KR102458771B1 - Method and apparatus for monitoring of bridge structure damage using graph neural network - Google Patents

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Abstract

본원의 일 측면에 따른 교량 구조물 모니터링 장치는 하나 이상의 센서와 통신을 수행하는 통신 모듈; 교량 구조물 모니터링 프로그램이 저장된 메모리; 및 상기 교량 구조물 모니터링 프로그램을 실행하는 프로세서를 포함하되, 상기 교량 구조물 모니터링 프로그램은 상기 센서에서 수집된 정보에 기초하여 평가 대상 교량 구조물을 모델링한 그래프를 임베딩 벡터로 변환하고, GNN(graph neural network) 기반 교량 구조물 학습 모델에 상기 평가 대상 교량 구조물의 임베딩 벡터를 입력하고, 상기 GNN 기반 교량 구조물 학습 모델의 출력에 기초하여, 상기 평가 대상 교량 구조물에서 손상이 발생한 케이블의 식별 번호 및 해당 케이블의 손상의 정도를 출력한다.Bridge structure monitoring apparatus according to an aspect of the present application includes a communication module for performing communication with one or more sensors; a memory in which the bridge structure monitoring program is stored; and a processor executing the bridge structure monitoring program, wherein the bridge structure monitoring program converts a graph modeling the bridge structure to be evaluated based on the information collected from the sensor into an embedding vector, and a graph neural network (GNN) Input the embedding vector of the evaluation target bridge structure to the base bridge structure learning model, and based on the output of the GNN-based bridge structure learning model, the identification number of the cable in which the damage has occurred in the evaluation target bridge structure and the damage of the cable output the degree.

Description

GNN을 이용한 교량 구조물의 모니터링 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR MONITORING OF BRIDGE STRUCTURE DAMAGE USING GRAPH NEURAL NETWORK}Method and device for monitoring bridge structure using GNN

본 발명은 GNN(GRAPH NEURAL NETWORK)을 이용한 교량 구조물의 모니터링 방법 및 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a method and apparatus for monitoring a bridge structure using GNN (GRAPH NEURAL NETWORK).

교통 인프라의 주요 시설물 중 하나인 사장교(cable-stayed bridge)는 자연재해, 기후, 주변 진동, 그리고 차량 하중 등의 외부 환경과 복합적인 요인으로 인해 손상되고 부식된다. 특히, 사장교의 구성 요소인 케이블은 교량을 유지하는데 매우 중요한 요소이면서도 손상에 취약한 구성 요소이다. 케이블이 손상되면 강성과 단면적이 감소하는데, 케이블은 단면적이 작기 때문에 우발적인 측면 부하에 대해 저항이 낮아 손실될 수 있고, 케이블의 손실은 교량에 과부화를 발생시켜서 인접한 케이블들에도 악영향을 끼칠 수 있다. A cable-stayed bridge, one of the major facilities of transportation infrastructure, is damaged and corroded due to external environment and complex factors such as natural disasters, climate, ambient vibration, and vehicle load. In particular, the cable, which is a component of cable-stayed bridges, is a very important element in maintaining the bridge, but also a component vulnerable to damage. When a cable is damaged, its stiffness and cross-sectional area decrease. Because the cable has a small cross-sectional area, it can be lost due to low resistance to accidental side loads, and the loss of the cable can overload the bridge and adversely affect adjacent cables .

이에, 교량의 안전 상태를 유지하기 위해서는 케이블의 상태를 지속적으로 모니터링할 필요가 있다. 그러나 교량의 센서로부터 수집되는 데이터는 케이블의 장력에 대한 것인데, 이것 만으로는 손상된 케이블이 어떤 것인지, 그리고 손상된 케이블의 단면적은 어느 정도인지를 직접적으로 확인할 수 없다. 이를 점검 하기 위해 사람이 직접 모든 케이블을 점검하는 것은 매우 비효율적이고 유지보수 비용을 증가시킨다. 그러므로 교량의 안전성과 내구성을 보장하기 위해 새로운 방식의 교량 모니터링 방법의 개발이 요구된다.Accordingly, in order to maintain the safe state of the bridge, it is necessary to continuously monitor the state of the cable. However, the data collected from the sensor of the bridge is about the tension of the cable, and this alone cannot directly determine what kind of damaged cable is and what the cross-sectional area of the damaged cable is. It is very inefficient and increases the maintenance cost to manually check all cables to check this. Therefore, the development of a new bridge monitoring method is required to ensure the safety and durability of the bridge.

대한민국 등록특허공보 제10-1509305호(발명의 명칭: 케이블 손상 신호 처리 장치 및 방법)Republic of Korea Patent Publication No. 10-1509305 (Title of the invention: cable damage signal processing apparatus and method)

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, GNN 을 이용하여 교량 구조물을 구성하는 케이블중 손상이 발생한 케이블과 손상의 정도를 출력할 수 있는 교량 구조물의 모니터링 방법 및 장치를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다. The present invention is to solve the above problems, and it is a technical task to provide a method and apparatus for monitoring a bridge structure capable of outputting a damaged cable and a degree of damage among cables constituting a bridge structure using GNN. do.

다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.However, the technical task to be achieved by the present embodiment is not limited to the above-described technical task, and other technical tasks may exist.

상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 기술적 수단으로서, 본 개시의 제 1측면에 따른 교량 구조물 모니터링 장치를 이용한 GNN(graph neural network) 기반의 교량 구조물의 모니터링 방법은, 평가 대상 교량 구조물을 모델링한 그래프를 임베딩 벡터로 변환하는 단계; GNN 기반 교량 구조물 학습 모델에 상기 평가 대상 교량 구조물의 임베딩 벡터를 입력하는 단계; 및 상기 GNN 기반 교량 구조물 학습 모델의 출력에 기초하여, 상기 평가 대상 교량 구조물에서 손상이 발생한 케이블의 식별 번호 및 해당 케이블의 손상의 정도를 출력하는 단계를 포함한다. GNN 기반 교량 구조물 학습 모델은 그래프로 표현된 복수의 교량 구조물의 훈련데이터를 MPNN(Message Passing Neural Network)을 통해 학습한 것이고, 그래프는 복수의 꼭지점(vertex)과 각 꼭지점을 연결하는 복수의 에지(egde)를 포함하고, 상기 꼭지점은 상기 교량 구조물의 노드의 위치 좌표를 나타내고, 상기 에지는 각 노드간의 거리, 각 노드를 연결하는 연결 요소의 종류 및 해당 연결 요소의 장력(tension)값을 나타내는 것이다.As a technical means for solving the above-described technical problem, a graph neural network (GNN)-based monitoring method of a bridge structure using the bridge structure monitoring apparatus according to the first aspect of the present disclosure is a graph modeling a bridge structure to be evaluated. converting to an embedding vector; inputting an embedding vector of the evaluation target bridge structure into a GNN-based bridge structure learning model; And based on the output of the GNN-based bridge structure learning model, comprising the step of outputting the identification number of the damaged cable in the evaluation target bridge structure and the degree of damage to the cable. The GNN-based bridge structure learning model learns training data of a plurality of bridge structures expressed in a graph through a Message Passing Neural Network (MPNN), and the graph is a plurality of vertices and a plurality of edges ( egde), wherein the vertex represents the position coordinates of the nodes of the bridge structure, and the edge represents the distance between each node, the type of connection element connecting each node, and the tension value of the connection element .

또한, 본 개시의 제 2 측면에 따른 교량 구조물 모니터링 장치는, 하나 이상의 센서와 통신을 수행하는 통신 모듈; 교량 구조물 모니터링 프로그램이 저장된 메모리; 및 상기 교량 구조물 모니터링 프로그램을 실행하는 프로세서를 포함하되, 상기 교량 구조물 모니터링 프로그램은 상기 센서에서 수집된 정보에 기초하여 평가 대상 교량 구조물을 모델링한 그래프를 임베딩 벡터로 변환하고, GNN(graph neural network) 기반 교량 구조물 학습 모델에 상기 평가 대상 교량 구조물의 임베딩 벡터를 입력하고, 상기 GNN 기반 교량 구조물 학습 모델의 출력에 기초하여, 상기 평가 대상 교량 구조물에서 손상이 발생한 케이블의 식별 번호 및 해당 케이블의 손상의 정도를 출력한다. GNN 기반 교량 구조물 학습 모델은 그래프로 표현된 복수의 교량 구조물의 훈련데이터를 MPNN(Message Passing Neural Network)을 통해 학습한 것이고, 그래프는 복수의 꼭지점(vertex)과 각 꼭지점을 연결하는 복수의 에지(egde)를 포함하고, 상기 꼭지점은 상기 교량 구조물의 노드의 위치 좌표를 나타내고, 상기 에지는 각 노드간의 거리, 각 노드를 연결하는 연결 요소의 종류 및 해당 연결 요소의 장력(tension)값을 나타내는 것이다.In addition, the bridge structure monitoring apparatus according to the second aspect of the present disclosure, a communication module for performing communication with one or more sensors; a memory in which the bridge structure monitoring program is stored; and a processor executing the bridge structure monitoring program, wherein the bridge structure monitoring program converts a graph modeling the bridge structure to be evaluated based on the information collected from the sensor into an embedding vector, and a graph neural network (GNN) Input the embedding vector of the evaluation target bridge structure to the base bridge structure learning model, and based on the output of the GNN-based bridge structure learning model, the identification number of the cable in which the damage has occurred in the evaluation target bridge structure and the damage of the cable output the degree. The GNN-based bridge structure learning model learns training data of a plurality of bridge structures expressed in graphs through a Message Passing Neural Network (MPNN), and the graph has a plurality of vertices and a plurality of edges ( egde), wherein the vertex represents the position coordinates of the nodes of the bridge structure, and the edge represents the distance between each node, the type of connection element connecting each node, and the tension value of the connection element .

전술한 본원의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 사장교를 그래프의 형태로 표현하고, 이를 기반으로 GNN 학습 모델을 구축하므로, 사장교를 구성하는 케이블의 상태를 보다 정확하게 모니터링할 수 있다. 특히, 사장교에 배치된 전체 센서가 아닌 일부 센서에서 수집된 정보만으로도, 어느 케이블에 손상이 발생하였는지, 그 케이블의 손상 정도는 어느 정도인지를 효과적으로 파악할 수 있다.According to any one of the above-described problem solving means of the present application, since the cable-stayed bridge is expressed in the form of a graph and a GNN learning model is built based on this, the state of the cables constituting the cable-stayed bridge can be more accurately monitored. In particular, it is possible to effectively determine which cable is damaged and to what extent the cable is damaged only with information collected from some of the sensors rather than all of the sensors disposed on the cable-stayed bridge.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 교량 구조물 모니터링 시스템의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 교량 구조물 모니터링 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 사용하고 있는 교량 구조물 모니터링 방법을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서 사용하고 있는 교량 구조물 모델의 예시적인 구성을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 학습 모델의 구축 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 교량 구조물 모니터링 방법의 실험 결과를 도시한 도면이다.
1 is a block diagram showing the configuration of a bridge structure monitoring system according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a block diagram showing the configuration of the bridge structure monitoring apparatus according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 shows a bridge structure monitoring method used in an embodiment of the present invention.
4 shows an exemplary configuration of a bridge structure model used in an embodiment of the present invention.
5 is a view for explaining a process of building a learning model according to an embodiment of the present invention.
6 is a view showing the experimental results of the bridge structure monitoring method according to an embodiment of the present invention.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present application will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art to which the present application pertains can easily implement them. However, the present application may be implemented in several different forms and is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain the present application in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. Throughout this specification, when a part is said to be "connected" with another part, it includes not only the case where it is "directly connected" but also the case where it is "electrically connected" with another element interposed therebetween. do.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout this specification, when a member is said to be located “on” another member, this includes not only a case in which a member is in contact with another member but also a case in which another member is present between the two members.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 교량 구조물 모니터링 시스템의 구성을 도시한 블록도이다. 1 is a block diagram showing the configuration of a bridge structure monitoring system according to an embodiment of the present invention.

교량 구조물 모니터링 시스템(10)은 교량 구조물 모니터링 장치(100) 및 복수의 센서(200)를 포함한다.The bridge structure monitoring system 10 includes a bridge structure monitoring apparatus 100 and a plurality of sensors 200 .

교량 구조물 모니터링 장치(100)는 사장교 형태의 교량 구조물에 부착된 복수의 센서(200)로부터 전송되는 각 케이블의 장력(tension)에 대한 정보를 수집하고, 이를 GNN(graph neural network) 기반 교량 구조물 학습 모델에 입력하여, 평가 대상 교량 구조물에서 손상이 발생한 케이블 및 손상의 정도를 출력한다.The bridge structure monitoring apparatus 100 collects information on the tension of each cable transmitted from a plurality of sensors 200 attached to the cable-stayed bridge type bridge structure, and uses it to learn the bridge structure based on a graph neural network (GNN). By input to the model, the damaged cables and the degree of damage are output in the bridge structure to be evaluated.

센서(200)는 각 케이블에 결합되어, 각 케이블의 장력을 측정하고, 측정된 센싱 데이터를 데이터 통신을 통해 교량 구조물 모니터링 장치(100)에 전송한다. 이때, 각 센서(200)는 자신의 식별 정보를 포함하는 형태로 센싱 정보를 전송하며, 교량 구조물 모니터링 장치(100)는 각 센싱의 식별 정보를 통해 어느 케이블에 대한 센싱 데이터인지 식별할 수 있다. 센서(200)로는 일반적인 유선 또는 무선 센서 장치를 사용할 수 있으며, 센서(200)의 구체적인 구성은 종래의 기술과 같으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.The sensor 200 is coupled to each cable, measures the tension of each cable, and transmits the measured sensing data to the bridge structure monitoring apparatus 100 through data communication. In this case, each sensor 200 transmits sensing information in a form including its own identification information, and the bridge structure monitoring apparatus 100 may identify the sensing data for which cable through identification information of each sensing. A general wired or wireless sensor device may be used as the sensor 200 , and the detailed configuration of the sensor 200 is the same as that of the prior art, and thus a detailed description thereof will be omitted.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 교량 구조물 모니터링 장치의 구성을 도시한 블록도이다.Figure 2 is a block diagram showing the configuration of the bridge structure monitoring apparatus according to an embodiment of the present invention.

도시된 바와 같이 교량 구조물 모니터링 장치(100)는 통신 모듈(110), 메모리(120), 프로세서(130), 데이터베이스(140) 및 입력모듈(150)을 포함할 수 있다.As shown, the bridge structure monitoring apparatus 100 may include a communication module 110 , a memory 120 , a processor 130 , a database 140 , and an input module 150 .

통신모듈(110)은 복수의 센서(200)와 데이터를 송수신할 수 있다. 통신모듈(110)은 다른 네트워크 장치와 유무선 연결을 통해 제어 신호 또는 데이터 신호와 같은 신호를 송수신하기 위해 필요한 하드웨어 및 소프트웨어를 포함하는 장치일 수 있다.The communication module 110 may transmit/receive data to and from the plurality of sensors 200 . The communication module 110 may be a device including hardware and software necessary for transmitting and receiving signals such as control signals or data signals through wired/wireless connection with other network devices.

메모리(120)에는 교량 구조물 모니터링 프로그램이 저장된다. 교량 구조물 모니터링 프로그램은 센서(200)로부터 각 케이블의 장력 데이터에 대한 정보를 누적적으로 수집하고, 이를 GNN 기반 교량 구조물 학습 모델에 입력하며, GNN 기반 교량 구조물 학습 모델의 추론 결과에 기초하여, 교량 구조물에 배치된 케이블의 손상 발생 여부 및 손상의 정도를 출력한다.The memory 120 stores the bridge structure monitoring program. The bridge structure monitoring program accumulates information on the tension data of each cable from the sensor 200, inputs it to the GNN-based bridge structure learning model, and based on the inference result of the GNN-based bridge structure learning model, the bridge Outputs whether damage has occurred and the degree of damage to the cables placed in the structure.

이러한 메모리(120)에는 교량 구조물 모니터링 장치(100)의 구동을 위한 운영 체제나 교량 구조물 모니터링 프로그램의 실행 과정에서 발생되는 여러 종류가 데이터가 저장된다. Various types of data generated during the execution of an operating system for driving the bridge structure monitoring apparatus 100 or a bridge structure monitoring program are stored in the memory 120 .

이때, 메모리(120)는 전원이 공급되지 않아도 저장된 정보를 계속 유지하는 비휘발성 저장장치 및 저장된 정보를 유지하기 위하여 전력이 필요한 휘발성 저장장치를 통칭하는 것이다. In this case, the memory 120 collectively refers to a non-volatile storage device that continuously maintains stored information even when power is not supplied, and a volatile storage device that requires power to maintain the stored information.

또한, 메모리(120)는 프로세서(130)가 처리하는 데이터를 일시적 또는 영구적으로 저장하는 기능을 수행할 수 있다. 여기서, 메모리(120)는 저장된 정보를 유지하기 위하여 전력이 필요한 휘발성 저장장치 외에 자기 저장 매체(magnetic storage media) 또는 플래시 저장 매체(flash storage media)를 포함할 수 있으나, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.In addition, the memory 120 may perform a function of temporarily or permanently storing data processed by the processor 130 . Here, the memory 120 may include magnetic storage media or flash storage media in addition to the volatile storage device requiring power to maintain stored information, but the scope of the present invention is limited thereto. it's not going to be

프로세서(130)는 메모리(120)에 저장된 프로그램을 실행하되, 교량 구조물 모니터링 프로그램의 실행에 따르는 전체 과정을 제어한다. 프로세서(130)가 수행하는 각각의 동작에 대해서는 추후 보다 상세히 살펴보기로 한다.The processor 130 executes the program stored in the memory 120, but controls the entire process according to the execution of the bridge structure monitoring program. Each operation performed by the processor 130 will be described in more detail later.

이러한 프로세서(130)는 데이터를 처리할 수 있는 모든 종류의 장치를 포함할 수 있다. 예를 들어 프로그램 내에 포함된 코드 또는 명령으로 표현된 기능을 수행하기 위해 물리적으로 구조화된 회로를 갖는, 하드웨어에 내장된 데이터 처리 장치를 의미할 수 있다. 이와 같이 하드웨어에 내장된 데이터 처리 장치의 일 예로써, 마이 크로프로세서(microprocessor), 중앙처리장치(central processing unit: CPU), 프로세서 코어(processor core), 멀티프로세서(multiprocessor), ASIC(application-specific integrated circuit), FPGA(field programmable gate array) 등의 처리 장치를 망라할 수 있으나, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.The processor 130 may include any type of device capable of processing data. For example, it may refer to a data processing device embedded in hardware having a physically structured circuit to perform a function expressed as a code or an instruction included in a program. As an example of the data processing device embedded in the hardware as described above, a microprocessor, a central processing unit (CPU), a processor core, a multiprocessor, an application-specific (ASIC) An integrated circuit) and a processing device such as a field programmable gate array (FPGA) may be included, but the scope of the present invention is not limited thereto.

데이터베이스(140)는 프로세서(130)의 제어에 따라, 교량 구조물 모니터링 시스템에 필요한 데이터를 저장 또는 제공한다. 이러한 데이터베이스(140)는 메모리(120)와는 별도의 구성 요소로서 포함되거나, 또는 메모리(120)의 일부 영역에 구축될 수도 있다.The database 140 stores or provides data necessary for the bridge structure monitoring system under the control of the processor 130 . The database 140 may be included as a component separate from the memory 120 , or may be built in a part of the memory 120 .

본 발명에서 사용되는 GNN 기반 교량 구조물 학습 모델의 구성과 이를 이용한 교량 구조물의 손상 모니터링 방법에 대하여 설명하기로 한다.A configuration of a GNN-based bridge structure learning model used in the present invention and a method for monitoring damage to a bridge structure using the same will be described.

도 3은 본 발명의 일 실시예에서 사용하고 있는 교량 구조물 모니터링 방법을 도시한 것이다.Figure 3 shows a bridge structure monitoring method used in an embodiment of the present invention.

먼저, 평가 대상 교량 구조물을 모델링한 그래프를 임베딩 벡터로 변환한다(S310).First, a graph modeling the bridge structure to be evaluated is converted into an embedding vector (S310).

본 발명에서는 학습 모델을 구축하거나, 이를 기반으로 결과를 추론하는 과정에서, 교량 구조물을 모델링한 그래프를 생성하고, 이를 각각 임베딩 벡터로 변환하여 사용한다.In the present invention, in the process of constructing a learning model or inferring a result based on it, a graph modeled by a bridge structure is generated, and each is converted into an embedding vector and used.

도 4는 본 발명의 일 실시예에서 사용하고 있는 교량 구조물 모델의 예시적인 구성을 도시한 것이다.4 shows an exemplary configuration of a bridge structure model used in an embodiment of the present invention.

도시된 것은 세미 하프형 사장교 모델로서, 주탑, 거더, 크로스 빔, 복수의 케이블 등으로 이루어진다. 그림에 도시된 바와 같이, 전면에서 볼때, 제 1 주탑에 1번~10번의 케이블이 연결되고, 제 2 주탑에 11번~20번의 케이블이 연결되고, 후면에서 볼때, 제 1 주탑에 21번~30번의 케이블이 연결되고, 제 2 주탑에 31번~40번의 케이블이 연결될 수 있다. 이와 같은 구조에서, 어느 한 케이블이 손상되면, 다른 케이블의 인장력에도 영향을 주게 되므로, 이러한 사장교의 구조적인 특성을 이용하면, 어느 케이블에 손상이 발생하였는지를 기계 학습 모델을 통해 확인할 수 있게 된다. 또한, 전체 케이블이 아닌 일부 케이블에 센서를 결합한 상태에서도 어느 케이블에 손상이 발생하였는지를 특정할 수 있게 된다.What is shown is a semi-half-type cable-stayed bridge model, and consists of a pylon, a girder, a cross beam, a plurality of cables, and the like. As shown in the figure, when viewed from the front, cables numbered 1 to 10 are connected to the first pylon, cables 11 to 20 are connected to the second pylon, and when viewed from the rear, cables numbered 21 to the first pylon No. 30 cables may be connected, and cables 31 to 40 may be connected to the second pylon. In such a structure, if one cable is damaged, the tensile force of the other cable is also affected. Therefore, by using the structural characteristics of the cable-stayed bridge, it is possible to check which cable is damaged through the machine learning model. In addition, it is possible to specify which cable is damaged even when the sensor is coupled to some cables rather than the entire cable.

학습 모델을 구축하기에 앞서, 교량 구조물을 설정하고 이에 대하여 시뮬레이션을 수행할 수 있는 모델을 통해, 특정 케이블의 손상에 따른 다른 케이블의 텐션 정보를 각각 생성할 수 있다. 본 발명의 실험 단계에서는 PAAP(Practical Advanced Analysis Program) 라는 종래에 알려진 구조해석 시뮬레이션 모델을 사용하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명에서 사용하는 구조 해석 시뮬레이션 프로그램은 사장교를 구성하는 각 케이블의 손상 정도(단면적)에 변화를 주었을 때, 사장교를 구성하는 나머지 케이블들의 장력값을 산출할 수 있는 것이다.Prior to building a learning model, through a model capable of setting up a bridge structure and performing a simulation on it, tension information of other cables according to damage to a specific cable can be generated, respectively. In the experimental stage of the present invention, a conventionally known structural analysis simulation model called PAAP (Practical Advanced Analysis Program) was used, but the present invention is not limited thereto. The structural analysis simulation program used in the present invention can calculate the tension value of the remaining cables constituting the cable-stayed bridge when the degree of damage (cross-sectional area) of each cable constituting the cable-stayed bridge is changed.

도 4의 사장교와 같이, 40개의 케이블을 가진 교량에 대하여, 다음과 같은 샘플 집합(Ci)을 고려할 수 있다. As in the cable-stayed bridge of FIG. 4 , for a bridge with 40 cables, the following sample set (C i ) can be considered.

Figure 112020136623467-pat00001
Figure 112020136623467-pat00001

이때, Aj 는j 번째 케이블의 단면적을 나타내는 것으로, 보다 구체적으로는 다음과 같은 수학식을 통해 표현할 수 있다.In this case, A j represents the cross-sectional area of the j-th cable, and more specifically, it can be expressed through the following equation.

Figure 112020136623467-pat00002
Figure 112020136623467-pat00002

Ai 는 손상되지 않은 상태인 케이블의 단면적을 나타내고, Ad는 손상된 상태의 케이블의 면적을 나타내며, α는 매개 변수를 나타낸다. 이때, α는 0과 1 사이의 값을 가진다.A i represents the cross-sectional area of the cable in the undamaged state, A d represents the area of the cable in the damaged state, and α represents the parameter. In this case, α has a value between 0 and 1.

이때, 예를 들어, 매개변수 α 를 0부터 1까지 0.01 단계로 변화해 가면, 한 케이블당 100개의 변화된 값을 획득할 수 있고, 40개의 케이블을 가진 교량이라면 총 4000개에 해당하는 데이터 샘플을 확보하게 된다. At this time, for example, if the parameter α is changed from 0 to 1 in 0.01 steps, 100 changed values can be obtained per one cable, and in the case of a bridge with 40 cables, a total of 4000 data samples are obtained. will secure

구조 해석 시뮬레이션 프로그램은 4000개의 케이블 단면적 변화 데이터에 대하여, 예를 들면, 10개의 케이블에서의 장력을 아래와 같이 획득할 수 있다.The structural analysis simulation program can acquire, for example, the tension in 10 cables for 4000 cable cross-sectional area change data as follows.

Figure 112020136623467-pat00003
Figure 112020136623467-pat00003

이와 같이, 사장교의 구조 해석 시뮬레이션 프로그램을 통해, 각 케이블의 손상 정도를 변화시키는 입력 데이터와, 이에 대한 출력으로서 각 케이블에 대한 장력 데이터를 출력으로서 획득할 수 있다. 그리고, 이와 같이 획득한 데이터를 훈련 데이터로서 활용하여 학습 모델을 구축한다.In this way, through the structural analysis simulation program of the cable-stayed bridge, input data for changing the degree of damage to each cable and the tension data for each cable as an output can be obtained as an output. Then, a learning model is constructed by using the obtained data as training data.

본 발명에서는 사장교의 구조적 토폴로지를 모델링 하기 위해, GNN(Graph Neural Network)을 사용한다. GNN은 그래프 구조의 데이터를 처리할 수 있는 강력한 딥러닝 모델로, 꼭지점(vertex)의 은닉 상태(hidden state)를 이웃들의 정보로 업데이트하여 그래프의 은닉 패턴을 포착하여 효과적으로 그래프를 분석하고 추론할 수 있다.In the present invention, to model the structural topology of the cable-stayed bridge, a graph neural network (GNN) is used. GNN is a powerful deep learning model that can process graph-structured data. It can effectively analyze and infer graphs by updating the hidden state of vertices with information from neighbors to capture hidden patterns in the graph. have.

또한, 본 발명에서는 이러한 GNN의 프레임 워크로서 MPNN(Message Passing Neural Network)을 사용하여 사장교 케이블의 장력과 공간 정보를 모두 활용하여 손상을 평가한다. In addition, in the present invention, the damage is evaluated by using both the tension and spatial information of the cable-stayed cable by using a Message Passing Neural Network (MPNN) as a framework of the GNN.

먼저, 사장교의 구조적 토폴로지를 모델링 하는 그래프는 복수의 꼭지점(vertex)과 각 꼭지점을 연결하는 복수의 에지(egde)를 포함한다. 이때, 각 꼭지점(xv)은 교량 구조물의 개별 요소를 나타내는 노드의 3차원 위치 좌표를 나타낸다. 또한, 에지(euv)는 각 노드간의 거리, 각 노드를 연결하는 연결 요소(케이블, 거더, 크로스 빔, 철탑) 의 종류 및 해당 연결 요소의 장력값을 포함하는 6차원의 벡터이다. 이와 같이 그래프는 복수의 꼭지점들과 복수의 에지를 포함하여 이루어지는 것으로서, 각 케이블의 식별 번호 및 각 케이블의 손상 면적을 상이하게 설정함에 따라, 각각 구분되는 교량 구조물 모델에 대한 그래프를 생성할 수 있다.First, the graph modeling the structural topology of the cable-stayed bridge includes a plurality of vertices and a plurality of edges connecting each vertex. In this case, each vertex (x v ) represents a three-dimensional position coordinate of a node representing an individual element of the bridge structure. In addition, the edge (e uv ) is a 6-dimensional vector including the distance between each node, the type of connection element (cable, girder, cross beam, pylon) connecting each node, and the tension value of the corresponding connection element. As such, the graph includes a plurality of vertices and a plurality of edges, and by setting the identification number of each cable and the damage area of each cable differently, a graph for each distinct bridge structure model can be generated. .

다시 도 3을 참조하면, GNN 기반 교량 구조물 학습 모델에 평가 대상 교량 구조물의 임베딩 벡터를 입력한다(S320). GNN 기반 교량 구조물 학습 모델의 구체적인 구성을 살펴보기로 한다.Referring back to FIG. 3 , an embedding vector of a bridge structure to be evaluated is input to the GNN-based bridge structure learning model ( S320 ). Let's take a look at the specific configuration of the GNN-based bridge structure learning model.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 학습 모델의 구축 과정을 설명하기 위한 도면이다.5 is a view for explaining a process of building a learning model according to an embodiment of the present invention.

먼저, 앞서 설명한 구조 해석 시뮬레이션 프로그램을 획득한 훈련 데이터를 이용하여 GNN 기반 교량 구조물 모델을 각각 생성한다. 훈련 데이터는 그래프로 표현되는 데이터로서 특히 에지(euv)에 기록되는 각 케이블의 장력 데이터를 포함하는 그래프 데이터가 입력 데이터로 사용되고, 이에 매칭되는 손상된 케이블의 식별 번호 및 해당 케이블의 손상 정도(단면적의 넓이)가 출력 데이터로서 사용된다. 그리고, 학습 모델이 구축되면, 센서를 통해 감지된 장력 데이터가 학습 모델에 입력되고, 이에 기반하여 손상된 케이블의 식별 번호 및 손상 정도를 나타내는 값이 학습 모델에서 출력된다.First, each GNN-based bridge structure model is generated using the training data obtained from the structural analysis simulation program described above. Training data is data expressed as a graph, and in particular, graph data including the tension data of each cable recorded at the edge (e uv ) is used as input data, and the identification number of the damaged cable and the degree of damage (cross-sectional area) of the corresponding cable are used as input data. area) is used as output data. And, when the learning model is built, the tension data sensed through the sensor is input to the learning model, and based on this, an identification number of the damaged cable and a value indicating the degree of damage are output from the learning model.

도면을 살펴보면, 교량 구조물 모델 별로 생성된 각각의 그래프에 대하여, 각 그래프를 구성하는 꼭지점과 에지를 임베딩 벡터로 변환하고, 이를 MPNN(Message Passing Neural Network)을 통해 학습한다. 이때, 노드의 위치를 나타내는 꼭지점(xv)은 64개의 뉴런과 ReLU 활성화 함수를 갖는 완전 연결된 단일 은닉층으로 임베딩할 수 있다.Referring to the drawings, for each graph generated for each bridge structure model, vertices and edges constituting each graph are converted into embedding vectors, and this is learned through a Message Passing Neural Network (MPNN). In this case, the vertex (x v ) indicating the position of the node can be embedded as a single hidden layer fully connected with 64 neurons and a ReLU activation function.

메시지 전달 단계에서는 각 꼭지점을 나타내는 임베딩된 꼭지점을 인접한 에지를 따라 이웃한 꼭지점에 전달하며, 이와 같은 메시지 전달을 반복적으로 수행한다. 이와 같이 메시지 전달 단계를 반복적으로 수행하여 학습 모델이 구축되는데, 반복학습된 꼭지점(xv)의 은닉상태(hv)는 아래의 수학식에 정의된 메시지 함수(Mt) 및 갱신 함수(Ut)에 의하여 정의된다.In the message delivery step, embedded vertices representing each vertex are delivered to adjacent vertices along adjacent edges, and such message delivery is repeatedly performed. In this way, a learning model is built by repeatedly performing the message passing step, and the hidden state (h v ) of the repeatedly learned vertex (x v ) is a message function (M t ) and an update function (U) defined in the following equations: t ).

Figure 112020136623467-pat00004
Figure 112020136623467-pat00004

이와 같은, 메시지 전달 단계는 총 T 번 반복 수행될 수 있으며, 초기 은닉 상태(

Figure 112020136623467-pat00005
), t 번째 은닉 상태(
Figure 112020136623467-pat00006
) 등으로 표시될 수 있다.This message delivery step can be repeated a total of T times, and the initial hidden state (
Figure 112020136623467-pat00005
), the t-th hidden state (
Figure 112020136623467-pat00006
) can be expressed as

Figure 112020136623467-pat00007
Figure 112020136623467-pat00007

이때, σ는 ReLU 활성화 함수를 나타내고, A()는 행렬을 출력하는 2개 계층 신경망으로서, 128개의 뉴런과 ReLU 활성화 함수를 가진 제 1 계층과 64*64 뉴런을 가진 제 2 계층을 포함할 수 있다.In this case, σ represents the ReLU activation function, and A( ) is a two-layer neural network that outputs a matrix, including a first layer with 128 neurons and a ReLU activation function, and a second layer with 64*64 neurons. have.

갱신 함수(Ut)는 GRU(gated recurrent unit)으로 정의할 수 있다. 꼭지점 임베딩과 마찬가지로, 은닉 상태의 차원은 여전히 64이다. GRU는 꼭지점 자신의 상태와 이웃 꼭지점들로부터 수신한 메시지(Mt)를 통합한다. 이러한 메시지 전달 단계를 예를 들면, 4회 반복 하고, 마지막 꼭지점들의 은닉 상태는 출력 함수(R)에 전달된다.The update function (U t ) may be defined as a gated recurrent unit (GRU). As with vertex embeddings, the dimension of the hidden state is still 64. The GRU integrates the state of the vertex itself and the message (M t ) received from neighboring vertices. This message passing step is repeated 4 times, for example, and the hidden state of the last vertices is passed to the output function (R).

Figure 112020136623467-pat00008
Figure 112020136623467-pat00008

이때, 출력함수(R)는 set2set 모델로 정의될 수 있는데, 이는 입력 데이터에 대하여 순열 불변(permuation invariant)인 LSTM(Long Short Term Memory) 네트워크이다. Set2set는 그래프 동형(isomorphism)에 대해 불변이므로, 그래프의 꼭지점을 효과적으로 통합하고 그래프 수준 임베딩을 생성할 수 있다. In this case, the output function R may be defined as a set2set model, which is a Long Short Term Memory (LSTM) network that is permutation invariant with respect to input data. Because Set2set is immutable to graph isomorphism, it can effectively unify the vertices of the graph and create graph-level embeddings.

또한, 글로벌 풀링을 위해 두 개의 LSTM스택을 갖는 set2set 모델을 사용할 수 있다. 두 개의 스택된 LSTM에서 제 2 LSTM은 제 1 LSTM의 출력을 128 차원 벡터에 매핑하고, set2set 모델의 또 다른 하이퍼 파라미터인 계산 수를 2로 설정한다. 그리고, 64 개의 뉴런과 ReLU 활성화 함수로 완전히 연결된 은닉층을 추가하였다. 입력 데이터에 대한 예측은 두개의 출력 레이어에서 생성될 수 있는데, 도시된 바와 같이 40 개의 선형 단위와 1 개의 선형 단위에서 각각 생성될 수 있다.Also, the set2set model with two LSTM stacks can be used for global pooling. In the two stacked LSTMs, the second LSTM maps the output of the first LSTM to a 128-dimensional vector, and sets the number of calculations, another hyperparameter of the set2set model, to 2. Then, 64 neurons and a hidden layer fully connected with the ReLU activation function were added. A prediction for the input data may be generated in two output layers, and may be generated in 40 linear units and 1 linear unit, respectively, as shown.

이와 같이 구축된 학습 모델에 평가 대상 교량 구조물의 그래프를 나타내는 임베딩 벡터를 입력하여, 결과가 출력되도록 한다. 이때, 평가 대상 교량 구조물의 그래프에는 교량 구조물에 부착된 하나 이상의 센서로부터 수집된 장력 데이터가 포함된다. 본 발명의 학습 모델의 구성에 의하면, 전체 케이블중 일부 케이블의 장력 데이터가 입력되더라도, 전체 케이블 중 손상이 발생한 케이블과 해당 케이블의 손상의 정도를 출력할 수 있게 된다.An embedding vector representing a graph of a bridge structure to be evaluated is input to the learning model constructed in this way, and a result is output. In this case, the graph of the bridge structure to be evaluated includes tension data collected from one or more sensors attached to the bridge structure. According to the configuration of the learning model of the present invention, even if the tension data of some cables among all cables is input, it is possible to output the damaged cables among all cables and the degree of damage to the cables.

다시 도 3을 참조하면, GNN 기반 교량 구조물 학습 모델의 출력에 기초하여, 평가 대상 교량 구조물에서 손상이 발생한 케이블의 식별 번호 및 해당 케이블의 손상의 정도를 출력한다(S330).Referring back to FIG. 3 , based on the output of the GNN-based bridge structure learning model, the identification number of the damaged cable in the evaluation target bridge structure and the degree of damage to the corresponding cable are output ( S330 ).

이와 같이, 본 발명에서는 학습 모델을 통해 손상된 케이블 식별 번호와 해당 케이블의 손상 정도를 출력하는데, MPNN이 두 가지 작업을 효과적으로 학습 할 수 있도록 다중 작업 학습(Multi-task learning )을 사용한다. As such, in the present invention, the damaged cable identification number and the degree of damage of the corresponding cable are output through the learning model, and multi-task learning is used so that the MPNN can effectively learn two tasks.

다중 작업 학습의 장점은 여러 작업을 동시에 예측하여 관련 작업을 보다 효율적으로 학습 할 수 있다는 것이다. 따라서 손상된 케이블의 손상 정도(단면적)를 예측하는 방법과 손상된 케이블을 분류하는 방법을 동시에 학습하는 것은 학습 효율성을 향상시킨다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제안된 MPNN에는 각각 손상된 케이블의 식별 번호를 분류하는 제 1 작업(task 1)과 손상된 케이블의 단면적을 예측하는 제 2 작업(task2)에 대한 출력을 제공한다.The advantage of multi-task learning is that it can predict multiple tasks at the same time to learn related tasks more efficiently. Therefore, learning how to predict the degree of damage (cross-sectional area) of damaged cables and how to classify damaged cables at the same time improves learning efficiency. As shown in FIG. 3, the proposed MPNN provides outputs for a first task (task 1) of classifying identification numbers of damaged cables and a second task (task2) of estimating the cross-sectional area of the damaged cables, respectively.

제 1 작업은 분류이고, 제 2 작업은 연속 데이터에 대한 예측이다. 따라서, 아래와 같이 제 1 작업에 대한 교차 엔트로피(cross-entropy) 손실 함수와 제 2 작업에 대한 평균 절대 오차 손실 함수를 사용한다.The first task is classification, and the second task is prediction on continuous data. Therefore, the cross-entropy loss function for the first task and the mean absolute error loss function for the second task are used as follows.

Figure 112020136623467-pat00009
Figure 112020136623467-pat00009

Di는 전체 케이블들 중 i 번째 케이블이 손상되었을때를 나타내는 타겟 데이터이고,

Figure 112020136623467-pat00010
는 출력 데이터를 의미한다. 또한, Ad는 손상된 케이블의 손상 정도를 나타내는 타겟 데이터이고,
Figure 112020136623467-pat00011
는 출력 데이터를 의미한다. 이와 같이, 손실 함수를 통해 학습에 사용된 타겟 데이터와 출력 데이터 간의 차이가 최소화되도록 한다.D i is target data indicating when the i-th cable among all cables is damaged,
Figure 112020136623467-pat00010
is the output data. In addition, A d is target data indicating the degree of damage to the damaged cable,
Figure 112020136623467-pat00011
is the output data. In this way, the difference between the target data used for learning and the output data is minimized through the loss function.

이러한, 제 1 작업에 대한 제 1 손실함수와 제 2 작업에 대한 제 2 손실함수에 대하여 각각 가중치를 적용하고, 이를 합산한 가중 합산을 통합 손실 함수로서 사용할 수 있다.A weight may be applied to each of the first loss function for the first task and the second loss function for the second task, and weighted summation obtained by summing them may be used as an integrated loss function.

Figure 112020136623467-pat00012
Figure 112020136623467-pat00012

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 교량 구조물 모니터링 방법의 실험 결과를 도시한 도면이다.6 is a view showing the experimental results of the bridge structure monitoring method according to an embodiment of the present invention.

우선 구체적인 실험 조건을 설명하면, 40개 케이블에 대하여 각각 100개의 매개 변수(α)를 반영하여, 총 4000개의 케이스를 생성하였다. 각 케이스는 40개 케이블 중 어느 한 케이블의 매개 변수가 설정되었을때, 각 케이블에 가해지는 장력 값에 대한 데이터를 포함한다. First, to explain the specific experimental conditions, a total of 4000 cases were generated by reflecting 100 parameters (α) for each of 40 cables. Each case contains data on the value of tension applied to each cable when the parameters of any one of the 40 cables are set.

학습 모델의 구축 과정에서는 교량 구조물의 그래프를 입력으로 하였는데, 훈련 데이터의 입력 데이터는 40개의 케이블중 10개의 케이블(1, 4, 9, 11, 16, 21, 24, 29, 31, 36 번)의 장력값이 사용되었고, 출력 데이터는 40개의 손상된 케이블의 식별 번호와 손상된 케이블의 단면적이 사용되었다. 이렇게 확보된 4000개의 데이터중 2400 개는 훈련 데이터로 사용되고, 800개는 검증 데이터로 사용되었으며, 800개는 테스트 데이터로 사용되었다. 이러한 데이터를 기반으로, 앞서 설정한 손실함수가 최소화 되도록 학습하였는데, 이때 배치 사이즈(batch size)는 32, 에포크(epoch)는 10000으로 설정하였다.In the process of building the learning model, the graph of the bridge structure was input, and the input data of the training data was 10 cables out of 40 cables (No. 1, 4, 9, 11, 16, 21, 24, 29, 31, 36). The tension value of was used, and as the output data, the identification numbers of 40 damaged cables and the cross-sectional area of the damaged cables were used. Of the 4000 data obtained in this way, 2400 pieces were used as training data, 800 pieces were used as validation data, and 800 pieces were used as test data. Based on these data, the previously set loss function was trained to be minimized. At this time, the batch size was set to 32 and the epoch was set to 10000.

본 발명의 일 실시예는 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체를 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. An embodiment of the present invention may also be implemented in the form of a recording medium including instructions executable by a computer, such as a program module executed by a computer. Computer-readable media can be any available media that can be accessed by a computer and includes both volatile and nonvolatile media, removable and non-removable media. Also, computer-readable media may include computer storage media. Computer storage media includes both volatile and nonvolatile, removable and non-removable media implemented in any method or technology for storage of information such as computer readable instructions, data structures, program modules or other data.

본 발명의 방법 및 시스템은 특정 실시예와 관련하여 설명되었지만, 그것들의 구성 요소 또는 동작의 일부 또는 전부는 범용 하드웨어 아키텍쳐를 갖는 컴퓨터 시스템을 사용하여 구현될 수 있다.Although the methods and systems of the present invention have been described with reference to specific embodiments, some or all of their components or operations may be implemented using a computer system having a general purpose hardware architecture.

전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The foregoing description of the present application is for illustration, and those of ordinary skill in the art to which the present application pertains will understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present application. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and likewise components described as distributed may also be implemented in a combined form.

본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present application is indicated by the following claims rather than the above detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be construed as being included in the scope of the present application.

100: 교량 모니터링 장치
110: 통신 모듈
120: 메모리
130: 프로세서
140: 데이터베이스
150: 입력모듈
200: 센서
100: bridge monitoring device
110: communication module
120: memory
130: processor
140: database
150: input module
200: sensor

Claims (7)

교량 구조물 모니터링 장치를 이용한 GNN(graph neural network) 기반의 교량 구조물의 모니터링 방법에 있어서,
(a) 평가 대상 교량 구조물을 모델링한 그래프를 임베딩 벡터로 변환하는 단계;
(b) GNN 기반 교량 구조물 학습 모델에 상기 평가 대상 교량 구조물의 임베딩 벡터를 입력하는 단계; 및
(c) 상기 GNN 기반 교량 구조물 학습 모델의 출력에 기초하여, 상기 평가 대상 교량 구조물에서 손상이 발생한 케이블의 식별 번호 및 해당 케이블의 손상의 정도를 출력하는 단계를 포함하되,
상기 GNN 기반 교량 구조물 학습 모델은 그래프로 표현된 복수의 교량 구조물의 훈련데이터를 MPNN(Message Passing Neural Network)을 통해 학습한 것이고,
상기 그래프는 복수의 꼭지점(vertex)과 각 꼭지점을 연결하는 복수의 에지(egde)를 포함하고, 상기 꼭지점은 상기 교량 구조물의 노드의 위치 좌표를 나타내고, 상기 에지는 각 노드간의 거리, 각 노드를 연결하는 연결 요소의 종류 및 해당 연결 요소의 장력(tension)값을 나타내는 것인, 교량 구조물의 손상 모니터링 방법.
A method for monitoring a bridge structure based on a graph neural network (GNN) using a bridge structure monitoring device, the method comprising:
(a) converting a graph modeling the evaluation target bridge structure into an embedding vector;
(b) inputting an embedding vector of the evaluation target bridge structure into a GNN-based bridge structure learning model; and
(c) based on the output of the GNN-based bridge structure learning model, outputting the identification number of the cable damaged in the evaluation target bridge structure and the degree of damage to the cable,
The GNN-based bridge structure learning model is obtained by learning the training data of a plurality of bridge structures expressed in graphs through a Message Passing Neural Network (MPNN),
The graph includes a plurality of vertices and a plurality of edges connecting each vertex, wherein the vertices represent the position coordinates of the nodes of the bridge structure, and the edges represent the distance between each node, each node A method for monitoring damage to a bridge structure, which indicates the type of connecting element to be connected and the tension value of the connecting element.
제 1 항에 있어서,
상기 GNN 기반 교량 구조물 학습 모델은 상기 MPNN을 통해 상기 그래프의 임베딩된 꼭지점(xv)을 인접한 에지(euv)를 따라 이웃한 꼭지점에 전달하는 메시지 전달 단계를 반복적으로 수행하여 구축된 것이고, 반복학습된 꼭지점의 은닉상태(hv)는 아래의 수학식 1 및 2에 정의된 메시지 함수 및 갱신 함수에 의하여 정의되고, 상기 평가 대상 교량 구조물을 모델링한 그래프에 대한 출력값은 아래의 수학식 3에 정의된 출력함수(R)에 의하여 정의되는 것인, 교량 구조물의 손상 모니터링 방법.
[수학식 1]
Figure 112020136623467-pat00013

[수학식 2]
Figure 112020136623467-pat00014

t: 반복 횟수, σ: 활성화 함수 A( ): 행렬을 출력하는 신경망
[수학식 3]
Figure 112020136623467-pat00015
The method of claim 1,
The GNN-based bridge structure learning model is constructed by repeatedly performing a message passing step of transferring the embedded vertex (x v ) of the graph to the neighboring vertices along the adjacent edge (e uv ) through the MPNN, and iteratively The hidden state (h v ) of the learned vertex is defined by the message function and the update function defined in Equations 1 and 2 below, and the output value for the graph modeling the evaluation target bridge structure is in Equation 3 below. A method for monitoring damage to a bridge structure, which is defined by a defined output function (R).
[Equation 1]
Figure 112020136623467-pat00013

[Equation 2]
Figure 112020136623467-pat00014

t: number of iterations, σ: activation function A( ): neural network that outputs a matrix
[Equation 3]
Figure 112020136623467-pat00015
제 2 항에 있어서,
상기 GNN 기반 교량 구조물 학습 모델은 상기 손상이 발생한 케이블의 식별번호를 추정하는 제 1 작업을 위한 제 1 손실함수와 추정된 손상 케이블의 손상의 정도를 추정하는 제 2 작업을 위한 제 2 손실함수의 가중 합산을 사용하여 학습된 것인, 교량 구조물의 손상 모니터링 방법.
3. The method of claim 2,
The GNN-based bridge structure learning model is a first loss function for a first task of estimating the identification number of the damaged cable and a second loss function for a second task of estimating the degree of damage to the estimated damaged cable. A method for monitoring damage to a bridge structure, learned using weighted summation.
교량 구조물 모니터링 장치에 있어서,
하나 이상의 센서와 통신을 수행하는 통신 모듈;
교량 구조물 모니터링 프로그램이 저장된 메모리; 및
상기 교량 구조물 모니터링 프로그램을 실행하는 프로세서를 포함하되,
상기 교량 구조물 모니터링 프로그램은 상기 센서에서 수집된 정보에 기초하여 평가 대상 교량 구조물을 모델링한 그래프를 임베딩 벡터로 변환하고, GNN(graph neural network) 기반 교량 구조물 학습 모델에 상기 평가 대상 교량 구조물의 임베딩 벡터를 입력하고, 상기 GNN 기반 교량 구조물 학습 모델의 출력에 기초하여, 상기 평가 대상 교량 구조물에서 손상이 발생한 케이블의 식별 번호 및 해당 케이블의 손상의 정도를 출력하되,
상기 GNN 기반 교량 구조물 학습 모델은 그래프로 표현된 복수의 교량 구조물의 훈련데이터를 MPNN(Message Passing Neural Network)을 통해 학습한 것이고,
상기 그래프는 복수의 꼭지점(vertex)과 각 꼭지점을 연결하는 복수의 에지(egde)를 포함하고, 상기 꼭지점은 상기 교량 구조물의 노드의 위치 좌표를 나타내고, 상기 에지는 각 노드간의 거리, 각 노드를 연결하는 연결 요소의 종류 및 해당 연결 요소의 장력(tension)값을 나타내는 것인, 교량 구조물 모니터링 장치.
In the bridge structure monitoring device,
a communication module for communicating with one or more sensors;
a memory in which the bridge structure monitoring program is stored; and
Including a processor for executing the bridge structure monitoring program,
The bridge structure monitoring program converts a graph modeling the bridge structure to be evaluated based on the information collected from the sensor into an embedding vector, and embeds the evaluation target bridge structure in the GNN (graph neural network)-based bridge structure learning model. input, and based on the output of the GNN-based bridge structure learning model, output the identification number of the cable that is damaged in the evaluation target bridge structure and the degree of damage to the cable,
The GNN-based bridge structure learning model is obtained by learning the training data of a plurality of bridge structures expressed in graphs through a Message Passing Neural Network (MPNN),
The graph includes a plurality of vertices and a plurality of edges connecting each vertex, wherein the vertices represent the position coordinates of the nodes of the bridge structure, and the edges represent the distance between each node, each node A bridge structure monitoring device that indicates the type of connection element to be connected and the tension value of the connection element.
제 4 항에 있어서,
상기 GNN 기반 교량 구조물 학습 모델은 상기 MPNN을 통해 상기 그래프의 임베딩된 꼭지점(xv)을 인접한 에지(euv)를 따라 이웃한 꼭지점에 전달하는 메시지 전달 단계를 반복적으로 수행하여 구축된 것이고, 반복학습된 꼭지점의 은닉상태(hv)는 아래의 수학식 1 및 2에 정의된 메시지 함수 및 갱신 함수에 의하여 정의되고, 상기 평가 대상 교량 구조물을 모델링한 그래프에 대한 출력값은 아래의 수학식 3에 정의된 출력함수(R)에 의하여 정의되는 것인, 교량 구조물 모니터링 장치.
[수학식 1]
Figure 112020136623467-pat00016

[수학식 2]
Figure 112020136623467-pat00017

t: 반복 횟수, σ: 활성화 함수 A( ): 행렬을 출력하는 신경망
[수학식 3]
Figure 112020136623467-pat00018
5. The method of claim 4,
The GNN-based bridge structure learning model is constructed by repeatedly performing a message passing step of transferring the embedded vertex (x v ) of the graph to the neighboring vertices along the adjacent edge (e uv ) through the MPNN, and iteratively The hidden state (h v ) of the learned vertex is defined by the message function and the update function defined in Equations 1 and 2 below, and the output value for the graph modeling the evaluation target bridge structure is in Equation 3 below. The bridge structure monitoring device, which is defined by the defined output function (R).
[Equation 1]
Figure 112020136623467-pat00016

[Equation 2]
Figure 112020136623467-pat00017

t: number of iterations, σ: activation function A( ): neural network that outputs a matrix
[Equation 3]
Figure 112020136623467-pat00018
제 4 항에 있어서,
상기 GNN 기반 교량 구조물 학습 모델은 상기 손상이 발생한 케이블의 식별번호를 추정하는 제 1 작업을 위한 제 1 손실함수와 추정된 손상 케이블의 손상의 정도를 추정하는 제 2 작업을 위한 제 2 손실함수의 가중 합산을 사용하여 학습된 것인, 교량 구조물 모니터링 장치.
5. The method of claim 4,
The GNN-based bridge structure learning model is a first loss function for a first task of estimating the identification number of the damaged cable and a second loss function for a second task of estimating the degree of damage to the estimated damaged cable. A bridge structure monitoring device, learned using weighted summation.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따르는 교량 구조물의 손상 모니터링 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된 비일시적 컴퓨터 판독가능 기록매체.A non-transitory computer-readable recording medium in which a computer program for performing the method for monitoring damage to a bridge structure according to any one of claims 1 to 3 is recorded.
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