KR101965879B1 - Ann-based sustainable strain sensing model system, structural health assessment system and method - Google Patents

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Abstract

본 발명은 인공신경망 기반 고층 구조물 응력 예측모델 시스템, 안전성 평가 시스템 및 그 평가방법에 관한 것으로, 고층 구조물에 설치되어 바람정보를 실시간으로 측정하는 바람센서; 고층 구조물에 다수개 설치되어 바람센서에 의해 측정된 바람정보에 따른 구조물의 변형률을 측정하는 변형률 센서와, 다수개의 바람센서 및 변형률 센서를 통해 형성된 인공신경망(Artificial Neural Network:ANN)을 바탕으로 바람정보에 따른 변형률 데이터를 훈련시켜 풍하중에 따른 고층 구조물의 응력 예측모델을 생성하는 응력 예측모델 생성부를 포함하여 구성된다.
이와 같은 본 발명은, 바람 정보만으로 구조물의 응력을 예측하여 안전성을 평가할 수 있고, 지속 가능한 고층 구조물의 안전성 평가 모델을 생성하는 시스템, 이를 이용한 평가 시스템 및 그 평가방법을 제공한다.
The present invention relates to an artificial neural network based stress prediction model system, a safety evaluation system, and a method of evaluating the same, and more particularly, to a wind sensor that is installed in a high-rise structure and measures wind information in real time. A plurality of strain gauges installed on the high-rise structure, and a strain sensor for measuring the strain of the structure according to the wind information measured by the wind sensor and an artificial neural network (ANN) formed by a plurality of wind sensors and strain sensors And a stress prediction model generation unit for generating stress prediction models of the high-rise structure according to the wind loads by training the strain data according to the information.
The present invention provides a system for evaluating safety by predicting a stress of a structure using only wind information and generating a safety evaluation model of a sustainable high-rise structure, an evaluation system using the same, and an evaluation method thereof.

Description

인공신경망 기반 고층 구조물 응력 예측모델 시스템, 이를 이용한 안전평가 시스템 및 그 평가방법{ANN-BASED SUSTAINABLE STRAIN SENSING MODEL SYSTEM, STRUCTURAL HEALTH ASSESSMENT SYSTEM AND METHOD} Technical Field [0001] The present invention relates to an artificial neural network-based high-story structure stress prediction model system, a safety evaluation system using the same, and a method of evaluating the same. [0002]

본 발명은 고층 구조물의 응력 예측모델 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 바람 정보만으로 구조물의 응력을 예측하여 안전성 평가할 수 있는 인공신경망 기반 고층 구조물 응력 예측모델 시스템, 이를 이용한 안전평가 시스템 및 그 평가방법에 관한 것이다.The present invention relates to a stress prediction model system for a high-rise structure, more particularly, to an artificial neural network-based high-rise structure stress prediction model system capable of predicting a stress of a structure by wind information only and evaluating safety, .

고층 구조물 또는 고층건물의 안전성 평가를 위해 구조 건전도 모니터링(Structural Health Monitoring, SHM) 연구가 수행되고 있다. SHM은 구조물에 전기저항식 센서, FBG(Fiber Bragg Grating sensor) 등의 변형률 센서를 설치하고 계측된 변형률 값을 통해 응력을 추정하며 설계 기준에서 제시하는 허용응력과 비교하여 구조물의 안전성을 평가한다. Structural Health Monitoring (SHM) studies are being conducted to evaluate the safety of high-rise or high-rise buildings. SHM has installed a strain sensor such as an electric resistance sensor or FBG (Fiber Bragg Grating sensor) on the structure, estimates the stress through the measured strain value, and evaluates the safety of the structure against the allowable stress presented in the design standard.

근래 고층건물 설계 시 건물의 시공 및 사용 단계에서 안전성 평가를 위해 주요 구조 부재에 센서가 설치된다. 하지만, 고층 구조물의 안전성 평가를 위해서는 건물의 수많은 부재마다 다수의 변형률 센서를 설치해야 되는데, 설치된 변형률계는 전력 공급의 불안정성, 유지, 관리 등의 어려움, 계측한 데이터의 방대함으로 인한 데이터 저장 문제, 센서 자체의 결함 발생 등이 수반된다. 고층건물과 같은 대형 구조물에는 무선 센서 시스템이 도입되었으나, 이는 센서 자체의 결함 및 계측 데이터의 무선 송수신 중 통신 장애로 인해 계측 데이터의 유실이 발생하는 한계를 가진다. Recently, in the design of high-rise buildings, sensors are installed in major structural members for safety evaluation in the construction and use stages of buildings. However, in order to evaluate the safety of high-rise structures, it is necessary to install a large number of strain sensors per a large number of members of the building. However, the installed strain gauge has problems such as instability of power supply, difficulties in maintaining and managing, And the occurrence of defects in the sensor itself. A wireless sensor system has been introduced in large structures such as high-rise buildings, but this has limitations in that measurement data is lost due to defects in the sensor itself and communication failure during wireless transmission / reception of measurement data.

따라서 고층건물의 장기 모니터링을 위해 센서의 결함 및 데이터 유실 등의 문제를 고려한 SHM 시스템이 필요하다. 센서의 결함 및 유실 등으로 인해 응력 계측이 불가할 때 고층건물에 영향을 미치는 가장 중요한 하중 중 하나인 풍하중에 대한 응답을 예측하기 위해 인공신경망(Artificial Neural Network , ANN)을 도입할 수 있다. 인공신경망은 기 확보된 입력, 출력 데이터를 훈련시켜 네트워크를 형성하고 새로운 입력 데이터가 들어왔을 때 이에 대한 결과를 예측한다. Therefore, SHM system is needed for long term monitoring of high - rise buildings considering problems such as sensor defects and data loss. Artificial Neural Network (ANN) can be introduced to predict the response to wind load, which is one of the most important loads affecting high-rise buildings when stress measurement is impossible due to sensor defects and loss. The artificial neural network trains the pre-established input and output data to form a network and predicts the result when new input data is received.

인공신경망을 이용한 종래 발명은 바람 정보에 의해 계측된 변형률 데이터의 평균값을 사용하였다. 구조물의 변형률 계측을 통한 안전성 평가는 부재에 작용하는 최대 변형률에 의해 평가되므로, 종래 발명은 최대 변형률을 고려하지 못한다는 점에서 한계점을 가진다. 따라서 센서의 결함 및 유실로 인해 응력 계측이 불가하더라도 변형률의 변동 범위를 고려하여 지속 가능한 안전성 평가 기술이 필요한 실정이다.The conventional invention using an artificial neural network uses an average value of strain data measured by wind information. Since the safety evaluation through the strain measurement of the structure is evaluated by the maximum strain acting on the member, the prior art has a limit in that the maximum strain can not be taken into consideration. Therefore, even if stress measurement is impossible due to sensor defects and loss, sustainable safety evaluation technology is needed considering the range of strain variation.

대한민국 등록특허공보 제10-1227776호(등록일자: 2013년01월23일)Korean Registered Patent No. 10-1227776 (Registration date: Jan. 23, 2013) 대한민국 등록특허공보 제10-1431237호(등록일자: 2014년08월11일)Korean Registered Patent No. 10-1431237 (Registration date: Aug. 11, 2014)

본 발명에 따른 인공신경망 기반 고층 구조물 응력 예측모델 시스템, 이를 이용한 안전평가 시스템 및 그 평가방법은 다음과 같은 해결과제를 가진다.The neural network-based high-layer structure stress prediction model system according to the present invention, the safety evaluation system using the same, and the evaluation method thereof have the following problems.

첫째, 본 발명은 바람 정보만으로 구조물의 응력을 예측하여 안전성을 평가할 수 있는 고층 구조물의 응력 예측모델 시스템, 평가 시스템 및 그 평가방법을 제공하고자 함이다.First, the present invention is to provide a stress prediction model system, evaluation system, and evaluation method of a high-rise structure which can estimate the stress of a structure by only wind information and evaluate safety.

둘째, 본 발명은 지속 가능한 고층 구조물의 안전성 평가 모델을 생성하는 시스템, 이를 이용한 평가 시스템 및 그 평가방법을 제공하고자 함이다.Second, the present invention provides a system for generating a safety evaluation model of a sustainable high-rise structure, an evaluation system using the system, and an evaluation method thereof.

본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide an apparatus and method for controlling the same.

상술한 과제를 해결하고자 하는 본 발명의 제1 특징은 인공신경망 기반 고층 구조물 응력 예측모델 시스템으로, 고층 구조물에 설치되어 바람정보를 실시간으로 측정하는 바람센서; 고층 구조물에 다수개 설치되어 바람센서에 의해 측정된 바람정보에 따른 구조물의 변형률을 측정하는 변형률 센서; 및 다수개의 바람센서 및 변형률 센서를 통해 형성된 인공신경망(Artificial Neural Network:ANN)을 바탕으로 바람정보에 따른 변형률 데이터를 훈련시켜 풍하중에 따른 고층 구조물의 응력 예측모델을 생성하는 응력 예측모델 생성부를 포함한다.According to a first aspect of the present invention, there is provided a stress prediction model system for a high-rise structure based on an artificial neural network, comprising: a wind sensor installed in a high-rise structure to measure wind information in real time; A plurality of strain sensors installed in the high-rise structure for measuring a strain of the structure according to the wind information measured by the wind sensor; And a stress prediction model generator for generating a stress prediction model of a high-rise structure according to wind loads by training strain data according to wind information based on an artificial neural network (ANN) formed through a plurality of wind sensors and strain sensors do.

상기 바람센서는 풍향 및 풍속을 측정하는 풍향풍속계인 것이 바람직하고, 바람센서는, 상기 고층 구조물의 최상층에 설치되는 것이 바람직하며, 변형률 센서는 고층 구조물의 응력을 측정하는 응력(strain) 센서이고, FBG(fiber Bragg grating) 센서인 것이 바람직하다.Preferably, the wind sensor is a wind direction anemometer that measures the wind direction and the wind speed, and the wind sensor is preferably installed on the uppermost layer of the high-rise structure. The strain sensor is a strain sensor that measures stress of the high- It is preferably a fiber Bragg grating (FBG) sensor.

또한, 인공신경망은, 상기 바람정보를 입력값으로 하는 입력층; 및 상기 변형률을 출력값으로 하는 출력층을 포함하여 구성되는 것이 바람직하고, 상기 출력값은, 상기 고층 구조물의 변형률 최대값 및 최소값인 것이 바람직하다. 변형률 최대값 및 최소값은 변형률의 동적 응답을 계측하기 위해 변형률의 변동범위를 반영하는 구성 성분이다.The artificial neural network may further comprise: an input layer having the wind information as an input value; And an output layer having the strain as an output value, and the output value is preferably a maximum strain value and a minimum strain value of the high-rise structure. The maximum and minimum strains are components that reflect the variation range of the strain to measure the dynamic response of the strain.

더하여, 응력 예측모델 생성부는, 응력 예측모델 생성부가 바람정보가 입력되는 입력층, 변형률이 출력되는 출력층 및 2개의 은닉층을 포함하여 형성된 인공신경망 내의 연결 가중치 값의 갱신을 통한 훈련 데이터를 생성하고, 훈련 데이터를 바탕으로 풍하중에 따른 고층 구조물의 응력 예측모델을 생성하는 것이 바람직하고, 상기 연결 가중치 값의 갱신은, 역전파 학습 알고리즘(Back Propagation Learning Algorithm)에 의해 수행되는 것이 바람직하다.In addition, the stress prediction model generating unit generates the stress data by updating the connection weight value in the artificial neural network including the input layer to which the wind information is inputted, the output layer to output the strain, and the two hidden layers, It is preferable to generate the stress prediction model of the high-rise structure according to the wind load based on the training data, and it is preferable that the connection weight value is updated by the Back Propagation Learning Algorithm.

본 발명의 제2 특징은 인공신경망 기반 고층 구조물 응력 예측모델을 이용한 안전성 평가 시스템으로, 고층 구조물에 설치되어 바람정보를 실시간으로 측정하는 바람센서; 고층 구조물에 다수개 설치되어 바람센서에 의해 측정된 바람정보에 따른 구조물의 변형률을 측정하는 변형률 센서; 다수개의 바람센서 및 변형률 센서를 통해 형성된 인공신경망(Artificial Neural Network:ANN)을 바탕으로 바람정보에 따른 변형률 데이터를 훈련시켜 풍하중에 따른 고층 구조물의 응력 예측모델을 생성하는 응력 예측모델 생성부; 및 변형률 센서 응답이 불가한 경우, 생성된 응력 예측모델에 바람정보를 입력하여 고층 구조물의 안전성을 평가하는 안전성 평가부를 포함한다.A second aspect of the present invention is a safety evaluation system using an artificial neural network-based high-rise structure stress prediction model, comprising: a wind sensor installed in a high-rise structure to measure wind information in real time; A plurality of strain sensors installed in the high-rise structure for measuring a strain of the structure according to the wind information measured by the wind sensor; A stress prediction model generation unit for generating a stress prediction model of a high-rise structure according to wind loads by training strain data according to wind information based on an artificial neural network (ANN) formed by a plurality of wind sensors and strain sensors; And a safety evaluation unit for evaluating the safety of the high-rise structure by inputting wind information to the generated stress prediction model when the strain sensor response is not possible.

여기서, 인공신경망은, 상기 바람정보를 입력값으로 하는 입력층; 및 상기 변형률을 출력값으로 하는 출력층을 포함하여 구성되는 것이 바람직하고, 상기 출력값은, 상기 고층 구조물의 변형률 최대값 및 최소값인 것이 바람직하다.
변동 풍하중에 의한 상기 변형률 최대값 및 최소값은 변형률의 동적 응답을 계측하기 위해 변형률의 변동범위를 반영하는 구성 성분이며, 변동 풍하중에 의해, 변형률 센서(110)면의 방향과 바람의 방향이 일치하지 않는 경우에 발생되는 구조물의 변형률 동적 응답이 (+)값이면 인장응력이 발생되고, (-)부호이면 압축응력이 발생된다.
Here, the artificial neural network includes: an input layer having the wind information as an input value; And an output layer having the strain as an output value, and the output value is preferably a maximum strain value and a minimum strain value of the high-rise structure.
The maximum and minimum strains of the strain due to the fluctuating wind load are components that reflect the range of variation of the strain to measure the dynamic response of the strain and the direction of the strain sensor 110 surface and wind direction are not coincident If the dynamic response of the structure is positive, tensile stress is generated, and if negative, compressive stress is generated.

또한, 응력 예측모델 생성부는, 응력 예측모델 생성부가 바람정보가 입력되는 입력층, 변형률이 출력되는 출력층 및 2개의 은닉층을 포함하여 형성된 인공신경망 내의 연결 가중치 값의 갱신을 통한 훈련 데이터를 생성하고, 훈련 데이터를 바탕으로 풍하중에 따른 고층 구조물의 응력 예측모델을 생성하는 것이 바람직하고, 상기 연결 가중치 값의 갱신은, 역전파 학습 알고리즘(Back Propagation Learning Algorithm)에 의해 수행되는 것이 바람직하다.In addition, the stress prediction model generation unit generates the stress data by updating the connection weight value in the artificial neural network including the input layer to which the wind information is input, the output layer to output the strain, and the two hidden layers, It is preferable to generate the stress prediction model of the high-rise structure according to the wind load based on the training data, and it is preferable that the connection weight value is updated by the Back Propagation Learning Algorithm.

그리고 본 발명의 제3 특징은 인공신경망 기반 고층 구조물 응력 예측모델을 이용한 안전성 평가방법으로, 상술한 평가 시스템을 이용하여, (a) 고층 구조물에 설치된 풍향풍속계가 실시간으로 측정된 바람정보 데이터를 획득하는 단계; (b) 고층 구조물에 설치된 다수개의 변형률 센서가 실시간 계측을 통해 상기 바람정보 데이터에 따른 변형률 데이터를 획득하는 단계; (c) 응력 예측모델 생성부가 응력 센서의 인공신경망(ANN)을 이용하여 바람정보 데이터에 따른 구조물의 변형률 데이터를 훈련시켜 훈련데이터를 산출하는 단계; (d) 안전성 평가부가 산출된 훈련된 데이터를 바탕으로 풍하중에 따른 고층 구조물의 응력 예측 모델을 생성하는 단계; 및 (E) 변형률 센서 응답이 불가한 경우, 생성된 응력 예측모델에 바람정보를 입력하여 고층 구조물의 안전성을 평가하는 단계를 포함한다.According to a third aspect of the present invention, there is provided a safety evaluation method using a stress prediction model based on artificial neural network based on artificial neural network, wherein the above-described evaluation system is used to (a) acquire wind information data measured in real time by a wind speed anemometer installed in a high- ; (b) a plurality of strain sensors installed on the high-rise structure obtain strain data corresponding to the wind information data through real-time measurement; (c) calculating a training data by tracing strain data of a structure according to wind information data using an artificial neural network (ANN) of a stress sensor model generating unit; (d) generating a stress prediction model of a high-rise structure according to a wind load based on the trained data calculated by the safety evaluation section; And (E) if the strain sensor response is not possible, inputting wind information to the generated stress prediction model to evaluate the safety of the high-rise structure.

여기서, 상기 (c) 단계는, 바람정보를 입력값으로 하는 입력층과 변형률을 출력값으로 하는 출력층을 포함하여 구성되는 인공신경망을 이용하여 바람정보 데이터에 따른 구조물의 변형률 데이터를 훈련시켜 훈련데이터를 산출하는 단계인 것이 바람직하고, 상기 출력값은, 상기 고층 구조물의 변형률 최대값 및 최소값인 것이 바람직하다.In the step (c), the strain data of the structure according to the wind information data is trained using the artificial neural network including the input layer having the wind information as the input value and the output layer having the strain as the output value, It is preferable that the output value is a maximum value and a minimum value of the strain of the high-rise structure.

그리고, 상기 (c) 단계는, 응력 예측모델 생성부가 바람정보가 입력되는 입력층, 변형률이 출력되는 출력층 및 2개의 은닉층을 포함하여 형성된 인공신경망 내의 연결 가중치 값의 갱신을 통한 훈련 데이터를 생성하는 단계; 및 훈련 데이터를 바탕으로 풍하중에 따른 고층 구조물의 응력 예측모델을 생성하는 단계를 포함하는 것이 바람직하며, 상기 연결 가중치 값의 갱신은, 역전파 학습 알고리즘(Back Propagation Learning Algorithm)을 이용하는 것이 바람직하다.In the step (c), the stress prediction model generation unit generates training data through updating the connection weight value in the artificial neural network including the input layer to which the wind information is input, the output layer to output the strain, and the two hidden layers step; And generating a stress prediction model of a high-rise structure according to a wind load based on the training data. Preferably, the connection weight value is updated using a Back Propagation Learning Algorithm.

본 발명에 따른 인공신경망 기반 고층 구조물 응력 예측모델 시스템, 이를 이용한 안전평가 시스템 및 그 평가방법은 다음과 같은 효과를 가진다.The artificial neural network based high-layer structure stress prediction model system according to the present invention, the safety evaluation system using the same, and the evaluation method thereof have the following effects.

첫째, 본 발명은 인공신경망을 이용하여 고층건물 거동에 주요하게 영향을 미치는 풍하중(바람 정보)과 부재의 응력간의 비선형적 관계에 대한 네트워크를 형성하는 응력 예측모델 시스템을 제공한다.First, the present invention provides a stress prediction model system that forms a network for a nonlinear relationship between wind loads (wind information) and member stresses that largely affect high-rise building behavior using an artificial neural network.

둘째, 본 발명은 센서의 결함 및 유실 등으로 인해 응력 계측이 불가하더라도 바람 정보만으로 구조물의 응력을 예측하여 안전성 평가할 수 있는 안전성 평가 시스템을 제공한다.Second, the present invention provides a safety evaluation system which can predict the stress of the structure only by wind information and evaluate the safety even if the stress measurement is impossible due to defects and loss of the sensor.

셋째, 본 발명은 고층 건물의 지속가능한 SHM(Structural Health Monitoring)을 위해 인공신경망(ANN)을 이용한 주요 구조 부재의 바람에 대한 응답 예측 모델 시스템, 안전성 평가 시스템 및 그 방법을 제공한다.Third, the present invention provides a wind response prediction model system, a safety evaluation system, and a method of a structural member using an artificial neural network (ANN) for sustainable SHM (Structural Health Monitoring) of a high-rise building.

넷째, 본 발명은 변형률의 범위 예측을 가능케 함으로써 고층 구조물의 주요 부재인 기둥의 안전성 확보할 수 있는 안전성 평가 시스템 및 그 평가방법을 제공한다.Fourth, the present invention provides a safety evaluation system and a method of evaluating the safety of a column, which is a main member of a high-rise structure, by predicting a strain range.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to those mentioned above, and other effects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 인공신경망 기반 고층 구조물 응력 예측모델 시스템 및 그 안전성 평가 시스템의 블록 구성을 나타낸 도면이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 응력 예측모델 시스템 및 그 안전성 평가 시스템의 연결 모식도이다.
도 3은 본 발명의 실시예를 검증하기 위한 풍동실험 센서 구성의 모식도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 적용되는 인공신경망(ANN)의 훈련 데이터 셋(data set)을 나타낸 모식도이다.
도 5는 정적응답이 지배하는 경우의 변형률 데이터를 나타낸 그래프이다.
도 6은 정적응답이 지배하는 경우의 변형률 변동폭을 나타낸 그래프이다.
도 7은 동적응답이 지배하는 경우 변형률 데이터를 나타낸 그래프이다.
도 8는 동적응답이 지배하는 경우의 변형률 변동폭을 나타낸 그래프이다.
도 9는 훈련 데이터 셋의 입력 및 출력 데이터의 상관관계를 나타낸 그래프이다.
도 10은 훈련 데이터 셋의 입력 및 출력 데이터의 상관관계를 극좌표로 나타낸 그래프이다.
도 11은 훈련 데이터 셋의 입력 및 출력 데이터의 상관관계를 직교좌표로 나타낸 그래프이다.
도 12는 은닉층이 2개인 경우, 본 발명의 실시예에 적용되는 인공신경망(ANN) 구조의 모식도이다.
도 13은 은닉층이 2개인 경우, 본 발명의 실시예에 적용되는 인공신경망(ANN)에 대한 응력 산출 결과를 나타낸 그래프이다.
도 14는 은닉층이 2개인 경우, 본 발명의 실시예에 적용되는 인공신경망(ANN)에 대한 에러 산출 결과를 나타낸 그래프이다.
1 is a block diagram of an artificial neural network-based high-story structure stress prediction model system and its safety evaluation system according to an embodiment of the present invention,
2 is a connection model diagram of a stress prediction model system and its safety evaluation system according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic diagram of a wind tunnel test sensor configuration for verifying an embodiment of the present invention.
4 is a schematic diagram showing a training data set of an ANN applied to an embodiment of the present invention.
5 is a graph showing strain data when the static response is dominant.
6 is a graph showing the strain fluctuation width when the static response is dominant.
7 is a graph showing strain data when the dynamic response is dominant.
Fig. 8 is a graph showing the variation range of strain when the dynamic response dominates.
9 is a graph showing the correlation between input and output data of a training data set.
10 is a graph showing the correlation between input and output data of a training data set in polar coordinates.
11 is a graph showing the correlation between input and output data of a training data set in Cartesian coordinates.
12 is a schematic diagram of an artificial neural network (ANN) structure applied to an embodiment of the present invention when there are two hidden layers.
FIG. 13 is a graph showing a result of stress calculation for an artificial neural network (ANN) applied to an embodiment of the present invention when there are two hidden layers.
14 is a graph showing an error calculation result for the ANN applied to the embodiment of the present invention when there are two hidden layers.

본 발명의 추가적인 목적들, 특징들 및 장점들은 다음의 상세한 설명 및 첨부도면으로부터 보다 명료하게 이해될 수 있다. Further objects, features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description and the accompanying drawings.

본 발명의 상세한 설명에 앞서, 본 발명은 다양한 변경을 도모할 수 있고, 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 아래에서 설명되고 도면에 도시된 예시들은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Before describing the present invention in detail, it is to be understood that the present invention is capable of various modifications and various embodiments, and the examples described below and illustrated in the drawings are intended to limit the invention to specific embodiments It is to be understood that the invention includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, . On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, the terms "comprises" or "having" and the like refer to the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.

또한, 명세서에 기재된 "...부", "...유닛", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미할 수 있다.Further, terms such as " part, "" unit," " module, "and the like described in the specification may mean a unit for processing at least one function or operation.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In the following description of the present invention with reference to the accompanying drawings, the same components are denoted by the same reference numerals regardless of the reference numerals, and redundant explanations thereof will be omitted. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail.

이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 인공신경망 기반 고층 구조물 응력 예측모델 시스템(100) 및 그 안전성 평가 시스템(200)의 블록 구성을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 인공신경망 기반 고층 구조물 응력 예측모델 시스템(100) 및 그 안전성 평가 시스템(200)의 연결 모식도이다.FIG. 1 is a block diagram of a stress prediction model system 100 and its safety evaluation system 200 according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a block diagram of a neural network-based high-layer structure stress prediction model system 100 according to an embodiment of the present invention. Based stress prediction model system 100 and a safety evaluation system 200 thereof.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 인공신경망 기반 고층 구조물 응력 예측모델 시스템(100)은 고층 구조물에 설치되어 바람정보를 실시간으로 측정하는 바람센서(130)와, 구조물에 다수개 설치되어 바람센서(130)에 의해 측정된 바람정보에 따른 구조물의 변형률을 측정하는 변형률 센서(110)와, 다수개의 바람센서(130) 및 변형률 센서(110)를 통해 형성된 인공신경망(Artificial Neural Network:ANN)을 바탕으로 바람정보에 따른 변형률 데이터를 훈련시켜 풍하중에 따른 고층 구조물의 응력 예측모델을 생성하는 응력 예측모델 생성부(150)를 포함하여 구성된다.As shown in FIG. 1, an artificial neural network-based high-story structure stress prediction model system 100 according to an embodiment of the present invention includes a wind sensor 130 installed in a high-rise structure for measuring wind information in real time, A strain sensor 110 installed to measure the strain of the structure according to the wind information measured by the wind sensor 130 and an artificial neural network 110 formed by the plurality of wind sensors 130 and the strain sensor 110. [ : ANN) based on the wind information to generate a stress prediction model of the high-rise structure according to the wind load.

이처럼, 본 발명의 실시예는 인공신경망을 이용하여 고층 구조물 거동에 주요하게 영향을 미치는 풍하중(바람 정보)과 부재의 응력간의 비선형적 관계에 대한 네트워크를 형성함으로써, 센서의 결함 및 유실 등으로 인해 응력 계측이 불가하더라도 바람 정보만으로 구조물의 응력을 예측할 수 있고 지속 가능한 고층 구조물의 안전성 평가를 위한 응력 예측 모델 시스템 및 그 안전성 평가 시스템(200)을 제안한다.Thus, embodiments of the present invention provide a network of non-linear relationships between wind loads (wind information) and member stresses that primarily affect the behavior of high-rise structures using artificial neural networks, resulting in sensor defects and loss We propose a stress prediction model system and its safety evaluation system (200) for safety assessment of sustainable high-rise structures that can predict the stress of a structure only with wind information even if stress measurement is impossible.

본 발명의 실시예에 따른 인공신경망 기반 고층 구조물 응력 예측모델 시스템(100)의 구성요소를 보다 구체적으로 살펴보면 이하와 같다.Structural elements of the artificial neural network-based high-story structure stress prediction model system 100 according to an embodiment of the present invention will be described in more detail as follows.

도 1에 나타낸 바와 같이, 고층 구조물에 설치되는 바람센서(130)는 풍향풍속계로서, 고층구조물의 최상층에 설치되는 것이 바람직하며, 풍향풍속계로부터 고층 구조물 상부에 부는 바람의 풍속 및 풍향 등을 포함하는 바람정보를 계측한다. 이처럼 본 발명의 실시예에서 바람센서(130)를 이용하는 것은, 고층 구조물에 설치된 변형률 센서(110)가 유실되거나 통신이 두절되어 변형률 예측이 불가하게 됨으로써, 상시 구조물 안전성을 모니터링 할 수 없는 경우를 대비하기 위해, 바람에 의한 풍하중에 따른 고층 구조물의 응력 예측 모델를 생성하고 갱신하여 센서 계측불가의 경우에도 고층 구조물의 변형률을 정확히 예측하고 상시적으로 안정성을 평가할 수 있는 예측 모델 시스템 및 그 안전성 평가 시스템(200)을 제공하기 위함이다. 이외에도 본 발명의 실시예에 적용되는 바람센서(130)는 바람의 풍향 및 풍속을 포함하고 다양한 바람정보를 계측할 수 있는 센서라면 모두 가능함은 물론이다.As shown in FIG. 1, the wind sensor 130 installed in the high-rise structure is preferably a wind direction anemometer, and is preferably installed on the uppermost layer of the high-rise structure. The wind sensor 130 includes wind speeds and wind directions, Wind information is measured. The use of the wind sensor 130 in the embodiment of the present invention is advantageous in that the strain sensor 110 installed in the high-rise structure is lost or communication is interrupted and the strain prediction becomes impossible, In this paper, a prediction model system and its safety evaluation system which can accurately estimate the strain of a high - rise structure and evaluate stability at all times even when sensor measurement can not be done by creating and updating a stress prediction model of a high - 200). In addition, it is needless to say that the wind sensor 130 applied to the embodiment of the present invention can be any sensor including wind direction and wind speed and capable of measuring various wind information.

그리고, 고층 구조물의 기둥 등의 부재에 다수개 설치되는 변형률 센서(110)는 응력센서로서 FBG 센서를 사용하는 것이 바람직하다. 고층 구조물의 응력(strain) 또는 변형률을 측정하기 위해 설치되는 FBG(Fiber Bragg grating) 센서는 광센서로서 기존의 전기식 또는 기계식 센서와 비교하여 더욱 효율적이고, 거친 환경, 분산 시스템, 그리고 장시간 사용성이 있다는 장점이 있다.It is preferable to use FBG sensors as stress sensors for the strain sensors 110 provided in a plurality of members such as pillars of the high-rise structure. Fiber Bragg grating (FBG) sensors, which are installed to measure the strain or strain of high-rise structures, are optical sensors that are more efficient, harsh environments, dispersive systems, and longer usable than conventional electrical or mechanical sensors There are advantages.

응력(strain) FBG 센서는 그레이팅(grating)의 성질에 따라 특정 파장이 방사되는 원리를 사용하는 계측기기로서, FBG가 확장되거나 수축되면 그레이팅(grating)의 간격도 변하게 되어 반사된 빛의 파장이 변경되는 원리를 사용하는 효율적이고 성능이 높은 응력 계측기기이다. 이와 같은 다수의 FBG 응력 또는 변형률 센서(110)를 고층 구조물의 기둥 부분에 다수개 설치하여 실시간으로 응력 또는 변형률을 측정하게 되는데, 다수개의 각 센서들이 하나의 인공신경망을 구성하는 노드로서 기능을 수행하게 된다.Strain The FBG sensor is a measuring instrument that uses a principle that a specific wavelength is radiated according to the nature of the grating. When the FBG expands or contracts, the interval of the grating changes, and the wavelength of the reflected light changes Is an efficient and high-performance stress measuring instrument that uses the principle that A plurality of FBG stress or strain sensors 110 are installed on a column portion of a high-rise structure to measure stress or strain in real time. A plurality of angular sensors function as nodes constituting one artificial neural network .

응력 예측모델 생성부(150)는 상술한 다수개의 바람센서(130) 및 변형률 센서(110)를 통해 형성된 인공신경망(Artificial Neural Network:ANN)을 바탕으로 바람정보에 따른 변형률 데이터를 훈련시켜 풍하중에 따른 고층 구조물의 응력 예측모델을 생성하는 장치이고, 안전성 평가부(210)는 예측모델 시스템에 의해 생성된 모델을 통해 센서 유실 등의 변형률 예측 불가의 경우에도, 상술한 예측모델을 통해 바람 정보만을 이용하여 고층 구조물의 변형률을 예측하여 안전성을 평가할 수 있는 장치이다.The stress prediction model generation unit 150 trains strain data according to the wind information based on the artificial neural network (ANN) formed through the plurality of wind sensors 130 and the strain sensor 110 as described above, And the safety evaluation unit 210 is a device for generating a stress prediction model of a high-rise structure according to the above-described predictive model, using the model generated by the prediction model system, It is a device that can evaluate the safety of high-rise structures by predicting the strain.

여기서, 도 1에 나타낸 바와 같이, 응력 예측모델 생성부(150)와 안전성 평가부(210)는 하나의 컴퓨팅 장치에 의해 구성될 수 있고, 컴퓨팅 장치는 무선통신장치를 구비한 서버, 컴퓨터 및 노트북 등 마이크로프로세서를 구비하여 컴퓨터프로그램 수행이 가능한 연산처리장치이면 모두 가능하다.1, the stress prediction model generation unit 150 and the safety evaluation unit 210 may be constituted by one computing device, and the computing device may be a server having a wireless communication device, a computer and a notebook computer A microprocessor, or the like, and may be an arithmetic processing unit capable of executing a computer program.

이와 같이 본 발명의 실시예에서는 센싱에 의한 고층 구조물의 지속적 또는 장기적 안전성 평가에 대한 대안으로 인공신경망을 이용한 고층 구조물의 응력 예측모델 및 안전성 평가 모델을 제안한다. As described above, the present invention proposes a stress prediction model and a safety evaluation model of a high-rise structure using an artificial neural network as an alternative to continuous or long-term safety evaluation of a high-rise structure by sensing.

본 발명의 실시예에서는 센서의 결함으로 인해 계측 데이터가 유실된 경우, 고층 구조물 또는 고층건물에 영향을 미치는 가장 중요한 하중 중 하나인 풍하중에 대한 응답을 예측하기 위해 인공신경망을 도입하는 시스템 및 방법을 제안한다. 인공신경망은 기 확보된 입력, 출력 데이터를 훈련시켜 네트워크를 형성하고 새로운 입력 데이터가 들어왔을 때 형성된 네트워크를 통해 이에 대한 결과를 예측하여 출력하는 것이 가능하다. In the embodiment of the present invention, a system and a method for introducing an artificial neural network to predict a response to a wind load, which is one of the most important loads affecting a high-rise structure or a high-rise building when measurement data is lost due to a sensor defect I suggest. The artificial neural network trains the pre-established input and output data to form a network, and it is possible to predict and output the results through the network formed when new input data is received.

또한 본 발명의 실시예에 따른 응력 예측모델 시스템(100), 안전성 평가 시스템(200) 및 안전성 평가방법은 불확실성이 많은 바람과 바람에 의한 구조물의 동적 응답과 같은 복잡한 비선형적 문제를 해결하기 위해 인공신경망 도입하는 시스템 및 방법을 제안한다. 인공신경망의 비선형 문제로의 적용성을 활용하여 고층건물 거동에 주요하게 영향을 미치는 풍하중, 즉 바람정보와 구조물의 안전성, 즉 부재의 응력간의 비선형적 관계가 신경망에 의해 정의된다면 센서에 유실에 의해 응력 계측이 불가한 상황에서도 바람 정보만으로 구조물의 응력 예측이 가능하고 안전성 평가를 할 수 있다. In addition, the stress prediction model system 100, the safety evaluation system 200, and the safety evaluation method according to the embodiment of the present invention are designed to solve complex nonlinear problems such as dynamic responses of wind and wind caused by many uncertainties, We propose a system and method to introduce neural network. If the nonlinear relationship between the wind load and the safety of the structure, ie the stress of the member, which mainly affects the behavior of the high - rise buildings, is defined by the neural network using the applicability to the nonlinear problem of the artificial neural network, Stress prediction of structures can be made with wind information alone and safety evaluation can be done even when stress measurement is impossible.

즉, 본 발명의 실시예에서는 고층 건물의 지속가능한 SHM(Structural Health Monitoring)을 위해 인공신경망(ANN)을 이용한 주요 구조 부재의 바람에 대한 응답 예측 모델을 제안한다. 즉, 본 발명의 실시예는 ANN의 훈련 데이터 생성을 위해 풍향풍속계 및 변형률 센서(110) 중 적어도 하나로 사용되는 FBG센서의 실시간 계측을 통해 바람정보와 부재의 응력(strain)을 계산하는데 이용되는 변형률 데이터를 계측하고 ANN을 이용하여 이들 데이터 세트를 훈련시키게 된다. That is, in the embodiment of the present invention, a predictive model for response of the wind to the main structural member using the artificial neural network (ANN) is proposed for sustainable SHM (Structural Health Monitoring) of the high-rise buildings. That is, the embodiment of the present invention provides a method and apparatus for estimating the strain (strain) used to calculate wind information and member strain through real-time measurement of an FBG sensor used for at least one of a wind direction anemometer and strain sensor 110 for generating training data of ANN The data is measured and the ANN is used to train these data sets.

그리고, 변형률 센서(110)의 유실이 발생한 경우, 변형률 센서(110)에 비해 비교적 계측이 용이하고 계측 데이터의 유실 위험이 적은 풍향풍속계를 통해 얻은 바람정보만을 훈련된 인공신경망에 입력하여 (해당 유실 센서가 부착된) 부재의 변형률(응력)을 예측하는 시스템 및 방법을 제안한다.When the strain sensor 110 is lost, only the wind information obtained through the wind speed anemometer, which is relatively easy to measure and less likely to lose measurement data, is input to the trained artificial neural network as compared with the strain sensor 110 A system and a method for predicting the strain (stress) of a member (with a sensor attached thereto) are proposed.

또한 본 발명의 실시예에서 제안하는 인공신경망은 풍향과 풍속을 입력층으로 설정되고 각 기둥의 변형률을 출력층으로 설정된다. 바람의 동적 특성에 대한 변형률 응답의 변동 범위를 고려하기 위해 변형률의 최대값과 최소값이 출력되도록 출력층을 구성한다. In the artificial neural network proposed in the embodiment of the present invention, the wind direction and wind speed are set as input layers, and the strain of each column is set as an output layer. The output layer is constructed so that the maximum and minimum values of the strain are output in order to take into account the variation range of the strain response to the dynamic characteristics of the wind.

즉 본 발명의 실시예에 따른 인공신경망 기반 고층 구조물 응력 예측모델 시스템(100), 이를 이용한 안전성 평가 시스템(200) 및 그 평가방법은 인공신경망의 훈련 데이터 생성을 위해 풍향풍속계 및 변형률 센서(110) 중 하나인 FBG 센서의 실시간 계측을 통해 바람 정보와 부재의 응력을 계산하는데 이용되는 변형률 데이터를 계측하며 인공신경망을 이용하여 이들 데이터 세트를 훈련시키게 된다. That is, the artificial neural network-based high-story structure stress prediction model system 100 according to the embodiment of the present invention, the safety evaluation system 200 using the same, and the evaluation method thereof are provided with a wind direction anemometer and a strain sensor 110 for generating training data of an artificial neural network, Strain data used to calculate wind information and member stresses are measured through real-time measurement of the FBG sensor, and these data sets are trained using artificial neural networks.

그리고 나서, 변형률 센서(110)의 결함 및 데이터 유실이 발생한 경우, 변형률 센서(110)에 비해 비교적 계측이 용이하고 계측 데이터의 유실 위험이 적은 풍향풍속계를 통해 얻은 바람 정보만을 훈련된 인공신경망에 입력하여 해당 유실 센서가 부착된 부재의 변형률(응력)을 예측하는 시스템 및 그 방법을 제안한다. 또한, 본 발명에서 제안하는 인공신경망은 풍향과 풍속을 입력층으로 설정하고 각 기둥의 변형률을 출력층으로 설정하고, 바람의 동적 특성에 대한 변형률 응답의 변동 범위를 고려하기 위해 변형률의 최대값과 최소값이 출력되도록 출력층을 구성한다. Then, when defects of the strain sensor 110 and data loss occur, only the wind information obtained through the wind direction anemometer, which is comparatively easy to measure and less likely to lose measurement data than the strain sensor 110, is input to the trained artificial neural network (Strain) of a member to which the sensor is attached, and a method therefor. In the artificial neural network proposed in the present invention, the wind direction and the wind velocity are set as input layers, the strain of each column is set as an output layer, and the maximum and minimum values of the strain The output layer is formed.

인공신경망 훈련이 종료되면 훈련에 이용되지 않은 검증용 데이터 세트, 훈련 시와 마찬가지로 풍향, 풍속의 입력과 변형률의 출력을 통해 훈련된 신경망을 검증하게 되는데, 본 발명의 실시예서는 인공신경망은 역전파 인공신경망(Back Propagation Neural Network , BPNN)을 이용한 방법을 사용하는 것이 바람직하다. 그 외에도 인공신경망의 다양한 기법을 통해 적용할 수 있음은 물론이다.At the end of the artificial neural network training, the verification data set which is not used for the training and the training neural network are verified through the output of the wind direction, the wind speed input and the strain as in the case of the training. It is preferable to use a method using a Back Propagation Neural Network (BPNN). In addition, it can be applied through various techniques of artificial neural networks.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 인공신경망 기반 고층 구조물 응력 예측모델 시스템(100), 이를 이용한 안전성 평가 시스템(200) 및 그 안전성 평가방법을 검증하기 위해 고층건물의 주요 부재들 중 기둥 부재에 국한되며 실 건물 적용에 앞서 축소 모형 실험체의 풍동 실험을 통해 그 실효성을 검증하는 과정과 결과를 설명하기로 한다. Hereinafter, in order to verify an artificial neural network-based high-layer structure stress prediction model system 100, a safety evaluation system 200 using the artificial neural network-based stress prediction model system 100, and a safety evaluation method thereof according to an embodiment of the present invention, The results of this study are as follows.

축소 모형 실험체는 고층건물의 대표적인 구조 시스템인 코어, 외주기둥, 아웃리거 시스템을 모사하였으며, 풍속과 풍향을 제어해가며 그때마다의 주요 부재 중 하나의 요소인 구조물의 기둥의 변형률을 계측하였다. 풍향, 풍속 데이터와 계측된 변형률은 인공신경망의 훈련 데이터 세트로 활용된다.Scaled model specimens simulated core, outsourced columns and outrigger systems, which are representative structural systems of high - rise buildings, and measured strain rates of pillars of structures, which are one of the major members of each time, controlling wind speed and direction. Wind direction, wind speed data, and measured strain are used as training data sets for artificial neural networks.

풍동 실험Wind tunnel experiment

고층건물의 거동에 가장 큰 영향을 미치는 횡하중은 주로 풍하중에 의해 결정된다. 고층건물 설계 시 풍하중 산정이 필요하며 다양한 산정 방법이 있다. 대부분의 고층건물은 도심지에 있는 경우가 많기 때문에 다른 건물에 의해 발생하는 기류의 영향을 받게 된다. 따라서, 고층건물 설계 시 풍동실험을 수행하고 이를 토대로 풍하중 및 풍응답을 산정한다. 풍동실험은 대상건물의 스케일 모형을 제작하여 구조물이 시공될 지역과 비슷한 조건을 구성, 해당 지역의 풍속을 고려하여 모형의 응답을 계측한다. 모형에 센서를 설치하여 가속도, 변위, 풍압 등을 계측하여 설계의 적정성 및 건물에 미치는 바람의 영향 등을 판단하는데 사용된다. Cluni et al(2011)는 정형 및 비정형 고층건물에 바람의 영향(action)을 분석하기 위해 대표적인 풍동실험 계측 시스템인 고주파 힘 균형 방법(high frequency force balance(HFFB) method)과 동기화 다중압력 센싱 시스템(synchronous multi-pressure sensing system(SMPSS)) 기술을 이용한 풍동실험을 수행하였다. Kim et al(2009)는 3채의 강화 콘크리트(reinforced concrete) 고층건물에 대해 풍동실험과 FE 모델을 통해 태풍시 가속도 응답 예측에 관한 연구를 수행하고 계측한 가속도와의 검증을 수행하였다. Lateral loads, which have the greatest influence on the behavior of high-rise buildings, are mainly determined by wind loads. When designing a high-rise building, it is necessary to estimate the wind load and various estimation methods are available. Most high-rise buildings are often located in urban areas, so they are affected by the airflow generated by other buildings. Therefore, wind tunnel tests are carried out in the design of high - rise buildings, and the wind loads and wind responses are calculated based on them. Wind tunnel tests are performed by constructing a scale model of the target building, constructing conditions similar to the area where the structure will be constructed, and measuring the response of the model considering the wind speed in the area. It is used to measure acceleration, displacement, wind pressure, etc. by installing a sensor on the model to judge the suitability of the design and the influence of the wind on the building. Cluni et al (2011) used a high-frequency force balance (HFFB) method and a multi-pressure sensing system (HFFB) to analyze the effects of wind on orthopedic and atypical high-rise buildings. (SMPSS) technology for wind tunnel experiments. Kim et al. (2009) conducted a study on the prediction of acceleration responses during typhoons through wind tunnel tests and FE models for three reinforced concrete high-rise buildings.

Li et al(2006)은 중국 고층건물 중 하나인 진 마오 빌딩(Jin Mao Building)에 대해 HFFB방법을 이용하여 풍동실험을 수행하였고 태풍 시 실제 해당 건물의 응답 계측을 통해 건물의 풍응답 및 고층 건물에 태풍이 미치는 영향 분석에 관한 연구를 수행하였다. 대부분의 풍동실험은 모형체에 부착된 센서를 통해 풍압을 계측하나 이 외에 가속도, 변위계 등 다양한 센서를 통해 실험이 이루어지기도 한다. Li et al (2006) conducted a wind tunnel test using the HFFB method for the Jin Mao Building, one of China's high-rise buildings. Through the response measurement of the actual building during typhoon, This study was carried out to analyze the impact of typhoons. Most wind tunnel tests measure wind pressure through a sensor attached to the model body, but experiments are also carried out through various sensors such as acceleration and displacement gauges.

Hwang et al(2011)는 고층건물의 풍응답 예측에 관한 알고리즘을 검증하기 위해 고층건물 모형 최상층에 LED 타겟(target)을 설치하고 바닥에 설치한 카메라를 통해 변위를 계측하는 풍동실험을 수행하였다. 이외에 대상에 부착된 마커를 통해 3차원 좌표를 얻어 변위를 계측할 수 있는 모션 캡처 시스템(Motion Capture System: MCS)를 풍동실험에서 풍응답 계측에 활용되는 연구(Park et al., 2013) 등 다양한 풍동실험 관련 연구가 진행되어 왔다. Hwang et al (2011) conducted a wind tunnel experiment to install an LED target on the top layer of a high-rise building model and to measure displacement through a camera installed on the floor to verify the algorithm for predicting the wind response of high-rise buildings. In addition, a motion capture system (MCS) capable of measuring displacement by measuring three-dimensional coordinates through the markers attached to the object is used in a wide variety of applications, including wind field measurement (Park et al., 2013) Studies on wind tunnel experiments have been conducted.

본 발명의 실시예에서도 ANN을 이용한 고층건물의 풍응답 예측 기법을 검증하기 위하여 고층건물의 대표적인 구조 형식을 가진 축소모형을 제작하여 풍동실험을 수행하였다. In the embodiment of the present invention, to verify the wind response prediction technique of high-rise building using ANN, a miniature model having a typical structure type of a high-rise building was manufactured and a wind tunnel test was performed.

도 3은 본 발명의 실시예를 검증하기 위한 풍동실험 센서 구성의 모식도이고, 도 3에 나타낸 바와 같이, 풍동실험에 이용된 모형은 정형 구조물로써 실제 고층건물의 대표적인 구조 시스템을 모사하기 위해 구조물 중앙에 코어를 배치하고 건물 외곽에 외주기둥을 8개를 배치하였다. 또한, 건물 최상층에는 아웃리거를 설치하였고 5개의 층으로 구분하여 질량체를 설치하였다. FIG. 3 is a schematic diagram of a wind tunnel test sensor configuration for verifying an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, the model used in the wind tunnel test is a regular structure, and in order to simulate a typical structural system of a high- And 8 outboard columns were placed on the outside of the building. The outrigger was installed on the top floor of the building, and the mass was divided into five layers.

풍동실험 시에는 실험체 외부에 외피를 설치하여 실제로 건물이 풍압 면적을 통해 바람을 받는 것과 유사하게 만들어 주었다. 풍동실험 시 모델의 축소비 및 풍속의 축소비, 데이터 측정간격, 측정시간 등을 고려하여야 하나, 본 발명의 실시예에서 사용한 실험체는 특정 건물을 대상으로 제작된 것이 아니며 이에 따라 모델의 축소비가 주어지지 않은 만큼 실험 풍속 설정 시 특정 상사율을 고려하지 않았다. 풍동실험은 한국의 D사의 풍동실험 전문 실험동에서 실시하였다. 실험체는 바람 터널(wind tunnel) 턴테이블에 놓이게 되는데 턴테이블은 회전이 가능하여 건물이 바람을 맞는 각도를 원하는데로 조절이 가능한 바, 이를 통해 풍향을 조절하였다. 또한, 풍속 조절을 위해 풍하중 입력을 위한 풍력원을 100rpm에서 400rpm으로 변화시켜 가며 실험을 수행하였다. During the wind tunnel test, the outer shell was installed outside the test body to make the building similar to the wind received through the wind pressure area. In the wind tunnel test, the reduction ratio of the model, the reduction ratio of the wind speed, the data measurement interval, and the measurement time should be considered, but the test object used in the embodiment of the present invention is not designed for a specific building, The specific boss ratio was not taken into consideration when setting the experimental wind speed. The wind tunnel test was carried out at the Experimental Experiment Station of wind tunnel experiment of Korea D Company. The specimen is placed in the wind tunnel turntable. The turntable is rotatable so that the building can adjust the wind angle to the desired angle. Also, the experiment was conducted by changing the wind power source for wind load input from 100 rpm to 400 rpm in order to control the wind speed.

실험체에는 변형률 계측 센서인 FBG센서가 설치되었으며 횡력에 의해 응력이 가장 많이 발생하는 실험체 기둥의 하단부에 설치되어 있다. 실험체에 설치된 센서의 위치는 다음 도 3에서 확인할 수 있다. 총 6개의 외주 기둥 하단부에 FBG센서를 설치하여 변형률을 계측하였다. 풍속은 7cases(2.5, 3.75, 5, 6.25, 7.5, 8.75, 10m/s) 풍향은 각 풍속에 대해 5cases(0°, 30°, 45°, 60°, 90°), 총 35case에 대해 풍동실험을 수행하였다. 풍방향은 0°를 기준으로 반시계 방향으로 각도를 변화시켰다. An FBG sensor, a strain measuring sensor, is installed in the test specimen, and it is installed at the lower part of the specimen column where the stress is most generated by the lateral force. The position of the sensor installed in the test object can be confirmed in Fig. The FBG sensor was installed at the lower end of six columns to measure strain. Wind speed experiments were performed on 35 cases at 5cases (0 °, 30 °, 45 °, 60 °, 90 °) for 7cases (2.5, 3.75, 5, 6.25, 7.5, 8.75 and 10m / s) Respectively. The angle of the wind direction was changed counterclockwise with reference to 0 °.

총 35cases 중 계측 오류가 발생한 3case를 제외하여 총 32case가 ANN 모델 훈련 및 검증에 이용되었다. 이 32case 중 6.25m/s를 포함하는 case와 30°를 포함하는 case, 총 10개의 case는 ANN 모델의 검증을 위해 훈련에서 제외시켰다. 따라서, 나머지 22case의 데이터 셋(data set)으로 ANN모델을 훈련시켰다. 풍속과 풍향, 총 6개 기둥의 변형률의 최대값과 최소값을 하나의 셋(set)로 하여 총 22개의 훈련 데이터 셋(data set)이 구성되었다. 훈련 및 검증에 이용된 데이터 셋(data set)은 도 4에 풍속 및 풍향별로 나타내었다. A total of 32 cases were used for ANN model training and verification except for 3 cases where measurement errors occurred in 35cases total. A total of 10 cases were excluded from the training for the verification of the ANN model, including case containing 6.25m / s and case containing 30 ° of 32 cases. Therefore, the ANN model was trained with the data set of the remaining 22 cases. A total of 22 training data sets were constructed with the maximum and minimum values of the strain of the 6 columns in wind speed and wind direction as one set. The data set used for training and verification is shown in Figure 4 by wind speed and wind direction.

인공신경망(ANN)을 이용한 응력 예측모델Stress prediction model using artificial neural network (ANN)

인공신경망 (Artificial Neural Network, ANN)Artificial Neural Network (ANN)

인공신경망 모델은 인간의 뇌의 학습 방법을 모방한 수학적 모델이다. 대뇌의 신경망과 같이 뉴런으로의 입력 신호와 뉴런으로부터의 출력 신호를 각각의 입/출력 노드로 표현하고 시냅스의 결합 세기에 의해 노드 간 연결강도가 결정된다. 인공신경망에서는 흔히 다층 퍼셉트론(MultiLayer Perceptron)이 많이 적용되며, 이 경우 입력층(Input Layer), 출력층(Output Layer) 그리고 하나 이상의 은닉층(Hidden Layer)으로 구성된다. Artificial neural network model is a mathematical model that imitates human brain learning method. Like the cerebral neural network, the input signal to the neuron and the output signal from the neuron are represented by the respective input / output nodes, and the connection strength between the nodes is determined by the coupling strength of the synapse. In Artificial Neural Networks, MultiLayer Perceptron is often applied. In this case, it consists of an input layer, an output layer, and one or more hidden layers.

각 층은 다수의 뉴런으로 구성되어 있고, 각 층의 뉴런은 연결 가중치로 다른 층의 뉴런과 연결되어 있다. 인공신경망에서의 하나의 뉴런은 생물학적 신경망에서의 하나의 생물학적 신경세포의 역할을 한다. 1) 입력층에 입력된 값과 입력층과 은닉층 사이의 연결 가중치의 곱이 더해져 은닉층 뉴런에 입력된다, 2) 입력된 값은 뉴런 내의 비선형 활성화 함수를 거쳐 입력된 값과는 다른 값을 출력한다. 3) 출력 결과를 다른 은닉층 혹은 출력층의 다른 뉴런에게 전달하는 과정을 피드포워드(feed forward) 연산이라 하며, 산출된 출력 값과 원하는 타겟 값이 일치하도록 신경망 내의 연결 가중치의 값을 수정하는 과정을 반복적으로 수행하게 되는데 이를 학습(Learning)이라고 정의하고 있다. 여기서 연결 가중치의 값이 갱신은 역전파 학습 알고리즘(Back Propagation Learning Algorithm, Rumelhart et al, 1986)에 의해 수행된다. 지정한 에포크(epoch)에 도달하거나 훈련에러가 목표 값에 도달한 경우 연산은 멈추게 된다. Each layer is made up of a number of neurons, and each layer of neurons is connected to neurons in the other layer by a connection weight. One neuron in the artificial neural network acts as a biological neuron in the biological neural network. 1) The value input to the input layer is added to the hidden layer neuron by adding the product of the connection weight between the input layer and the hidden layer. 2) The input value is different from the input value through the nonlinear activation function in the neuron. 3) The process of transmitting output results to other hidden neurons or other neurons in the output layer is called a feed forward operation, and the process of modifying the value of the connection weight in the neural network so that the calculated output value coincides with the desired target value is repeated , Which is defined as learning. Here, the update of the value of the connection weights is performed by the Back Propagation Learning Algorithm (Rumelhart et al, 1986). When the specified epoch is reached or the training error reaches the target value, the operation is stopped.

훈련 데이터 선별 방법Training data selection method

본 발명의 실시예에서는 ANN을 이용하여 고층건물의 바람에 따른 응답 예측을 다루고 있는 바, ANN 훈련 데이터의 입력 신호로써 바람 정보가 고려되었다. 고층건물의 최상층에는 일반적으로 풍향풍속계가 설치되어 있어 실시간으로 건물에 불어오는 바람의 풍향과 풍속을 계측하여 사용자에게 송신할 수 있다. 고층건물 기둥 부재의 응력 예측을 위하여 기둥에 계측되는 변형률이 ANN 훈련 데이터의 출력 신호로 사용되었다. 동일 시간의 풍향과 풍속의 입력 신호와 모니터링 대상이 되는 기둥의 변형률의 출력 신호가 하나의 세트로 훈련 데이터가 된다. ANN 훈련이 종료되면 훈련에 이용되지 않은 검증용 데이터 세트, 훈련 시와 마찬가지로 풍향, 풍속의 입력과 변형률의 출력을 통해 훈련된 신경망을 검증하게 된다.In the embodiment of the present invention, the prediction of response of the high-rise buildings according to the wind is handled using ANN, and the wind information is considered as the input signal of the ANN training data. On the top floor of the high-rise building, wind direction anemometer is generally installed, and the wind direction and wind speed blowing to the building can be measured and transmitted to the user in real time. The strain measured on the column was used as the output signal of the ANN training data for the stress prediction of high - rise column members. The input signal of the wind direction and the wind speed of the same time and the output signal of the strain of the column to be monitored become training data in one set. At the end of the ANN training, the verification data set that was not used for the training, and the neural network trained through the input of wind direction, wind speed and strain, as in the case of training, are verified.

바람, 다시 말해 풍하중에 대한 고층건물의 풍응답은 정적인 성분과 동적인 성분으로 구분할 수 있다. 풍응답 가운데 변위를 예로 들면 풍하중에 의해 고층건물은 구조물의 강성에 따라 일정량의 횡변위가 발생하며 이와 동시에 난류의 영향, vortex effect 등으로 그 방향과 값을 예측하기 힘든 동적인 변위가 발생한다. 전자의 경우를 고층건물 풍응답의 정적인 성분으로 볼 수 있고, 후자를 동적인 성분으로 볼 수 있다. 고층건물 내풍설계 시 풍동실험을 통해 측정된 풍력을 이용하여 평균 및 변동 풍하중을 산정할 수 있다. The wind response of the tall building to the wind, in other words the wind load, can be divided into static and dynamic components. In the case of displacement in the wind response, for example, a certain amount of lateral displacement occurs in a high-rise building due to the stiffness of the structure due to wind load. At the same time, a dynamic displacement occurs, which is difficult to predict its direction and value due to turbulence effect and vortex effect. The former case can be regarded as a static component of the high-rise wind response and the latter as a dynamic component. The average wind and the fluctuating wind load can be estimated by using the wind force measured through the wind tunnel test when designing the wind storm of a high-rise building.

평균 풍하중은 바람의 평균적인 성분에 의해 발생하는 하중이므로 측정된 풍력의 평균값을 이용하여 산정하게 되며 위에서 언급한 정적인 응답 성분과 연관이 있다. 변동풍하중은 일정한 패턴이 없이 불규칙적으로 변동하는 바람에 의해 발생한다. 이는 건물에 진동을 유발시키고 이 진동에 의해 관성력이 발생하여 건물에 부가적인 하중으로 작용하게 되며 동적인 응답 성분에 해당된다. Since the average wind load is the load caused by the average component of the wind, it is calculated by using the average value of the measured wind force and is related to the above-mentioned static response component. Variable wind loads are generated by winds that fluctuate irregularly without a constant pattern. This causes the building to vibrate and the inertial force is generated by this vibration, which acts as an additional load on the building and corresponds to the dynamic response component.

따라서, 본 발명의 실시예에서 고층건물 풍응답 대상으로 삼고 있는 변형률 또한 정적인 성분과 동적인 성분으로 나누어 고려되어야 한다. 풍동실험의 계측 결과, 불어오는 바람과 변형률 센서(110)가 설치된 기둥 면과의 각도에 따라, 기둥에서 계측된 변형률은 정적인 성분이 주를 이루며 동적인 성분이 미세한 변형률 변화를 주는 경우와 주로 동적인 성분이 주로 나타내는 경우로 나눌 수 있다.Therefore, in the embodiment of the present invention, the strain to be subjected to the high-rise building wind response should also be considered in terms of the static component and the dynamic component. As a result of the measurement of the wind tunnel test, the strain measured at the column according to the angle between the blowing wind and the column surface on which the strain sensor 110 is installed is mainly composed of a static component, It can be divided into the case where the dynamic component is mainly represented.

첫째, 정적 응답이 지배하는 경우, 상술한 바와 같이, 풍동실험의 계측 결과 중 정적 응답이 지배하는 일반적인 경우를 하나의 예로 설명한다. 6.25m/s의 풍속조건과 0도의 풍향 조건에서 FBG1에서 계측된 변형률 데이터를 예로 사용하였다. 주로 기둥에 설치된 변형률 센서(110)면의 방향과 바람의 방향이 일치하는 경우 이러한 경향이 뚜렷하게 나타난다. First, when the static response dominates, as described above, the general case in which the static response dominates among the measurement results of the wind tunnel test is described as an example. Strain data measured at FBG1 at 6.25 m / s wind speed and 0 degree wind direction were used as examples. This tendency is conspicuous when the direction of the surface of the strain sensor 110 installed on the column coincides with the direction of the wind.

균일한(Uniform) 바람을 일정시간 불어주었을 때의 기둥의 변형률 응답은 도 5와 같이 비교적 일정한 값에 머물러 있는 것을 확인할 수 있다. 그러나 아무리 정적응답이 지배하는 경우일지라도 미세한 동적응답 성분이 포함되어 있다. 도 6은 해당 변형률 계측 시 풍속과 변형률간의 관계를 나타낸다. 13.27ue의 변동폭을 나타내고 있다. It can be seen that the strain response of the column when a uniform wind is blown for a certain period of time remains at a relatively constant value as shown in FIG. However, even if the static response dominates, a fine dynamic response component is included. 6 shows the relationship between the wind speed and the strain at the time of measuring the strain. 13.27eu shows the fluctuation range.

둘째, 동적응답이 지배하는 경우, 상술한 정적응답의 지배하는 경우의 풍속 조건과 90도의 풍향조건에서 FBG1 센서에서 계측한 데이터를 예로 들어 동적 응답이 지배하는 경우 응답 특성을 알아보았다. 주로 풍직각 방향, 즉 기둥에 설치된 변형률 센서(110)면의 방향과 바람의 방향이 수직인 경우 이러한 경향이 뚜렷하게 나타난다. 바람을 맞고 있는 기둥 면은 바람의 방향과 같은 방향으로 기둥의 강성에 따라 휨거동을 하며 정적 변위를 일으킨다(물론 이때 미세한 동적 응답이 추가되어 나타난다). Second, the response characteristics of dynamic responses dominated by the FBG1 sensor were examined in the case of the above-mentioned static response in the dominant case and in the case of 90 ° in the wind direction. This tendency is conspicuous when the direction of the strain sensor 110 installed on the column and the direction of the wind are perpendicular to each other. The pylon facing the wind is bent in the same direction as the direction of the wind with the stiffness of the column, causing a static displacement (of course, a fine dynamic response is added).

바람을 맞고 있는 기둥 면이 바람 방향으로 휨거동을 할 때 바람의 방향과 수직인 면은 정적인 변위가 거의 발생하지 않고 진동과 같은 바람의 동적 특성에 대한 응답만을 나타낸다. 만약 이때 변형률 센서(110)가 바람 방향과 수직인 면에 설치되어 있다면 이 동적 응답을 계측하게 될 것이다. 이런 특징은 해당 상황에서의 변형률 계측 결과를 통해 확인할 수 있다. 균일한 바람을 일정시간 불어주었음에도 풍직각 방향 바람에 대한 기둥의 변형률 응답은 도 7과 같이 부호를 넘나들며 큰 변동을 보이는 것을 확인할 수 있다. 여기서 +부호는 기둥에 인장응력이 발생하는 것을 의미하고, - 부호는 압축응력이 발생하는 것을 의미한다. When the windward pillar surface is flexed in the wind direction, the plane perpendicular to the wind direction produces only a static displacement and responds only to the dynamic characteristics of the wind, such as vibration. If the strain sensor 110 is installed on a plane perpendicular to the wind direction at this time, the dynamic response will be measured. This characteristic can be confirmed by the strain measurement results in the corresponding situation. Although the uniform wind was blown for a certain period of time, the strain response of the column to the wind at right angles to the wind was large as shown in Fig. Here, the + sign means that a tensile stress is generated in the column, and the - sign means that a compressive stress occurs.

도 8은 해당 변형률 계측 시 풍속과 변형률간의 관계로 34.13ue의 변동폭을 나타내고 있으며 이는 같은 풍속임에도 정적응답이 지배하는 첫번째의 경우보다 그 폭이 더 큼을 알 수 있다. FIG. 8 shows the variation of 34.13ue due to the relationship between the wind speed and the strain at the time of the corresponding strain, which is larger than the first case where the static response dominates the same wind speed.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 계측한 풍응답, 즉 기둥의 변형률을 훈련 데이터로 선별 시, 위에서 언급한 두 가지 경우에서 나타나는 동적 성분을 고려하기 위해 풍향, 풍속에 따른 변형률 계측 값에서 특정한 하나의 값을 선택하지 않고 변형률의 변동 범위를 고려하였다. 변형률의 범위는 특정 풍향, 풍속에 대해 발생하는 변형률의 최대값과 최소값을 통해 나타낼 수 있다. 그러므로, 훈련 데이터로서 풍향, 풍속을 입력으로 하고 이때 발생하는 변형률 값들 중 최대값과 최소값을 하나의 세트로 선정하였다. 이에 따라, 다음과 같은 절차로 변형률 훈련 데이터를 선별하였다. Therefore, in the embodiment of the present invention, in order to take into account the dynamic components appearing in the above-mentioned two cases when the measured wind response, that is, the strain of the column, is selected by the training data, The range of variation of strain was considered without selecting a value. The strain range can be expressed by the maximum and minimum values of the strain that occur for a specific wind direction and wind speed. Therefore, as the training data, the wind direction and the wind speed are input, and the maximum value and the minimum value of the generated strain values are selected as one set. Therefore, the strain training data was selected by the following procedure.

1) 일정한 변형률 응답이 발생하는 구간을 지정(도 5와 도 7의 녹색 라인)1) Designate a section where a constant strain response occurs (the green line in FIGS. 5 and 7)

2) 해당 범위에서 센서 계측 시 노이즈로 판단되는 데이터를 필터링(10Hz lowpass filter, 도 5와 도 7의 노란색 라인)2) Filter the data judged as noise in sensor measurement in the applicable range (10Hz lowpass filter, yellow line in Fig. 5 and Fig. 7)

3) 최대값과 최소값을 추출(도 5와 도 7의 검은색 마크)3) Extracting the maximum and minimum values (black mark in FIGS. 5 and 7)

훈련 데이터의 상관 관계(Correlation analysis)Correlation analysis of training data

상술한 데이터 선별 방식에 따라 훈련 데이터 세트를 생성하였다. ANN 훈련에 앞서 훈련 데이터 세트의 입력 데이터와 출력 데이터 간의 관계를 알아보았다. 먼저, 입력 데이터 중 하나인 풍속과 변형률 간의 관계를 도 9에 나타내었다. 도 9에 나타난 데이터는 0도의 풍향조건에서 풍속조건을 2.5m/s에서 10m/s로 증가시킬 때 기둥에 설치된 FBG1에서 계측된 변형률 값(파란색)이다. The training data set was generated according to the data selection method described above. The relationship between the input data and the output data of the training data set was examined prior to ANN training. First, the relationship between the wind speed and strain rate, which is one of the input data, is shown in Fig. The data shown in Fig. 9 is the strain value (blue) measured at the FBG1 installed on the column when the wind speed condition is increased from 2.5 m / s to 10 m / s under the 0 degree wind direction condition.

변형률 값 전체를 2차 다항함수로 곡선 피팅(curve fitting)한 곡선을 표현(빨간라인)하였고, 변형률 최대값과 변형률 최소값 또한 2차 다항함수로 곡선 피팅(curve fitting)하여 표현(분홍색라인) 하였다. 도 9에서 알 수 있듯이 풍속이 증가함에 따라 변형률이 비선형적으로 증가하는 경향을 보이고 있다. 이는 다른 풍향에 대한 계측 데이터에서도 비슷한 경향을 확인할 수 있었다. The entire strain value is expressed by curve fitting with a second order polynomial function (red line), and the maximum strain value and the strain minimum value are also expressed by curve fitting by a second order polynomial function (pink line) . As can be seen from FIG. 9, the strain tends to increase nonlinearly as the wind speed increases. This is similar to the measured data for other wind directions.

각 풍속에서 변형률은 상술한 바와 같이 바람의 동적인 성분에 의해 변동 범위를 보이고 있는데 풍속이 증가함에 따라 변동 범위의 크기가 증가하는 경향을 보이고 있다. 또한 곡선 피팅(curve fitting)한 곡선이 비교적 낮은 차수인 2차 다항함수로 곡선 피팅(curve fitting)이 가능하지만 바람에 대한 동적 응답 영향에 의해 계측 변형률 데이터 전체에 대한 피팅(fitting)과 최대 및 최소에 대한 피팅(fitting) 곡선이 다소 차이를 보이는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 이러한 비선형적인 특성을 갖고 있는 풍속-변형률 간의 관계에 ANN 적용이 타당함을 알 수 있다. As described above, the strain range of each wind speed varies depending on the dynamic component of the wind, and the magnitude of the variation range tends to increase as the wind speed increases. In addition, curve fitting can be performed by curve fitting with a quadratic polynomial function having a relatively low order. However, due to the influence of dynamic response to wind, fitting to the entire measured strain data, It can be seen that the fitting curve is somewhat different. Therefore, it can be seen that the application of ANN to the relationship between wind speed and strain having such a nonlinear characteristic is valid.

마찬가지로 입력 데이터 중 하나인 풍향과 변형률 간의 상관관계를 알아보기 위해 극좌표 형식과 직교좌표 형식으로 도 10과 도 11에 각각 나타내었다. 마찬가지로 FBG1에서 6.25m/s의 풍속인 경우에 한해 풍향과 변형률 간의 관계를 알아보았다. 풍향이 0도(풍방향)에서 90도(풍직각방향)로 변함에 따라 30도에서 변형률 값이 약간 커졌다가 다시 감소하는 경향을 보이고 있다. 90도를 제외한 나머지의 경우 비교적 일정한 변동 범위를 갖는 반면 풍직각 방향인 90도에서는 변동 범위가 급격히 커지고 있다. In order to examine the relationship between wind direction and strain, which is one of the input data, polar coordinate type and rectangular coordinate type are shown in FIGS. 10 and 11, respectively. Similarly, the relationship between wind direction and strain rate was examined only at wind speeds of 6.25 m / s in FBG1. As the wind direction changes from 0 ° (wind direction) to 90 ° (wind right angle direction), the strain value increases slightly at 30 ° and then decreases again. In the other cases except for 90 degrees, the range of variation is relatively constant, while the range of variation is drastically increasing at 90 degrees in the direction of the wind.

이러한 경향은 다른 풍속 데이터에서도 확인할 수 있었다. 도 11에 계측 변형률 전체와 최대 및 최소값에 대한 곡선 피팅(curve fitting)을 수행하여 이를 표기하였다. 2차 다항함수로는 곡선 피팅(curve fitting)이 어려웠으며 3차 다항함수로 fitting을 수행하였다. 도 11의 피팅된 곡선(fitted curve)에서 확인할 수 있듯이 30도 부근에서 약간 증가했다가 다시 감소하는 비선형성을 확인할 수 있다. This tendency was confirmed in other wind data. FIG. 11 shows curve fitting for the entire measurement strain and the maximum and minimum values. Curve fitting was difficult with the second order polynomial function and fitting was performed with the third polynomial function. As can be seen from the fitted curve of FIG. 11, it can be seen that the nonlinearity increases slightly at around 30 degrees and decreases again.

또한, 전체 데이터에 대한 피팅(빨간 라인)과 최대 및 최소 변형률에 대한 피팅(분홍 라인)은 각도 변화에 따른 변형률 변화 양상은 전체적으로 비슷한 경향을 보이지만 90도에서는 동적 응답 성분의 영향이 확대되어 피팅(fitting) 결과가 달라지는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 이러한 풍속과 변형률의 관계를 통해 확인할 수 있듯이 훈련 데이터 세트의 입력 데이터와 출력 데이터의 비선형적 상관관계로의 ANN 적용은 합리적이라 판단된다. In addition, fitting (red line) for all data and fitting (pink line) for maximum and minimum strains tend to have a similar tendency to the strain change as a whole, but at 90 degrees, the influence of the dynamic response component is expanded, fitting results. Therefore, as can be seen from the relationship between the wind speed and the strain rate, the application of ANN to the nonlinear correlation between the input data and the output data of the training data set is judged to be reasonable.

신경망 구성Neural network composition

ANN에 의해 풍향, 풍속과 변형률 간의 관계가 훈련이 되고, 훈련된 신경망을 통해 새로운 풍향, 풍속에 의해 고층건물 기둥에 발생하는 변형률을 예측하게 된다. 본 연구는 ANN 중 다층 퍼셉트론 ANN을 사용하였고 피드포워드 역전파 네트워크로 구성하였다. 이는 MATLAB으로 구현하였다. ANN은 뉴런들로 구성되어 입력층의 정보를 출력층으로 전달한다. 다층 퍼셉트론의 경우, 은닉층이 존재하는데 은닉층에 도달한 입력값은 가중치가 곱해져 합산되어 비선형 전달함수가 적용된다. 출력층에서는 은닉층으로부터 전달된 값에 가중치가 곱해져 합산되어 선형 전달함수가 적용되어 최종 출력값을 내놓는다.The relationship between wind direction and wind speed and strain is trained by ANN, and the strain generated in the high-rise building columns is predicted by the new wind direction and wind speed through the trained neural network. In this study, ANN was used as a multi - layer perceptron ANN and it was composed of a feedforward back propagation network. This is implemented in MATLAB. The ANN is composed of neurons and transmits information of the input layer to the output layer. In the case of a multilayer perceptron, a hidden layer exists, and the input values arriving at the hidden layer are multiplied by weights and summed to apply a nonlinear transfer function. In the output layer, the values delivered from the hidden layer are multiplied by weights, summed, and the linear transfer function is applied to output the final output value.

일반적으로 은닉층의 개수와 각 층의 뉴런의 개수에 대한 특정한 룰은 존재하지 않으며, 주어진 문제에 의해 시행 착오에 의해 그 네트워크 구성을 찾게 된다. 본 발명의 실시예에서는 두개의 은닉층을 구성한 경우(case1)의 결과를 분석하였다.In general, there are no specific rules for the number of hidden layers and the number of neurons in each layer, and the network structure is found by trial and error due to a given problem. In the embodiment of the present invention, the result of case (case 1) in which two hidden layers are formed is analyzed.

그리고, 은닉층에 너무 많은 뉴런을 사용할 경우 오버피팅(overfitting) 되어 오히려 훈련 결과가 좋지 않을 수 있고, 너무 적은 뉴런을 사용할 경우 언더피팅(underfitting)이 되어 이 또한 훈련이 제대로 되지 않을 수 있다(Haykin, S. 1999). 따라서, 해당 문제에 적합한 뉴런의 수를 찾는 것은 중요한 일이지만 본 발명의 실시예에서는 은닉층을 2개로 하고 뉴런수를 3개로 하는 경우(case1)를 적용하여 실험 결과를 살펴 보았다.Also, if too many neurons are used in the hidden layer, overfitting can result in poor training results, and if too few neurons are used, underfitting can also result in poor training (Haykin, S. 1999). Therefore, it is important to find the number of neurons suited to the problem. However, in the embodiment of the present invention, experimental results are shown by applying two cases of hidden layers and three neurons (case 1).

한편, 입력 노드는 풍향과 풍속, 두 개의 노드를 설정하였다. 출력층은 모니터링 대상으로 하는 기둥의 개수, 즉 변형률 모니터링이 이루어진 개수의 2배로 설정하여 각 기둥 변형률 최대값과 최소값이 출력되도록 하였다. 본 발명의 실시예를 적용한 ANN 아키텍처(Architecture)를 도 12에 나타내었다. 은닉층의 비선형 전달함수는 시그모이드(sigmoid) 함수를 사용하였고, 출력층은 선형 전달함수를 사용하였다. 종료 조건은 1000 epoch로 설정하였다. On the other hand, the input node has two nodes, wind direction and wind speed. The output layer was set to be twice the number of columns to be monitored, that is, the number of strains monitored, so that the maximum and minimum values of column strain were output. FIG. 12 shows an ANN architecture to which an embodiment of the present invention is applied. The nonlinear transfer function of the hidden layer uses a sigmoid function and the output layer uses a linear transfer function. The termination condition was set to 1000 epochs.

풍동실험을 통한 검증 및 결과Verification and Results by Wind Tunnel Experiment

ANN 적용 결과 (6.25m/s/30도 검증)ANN application result (6.25m / s / 30 degree verification)

상술한 바와 같이, ANN 아키텍처(Architecture)를 이용하여 풍동실험을 통해 얻은 훈련 데이터 세트로 각각 훈련시켰다. 훈련시킨 ANN 아키텍처(Architecture)에 대해 훈련에 이용되지 않은 데이터 세트로 검증을 수행하였다. 훈련 데이터 선별 시 6.25m/s과 30°가 포함되는 모든 데이터 세트는 훈련에 이용하지 않았다. 그리고 훈련에 이용하지 않은 10개 데이터 세트 중 6.25m/s 과 30°만을 검증용 데이터 세트로 선정하였다. 6.25m/s 풍속조건과 30도 풍향조건이 아닌 다른 풍속과 풍향 조합의 훈련 셋(set), 예를 들어 6.25m/s 풍속조건과 0°도의 풍향조건과 같은 나머지 9개 데이터 세트에 대한 검증을 이하 설명한다.As described above, the ANN architecture was used to train each set of training data obtained through wind tunnel experiments. For the trained ANN Architecture, verification was performed with data sets not used for training. All data sets including 6.25 m / s and 30 ° in training data selection were not used for training. Of the 10 data sets not used for training, only 6.25m / s and 30 ° were selected for the verification data set. A training set of wind speed and direction combinations other than 6.25 m / s wind speed conditions and 30 degree wind direction conditions, for example, for the remaining nine data sets, such as 6.25 m / s wind speed conditions and 0 degree wind direction conditions Will be described below.

상술한 바와 같이, Case1은 2개의 은닉층으로 구성되어 있으며 각 은닉층에는 3개의 뉴런이 있다. 변형률 예측 결과와 오차를 도 13과 도 14에 각각 나타내었다. 도 13에서 보는 바와 같이 검증용 변형률인 파란색 박스와 예측한 변형률인 빨간색 박스가 상당히 근접하게 겹치는 것을 확인할 수 있다. 도 14에서 확인할 수 있듯이 오차는 최대 -11.5%로 대다수 기둥의 변형률을 비교적 정확하게 예측할 수 있었다. As described above, Case 1 is composed of two hidden layers, and each hidden layer has three neurons. The strain prediction results and errors are shown in FIGS. 13 and 14, respectively. As can be seen from FIG. 13, it can be seen that the blue box as the verification strain and the red box as the predicted strain overlap considerably closely. As can be seen from FIG. 14, the maximum error was -11.5%, which was able to predict the strain of most columns relatively accurately.

또한, 구조 부재 응력 평가에서 최대변형률이 중요 평가 요소인데 각 센서에서의 최대변형률 예측에서 하나의 센서(FBG2)만을 제외하고 모두 10% 미만의 오차로 최대변형률을 예측할 수 있었다. 특히, 도 13에서 예측한 변형률 범위인 빨간색 박스가 FBG4번 센서를 제외한 모든 센서에서 검증 변형률의 범위를 포괄하는 것을 확인할 수 있다. 이는 변형률의 최대, 최소 범위만큼은 정확하게 예측할 수 있어 기둥 안전성 평가에 실질적으로 활용 가능하다고 판단된다.In addition, the maximum strain is an important factor in the structural member stress evaluation. In the maximum strain prediction of each sensor, only one sensor (FBG2) can predict the maximum strain with less than 10% error. In particular, it can be seen that the red box, which is the strain range predicted in FIG. 13, covers the range of the verification strain in all sensors except the FBG sensor No. 4. It can be predicted that the maximum and minimum range of strain can be accurately estimated, and it can be practically used for column safety evaluation.

이와 같이, 본 발명의 실시예에서는 지속가능한 고층건물의 안전성 평가를 위해 높은 비선형적 특성을 지닌 문제에 잘 활용되는 ANN을 도입하고, ANN을 통해 바람의 동적 특성과 건물의 응답간의 비선형적 관계를 정의하여 풍하중에 따른 고층건물 기둥의 응력 예측 모델을 생성하는 예측 모델 시스템을 제안한다. 제안된 시스템을 통해 생성된 모델은 풍동실험을 통해 계측한 변형률 및 바람 데이터를 이용하여 검증하였다. 실제 고층건물을 모사하기 위해 코어, 외주 기둥, 아웃리거로 구성된 축소 모형체를 제작하였으며 이를 풍향, 풍속 변화 하에 풍동실험을 수행하였다. 고층건물 주요 구조 부재인 기둥의 응력 측정을 위해 변형률 계측 센서인 FBG를 통해 풍속, 풍향에 따른 변형률을 계측하였고 이를 ANN의 훈련데이터로 사용하였다.As described above, the embodiment of the present invention introduces ANN which is used for a problem having a high nonlinear characteristic in order to evaluate the safety of a sustainable high-rise building, and a nonlinear relationship between the dynamic characteristic of the wind and the response of the building through ANN We propose a prediction model system that generates a stress prediction model for high - rise building columns according to wind loads. The model generated by the proposed system was verified by using strain and wind data measured by wind tunnel test. In order to simulate actual high - rise buildings, a miniature model consisting of core, outer column and outrigger was fabricated and wind tunnel test was performed under wind direction and wind speed. In order to measure the stresses of columns, which are the main structural members of high - rise buildings, the strains according to wind velocity and wind direction were measured through strain gauge FBG sensor and used as training data of ANN.

풍향, 풍속을 입력으로 하여 건물 기둥에 발생하는 변형률을 예측하는 새로운 ANN 모델을 제시하기 위하여 은닉층의 개수와 뉴런의 수를 변화시켜가며 적합한 ANN 모델을 찾아 보았고, 은닉층이 2개이며 각 은닉층의 뉴런이 3개인 case1로 하여 동일한 훈련 세트로 ANN 모델을 훈련시키고 훈련에 이용되지 않은 풍향과 풍속에 대해 변형률을 예측해보았다. In order to propose a new ANN model that predicts the strain generated on a building column by inputting the wind direction and wind speed, we have selected a suitable ANN model by changing the number of hidden layers and the number of neurons. The ANN model was trained with the same training set as the three case 1 cases, and the strain rate was predicted for wind direction and wind speed not used for training.

그 결과, case1은 비교적 정확하게 기둥 변형률을 예측하였다. 은닉층의 개수에 대한 기존연구 보다 더 정확한 모델이 생성됨을 확인할 수 있었다. 뉴런의 개수는 꼭 많다고 훈련이 잘 이루어지는 것이 아니라 문제의 특성에 따라 조절되어야 알 수 있었다.As a result, case 1 predicted column strain relatively accurately. It is confirmed that more accurate models are generated than the existing studies on the number of hidden layers. The number of neurons is so high that the training is not done well, but it needs to be adjusted according to the characteristics of the problem.

또한, 본 발명의 실시예에서는 고층건물의 바람에 따른 구조 부재의 안전성 평가 시스템 및 방법을 제안하고 있다. 정적인 요소 이외에 바람에 의해 동적인 요소로 인한 변동성이 응답에 포함되어 있는 고층건물의 경우, 특정 응답값을 예측하는 것보다 동적 응답을 포괄하는 응답값의 범위를 예측하는 것이 더 합리적이다.Also, in the embodiment of the present invention, a system and method for evaluating the safety of a structural member according to the wind of a high-rise building have been proposed. In the case of a tall building in which the response includes the variability due to dynamic factors due to wind, in addition to the static factor, it is more reasonable to predict the range of response values covering the dynamic response than to predict specific response values.

본 발명의 실시예에서는 훈련 데이터와 검증 데이터, 예측값 모두 응답 변형률 값의 최대와 최소치를 고려하였다. ANN 적용 결과를 살펴보면, case1의 경우 비교적 정확히 변형률을 예측하면서 이와 동시에 예측 변형률의 범위가 검증(reference) 변형률 범위를 포함하고 있는바, 변형률의 최대, 최소값 즉, 변동폭을 정확히 예측하고 있음을 확인할 수 있다. In the embodiment of the present invention, the maximum and minimum values of the response strain values are considered in both training data, verification data, and predicted values. The results of the ANN application show that the prediction of strain is relatively accurate in case 1 and at the same time the range of reference strain is included in the range of reference strain to accurately predict the maximum and minimum values of strain have.

이는 본 발명의 실시예에 따른 응력 예측 모델이 변형률의 범위 예측을 가능케 함으로써 고층 구조물의 주요 부재인 기둥의 안전성 확보 측면에서 훌륭히 적용가능 함을 알 수 있다. It can be seen that the stress prediction model according to the embodiment of the present invention enables the prediction of the range of the strain, and thus it is well applicable in terms of ensuring the safety of the column, which is a main member of the high-rise structure.

본 명세서에서 설명되는 실시 예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The embodiments and the accompanying drawings described in the present specification are merely illustrative of some of the technical ideas included in the present invention. Accordingly, the embodiments disclosed herein are for the purpose of describing rather than limiting the technical spirit of the present invention, and it is apparent that the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. It will be understood by those of ordinary skill in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

100: 응력 예측모델 시스템 110: 변형률 센서
130: 바람센서 150: 응력 예측모델 생성부
200: 안전성 평가 시스템 230: 안전성 평가부
100: Stress prediction model system 110: strain sensor
130: Wind sensor 150: Stress prediction model generation unit
200: Safety evaluation system 230: Safety evaluation unit

Claims (12)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 고층 구조물의 최상층에 설치되어 풍향 및 풍속의 바람정보를 실시간으로 측정하는 바람센서;
고층 구조물에 다수개 설치되어 바람센서에 의해 측정된 바람정보에 따른 구조물의 변형률을 측정하는 변형률 센서;
다수개의 바람센서 및 변형률 센서를 통해 형성된 인공신경망(Artificial Neural Network:ANN)을 바탕으로 바람정보에 따른 변형률 데이터를 훈련시켜 풍하중에 따른 고층 구조물의 응력 예측모델을 생성하는 응력 예측모델 생성부; 및
변형률 센서 응답이 불가한 경우, 생성된 응력 예측모델에 바람정보를 입력하여 고층 구조물의 안전성을 평가하는 안전성 평가부를 포함하되,
응력 예측모델 생성부는 바람정보가 입력되는 입력층, 상기 변형률 센서에서 측정된 고층 구조물의 변형률 최대값 및 최소값으로 출력되는 출력층, 2개의 은닉층 및 은닉층 각 층에 3개의 뉴런을 포함하여 형성된 인공신경망에서 역전파 학습 알고리즘(Back Propagation Learning Algorithm)을 이용하여 연결 가중치 값의 갱신을 통한 훈련 데이터를 생성하고, 훈련 데이터를 바탕으로 풍하중에 따른 고층 구조물의 응력 예측모델을 생성하며,
변동 풍하중에 의한 상기 변형률 최대값 및 최소값은 변형률의 동적 응답을 계측하기 위해 변형률의 변동범위를 반영하는 구성 성분이며,
변동 풍하중에 의해, 변형률 센서(110)면의 방향과 바람의 방향이 일치하지 않는 경우에 발생되는 구조물의 변형률 동적 응답이 (+)값이면 인장응력이 발생되고, (-)부호이면 압축응력이 발생되는 것을 특징으로 하는 인공신경망 기반 고층 구조물 응력 예측모델을 이용한 안전성 평가 시스템.
A wind sensor installed on the uppermost layer of the high-rise structure for real-time measurement of wind direction and wind speed information;
A plurality of strain sensors installed in the high-rise structure for measuring a strain of the structure according to the wind information measured by the wind sensor;
A stress prediction model generation unit for generating a stress prediction model of a high-rise structure according to wind loads by training strain data according to wind information based on an artificial neural network (ANN) formed by a plurality of wind sensors and strain sensors; And
And a safety evaluation unit for evaluating the safety of the high-rise structure by inputting wind information to the generated stress prediction model when the strain sensor response is impossible,
The stress prediction model generation unit includes an input layer to which wind information is input, an output layer that outputs a strain maximum value and a minimum strain value of the high-rise structure measured by the strain sensor, an artificial neural network including three hidden neurons in two hidden layers and hidden layers Based on the training data, a stress prediction model for a high-rise structure is generated based on the wind load, and the model is constructed by using the Back Propagation Learning Algorithm.
The maximum strain value and the minimum strain value due to the fluctuating wind load are constituent components reflecting the variation range of the strain to measure the dynamic response of the strain,
If the strain dynamic response of the structure generated when the direction of the strain sensor 110 surface and the direction of the wind do not coincide due to the fluctuating wind load, the tensile stress is generated, and if the (-) sign is compressive stress A safety evaluation system using artificial neural network based stress prediction model based on high - rise structure.
삭제delete 청구항 6의 평가 시스템을 이용하여,
(a) 고층 구조물의 최상층에 설치된 풍향풍속계가 실시간으로 측정된 바람정보 데이터를 획득하는 단계;
(b) 고층 구조물에 설치된 다수개의 변형률 센서가 실시간 계측을 통해 상기 바람정보 데이터에 따른 변형률 데이터를 획득하는 단계;
(c) 응력 예측모델 생성부가 응력 센서의 신공신경망(ANN)을 이용하여 바람정보 데이터에 따른 구조물의 변형률 데이터를 훈련시켜 훈련데이터를 산출하는 단계;
(d) 응력 예측모델 생성부가 산출된 훈련된 데이터를 바탕으로 풍하중에 따른 고층 구조물의 응력 예측 모델을 생성하는 단계; 및
(E) 변형률 센서 응답이 불가한 경우, 생성된 응력 예측모델에 바람정보를 입력하여 고층 구조물의 안전성을 평가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공신경망 기반 고층 구조물 응력 예측모델을 이용한 안전성 평가방법.
Using the evaluation system of claim 6,
(a) obtaining wind information data measured in real time by a wind direction anemometer installed on the uppermost layer of the high-rise structure;
(b) a plurality of strain sensors installed on the high-rise structure obtain strain data corresponding to the wind information data through real-time measurement;
(c) calculating a training data by tracing strain data of a structure according to wind information data using a neural network (ANN) of a stress sensor model generating unit (ANN);
(d) generating a stress prediction model of a high-rise structure according to a wind load based on the trained data calculated by the stress prediction model generator; And
(E) a step of evaluating the safety of the high-rise structure by inputting wind information to the generated stress prediction model when the strain sensor response is not possible, and a safety evaluation method using a stress prediction model based on an artificial neural network .
청구항 8에 있어서,
상기 (c) 단계는,
바람정보를 입력값으로 하는 입력층과 변형률을 출력값으로 하는 출력층을 포함하여 구성되는 인공신경망을 이용하여 바람정보 데이터에 따른 구조물의 변형률 데이터를 훈련시켜 훈련데이터를 산출하는 단계인 것을 특징으로 하는 인공신경망 기반 고층 구조물 응력 예측모델을 이용한 안전성 평가방법.
The method of claim 8,
The step (c)
Wherein the step of calculating the training data comprises the step of tracing the strain data of the structure according to the wind information data by using the artificial neural network including the input layer having the wind information as the input value and the output layer having the strain as the output value, Safety Assessment Method Using Neural Network - Based High Story Stress Prediction Model.
삭제delete 청구항 8에 있어서,
상기 (c) 단계는,
응력 예측모델 생성부가 바람정보가 입력되는 입력층, 변형률이 출력되는 출력층 및 2개의 은닉층을 포함하여 형성된 인공신경망 내의 연결 가중치 값의 갱신을 통한 훈련 데이터를 생성하는 단계; 및
훈련 데이터를 바탕으로 풍하중에 따른 고층 구조물의 응력 예측모델을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공신경망 기반 고층 구조물 응력 예측모델을 이용한 안전성 평가방법.

The method of claim 8,
The step (c)
Generating training data through renewal of a connection weight value in an artificial neural network including an input layer to which wind information is input, an output layer in which strain is output, and two hidden layers; And
And generating a stress prediction model of the high-rise structure according to the wind load based on the training data, using the stress prediction model of the high-rise structure based on the artificial neural network.

삭제delete
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