KR101988956B1 - Structural Health Monitoring Method Using Adaptive Multivariate Statistical Process Monitoring Under Environmental Variability - Google Patents

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Abstract

본 발명의 외부환경 변동을 고려한 적응적 다변량 통계적 공정 모니터링을 이용한 구조물 건전성 평가 방법에 관한 것으로서, 외부 환경 변동에 따른 구조물이 건전한 상태의 변화를 갱신시켜 나가도록 기존 계측 데이터로부터 새로 얻어지는 계측 데이터를 따라 이동하는 이동 창을 이용해 통계적 모델을 구축해나가되, 상기 구조물의 손상에 민감한 특징들 간의 비선형적인 관계가 발견되면 상기 구조물의 손상에 민감한 특성들이 비선형적으로 나타나는 구간을 국부적으로 분할하여 선형화시킬 수 있게 상기 이동 창의 사이즈를 가변시키는 가변 이동 창 주성분분석(VMWPCA; Variable Moving Window Principal Component Analysis)을 적용함으로써, 구조물의 구조물이 건전한 상태의 변화율을 반영할 수 있도록 함과 아울러 구조물이 건전한 상태의 변화율을 반영된 자료의 비선형 종속성을 처리할 수 있도록 하는 효과를 갖는다. The present invention relates to a method of evaluating structural integrity using adaptive multivariate statistical process monitoring in consideration of external environmental variation, and more particularly, to a method for evaluating structural integrity of a structure, A statistical model is constructed using a moving window, and if a nonlinear relationship between features susceptible to damage of the structure is found, it is possible to locally divide and linearize a region where damage-sensitive characteristics of the structure appear nonlinearly, By applying the Variable Moving Window Principal Component Analysis (VMWPCA) to vary the size of the moving window, it is possible to reflect the change rate of the sound state of the structure of the structure, It has a non-linear dependency of the effect of to handle.

Description

외부환경 변동을 고려한 적응적 다변량 통계적 공정 모니터링 기반 구조물 건전성 평가 방법{Structural Health Monitoring Method Using Adaptive Multivariate Statistical Process Monitoring Under Environmental Variability}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a method for evaluating structure health based on adaptive multivariate statistical process monitoring,

본 발명은 구조물 건전성 평가 방법에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 외부환경의 변동을 고려한 적응적 다변량 통계적 공정 모니터링을 이용한 실시간 구조물 건전성 평가 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a structural integrity evaluation method, and more particularly, to a real-time structural integrity evaluation method using adaptive multivariate statistical process monitoring in consideration of external environment variations.

주지된 바와 같이, 구조물 건전성 평가(SHM; Structural Health Monitoring)는 구조 시스템에 대한 손상을 모니터링하고 정량화시키는 것이다. As is well known, structural health monitoring (SHM) is to monitor and quantify damage to structural systems.

상기한 구조물 건전성 평가는 주로 기계 분야에서 계측 시스템을 통해 계측된 데이터를 통해 부품에 문제가 있는지를 확인하기 위해 사용하는 평가 개념을 토목이나 건축 분야의 구조물의 건전성을 평가해 구조물에 대한 지속적인 유지 보수를 수행할 수 있게 하기 위한 것이다.The above-mentioned structural integrity evaluation is mainly used to evaluate whether there is a problem in the parts through the data measured through the measurement system in the mechanical field. The evaluation concept used for evaluating the soundness of the structures in the civil engineering and construction fields, To be performed.

구조물 건전성 평가(SHM) 과정은 계측 시스템(Sensor System)을 통해 주기적으로 주요 응답을 측정하고, 이들 응답으로부터 구조물의 손상에 민감한 특징을 추출하여 구조 시스템의 구조물이 건전한 상태(Healthy Condition)에 대한 실시간 평가를 수행하는 것을 포함한다.The structural integrity evaluation (SHM) process measures the main response periodically through the sensor system and extracts features sensitive to the damage of the structure from these responses. The structure of the structural system is analyzed in real time And performing an evaluation.

계측 시스템은 진동 반응, 임피던스 또는 전기적 저항 변화와 같은 응답들을 주기적(또는 연속적으로)으로 계측한다. 그러나, 구조물의 손상에 민감한 특징들은 직접적으로 측정되지 않기 때문에 이들 특징들은 특징 추출 기법(Feature Extraction Techniques)을 이용해 측정된 응답들로부터 추출된다.The metrology system periodically (or continuously) measures responses such as vibration response, impedance or electrical resistance change. However, since features that are sensitive to structure damage are not directly measured, these features are extracted from the measured responses using Feature Extraction Techniques.

또한, 대부분 구조물은 외부에 노출되어 있고 시간에 따라 노출되는 주변 환경이 변하기 때문에 시간 경과에 따른 구조물에 대한 손상 및 열화 메커니즘 자체를 완벽하게 파악하는 것이 어렵고 불분명하다.In addition, since most of the structures are exposed to the outside and the surrounding environment changes over time, it is difficult and unclear to grasp the damage and deterioration mechanism itself over time.

따라서, 전술한 외부 환경 변동을 반영하기 위한 데이터 정규화 방법(Data-Normalization Method)이 지속적으로 연구되어 오고 있다. 이러한 대표적인 정규화 방법은 크게 입/출력 관계를 규명하는 회귀분석(Regression Analysis)과 출력만 사용하는 다변량 통계적 분석(Multivariate Statistical Analysis) 으로 분류할 수 있다. 일반적으로 적용이 용이한 다변량 통계적 분석(Multivariate Statistical Analysis)에 더 주목하고 있다.Therefore, a data normalization method for reflecting the above-described external environment variation has been continuously studied. These typical normalization methods can be roughly divided into regression analysis for identifying input / output relations and multivariate statistical analysis using only output. More attention is paid to multivariate statistical analysis, which is generally easy to apply.

다변량 통계적 분석(Multivariate Statistical Analysis)은 주성분분석(PCA; Principal Component Analysis)와 요인 분석(FA: Factor Analysis)이 주로 사용되고, 이 방법들의 주요 이점은 단지 구조물의 손상에 민감한 특징들의 패턴을 분석하기 때문에 입력에 대한 데이터가 필요치 않다. Multivariate Statistical Analysis (PCA) and Factor Analysis (FA) are mainly used, and the main advantage of these methods is that they only analyze patterns of features that are sensitive to structural damage No data is needed for the input.

다변량 통계적 분석(Multivariate Statistical Analysis)은 구조물의 손상에 민감한 특징들의 변동성은 다양한 특성들에 기인하는 환경적 요소와 이와 상관성이 없는 다른 요소들의 선형 결합에 의해 기인하는 것으로 가정하고, 이러한 가정을 토대로 손상이 발생하면 선형 결합 패턴으로 설명할 수 없기 때문에 이는 구조물이 건전한 상태로부터 크게 벗어나는 값을 제공한다.Multivariate Statistical Analysis assumes that the variability of features sensitive to damage to a structure is due to the linear combination of environmental factors and other factors not related thereto due to various properties, Can not be explained by a linear combination pattern, this provides a value that greatly deviates from the sound state of the structure.

따라서, 구조물이 건전한 상태의 특징들로 이상 상태를 파악할 수 있는 통계적 모형을 구축하고, 구축된 통계적 모형의 패턴에 벗어나는 특징을 이상 상태가 발생한 것으로 인지하는 것이다.Therefore, constructing a statistical model that can grasp the abnormal state with the characteristics of the healthy state of the structure, and recognizing that the characteristic that deviates from the pattern of the constructed statistical model is the occurrence of the abnormal state.

따라서, 외부 환경적 변동성을 보다 효과적으로 반영하기 위해서는 주성분분석(PCA)를 기초로 하는 다변량 통계적 공정 모니터링(MSPM; Multivariate Statistical Process Monitoring)이 폭 넓게 사용되고 있다[3, 4, 7].Therefore, multivariate statistical process monitoring (MSPM) based on principal component analysis (PCA) is widely used to more effectively reflect external environmental volatility [3, 4, 7].

Yan, Kerschen, De Boe and Golinval [4]은 시뮬레이션된 고유진동수를 이용해 구조적 손상을 확인하기 위하여 선형 주성분분석(Linear PCA)에 기초한 제곱 예측 오차(Squared Prediction Error)를 사용하였다. Yan, Kerschen, and De Boe and Golinval [4] used Squared Prediction Error based on Linear PCA to identify structural damage using simulated natural frequencies.

Mujica, Rodellar, Fernandez and Guemes [7]는 압전트랜스듀서 (Piezoelectric Transducers; PZT)에 의해 얻은 파형 신호를 사용하고, 이 신호를 결함 진단을 위해 선형 주성분분석(PCA)에 기초한 거리 지수로써, Q-statistic와 T2-statistic를 적용하였다. Mujica, Rodellar, Fernandez and Guemes [7] use the waveform signals obtained by Piezoelectric Transducers (PZT) and use this signal as a distance index based on Linear Principal Component Analysis (PCA) Statistic and T2-statistic were applied.

Wursten 와 De Roeck는 실제 교량 구조물을 대상으로 장기 계측된 고유진동수를 활용하여 인위적인 손상을 포착하는데 활용하였다[3]. 해당 장기데이터의 고유진동수의 상관관계 비선형성을 갖기 때문에, 선형 주성분분석(Linear PCA)로는 이와 같은 상관관계의 비선형성을 처리할 수 없다. Wursten and De Roeck used the long-term natural frequencies of actual bridge structures to capture artificial damage [3]. Linear PCA can not handle the nonlinearity of these correlations because it has nonlinearity of the natural frequencies of the corresponding long-term data.

따라서, 선형 주성분분석(Linear PCA)의 한계를 해결하고, 성공적으로 손상을 확인하기 위해 커널 주성분분석(Kernel PCA)과 국부 선형 주성분분석(Local Linear PCA)을 사용하였다[8]. 여기서, 국부적 선형 주성분분석(Local Linear PCA)은 비선형적 상관관계를 선형 관계를 가지는 몇 개의 부분 그룹으로 분할하는 방식이다.Therefore, Kernel PCA and Local Linear PCA were used to solve the limitation of Linear PCA and to confirm the damage successfully [8]. Here, Local Linear PCA is a method of dividing nonlinear correlation into several partial groups having a linear relationship.

Yan, Kerschen, De Boe 및 Golinval [8]는 비선형 상관관계를 계산하기 위해 국부 선형 주성분분석(Local Linear PCA)을 장기적 모니터링에 처음으로 적용하였다. Yan, Kerschen, De Boe, and Golinval [8] first applied Local Linear PCA to long-term monitoring to compute nonlinear correlations.

손상진단을 위한 통계적 모델을 개발하기 위해서는, 계측 데이터들로부터 교사 자료를 잘 구축하고 활용하는 것이 중요하다. 따라서, 기저 모델(Baseline Model)과 같은 통계적 모델의 개발은 구조물 건전성 평가(SHM)에 기초한 MSPM를 위해 가장 중요한 과제이다.In order to develop a statistical model for the diagnosis of damage, it is important to build and utilize teacher data well from instrumentation data. Therefore, the development of statistical models such as the Baseline Model is the most important task for MSPM based on Structural Health Assessment (SHM).

이론적으로 교사 자료를 통해 구축된 통계 모델은 구조물이 건전한 상태(Healthy Condition)의 주요 변동을 잘 표현할 수 있어야 한다. 다시 말하면, 교사 자료는 특징들과 환경적 조건들(온도에 따른 변동의 선형 또는 비선형 관계들) 사이의 변동 관계[3, 9]와 특징들 간의 상관성 변화 관계[10]를 포함하고 있어야 한다.Theoretically, the statistical model built through the teacher data should be able to describe the major variability of the healthy condition. In other words, the teacher data should include a variation relationship between features and environmental conditions (linear or non-linear relationships of temperature-dependent variations) [3, 9] and a correlation-changing relationship between features [10].

만약 구현된 통계 모델이 구조물이 건전한 상태를 표현하는 성능이 부족할 경우, 구조물이 건전한 상태에서의 외부변동을 손상으로 평가할 수 있는 오보가 많이 발생할 수 있다. 이로 인하여 구현된 통계적 모델의 신뢰성은 매우 결여될 수 있다. [11, 12]. 이러한 외부 환경 요인과의 관계는 완벽하게 이해할 수 없다. 이러한 영향성은 장기적인 계측을 통해 파악할 수 있다. 하지만 외부 환경의 변화는 시간에 따라 변화하는 특성을 가지기 때문에 구조물이 건전한 상태에 대한 정보는 부분적으로 파악된다. 또한, 모니터링 초기에는 충분한 교사 자료를 확보하는 것이 어렵다.If the implemented statistical model lacks the ability to express a sound state of the structure, there may be a lot of misinformation that can be used to evaluate external fluctuations in the sound state of the structure. The reliability of the implemented statistical model can therefore be very poor. [11, 12]. The relationship with these external environmental factors can not be completely understood. These influences can be identified through long-term measurements. However, since the change of the external environment has a characteristic that changes with time, information on the sound state of the structure is partially grasped. In addition, it is difficult to obtain enough teacher data at the beginning of monitoring.

선형 주성분분석(Linear PCA)는 특징들의 선형관계라는 가정을 조건으로 만들어진 기법이기 때문에, 비선형성을 가지는 조건에서는 잘못된 해석 결과를 제공하게 된다.Since Linear PCA is a technique based on the assumption that the linear relationship of features is a function, it gives false analysis results under nonlinear conditions.

이처럼, 종래 선형 주성분분석(Linear PCA)을 이용한 구조물 건전성 평가 방법들은 구조물이 건전한 상태의 시간 변화 및 특징들 간의 비선형적 상관관계를 처리할 수 없다는 문제점을 갖고 있다.As described above, the structural soundness evaluation methods using the linear linear principal component analysis (PCA) have a problem that the structure can not deal with nonlinear correlation between the time variation of the sound state and the characteristics.

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Peeters, G. de Roeck, Reference-based stochastic subspace identification for output-only modal analysis, Mech Syst Signal Pr, 13 (1999) 855-878.[40] B. Peeters, G. de Roeck, Reference-based stochastic subspace identification for output-only modal analysis, Mech Syst Signal Pr, 13 (1999) 855-878. [41] D.K. Watson, R.K.N.D. Rajapakse, Seasonal variation in material properties of a flexible pavement, Can J Civil Eng, 27 (2000) 44-54.[41] D.K. Watson, R.K.N.D. Rajapakse, Seasonal variation in material properties of flexible pavement, Can J Civil Eng, 27 (2000) 44-54.

상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 구조물의 구조물이 건전한 상태의 변화율을 반영할 수 있도록 함과 아울러 사용되는 계측된 구조물의 손상에 민감한 특징들 간의 비선형적인 관계를 효과적으로 처리할 수 있는 외부환경 변동을 고려한 적응적 다변량 통계적 공정 모니터링 기반 구조물 건전성 평가 방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to solve the problems described above and to provide a structure capable of effectively reflecting a nonlinear relationship between features sensitive to damage of a measured structure used, And to provide a structural integrity evaluation method based on adaptive multivariate statistical process monitoring in consideration of external environment variations.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 외부 환경 변동을 고려한 적응적 다변량 통계적 공정 모니터링을 이용한 구조물 건전성 평가 방법은, 구조물에 계측 시스템을 설치하는 단계; 상기 계측 시스템으로부터 계측된 데이터들로부터 구조물의 손상에 민감한 특징들을 추출하는 단계; 추출된 상기 구조물의 손상에 민감한 특징들을 이용해 구조물이 건전한 상태에 대한 통계적 모델을 구축하는 단계; 및 상기 통계적 모델을 기초로 하여 새롭게 계측된 특징들을 평가하여 구조물의 손상 발생 여부를 판단하는 구조물 이상 상태 진단 단계;를 포함하고, 상기 통계적 모델 구축 단계는 외부 환경 변동에 따른 구조물이 건전한 상태의 변화를 갱신시켜 나가도록 기존 계측 데이터로부터 새로 얻어지는 계측 데이터를 따라 이동하는 이동 창을 이용해 통계적 모델을 구축해나가되, 특징 벡터들 간의 비선형적인 관계가 발견되면 상기 구조물의 손상에 민감한 특성들이 비선형적으로 나타나는 구간을 국부적으로 분할하여 선형화시킬 수 있게 상기 이동 창의 사이즈를 가변시키는 가변 이동 창 주성분분석(VMWPCA; Variable Moving Window Principal Component Analysis)을 적용해 수행하는 것을 특징으로 한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a method for evaluating structural integrity using adaptive multivariate statistical process monitoring, the method comprising: installing a measurement system on a structure; Extracting features sensitive to damage to the structure from the measured data from the metrology system; Constructing a statistical model of the healthy state of the structure using features of the extracted structure that are sensitive to damage; And a structural abnormality state diagnosis step of evaluating newly measured features based on the statistical model to determine whether or not damage to a structure has occurred, and the step of constructing the statistical model includes: A statistical model is constructed using a moving window moving along the measurement data newly obtained from the existing measurement data so as to update the nonlinear characteristic of the structure when the nonlinear relationship between the feature vectors is found, (Variable Moving Window Principal Component Analysis) that varies the size of the moving window so that the moving window can be linearly divided by locally dividing the moving window.

여기서, 상기 이동 창의 사이즈는 상기 구조물이 건전한 상태의 변화가 클수록 작아지고, 상기 구조물이 건전한 상태의 변화가 느려질 수록 커지도록 하는 것이 바람직하다. Here, it is preferable that the size of the moving window is made smaller as the change in the sound state of the structure is larger, and larger as the change in the sound state of the structure is slower.

또한, 상기 이동 창의 최적 사이즈는 베이시안 정보 기준(Bayesian Information Criterion; BIC)를 가지는 Linde-Buzo-Gray 알고리즘(KMC-LBG) 이용한 k평균 군집화(k-means Clustering)를 통해 결정하는 것이 바람직하다The optimal size of the moving window is preferably determined through k-means clustering using the Linde-Buzo-Gray algorithm (KMC-LBG) having a Bayesian information criterion (BIC)

또한, 상기 k평균 군집화(k-means Clustering)를 위한 최적 군집의 수는 아래 수학식을 통해 계산될 수 있다.Also, the number of optimal clusters for k-means clustering can be calculated by the following equation.

Figure 112016119710729-pat00001
Figure 112016119710729-pat00001

여기서,

Figure 112016119710729-pat00002
는 전체 군집 수이고,
Figure 112016119710729-pat00003
Figure 112016119710729-pat00004
번째 군집 내의 샘플 수고,
Figure 112016119710729-pat00005
은 전체 샘플 수며,
Figure 112016119710729-pat00006
Figure 112016119710729-pat00007
번째 군집의 분산(variance)이다. here,
Figure 112016119710729-pat00002
Is the total number of clusters,
Figure 112016119710729-pat00003
The
Figure 112016119710729-pat00004
The number of samples in the second cluster,
Figure 112016119710729-pat00005
Can be a whole sample,
Figure 112016119710729-pat00006
The
Figure 112016119710729-pat00007
Is the variance of the second cluster.

또한, 상기 군집의 분산은 아래 수학식을 통해 산출될 수 있다.Also, the dispersion of the cluster can be calculated by the following equation.

Figure 112016119710729-pat00008
Figure 112016119710729-pat00008

여기서,

Figure 112016119710729-pat00009
Figure 112016119710729-pat00010
번째 군집의 중심 평균이고, Linde-Buzo-Gray 알고리즘(KMC-LBG) 사전에 사용자 정의된 범위 내에 적용된다.here,
Figure 112016119710729-pat00009
The
Figure 112016119710729-pat00010
And the Linde-Buzo-Gray algorithm (KMC-LBG) is applied within the user-defined range in advance.

또한, 상기 최적 군집 수는 베이시안 정보 기준(Bayesian Information Criterion; BIC)를 사전 정의된 군집 수 범위로 수행하고, 각 군집 수 별로 베이시안 정보를 계산하고, 군집 수 크기 별로 나열하여 첫 번째 국부 최대값을 가지는 군집 수에 따라 선택되는 것이 바람직하다. Also, Bayesian Information Criterion (BIC) is performed in a predefined number of clusters, Bayesian information is calculated for each cluster number, and the first cluster maximum And the number of clusters having a value.

상기한 본 발명의 외부환경 변동을 고려한 적응적 다변량 통계적 공정 모니터링 기반 구조물 건전성 평가 방법에 따르면, 외부 환경 변동에 따른 구조물이 건전한 상태의 변화를 갱신시켜 나가도록 기존 데이터에서 새로 얻어진 데이터를 따라 이동하는 이동 창을 통해 통계적 모델을 구축해나가되, 외부환경에 따른 특징들의 비선형성을 국부적을 선형화시킬 수 있게 상기 이동 창의 사이즈를 가변시키는 가변 이동 창 주성분분석(VMWPCA; Variable Moving Window Principal Component Analysis)을 적용함으로써, 이러한 변화를 반영할 수 있도록 함과 아울러 특징들간의 비선형 상관관계를 처리할 수 있도록 하는 효과를 갖는다. According to the method for evaluating the structural integrity of the structure based on the adaptive multivariate statistical process monitoring in consideration of the external environment variation of the present invention, the structure is moved along the newly obtained data in the existing data so as to update the change in the sound state A variable moving window principal component analysis (VMWPCA) that varies the size of the moving window so as to linearize the nonlinearity of features according to the external environment while constructing a statistical model through a moving window , It is possible to reflect such a change and to have an effect of processing nonlinear correlation between the features.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 구조물 건전성 평가 과정을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도 2은 가변 이동 창 주성분분석(VMWPCA)의 개념적인 설명을 도시한 개략도이다.
도 3는 건전성 진단을 위한 블록 선형화에 기초한 가변 이동 창 주성분분석(VMWPCA) 과정을 나타낸 도표이다.
도 4는 주성분분석(Principal Component Analysis)의 기본 원리를 설명하는 그래프이다.
도 5는 주성분분석(PCA) 이용한 건전성 진단 과정을 나타내는 개략도이다.
도 6은 이동 창 선형 주성분분석(MWPCA)의 개념적인 설명을 도시한 개략도이다.
도 7은 고정된 이동 창 선형 주성분분석과 가변 이동 창 선형 주성분분석을 비교하여 도시한 개략도이다.
도 8는 적응적 공정 모니터링을 위한 블록 선형화 과정을 도시한 그래프이다.
도 9는 BIC를 가지는 Linde-Buzo-Gray 알고리즘(KMC-LBG)을 이용한 k-평균 군집화 과정을 예시한 그래프이다.
도 10은 BIC와 KMC-LBG을 이용한 가변 이동 창 주성분분석(VMWPCA) 과정을 나타내는 도표이다.
도 11은 Z24 교량에 대한 측면도와 정단면도이다.
도 12는 Z24 교량의 장기 모니터링(약 1년)한 고유진동수를 나타낸 그래프이다.
도 13은 Z24 교량의 점진적으로 손상 테스트를 수행한 과정을 나타내는 도표이다.
도 14는 초기 교사 자료의 영향을 분석하기 위해 사용된 초기 교사 자료들을 나타낸 도표이다.
도 15는 고유진동수와 온도 사이의 이중 선형 종속성을 도시한 그래프이다.
도 16은 고유진동수들 사이의 상관관계를 도시한 그래프이다.
도 17은 초기 교사 자료 구성에 따른 영향을 분석하고자 사용한 다른 교사 자료들을 가시화한 그래프이다.
도 18은 본 발명의 가변 이동 창 주성분분석(VMWPCA)를 이용한 Z24교량의 출력 전용 구조물 건전성 평과 결과를 나타낸 그래프이다.
FIG. 1 is a flowchart schematically illustrating a structural integrity evaluation process according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
Figure 2 is a schematic diagram illustrating a conceptual description of Variable Moving Window Principal Component Analysis (VMWPCA).
FIG. 3 is a diagram showing a variable moving window principal component analysis (VMWPCA) process based on block linearization for health diagnosis.
4 is a graph illustrating the basic principle of Principal Component Analysis.
FIG. 5 is a schematic diagram showing a health check process using principal component analysis (PCA). FIG.
Figure 6 is a schematic diagram illustrating a conceptual description of the moving window linear principal component analysis (MWPCA).
FIG. 7 is a schematic diagram showing a comparison between a fixed moving window linear principal component analysis and a variable moving window linear principal component analysis.
8 is a graph showing a block linearization process for adaptive process monitoring.
9 is a graph illustrating a k-means clustering process using the Linde-Buzo-Gray algorithm (KMC-LBG) with BIC.
10 is a chart showing a variable moving window principal component analysis (VMWPCA) process using BIC and KMC-LBG.
11 is a side view and a front cross-sectional view of the Z24 bridge.
12 is a graph showing the natural frequency of long-term monitoring (about one year) of the Z24 bridge.
Fig. 13 is a chart showing the progress of the progressive damage test of the Z24 bridge. Fig.
14 is a chart showing the initial teacher data used to analyze the effect of the initial teacher data.
15 is a graph showing the double linear dependency between the natural frequency and the temperature.
16 is a graph showing a correlation between natural frequencies.
FIG. 17 is a graph showing other teacher data used to analyze the effect of the initial teacher data composition.
18 is a graph showing the results of the soundness evaluation of the output-only structure of the Z24 bridge using the variable moving window principal component analysis (VMWPCA) of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and the same or similar components are denoted by the same reference numerals throughout the specification.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 구조물 건전성 평가 과정을 개략적으로 도시한 흐름도이다. FIG. 1 is a flowchart schematically illustrating a structural integrity evaluation process according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.

도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일실시예에 따른 외부환경 변동을 고려한 적응적 다변량 통계적 공정 모니터링을 이용한 구조물 건전성 평가 방법(이하, "구조물 건전성 평가 방법"이라 함)은 크게 계측 시스템을 통한 계측 단계(ST10), 구조물의 손상에 민감한 특징 추출 단계(ST20), 통계적 모델 구축 단계(ST30) 및 구조물 이상 상태 진단 단계(ST40)로 이루어질 수 있다.1, a structure integrity evaluation method (hereinafter, referred to as "structural integrity evaluation method") using adaptive multivariate statistical process monitoring in consideration of external environment variation according to an embodiment of the present invention includes a measurement system , A feature extraction step (ST20), a statistical model construction step (ST30), and a structural abnormality diagnosis step (ST40).

먼저, 계측 시스템을 통한 계측 단계(ST10)에서는, 건전성을 평가하고자 하는 구조물에 구조물의 손상에 민감한 특징을 추출할 수 있는, 예를 들어 진동 반응, 전기기계적 임피던스 또는 전기적 저항 변화와 같은 주요 응답들을 주기적(또는 연속적으로)으로 측정할 수 있는 구조물 내에 각각의 센서들을 설치하도록 한다.First, in the measurement step ST10 through the measurement system, main responses such as vibration response, electromechanical impedance, or electrical resistance change, which can extract characteristics susceptible to damage to a structure in a structure to be evaluated for soundness, Each sensor should be installed in a structure that can be measured periodically (or continuously).

구조물의 손상에 민감한 특징들 추출 단계(ST20)에서는 상기 계측 시스템으로부터 계측된 응답 데이터들로부터 구조물의 손상에 민감한 특징들을 추출하도록 한다.In the step of extracting features sensitive to damage to a structure (ST20), features sensitive to the damage of the structure are extracted from the response data measured from the measurement system.

통계적 모델 구축 단계(ST30)에서는 추출된 상기 구조물의 손상에 민감한 특징들을 이용해 이상 상태 판단을 위한 구조물이 건전한 상태의 통계적 모델을 구축한다.In the statistical model building step (ST30), a statistical model of the structure for determining the abnormal state is constructed by using features extracted from the damage of the structure.

그리고, 구조물 건전성 진단 단계(ST40)에서는 상기 통계적 모델을 기초로 하여 새롭게 계측된 특징들을 평가하여 구조물의 손상 발생 여부를 판단하도록 한다. In the structural integrity diagnosis step (ST40), newly measured features are evaluated based on the statistical model to determine whether or not the structure is damaged.

특히, 본 발명에서는 상기한 통계적 모델 구축 단계(ST30)에서 가변 이동 창 주성분분석(VMWPCA; Variable Moving Window Principal Component Analysis)을 적용하도록 하는 것을 특징으로 한다. Particularly, in the present invention, Variable Moving Window Principal Component Analysis (VMWPCA) is applied in the statistical model building step ST30.

도 2은 가변 이동 창 주성분분석(VMWPCA)의 개념적인 설명을 도시한 개략도이고, 도 3는 건전성 진단을 위한 블록 선형화에 기초한 가변 이동 창 주성분분석(VMWPCA) 과정을 나타낸 도표이다.FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a conceptual description of a variable motion window principal component analysis (VMWPCA), and FIG. 3 is a diagram showing a variable motion window principal component analysis (VMWPCA) process based on block linearization for soundness diagnosis.

도 2 및 도 3을 참조하여 설명하면, 가변 이동 창 주성분분석(VMWPCA)은 외부 환경 변동에 따른 구조물이 건전한 상태의 변화를 갱신시켜 나가도록 기존 계측데이터로부터 새로 얻어지는 계측 데이터를 따라 이동하는 이동 창을 이용해 통계적 모델을 구축해나가되, 상기 구조물의 손상에 민감한 특징들 간의 비선형적인 관계가 발견되면 상기 구조물의 손상에 민감한 특성들이 비선형적으로 나타나는 구간을 국부적으로 분할하여 선형화시킬 수 있게 상기 이동 창의 사이즈를 가변시키는 것이다.2 and 3, the Variable Moving Window Principal Component Analysis (VMWPCA) is a moving window that moves along the measurement data newly obtained from the existing measurement data so as to update the change in the sound state of the structure due to the external environment change A nonlinear relationship between features susceptible to damage of the structure is found, a size of the moving window is determined so as to linearly divide a region in which damage-sensitive characteristics of the structure are nonlinearly localized, .

가변 이동 창 주성분분석(VMWPCA; Variable Moving Window Principal Component Analysis)은 출력 전용 통계적 공정 모니터링의 주성분분석(Principal Component Analysis)과 이동 창 선형 주성분분석(VMWPCA; Moving Window Principal Component Analysis)을 기초로 하여 이루어진다.Variable Moving Window Principal Component Analysis (VMWPCA) is based on Principal Component Analysis and Moving Window Principal Component Analysis (VMWPCA) for output-only statistical process monitoring.

따라서, 전술한 가변 이동 창 주성분분석(VMWPCA; Variable Moving Window Principal Component Analysis)을 설명하기 위한 상기 주성분분석(Principal Component Analysis)과, 이동 창 선형 주성분분석(VMWPCA; Moving Window Principal Component Analysis)의 기본 원리를 먼저 설명하면 다음과 같다. Therefore, the principle principle analysis and the moving window principle component analysis (VMWPCA) for explaining Variable Moving Window Principal Component Analysis (VMWPCA) First, it is as follows.

주성분분석(PCA)는 대표적인 다변량 통계적 분석으로, 다변량 변수들은 일반적으로 서로 상호 관계를 갖는다.Principal component analysis (PCA) is a representative multivariate statistical analysis, with multivariate variables generally correlated with each other.

데이터들(특징들) 사이의 상관 관계는 공정에 대한 정보를 포함하는 숨겨진 공정들처럼 처리될 수 있다. The correlation between the data (features) can be handled like hidden processes that contain information about the process.

도 4는 주성분분석(Principal Component Analysis)의 기본 원리를 설명하는 그래프이다. 4 is a graph illustrating the basic principle of Principal Component Analysis.

도 4에 도시한 바와 같이, 주성분분석(PCA)의 목표는 원본 데이터의 높은 가변성에 대한 새로운 좌표계(Coordinate System)의 좌표축(P1, P2 등)을 확인하기 위한 것이다. 여기서, 확인된 좌표축은 주성분(PC)에 참조되고, 비상관 변수들(Uncorrelated Variables)의 부분 공간(Subspace)이다.As shown in FIG. 4, the goal of principal component analysis (PCA) is to identify the coordinate axes (P1, P2, etc.) of the new coordinate system (Coordinate System) with respect to the high variability of the original data. Here, the identified coordinate axes are referenced to the principal component (PC) and are the subspace of the uncorrelated variables.

수학적으로 주성분(PC)들은 원본 데이터와 최소 자승법(Least-square Sense)에 의해 부분 공간으로 투영된 이들 투영 사이의 제곱 거리의 합을 최소화시켜 구할 수 있다. 아래 수학식 1은 투영들의 변수를 최소화하는 부분 공간을 찾기 위한 등가식이다. Mathematically, the principal components (PC) can be obtained by minimizing the sum of the original data and the squared distance between these projections projected into the subspace by Least-square Sense. Equation (1) below is an equivalent expression for finding a subspace that minimizes the variables of the projections.

Figure 112016119710729-pat00011
Figure 112016119710729-pat00011

여기서, X는 원본 데이터이고, T는 부분 공간(

Figure 112016119710729-pat00012
)으로 투영된 선형 조합이다. Here, X is original data and T is a partial space (
Figure 112016119710729-pat00012
). ≪ / RTI >

상기한 부분 공간(Subspace)은 X에 대한 공분산 행렬(Covariance Matrix)을 대각선화하여 얻을 수 있다. X에 대한 공분산 행렬(Covariance Matrix)은 아래 수학식 2를 통해 구할 수 있다. The subspace can be obtained by diagonalizing a covariance matrix for X. [ The covariance matrix for X can be obtained by the following equation (2).

Figure 112016119710729-pat00013
Figure 112016119710729-pat00013

여기서, N은 원본 데이터의 숫자이고, 원본 데이터(X)는

Figure 112016119710729-pat00014
-변수들을 갖는
Figure 112016119710729-pat00015
행렬이며, 위 첨자 T는 전치 행렬(Transpose)이다. Here, N is the number of the original data, and the original data X is
Figure 112016119710729-pat00014
- having variables
Figure 112016119710729-pat00015
Matrix, and the superscript T is a transpose.

부분 공간(Subspace)은 다음의 수학식 3을 통해 고유값 문제(Eigenvalue Problem)를 해결함으로써 얻을 수 있다.The subspace can be obtained by solving the eigenvalue problem by the following equation (3).

Figure 112016119710729-pat00016
Figure 112016119710729-pat00016

여기서,

Figure 112016119710729-pat00017
는 고유값이고,
Figure 112016119710729-pat00018
Figure 112016119710729-pat00019
고유 벡터와 일치한다. 대수학적으로 수학식 3은 공분산 행렬(C)의 고유치 분해(Eigen-Decomposition)나 특이치 분해(SVD; Singular Value Decomposition)를 통해 수행될 수 있다. 상기한 공분산 행렬(C)은 아래 수학식 4를 통해 구할 수 있다. here,
Figure 112016119710729-pat00017
Is a unique value,
Figure 112016119710729-pat00018
The
Figure 112016119710729-pat00019
Coincides with the eigenvector. Mathematically, equation (3) can be performed through Eigen-Decomposition or Singular Value Decomposition (SVD) of the covariance matrix C. The covariance matrix C can be obtained by the following equation (4).

Figure 112016119710729-pat00020
Figure 112016119710729-pat00020

여기서,

Figure 112016119710729-pat00021
는 고유값 (
Figure 112016119710729-pat00022
의 대각선 행렬이고,
Figure 112016119710729-pat00023
는 고유벡터 행렬 (
Figure 112016119710729-pat00024
)과 일치한다.here,
Figure 112016119710729-pat00021
Is the eigenvalue (
Figure 112016119710729-pat00022
, ≪ / RTI >
Figure 112016119710729-pat00023
Is an eigenvector matrix (
Figure 112016119710729-pat00024
).

고유값들과 고유벡터들은 주성분(PC)와 일치하고, 이들은 각각 잠재 변수와 주요 벡터이다. Eigenvalues and eigenvectors coincide with the principal component (PC), which are the latent variables and the main vectors, respectively.

주성분들의 개수(

Figure 112016119710729-pat00025
)는 변수(
Figure 112016119710729-pat00026
)의 개수와 같거나 더 작다, 여기서
Figure 112016119710729-pat00027
이고 PC들은 다음과 같은 특징들을 갖는다.
Figure 112016119710729-pat00028
일 때
Figure 112016119710729-pat00029
이고
Figure 112016119710729-pat00030
이다. Number of principal components (
Figure 112016119710729-pat00025
) Is the variable
Figure 112016119710729-pat00026
), ≪ / RTI > where < RTI ID =
Figure 112016119710729-pat00027
And PCs have the following characteristics.
Figure 112016119710729-pat00028
when
Figure 112016119710729-pat00029
ego
Figure 112016119710729-pat00030
to be.

도 1은 2차원 공간에서 주성분분석(PCA)의 결과를 나타낸다. 각각의 점들은 원본 데이터(X)를 나타내고, 두 개의 화살표는 각각 주성분(PC)들에 대한 첫 번째와 두 번째의 좌표축(1st PC(P1), 2stPC(P2))을 나타낸다.Figure 1 shows the results of principal component analysis (PCA) in a two-dimensional space. Each point represents the original data X and the two arrows represent the first and second coordinate axes (1st PC (P1), 2stPC (P2)) for the principal components (PC), respectively.

Figure 112016119710729-pat00031
는 변동성의 총합이다. 여기서,
Figure 112016119710729-pat00032
.
Figure 112016119710729-pat00033
는 부분 공간의
Figure 112016119710729-pat00034
번째 축들이고, 이들은 서로 직교한다. 첫 번째 주성분(
Figure 112016119710729-pat00035
)는 원본 데이터(
Figure 112016119710729-pat00036
)의 가장 큰 변동성을 표현한 것이고, 첫 번째 주성분(1stPC(P1)) 원본 데이터에서 관찰된 주된 효과와 일치하는 것으로 해석할 수 있고, 두 번째 주성분(2stPC(P2);
Figure 112016119710729-pat00037
)는 첫 번째 주성분(1st PC(P1))과 비상관된 2차적 효과를 나타낸다.
Figure 112016119710729-pat00031
Is the sum of the volatility. here,
Figure 112016119710729-pat00032
.
Figure 112016119710729-pat00033
Of the subspace
Figure 112016119710729-pat00034
Axis, and they are orthogonal to each other. The first active ingredient (
Figure 112016119710729-pat00035
) Is the original data (
Figure 112016119710729-pat00036
) And the first principal component (1stPC (P1)) can be interpreted as being consistent with the main effect observed in the original data, and the second principal component (2stPC (P2);
Figure 112016119710729-pat00037
) Represents the secondary effect uncorrelated with the first principal component (1st PC (P1)).

주성분분석(PCA)를 수행하기 이전에, 변수들이 동등한 효과를 갖도록 하기 위해 원본 데이터에 대한 표준화(Scaling)가 이루어져야만 한다.Prior to performing Principal Component Analysis (PCA), scaling must be done on the original data in order for the variables to have an equal effect.

구조물 건전성 평가(SHM)에서, 상기한 표준화 공정은 데이터 정규화 기법(Data-Cleansing)를 참조할 수 있다. 이전 연구들에서는 표준화 과정은 평균 기반 표준화(Mean-Centering)[4]과 정규분포 표준화(Auto-Scaling)[7] 두 개의 표준화 방법들이 폭넓게 사용되고 있다. In the Structural Integrity Assessment (SHM), the above standardization process can refer to Data-Cleansing. In previous studies, the standardization process has been widely used in two standardization methods: Mean-Centering [4] and Auto-Scaling [7].

평균 기반 표준화(Mean-Centering)는 각각의 변수들에 대하여 평균을 0이 되도록 원본 데이터를 표준화하는 것인데 반하여, z-Scaling으로 알려진 정규분포 표준화(Auto-Scaling)은 각각의 변수들에 대해 제로 평균과 단위 분산(Unit Variance)을 갖도록 원본 데이터를 각각 표준화하는 것이다. Mean-Centering is to normalize the original data so that the mean is zero for each variable, whereas Auto-Scaling, known as z-Scaling, takes zero mean for each variable And the unit variance (Unit Variance).

일반적으로, 평균 기반 표준화(Mean-Centering)는 원본 데이터의 분산(변동성)이 균일한 경우 추천되고, 정규분포 정규화(Auto-Scaling)는 원본 데이터가 이질적인 분산(변동성)을 갖는 상황에 적합하다[14].In general, mean-centering is recommended when the variance (variability) of the original data is uniform, and auto-scaling is suitable for situations where the original data has heterogeneous variability (variability) 14].

종종, 데이터의 통계적 특징들은 사전에 알려지지 않는다. 일반적인 상황들을 처리하기 위해서는, 정규분포 정규화(Auto-Scaling)는 데이터 정규화 기법(Data Cleansing)를 위해 사용된다. 정규분포 정규화(Auto-Scaling)은 다음과 수학식 5 내지 수학식 7를 통해 수행될 수 있다.Often, statistical features of the data are not known in advance. To handle common situations, Auto-Scaling is used for Data Cleansing. Normal-distribution normalization can be performed through the following equations (5) to (7).

Figure 112016119710729-pat00038
Figure 112016119710729-pat00038

Figure 112016119710729-pat00039
Figure 112016119710729-pat00039

Figure 112016119710729-pat00040
Figure 112016119710729-pat00040

여기서,

Figure 112016119710729-pat00041
Figure 112016119710729-pat00042
는 각각 원본 데이터의 평균과 변동성이다.
Figure 112016119710729-pat00043
Figure 112016119710729-pat00044
번째에 연속하는
Figure 112016119710729-pat00045
번째 변수의 정규분포 표준화(auto-scaling)된 데이터이다. here,
Figure 112016119710729-pat00041
Wow
Figure 112016119710729-pat00042
Are the mean and variability of the original data, respectively.
Figure 112016119710729-pat00043
The
Figure 112016119710729-pat00044
Consecutive
Figure 112016119710729-pat00045
The second parameter is the auto-scaled data.

구조물 건전성 평가(SHM)를 수행하기 위해,

Figure 112016119710729-pat00046
우선 주성분들(PCs)의 (
Figure 112016119710729-pat00047
)를 구하기 위해 두 개의 모니터링 통계가 사용된다. In order to carry out structural integrity evaluation (SHM)
Figure 112016119710729-pat00046
First of all,
Figure 112016119710729-pat00047
), Two monitoring statistics are used.

첫 번째는

Figure 112016119710729-pat00048
고, 이는 가장 중요한 주성분들의 (
Figure 112016119710729-pat00049
)를 이용해 표준화된 데이터(
Figure 112016119710729-pat00050
)와 재구성된 데이터(
Figure 112016119710729-pat00051
) 사이의 유클리디안 거리(Euclidean Distance)이다. at first
Figure 112016119710729-pat00048
This means that the most important components (
Figure 112016119710729-pat00049
) To standardize the data (
Figure 112016119710729-pat00050
) And reconstructed data (
Figure 112016119710729-pat00051
(Euclidean Distance).

상기한 유클리디안 거리(Euclidean Distance) 아래 수학식 8을 통해 구할 수 있다. The Euclidean distance can be obtained from Equation (8) below.

Figure 112016119710729-pat00052
Figure 112016119710729-pat00052

여기서,

Figure 112016119710729-pat00053
는 표준화된 데이터 행렬 (
Figure 112016119710729-pat00054
)이고,
Figure 112016119710729-pat00055
Figure 112016119710729-pat00056
PCs가 유지된 행렬 (
Figure 112016119710729-pat00057
)이며,
Figure 112016119710729-pat00058
는 항등 행렬(
Figure 112016119710729-pat00059
) 이고,
Figure 112016119710729-pat00060
는 유클리디안 거리를 나타낸다. here,
Figure 112016119710729-pat00053
Is a standardized data matrix (
Figure 112016119710729-pat00054
)ego,
Figure 112016119710729-pat00055
The
Figure 112016119710729-pat00056
PCs are retained in the matrix (
Figure 112016119710729-pat00057
),
Figure 112016119710729-pat00058
Is an identity matrix (
Figure 112016119710729-pat00059
) ego,
Figure 112016119710729-pat00060
Represents the Euclidean distance.

도 1에 도시한 바와 같이,

Figure 112016119710729-pat00061
-statistic는 첫 번째 PC의 정사각 모양의 직교 거리이고,
Figure 112016119710729-pat00062
-statistic는 유지된 주성분들(
Figure 112016119710729-pat00063
)에 의해 구할 수 없는 변수들의 합계를 구할 수 있다. As shown in Fig. 1,
Figure 112016119710729-pat00061
-statistic is the orthogonal distance of the square shape of the first PC,
Figure 112016119710729-pat00062
-statistic is the retained principal components (
Figure 112016119710729-pat00063
) Can be obtained.

두 번째 측정은 Hotelling의

Figure 112016119710729-pat00064
-statisticd이고, 이는 중심으로부터 재구성된 데이터(
Figure 112016119710729-pat00065
)의 거리를 측정한다. 상기 재구성된 데이터(
Figure 112016119710729-pat00066
)의 거리는 아래 수학식 9를 통해 구할 수 있다. The second measure is Hotelling's
Figure 112016119710729-pat00064
-statisticd, which is the data reconstructed from the center (
Figure 112016119710729-pat00065
) Is measured. The reconstructed data (
Figure 112016119710729-pat00066
) Can be obtained by the following equation (9).

Figure 112016119710729-pat00067
Figure 112016119710729-pat00067

여기서,

Figure 112016119710729-pat00068
Figure 112016119710729-pat00069
우선 PCs 유지하는 대각선 행렬(
Figure 112016119710729-pat00070
)이다. 도 1에 도시한 바와 같이.
Figure 112016119710729-pat00071
-statistic는 중심과 재구성된 데이터 (
Figure 112016119710729-pat00072
) 사이의 마할라노비스 거리(Mahalanobis Distance)이다. here,
Figure 112016119710729-pat00068
The
Figure 112016119710729-pat00069
First, keep the PCs diagonal matrix (
Figure 112016119710729-pat00070
)to be. As shown in Fig.
Figure 112016119710729-pat00071
-statistic is the center and the reconstructed data (
Figure 112016119710729-pat00072
) Is the Mahalanobis Distance.

Figure 112016119710729-pat00073
-statistic는 유지된 PC들의 변수들을 측정하고, 부분 공간(주성분들 등의)의 중심으로부터 가장 떨어진 정도를 진단할 수 있다.
Figure 112016119710729-pat00073
-statistic measures the variables of the PCs maintained and can diagnose the most distant from the center of the subspace (such as principal components).

유의수준

Figure 112016119710729-pat00074
(
Figure 112016119710729-pat00075
)을 가지는
Figure 112016119710729-pat00076
-statistic 과
Figure 112016119710729-pat00077
-statistic의 상한값은 시간 독립성(Temporal Independence)과 투영된 데이터 (
Figure 112016119710729-pat00078
)의 정규성(Normality)을 가정함으로써 구할 수 있다[15].
Figure 112016119710729-pat00079
-statistic(
Figure 112016119710729-pat00080
)의 상한값은 아래 수학식 10의 카이제곱분포(Chi-Squared Distribution)를 통해 구할 수 있다[16].Significance level
Figure 112016119710729-pat00074
(
Figure 112016119710729-pat00075
)
Figure 112016119710729-pat00076
-statistic and
Figure 112016119710729-pat00077
The upper limit of the statistic is the temporal independence and the projected data
Figure 112016119710729-pat00078
), And the normality of [(15)].
Figure 112016119710729-pat00079
-statistic (
Figure 112016119710729-pat00080
) Can be obtained through the Chi-Squared distribution of Equation (10) [16].

Figure 112016119710729-pat00081
Figure 112016119710729-pat00081

여기서,

Figure 112016119710729-pat00082
이고,
Figure 112016119710729-pat00083
Figure 112016119710729-pat00084
는 표본 평균(Sample Mean)과
Figure 112016119710729-pat00085
-statistic의 변동성을 각각 나타낸다, 그리고,
Figure 112016119710729-pat00086
는 자유도
Figure 112016119710729-pat00087
와 유의수준
Figure 112016119710729-pat00088
를 가지는 카이제곱분포이다. here,
Figure 112016119710729-pat00082
ego,
Figure 112016119710729-pat00083
and
Figure 112016119710729-pat00084
Is the sample mean and
Figure 112016119710729-pat00085
-statistic variability, respectively,
Figure 112016119710729-pat00086
The degree of freedom
Figure 112016119710729-pat00087
And significance level
Figure 112016119710729-pat00088
≪ / RTI >

다른 한편으로,

Figure 112016119710729-pat00089
-statistic (
Figure 112016119710729-pat00090
) 의 상한 값은 아래 수학식 11과 같다On the other hand,
Figure 112016119710729-pat00089
-statistic (
Figure 112016119710729-pat00090
) Is expressed by Equation (11) below

Figure 112016119710729-pat00091
Figure 112016119710729-pat00091

여기서,

Figure 112016119710729-pat00092
Figure 112016119710729-pat00093
Figure 112016119710729-pat00094
자유도를 가지는
Figure 112016119710729-pat00095
-분포이다here,
Figure 112016119710729-pat00092
Figure 112016119710729-pat00093
and
Figure 112016119710729-pat00094
Having a degree of freedom
Figure 112016119710729-pat00095
- Distribution.

주성분분석(PCA)를 수행하기 위해, 주성분(PC)들 (

Figure 112016119710729-pat00096
)의 최적 수는 선택될 수 있다. 변동성 누적률(CPV; Cumulative Percentage of Variance)이 많은 연구에서 폭 넓게 사용되었다. 변동성 누적률(CPV)은 최초 r 잠재변수들(
Figure 112016119710729-pat00097
)에 의해 변동량을 측정한다. To perform Principal Component Analysis (PCA), the principal components (PCs)
Figure 112016119710729-pat00096
) Can be selected. Cumulative Percentage of Variance (CPV) was widely used in many studies. The volatility cumulative rate (CPV)
Figure 112016119710729-pat00097
).

그러나, 상기한 변동성 누적률(CPV)은 주관적인 접근이다. 따라서, 변동성 누적률(CPV)의 값은 일반적으로 이전 연구들에서는 80% 에서 99%까지 구해진다[3, 12, 17-19].However, the above volatility cumulative rate (CPV) is a subjective approach. Thus, the value of the volatility cumulative rate (CPV) is generally estimated from 80% to 99% in previous studies [3, 12, 17-19].

변동성 누적률(CPV)의 휴리스틱한 선택(Heuristic choice)을 사용하는 것보다 본 연구에서는 PC들의 최적수에 대한 고유치 차이 기법(Eigengap Technique)을 사용하였다[20-23]. Rather than using a heuristic choice of volatility cumulative rate (CPV), this study used the Eigengap Technique for the optimal number of PCs [20-23].

고유값이 내림차순으로 정렬될 때, 고유치 차이는 수학식 12에 의해 계산된다.When the eigenvalues are sorted in descending order, the eigenvalue difference is calculated by Equation (12).

Figure 112016119710729-pat00098
Figure 112016119710729-pat00098

여기서,

Figure 112016119710729-pat00099
. 가장 큰
Figure 112016119710729-pat00100
고유치 차이(Eigengap)은 투영과 재구성(
Figure 112016119710729-pat00101
)에 대해 주성분들을 유지하도록 선택된다. here,
Figure 112016119710729-pat00099
. biggest
Figure 112016119710729-pat00100
The eigenvalue difference (Eigengap) is the projection and reconstruction
Figure 112016119710729-pat00101
) ≪ / RTI >

구조물 건전성 평가(SHM) 과정에서 주성분분석(PCA)를 이용한 새로운 진단이 폭넓게 사용될 수 있고, 새로운 진단의 근본적 이유(논리적 근거)는 모니터링 통계의 값이 구조물이 건전한 상태 동안에 작다는 것이다. 새로운 특징을 획득하면 이 새로운 특징은 기저 모델(교사 자료로부터의 주성분분석(PCA))의 부분 공간 내에 투영되고 재구성된다. A new diagnostic using principal component analysis (PCA) can be widely used in the structural health assessment (SHM) process, and the root cause of the new diagnosis is that the value of the monitoring statistics is small during the sound state of the structure. When a new feature is acquired, this new feature is projected and reconstructed in the subspace of the base model (principal component analysis (PCA) from teacher data).

새로운 특징들에 대한 모니터링 통계가 이들의 상한 값보다 크다면(

Figure 112018104082716-pat00102
and/or
Figure 112018104082716-pat00103
), 이 것은 구조적 손상이 존재하는 것을 나타낸다. 그렇지 않으면, 구조 시스템은 현재 구조물이 건전한 상태와 같이 비손상 상태이다. If the monitoring statistics for new features are greater than their upper limit value (
Figure 112018104082716-pat00102
and / or
Figure 112018104082716-pat00103
), Indicating that structural damage exists. Otherwise, the rescue system is in an undamaged state, such as the current state of the structure.

도 5는 주성분분석(PCA) 이용한 건전성 진단 과정을 나타내는 개략도이다. FIG. 5 is a schematic diagram showing a health check process using principal component analysis (PCA). FIG.

도 5을 참조하여 설명하면, 주성분분석(PCA)을 이용한 구조물의 건전성 평가는 (a)주성분(PC)를 추출하고, (b)첫 번째 주성분(1thPC)의 좌표축에 1차원적으로 투영하며, (c) 원래 공간에 2차원적으로 복원하고, (d) 정보 손실 등의 나머지를 계산 한 후, (e) 모니터링 차트를 통해 새로움 결함을 진단하는 과정을 통해 이루어진다. Referring to FIG 5, the principal component analysis (PCA) integrity evaluation of the structure with the (a) the main component extract (PC), and, (b) the first main component to the coordinate axes of the (1 th PC) projected in a one-dimensional (C) two-dimensionally reconstructing the original space, (d) computing the remainder of the information loss, and (e) diagnosing the new defect through the monitoring chart.

도 6은 이동 창 선형 주성분분석(MWPCA)의 개념적인 설명을 도시한 개략도이고, 도 7은 고정된 이동 창 선형 주성분분석과 가변 이동 창 선형 주성분분석을 비교하여 도시한 개략도이다. FIG. 6 is a schematic view showing a conceptual description of a moving window linear principal component analysis (MWPCA), and FIG. 7 is a schematic diagram showing a comparison between a fixed moving window linear principal component analysis and a variable moving window linear principal component analysis.

도 6 및 도 7을 참조하여 설명하면, 이동 창 선형 주성분 분석(MWPCA)은 초기 계측 데이터(

Figure 112016119710729-pat00104
)와 함께 시작한다.
Figure 112016119710729-pat00105
을 토대로, 초기 기저 모델 (
Figure 112016119710729-pat00106
)이 구성된다. Referring to Figures 6 and 7, the moving window linear principal component analysis (MWPCA)
Figure 112016119710729-pat00104
).
Figure 112016119710729-pat00105
, The initial baseline model (
Figure 112016119710729-pat00106
).

새로운 데이터(

Figure 112018104082716-pat00107
)가 획득된 후 구조물이 건전한 상태로 평가되면, 이동 창은 최신 데이터를 따라 이동한다. New data (
Figure 112018104082716-pat00107
) Is obtained and the structure is evaluated as sound, the moving window moves along with the latest data.

이는 새 이동 창은

Figure 112016119710729-pat00108
이고, 기저 모델(
Figure 112016119710729-pat00109
)이 새로운 계측데이터에 의해 획득되는 것을 말한다. This new window
Figure 112016119710729-pat00108
, And the base model (
Figure 112016119710729-pat00109
) Is obtained by the new measurement data.

이동 창의 메커니즘은 새로운 데이터가 유용할 때까지 반복된다. 이렇게 함으로써 기저 모델(

Figure 112018104082716-pat00110
)은 구조물이 건전한 상태의 변화를 채택할 수 있게 된다. The mechanism of the move window is repeated until new data is available. By doing so,
Figure 112018104082716-pat00110
) Allows the structure to adopt a sound state of change.

만약 구조물이 건전한 상태들이 급격하게 변화하는데 이동 창 사이즈가 커지면, 이동 창이 너무 오래된 데이터를 포함하게 되기 때문에 현재 기저 모델은 구조물이 건전한 상태의 변화를 반영할 수 없다. 이와 관련해, 고정된 이동 창을 이용하는 이동 창 선형 주성분분석(MWPCA)은 구조물이 건전한 상태의 변화를 포착하기에는 부족하다. If the structure is healthy and the moving window size increases rapidly, the moving base window will contain too old data, so the current base model can not reflect the sound state of the structure. In this regard, the moving window linear principal component analysis (MWPCA) using a fixed moving window is insufficient to capture the change in the state of the structure.

이동 창 사이즈는 구조물이 건전한 상태의 변화율과 연관된다. 구조물이 건전한 상태가 급격하게 변할 때는 더 작은 이동 창의 사이즈가 적합하고, 반면에 구조물이 건전한 상태가 천천히 변화할 때는 더 큰 이동 창의 사이즈가 바람직하다. 종종, 구조물이 건전한 상태의 변화율은 사전에 알 수 없다. 즉, 구조물이 건전한 상태의 변화는 시간 가변성을 갖기 때문이다.The movement window size is related to the rate of change of the state of the structure. The size of the smaller moving window is appropriate when the structure is changing abruptly, while the size of the larger moving window is preferred when the structure is changing slowly. Often, the rate of change of a sound state of a structure is not known in advance. That is, the change in the sound state of the structure is time varying.

따라서, 본 발명에서는 가변 이동 창 선형 주성분분석(VMWPCA)을 제안한 하고 있다. Therefore, the present invention proposes a variable moving window linear principal component analysis (VMWPCA).

여기서, 상기 이동 창의 가장 일반적인 방법은 변화되는 구조물이 건전한 상태의 평균과 공분산을 갱신하고 이를 기반으로 주성분을 추출하는 것이다.Here, the most general method of the moving window is to update the average and covariance of the healthy state of the changed structure and extract the principal components based on the updated average.

그리고, 전술한 주성분분석(PCA)는 본질적으로 선형 툴이다. 따라서, 이동 창 내에서 만약 교사 자료가 비선형 종속성을 갖는다면, 샘플 평균의 변화와 공분산을 토대로 한 이동 창 선형 주성분분석(MWPCA)으로는 비선형 종속성을 효과적으로 처리할 수 없다[15, 23, 27, 29]. And, Principal Component Analysis (PCA) described above is essentially a linear tool. Therefore, if the teacher data has a nonlinear dependence in the moving window, it is not possible to effectively deal with nonlinear dependence with the moving window linear principal component analysis (MWPCA) based on the sample mean change and covariance [15, 23, 27, 29].

한편, 주성분석(PCA)의 골격 내에서 비선형 종속성을 해결하기 위해 (a) 커널 주성분분석(Kernel PCA) 방법과, (b) 국부 선형 주성분분석(Local Linear PCA) 방법이 사용된다. On the other hand, (a) Kernel PCA method and (b) Local Linear PCA method are used to solve the nonlinear dependence in the skeleton of PCA.

(a) 커널 주성분분석(Kernel PCA)은 원본 데이터를 미래 공간[3, 31] 내에 도해하기 위한 커널 기법(

Figure 112016119710729-pat00111
을 사용하는 것이 한 가지 방법이고, (b) 국부 선형 주성분분석(Local Linear PCA)은 비선형 시스템에 선형 PCA를 확장하는 것이 다른 한 가지 방법이다[8, 32, 33].(a) Kernel PCA is a kernel technique for plotting original data in future space [3, 31]
Figure 112016119710729-pat00111
(B) Local Linear PCA is another way to extend the linear PCA to a nonlinear system [8, 32, 33].

또한, 본 발명에서 제안된 가변 이동 창 전략은 국부 선형 주성분분석(Local Linear PCA)의 개념을 사용하여 개발되었다. 즉, 가변 이동 창 사이즈의 기본 목표는 이동 창의 블록 선형화이다.Also, the variable movement window strategy proposed in the present invention was developed using the concept of Local Linear PCA. That is, the basic goal of the variable moving window size is block linearization of the moving window.

도 8는 적응적 공정 모니터링을 위한 블록 선형화 과정을 도시한 그래프이고, 도 9는 BIC를 가지는 Linde-Buzo-Gray 알고리즘(KMC-LBG)을 이용한 k-평균 군집화 과정을 예시한 그래프이며, 도 10은 BIC와 KMC-LBG을 이용한 가변 이동 창 주성분분석(VMWPCA) 과정을 나타내는 도표이다. FIG. 8 is a graph illustrating a block linearization process for adaptive process monitoring, FIG. 9 is a graph illustrating a k-means clustering process using a Linde-Buzo-Gray algorithm having a BIC (KMC-LBG) (VMWPCA) process using BIC and KMC-LBG.

도 8 내지 도 10을 참조하여 설명하면, 비선형 데이터는 국부적으로 분할되고, 이 국부적으로 분할된 부분들은 선형 데이터에 근접할 수 있다. Referring to Figures 8-10, nonlinear data is locally partitioned, and these locally partitioned portions may be close to linear data.

블록 선형화를 수행하기 위해, Linde-Buzo-Gray 알고리즘(KMC-LBG)을 이용한 k-평균 군집화가 사용된다[34, 35].In order to perform block linearization, k-means clustering using the Linde-Buzo-Gray algorithm (KMC-LBG) is used [34, 35].

KMC-LBG 알고리즘은 k-평균 군집화(KMC) 알고리즘의 확장된 버전이다. KMC-LBG 알고리즘은 k군집을 찾기 위한 중심 기반 군집화(Centroid-based Clustering)이다. The KMC-LBG algorithm is an extended version of the k-means clustering (KMC) algorithm. The KMC-LBG algorithm is a centroid-based clustering for finding k clusters.

일반적으로, 중심 궤적(Centroid)은 각 군집의 평균이다. 이들은 k군집의 중심 궤적들을 찾기 위한 가장 적합한 조건을 필요로 하고, 가장 가까운 군집 중심 궤적에 샘플들을 위치시킨다. In general, the centroid is the average of each cluster. They require the most appropriate conditions to find the central trajectories of the k clusters, and locate the samples in the closest cluster center trajectory.

샘플들을 위치시키기 위하여, 기하학적이고 수학적인 거리와 같은 거리 측정이 군집의 중심 궤적으로부터 산출된다. In order to position the samples, distance measurements such as geometric and mathematical distances are calculated from the central locus of the cluster.

산출된 거리를 토대로, 샘플들은 군집의 최소 거리에 배치된다. KMC-LBG와 KMC의 주된 차이는 KMC-LBG알고리즘은 중심 궤적을 얻기 위해 이진 분할 알고리즘(Binary Splitting Algorithm)을 사용하는 것인데 반해 KMC 알고리즘은 초기 중심 궤적에 대한 임의의 지점들을 사용하는 것이다. Based on the calculated distance, the samples are placed at the minimum distance of the cluster. The main difference between KMC-LBG and KMC is that the KMC-LBG algorithm uses a binary splitting algorithm to obtain the center trajectory, whereas the KMC algorithm uses arbitrary points for the initial center trajectory.

이진 분할 알고리즘을 활용하기 때문에, KMC-LBG 알고리즘은 KMC 알고리즘보다 더 좋게 분산된 군집을 제공한다. Because it utilizes a binary segmentation algorithm, the KMC-LBG algorithm provides better distributed clusters than the KMC algorithm.

군집 알고리즘의 주된 사용 목적은 최적의 군집(

Figure 112016119710729-pat00112
)을 구할 수 있다는 것이다. 베이시안 정보 기준(BIC)은 다양한 모델 군에서 최적의 모델을 선택하는데 기준으로 활용된다. BIC는 모델들의 특징들에 대한 정보를 담고 있기 때문에 BIC는 모델 기반 군집(Model-Based Clustering)에 폭넓게 적용되어 왔다[36]. 최적 군집 수는 다음 수학식 13과 같이 계산된다.The main purpose of the clustering algorithm is to determine the optimal cluster
Figure 112016119710729-pat00112
) Can be obtained. The Bayesian Information Standard (BIC) is used as a basis for selecting the best model in various model groups. Since BIC contains information about the characteristics of models, BIC has been extensively applied to model-based clustering [36]. The optimal number of clusters is calculated by the following equation (13).

Figure 112016119710729-pat00113
Figure 112016119710729-pat00113

여기서,

Figure 112016119710729-pat00114
는 전체 군집 수이고,
Figure 112016119710729-pat00115
Figure 112016119710729-pat00116
번째 군집 내의 샘플 수이며,
Figure 112016119710729-pat00117
은 전체 샘플 수이고,
Figure 112016119710729-pat00118
Figure 112016119710729-pat00119
번째 군집의 분산(variance)이다. here,
Figure 112016119710729-pat00114
Is the total number of clusters,
Figure 112016119710729-pat00115
The
Figure 112016119710729-pat00116
The number of samples in the second cluster,
Figure 112016119710729-pat00117
Is the total number of samples,
Figure 112016119710729-pat00118
The
Figure 112016119710729-pat00119
Is the variance of the second cluster.

Figure 112016119710729-pat00120
Figure 112016119710729-pat00120

여기서,

Figure 112016119710729-pat00121
Figure 112016119710729-pat00122
번째 군집의 중심 궤적(평균)이고, KMC-LBG알고리즘이 미리 정의된 범위 내에 적용되며, BIC의 값들이 산출된다. here,
Figure 112016119710729-pat00121
The
Figure 112016119710729-pat00122
(Average) of the first cluster, the KMC-LBG algorithm is applied within a predefined range, and the values of BIC are calculated.

수학식 13을 사용할 때, BIC 값은 음수(Negative Value)이다.When using equation (13), the BIC value is a negative value.

BIC의 첫 번째 국부 최대값은 최적 군집 수를 의미한다[36,37]. 따라서, 최적 군집 수들은 첫 번째 최대값에서 군집 수에 따라 선택될 수 있다. The first local maximum of the BIC is the optimal number of clusters [36,37]. Therefore, the optimal cluster numbers can be selected according to the number of clusters at the first maximum value.

최적 군집 수에 대해 BIC를 가지는 KMC-LBG 알고리즘의 성능을 평가하기 위해, 도 8에 도시한 바와 같이 세 개의 군집화 문제에 적용하였다. To evaluate the performance of the KMC-LBG algorithm with BIC for the optimal cluster number, we apply it to three clustering problems as shown in FIG.

군집의 미리 예측된 범위는 셋 중 하나를 형성하도록 설정하였다. 첫 번째 문제에서, 데이터는 이차원 공간 내에서 단일 정규분포(Uni-modal Gaussian distribution)에 의해 생성된다. The predicted range of clusters was set to form one of the three. In the first problem, the data is generated by a single Uni-modal Gaussian distribution in two-dimensional space.

BIC를 가지는 KMC-LBG가 수행되고, 단일 군집은 BIC 값에 의해 올바르게 선택된다. BIC를 가지는 KMC-LBG는 다른 군집 문제들에 대해 올바른 군집 수를 제공할 수 있다. 따라서, 두 번째 문제(비선형 경향)에 대해서는 세 개의 군집을 제공하고, 세 번째 문제(두 개의 정규분포의 혼합모델: Bi-modal Gaussian Distribution)에 대해서는 두 개의 군집을 제공한다. A KMC-LBG with BIC is performed, and a single cluster is correctly selected by the BIC value. A KMC-LBG with BIC can provide the correct population for different clustering problems. Thus, we provide three clusters for the second problem (nonlinear trend) and two clusters for the third problem (a bi-modal Gaussian distribution).

두 번째 문제는 블록 선형화에 대한 좋은 예를 나타낸다. 최적 군집 수(일예로 3개)에 의해서, 비선형 경향을 가지는 데이터는 선형 경향을 가지는 국부 집단으로 분할된다(도 8). The second problem is a good example of block linearization. By an optimal number of clusters (for example, three), data having a nonlinear tendency is divided into local groups having a linear tendency (FIG. 8).

가변 이동 창 방법에 대해, 이동 창 사이즈는 최근 데이터를 포함할 수 있도록 군집에 의해 구해질 수 있다. 이 군집을 사용하는 주된 이유는 이 군집 내의 데이터가 최근에 측정된 것이고, 이들은 구조물이 건전한 상태의 최근 변화를 포함하고 있기 때문이다.With respect to the variable moving window method, the moving window size can be obtained by clustering so as to include the latest data. The main reason for using these clusters is that data in these clusters have recently been measured, because they contain recent changes in the sound state of the structure.

본 발명에서 제안하고 있는 가변 이동 창 주성분분석(VMWPCA)은 두 개의 주된 메커니즘을 포함한다. 첫 번째 메커니즘은 구조물이 건전한 상태를 갱신하기 위한 이동 창이고, 나머지 메커니즘은 최적 이동 창 수를 제공하기 위한 BIC를 가지는 KMC-LBG를 사용한 가변 이동 창이다.The Variable Moving Window Principal Component Analysis (VMWPCA) proposed in the present invention includes two main mechanisms. The first mechanism is a moving window for updating a sound state of the structure, and the remaining mechanism is a variable moving window using a KMC-LBG having a BIC for providing an optimum number of moving windows.

여기서, 가변 이동 창 사이즈와 계산 효율(computational efficiency)에 따라서, 최대 이동 창 사이즈(

Figure 112016119710729-pat00123
)를 산정한다. Here, depending on the variable moving window size and the computational efficiency, the maximum moving window size (
Figure 112016119710729-pat00123
).

본 발명의 가변 이동 창 주성분분석(VMWPCA)을 장기적 모니터링의 말기에 인공적으로 손상이 가해진 실제 교량에 적용하여 구조물이 건전한 상태의 변화율과 구조물의 손상에 민감한 특징들의 비선형 종속성 모두를 고려할 수 있는지를 비교 실험하였다. (VMWPCA) of the present invention is applied to artificially damaged actual bridges at the end of long-term monitoring to compare whether the structure can take into account both the rate of change of the sound state and the nonlinear dependence of features susceptible to damage to the structure Respectively.

실험예Experimental Example

토목 공학 구조물을 모니터링 하기 위한 시스템 식별 관련 프로젝트인(번호 BE96-3157)의 Brite Euram 프로젝트의 프레임워크 내에서 장기 모니터링을 Z24 교량에 대해 수행되었다[38].Long-term monitoring was performed on Z24 bridges within the framework of the Brite Euram project in the system identification project (No. BE96-3157) for monitoring civil engineering structures [38].

인위적인 손상 시나리오들이 모니터링 말기에 적용되었다[3, 39]. 제안된 방식을 Z24 교량에 적용하였다. Z24 교량은 스위스에 있는 세 개의 경간을 가지는 프리스트레스 콘크리트 교량이다Artificial damage scenarios have been applied at the end of monitoring [3, 39]. The proposed method is applied to Z24 bridges. The Z24 bridges are prestressed concrete bridges with three spans in Switzerland

도 11은 Z24 교량에 대한 측면도와 정단면도이고, 도 12는 Z24 교량의 장기 모니터링(약 1년)한 고유진동수를 나타낸 그래프이다. Fig. 11 is a side view and a front sectional view of a Z24 bridge, and Fig. 12 is a graph showing natural frequencies of long-term monitoring (about one year) of a Z24 bridge.

도 11 및 도 12를 참조하여 설명하면, Z24 교량은 후 포스트 텐셔닝 프리스트레스 콘크리트 박스 거더 교량(Post-Tensioned Concrete Box Girder Bridge)이다[13, 38].Referring to Figs. 11 and 12, the Z24 bridge is a post-tensioned concrete box girder bridge [13, 38].

교량 붕괴 이전(1999년 후반)에, 1997년 11월 11일부터 1998년 9월 11일 까지 305일 동안 교량 동적 특성의 환경적 변화를 정량화하기 위해 장기 모니터링이 수행되었다. 진동 응답들과 환경적 변수들은 매 시간마다 측정되었다[3].Long - term monitoring was carried out to quantify the environmental changes of bridge dynamic characteristics for 305 days from November 11, 1997 to September 11, 1998, before the bridge collapse (late 1999). Vibration responses and environmental variables were measured every hour [3].

실제 적용된 손상 과정을 하기한 도 13에 나타내었다. Reynders, Wursten 및 De Roeck [3]은 초기의 구조적 결합은 8월 9일에 수행된 교각 침하 시스템(Pier Settlement System)의 설치 과정에서 교각의 휨 강성의 불가피한 손실에 의해 발생할 수 있다. The actual damage process is shown in Fig. Reynders, Wursten and De Roeck [3] found that the initial structural combination could be caused by the inevitable loss of flexural stiffness of the piers during the installation of the Pier Settlement System on August 9.

4개 구조물의 손상에 민감한 특징들(

Figure 112018104082716-pat00124
)인 고유진동수 추계론적 부공간 식별기법(SSI; Stochastic Subspace Identification)과 아스팔트 층의 온도(T)에 의해 확인될 수 있다. Features that are sensitive to damage to four structures (
Figure 112018104082716-pat00124
) Stochastic Subspace Identification (SSI) and the temperature (T) of the asphalt layer.

여기서, 아스팔트 층이

Figure 112016119710729-pat00125
이하일 때, 4개의 고유진동수(Natural Frequencies)가 급하게 변화되는 것을 나타낸다. Here, the asphalt layer
Figure 112016119710729-pat00125
, It indicates that four natural frequencies are rapidly changed.

고유진동수 (

Figure 112016119710729-pat00126
)와 온도 (
Figure 112016119710729-pat00127
) 사이의 상관 관계를 실험하기 위해, 도 12에서와 같이
Figure 112016119710729-pat00128
Figure 112016119710729-pat00129
사이에 산점도(Scatter Plots)들을 설명하였다.Natural frequency
Figure 112016119710729-pat00126
) And temperature (
Figure 112016119710729-pat00127
), As shown in FIG. 12,
Figure 112016119710729-pat00128
Wow
Figure 112016119710729-pat00129
(Scatter Plots).

여기서,

Figure 112016119710729-pat00130
를 기준으로 모든 고유진동수에 대해
Figure 112016119710729-pat00131
Figure 112016119710729-pat00132
사이의 이중 선형 관계가 관측되었다. 추가적으로, 몇몇 고유진동수는 비선형적인 상관관계를 갖고 있다. 이들이 관찰되는 이유는 아스팔트 층의 탄성계수(Young's Modulus)가 온도 종속성을 갖기 때문이다[3].here,
Figure 112016119710729-pat00130
For all natural frequencies
Figure 112016119710729-pat00131
Wow
Figure 112016119710729-pat00132
Were observed. Additionally, some natural frequencies have non-linear correlations. These are observed because the Young's Modulus of the asphalt layer has temperature dependency [3].

도 13은 Z24 교량의 점진적으로 손상 테스트를 수행한 과정을 나타내는 도표이고, 도 14는 초기 교사 자료의 영향을 분석하기 위해 사용된 초기 교사 자료들을 나타낸 도표이며, 도 15은 고유진동수와 온도 사이의 이중 선형 종속성을 도시한 그래프이고, 도 16는 고유진동수들 사이의 상관관계를 도시한 그래프이며, 도 17은 초기 교사 자료 구성에 따른 영향을 분석하고자 사용한 다른 초기 교사 자료들을 가시화한 그래프이다.FIG. 13 is a chart showing the progress of the damage test of the Z24 bridge, FIG. 14 is a chart showing the initial teacher data used to analyze the influence of the initial teacher data, and FIG. FIG. 16 is a graph showing the correlation between the natural frequencies, and FIG. 17 is a graph showing other initial teacher data used to analyze the influence of the initial teacher data structure.

도 13 내지 도 17을 참조하여 설명하면, 아스팔트층의 탄성계수(Young's Modulus)는 0℃ 이상에서 상대적으로 낮은 값을 갖는 반면에 0℃ 이하에서는 급격하게 증가한다.Referring to FIGS. 13 to 17, the Young's modulus of the asphalt layer has a relatively low value at 0 ° C. or higher, but increases sharply at 0 ° C. or lower.

손상 감지 특징에 따라, 4개의 저차 고유진동수가 사용된다. 초기 교사 자료를 효과적으로 평가하기 위해, 제안기법을 서로 다른 수의 초기 교사 자료와 함께 실행하였다. Depending on the damage detection feature, four lower order natural frequencies are used. To effectively assess the initial teacher data, the proposed technique was run with a different number of initial teacher data.

이와 관련해서, 세 가지 경우들(Case 1-Case 3)에 대한 연구들은 도 14에 나타낸 바와 같이 고려될 수 있다.In this regard, studies on three cases (Case 1-Case 3) can be considered as shown in FIG.

첫 번째의 경우 초기 교사 자료는 0℃ 이상의 계측 데이터를 구성하기 때문에, 0℃ 이하에서 비선형적으로 바뀌는 정보를 갖지 못한다.In the first case, the initial teacher data does not have information that changes nonlinearly below 0 ° C because it constitutes measurement data above 0 ° C.

두 번째의 초기 교사 자료는 0℃이상의 계측 데이터와 0℃이하의 계측 데이터 일부를 포함하기 때문에 작은 비 선형적 변화 특성을 가지고 있다.The second initial teacher data has a small nonlinear change characteristic because it contains measurement data over 0 ℃ and some measurement data below 0 ℃.

마지막으로 세 번째의 초기 교사 자료는 0℃ 이상의 자료와 0℃이하의 충분한 계측 데이터를 모두 가지기 때문에 강한 비선형적 변화 특성을 갖는다. Finally, the third initial teacher data has strong nonlinear change characteristics because it has both data above 0 ℃ and sufficient measurement data below 0 ℃.

제안 방법을 적용하기 위해, 수학식 7을 이용한 정규분포 표준화(Auto-Scaling)를 계측 데이터에 적용한다. 사용될 주성분(PC)의 개수는 전술한 고유치 차이 기법에 의해 선택한다. To apply the proposed method, normal-distribution normalization (Auto-Scaling) using Equation (7) is applied to the measurement data. The number of principal components (PC) to be used is selected by the above eigenvalue difference technique.

모니터링 통계에서 T2-statistic 통계는 본 연구에서 고려되지 않았다. 전형적으로 T2-statistic 는 PC 모델 내부의 일반적이지 않은 변화나 큰 편차의 민감도를 측정하다. T2-statistic statistics in monitoring statistics were not considered in this study. Typically, T2-statistic measures the sensitivity of unusual changes or large deviations within the PC model.

추출된 특징들은 계측 시스템의 고장으로 인한 계측의 불연속 구간을 갖는다. 구조물이 건전한 상태하에서도 이러한 계측의 불연속 구간은 큰 변동성에 의해 기인하여 발생하기 때문에 T2-statistic 는 이러한 경우 사용하기에는 적합하지 않다. The extracted features have discontinuous intervals of measurement due to failure of the metrology system. T 2 -statistic is not suitable for this case because the discontinuity of these measurements occurs due to large variability even under sound conditions of the structure.

이러한 이유로 수학식 8의 Q-statistic는 95% 신뢰수준을 가지는 모니터링 통계를 위해 사용된다. Q-statistic은 다섯 개의 연속되는 데이터가 허용치 밖의 값을 가진다면, 현재 조건은 결함이 발생한 것으로 간주하고, 제안 기법에서 기저 모델(PC 모델)의 갱신을 중지시킨다. For this reason, the Q-statistic of Equation (8) is used for monitoring statistics having a 95% confidence level. The Q-statistic assumes that five consecutive data have out-of-tolerance values, that the current condition is defective, and the proposed technique stops updating the base model (PC model).

가변 이동 창 주성분분석(VWMPCA)에서 두 달간 변화 경향을 나타내기 위해 이동 창의 최대 사이즈(Lmax)는 1,500으로 예정되어 있다. 최대 사이즈는 사용자가 정의하여 변경할 수 있다. 따라서, 이동 창의 최대 사이즈(Lmax)는 아래 수학식 15를 통해 구할 수 있다. Variable Mobile Window The maximum size of the moving window (L max ) is expected to be 1,500 to show the trend of change for two months in the principal component analysis (VWMPCA). The maximum size can be customized by the user. Therefore, the maximum size (L max ) of the moving window can be obtained by the following equation (15).

Figure 112016119710729-pat00133
Figure 112016119710729-pat00133

여기서, 이동 창의 최대 사이즈(Lmax)는 조절될 수 있다. Here, the maximum size (L max ) of the moving window can be adjusted.

도 18은 본 발명의 가변 이동 창 주성분분석(VMWPCA)를 이용한 Z24교량의 출력 전용 구조물 건전성 평과 결과를 나타낸 그래프이다.18 is a graph showing the results of the soundness evaluation of the output-only structure of the Z24 bridge using the variable moving window principal component analysis (VMWPCA) of the present invention.

도 18을 참조하여 설명하면, 가변 이동 창 주성분분석(VMWPCA)의 모든 경우(Case 1-Case 3)들이 손상을 진단하는데 성공적이었다. Referring to FIG. 18, all cases (Case 1-Case 3) of the variable moving window principal component analysis (VMWPCA) were successful in diagnosing the damage.

다시 말해, 제안된 가변 이동 창 주성분분석(VMWPCA)는 구조물이 건전한 상태들의 변화를 설명할 수 있고 기저 모델을 적절히 갱신시킬 수 있다. 이들의 관찰을 통해 제안된 가변 이동 창 주성분분석(VMWPCA)는 초기 교사 자료에 의해 영향을 받지 않는다는 것을 알 수 있다. In other words, the proposed variable moving window principal components analysis (VMWPCA) can explain the changes in the sound state of the structure and update the base model properly. From these observations, we can see that the proposed variable moving window principal component analysis (VMWPCA) is not affected by the initial teacher data.

즉, 구조물이 건전한 상태의 변화가 급격할 때, 이동 창의 사이즈는 최근 데이터에 비중을 둘 수 있도록 작아져야만 하고, 반면에 구조물이 건전한 상태의 변화가 완만할 때는 구조물이 건전한 상태에 대한 필수 정보들이 장기간 포함될 수 있도록 이동 창 사이즈가 증가 되어야 한다. 또한, 특징들에 비선형 종속성이 나타날 때에는, 더 작은 이동 창의 사이즈가 선택된다. In other words, when the structure is sound, the size of the moving window must be small so as to place a weight on the recent data. On the other hand, when the structure is smoothly changed, essential information about the sound state of the structure Move window size should be increased to accommodate long term. Also, when nonlinear dependencies appear in the features, the size of the smaller movement window is selected.

이처럼, 본 발명의 외부환경 변동을 고려한 적응적 다변량 통계적 공정 모니터링을 이용한 출력 전용 구조물 건전성 평가 방법에서는 가변 이동 창 주성분분석(VMWPCA; Variable Moving Window Principal Component Analysis)을 적용함으로써, 구조물이 건전한 상태의 변화를 갱신시켜 나가도록 연속적인 데이터를 따라 이동하는 이동 창을 통해 통계적 모델을 구축해나가되, 구조물이 건전한 상태의 비선형 특징을 국부적을 선형화시킬 수 있게 상기 이동 창의 사이즈를 가변시켜 구조물의 구조물이 건전한 상태의 변화율을 반영할 수 있고 아울러 구조물이 건전한 상태의 변화율을 반영된 자료의 비선형 종속성을 처리할 수 있도록 하는 효과를 가지게 된다. As described above, in the method for evaluating the sound quality of the output structure using the adaptive multivariate statistical process monitoring in consideration of the external environment variation of the present invention, by applying Variable Moving Window Principal Component Analysis (VMWPCA) A statistical model is constructed through a moving window moving along continuous data so as to update the nonlinear characteristic of the structure, and the size of the moving window is changed so that the nonlinear characteristic of the structure is soundly localized, It has the effect of reflecting the rate of change and also of handling the nonlinear dependence of the data reflecting the rate of change of the sound state of the structure.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but many variations and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention. And it goes without saying that they belong to the scope of the present invention.

Claims (6)

구조물에 계측 시스템을 설치하여 주요 응답을 계측하는 단계;
상기 계측 시스템으로부터 계측된 데이터들로부터 구조물의 손상에 민감한 특징들을 추출하는 단계;
추출된 상기 구조물의 손상에 민감한 특징들을 이용해 이상 상태 판단을 위한 구조물이 건전한 상태의 통계적 모델을 구축하는 단계; 및
상기 통계적 모델을 기초로 하여 새롭게 계측된 특징들을 평가하여 구조물의 손상 발생 여부를 판단하는 구조물 이상 상태 진단 단계;를 포함하고,

상기 통계적 모델 구축 단계는,
외부 환경 변동에 따른 구조물이 건전한 상태의 변화를 갱신시켜 나가도록 기존 계측 데이터로부터 새로 얻어지는 계측 데이터를 따라 이동하는 이동 창을 이용해 통계적 모델을 구축해나가되,
상기 구조물의 손상에 민감한 특징들 간의 비선형적인 관계가 발견되면 상기 구조물의 손상에 민감한 특성들이 비선형적으로 나타나는 구간을 국부적으로 분할하여 선형화시킬 수 있게 상기 이동 창의 사이즈를 가변시키는 가변 이동 창 주성분분석(VMWPCA; Variable Moving Window Principal Component Analysis)을 적용해 수행하는 외부환경 변동을 고려한 적응적 다변량 통계적 공정 모니터링을 이용한 구조물 건전성 평가 방법.
Measuring a major response by installing a metrology system on the structure;
Extracting features sensitive to damage to the structure from the measured data from the metrology system;
Constructing a statistical model of the structure in a sound state for determining an abnormal state using features extracted from the damage of the structure; And
And a structural abnormality diagnosis step of evaluating newly measured features based on the statistical model to determine whether a damage of a structure has occurred,

In the statistical model building step,
The statistical model is constructed using the moving window moving along with the newly obtained measurement data from the existing measurement data so that the structure is updated with the change of the sound state due to the external environment change,
If a nonlinear relationship between features susceptible to damage of the structure is found, variable movement window principal component analysis (hereinafter referred to as " variable movement window principal component analysis ") that varies the size of the moving window so as to locally divide and linearize the non- A Method for Evaluating Structural Integrity Using Adaptive Multivariate Statistical Process Monitoring Considering Variation of External Environment Performed by Applying Variable Moving Window Principal Component Analysis (VMWPCA).
제1항에서,
상기 이동 창의 사이즈는,
상기 구조물이 건전한 상태의 변화가 클수록 작아지고, 상기 구조물이 건전한 상태의 변화가 작을수록 커지는 외부환경 변동을 고려한 적응적 다변량 통계적 공정 모니터링을 이용한 구조물 건전성 평가 방법.
The method of claim 1,
The size of the moving window may be,
A method for evaluating structural integrity using adaptive multivariate statistical process monitoring that takes into account the external environment variation in which the structure becomes smaller as the change in the sound state becomes larger and the structure becomes larger as the change in the sound state becomes smaller.
제2항에서,
상기 이동 창의 최적 사이즈는,
베이시안 정보 기준(Bayesian information criterion; BIC)를 가지는 Linde-Buzo-Gray 알고리즘(KMC-LBG)을 이용한 k평균 군집화(k-means clustering)를 통해 결정하는 외부환경 변동을 고려한 적응적 다변량 통계적 공정 모니터링을 이용한 구조물 건전성 평가 방법.
3. The method of claim 2,
The optimal size of the moving window is determined by the following equation
Adaptive multivariate statistical process monitoring based on k-means clustering using the Linde-Buzo-Gray algorithm (KMC-LBG) with Bayesian information criterion (BIC) Method for Evaluating Structural Integrity Using.
제3항에서,
상기 k평균 군집화(k-means clustering)를 위한 최적 군집의 수는 아래 수학식을 통해 산출되는 외부환경 변동을 고려한 적응적 다변량 통계적 공정 모니터링을 이용한 구조물 건전성 평가 방법.
Figure 112016119710729-pat00134

여기서,
Figure 112016119710729-pat00135
는 전체 군집 수이고,
Figure 112016119710729-pat00136
Figure 112016119710729-pat00137
번째 군집 내의 샘플 수고,
Figure 112016119710729-pat00138
은 전체 샘플 수며,
Figure 112016119710729-pat00139
Figure 112016119710729-pat00140
번째 군집의 분산(variance)이다.
4. The method of claim 3,
Wherein the number of optimal clusters for k-means clustering is calculated by the following equation: < EMI ID = 1.0 >
Figure 112016119710729-pat00134

here,
Figure 112016119710729-pat00135
Is the total number of clusters,
Figure 112016119710729-pat00136
The
Figure 112016119710729-pat00137
The number of samples in the second cluster,
Figure 112016119710729-pat00138
Can be a whole sample,
Figure 112016119710729-pat00139
The
Figure 112016119710729-pat00140
Is the variance of the second cluster.
제4항에서,
상기 군집의 분산은 아래 수학식을 통해 산출되는 외부환경 변동을 고려한 적응적 다변량 통계적 공정 모니터링을 이용한 구조물 건전성 평가 방법.
Figure 112016119710729-pat00141

여기서,
Figure 112016119710729-pat00142
Figure 112016119710729-pat00143
번째 군집의 중심이고, Linde-Buzo-Gray 알고리즘(KMC-LBG)은 사전에 사용자 정의된 범위 내에 적용된다.
5. The method of claim 4,
Wherein the dispersion of the cluster is evaluated by adaptive multivariate statistical process monitoring that takes into account the external environment variation calculated by the following equation.
Figure 112016119710729-pat00141

here,
Figure 112016119710729-pat00142
The
Figure 112016119710729-pat00143
, And the Linde-Buzo-Gray algorithm (KMC-LBG) is applied within a pre-defined range.
제5항에서,
상기 최적 군집의 수는,
베이시안 정보 기준(Bayesian information criterion; BIC)를 사전에 정의된 군집 수 범위로 수행하고, 각 군집 수 별로 베이시안 정보를 계산하며, 군집 수 크기 별로 나열하여 첫 번째 국부 최대값을 가지는 군집 수에 따라 선택되는 외부환경 변동을 고려한 적응적 다변량 통계적 공정 모니터링을 이용한 구조물 건전성 평가 방법.
The method of claim 5,
The number of optimal clusters may be determined,
Bayesian information criterion (BIC) is performed in a predefined population size, Bayesian information is calculated for each cluster number, and the number of clusters having the first local maximum value A Method for Evaluating Structural Integrity Using Adaptive Multivariate Statistical Process Monitoring Considering External Environment Variation.
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