或多个处理器实现如实施例1中的工程结构异常识别方法、系统、电子设备及存储介质。
实施例4
一种存储介质，其上存储有计算机程序，其中，计算机程序被处理器执行时实现如实施例1中的工程结构异常识别方法、系统、电子设备及存储介质。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种工程结构异常识别方法，其特征在于，所述方法包括：
获取待检工程结构的多个传感器在当前时段中多个采样时刻的原始监测数据；
将所述待检工程结构的各原始监测数据输入至数据重构模型的编码器中，得到各原始监测数据对应的隐藏层向量；所述数据重构模型是利用训练集对重构网络进行训练得到的；所述重构网络包括编码器和解码器；
利用高斯函数，基于所有所述隐藏层向量确定待检工程结构在当前时段的监测数据取值的概率；
根据所述概率确定所述待检工程结构的异常情况。
2.根据权利要求1所述的工程结构异常识别方法，其特征在于，利用高斯函数，基于所有所述隐藏层向量确定待检工程结构在当前时段的监测数据取值的概率，具体包括：
基于各传感器对应的所有隐藏层向量，计算对应的隐藏层向量均值，从而得到均值矩阵；
计算各传感器对应的所有隐藏层向量和均值矩阵的协方差矩阵；
利用高斯函数，基于所有隐藏层向量、所述均值矩阵和所述协方差矩阵，计算待检工程结构在当前时段的监测数据取值的概率。
3.根据权利要求1所述的工程结构异常识别方法，其特征在于，根据所述概率确定所述待检工程结构的异常情况，具体包括：
当所述概率小于随机异常阈值时，所述待检工程结构存在随机异常；
当所述概率小于结构异常阈值时，所述待检工程结构存在结构异常。
4.根据权利要求1所述的工程结构异常识别方法，其特征在于，所述数据重构模型的训练过程，包括：
获取多个训练用结构工程的N个传感器在T个采样时刻的原始监测数据；T≥1，N≥1；
利用大小为w的滑动窗口，对各所述传感器对应的原始监测数据均进行数据截取，从而得到各训练用结构工程的对应的N×（T-w+1）×w的输入数据；
对各输入数据均添加随机噪声，得到添加噪声后的输入数据；
将各所述输入数据和对应的添加噪声后的输入数据作为训练集，对重构网络进行训练，得到数据重构模型。
5.根据权利要求4所述的工程结构异常识别方法，其特征在于，将各所述输入数据和对应的添加噪声后的输入数据作为训练集，对重构网络进行训练，得到数据重构模型，具体包括：
初始化所述重构网络中的参数；
利用各所述输入数据和对应的添加噪声后的输入数据，对重构网络进行训练，得到所述数据重构模型，其中，对于任一当前训练次数下的训练过程包括：
将各添加噪声后的输入数据输入至当前训练次数下的重构网络中，得到对应的当前训练次数下的重构数据；
基于所有当前训练次数下的重构数据和对应的输入数据，计算当前训练次数下的损失；
判断是否满足训练停止条件；所述训练停止条件为当前训练次数下的损失小于预设损失阈值或达到预设训练次数；
若是，则将当前训练次数下的重构网络确定为所述数据重构模型；
若否，则更新重构网络中的参数，并进行下一次训练，直到满足所述训练停止条件。
6.一种工程结构异常识别系统，其特征在于，所述系统包括：
原始监测数据获取模块，用于获取待检工程结构的多个传感器在当前时段中多个采样时刻的原始监测数据；
隐藏层向量确定模块，用于将所述待检工程结构的各原始监测数据输入至数据重构模型的编码器中，得到各原始监测数据对应的隐藏层向量；所述数据重构模型是利用训练集对重构网络进行训练得到的；所述重构网络包括编码器和解码器；
概率计算模块，用于利用高斯函数，基于所有所述隐藏层向量确定待检工程结构在当前时段的监测数据取值的概率；
异常检测模块，用于根据所述概率确定所述待检工程结构的异常情况。
7.一种电子设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，其上存储有一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1至5中任意一项所述的工程结构异常识别方法、系统、电子设备及存储介质。
8.一种存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5中任意一项所述的工程结构异常识别方法、系统、电子设备及存储介质。
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