基于機(jī)器學(xué)習(xí)和模態(tài)參數(shù)識別理論的水工結(jié)構(gòu)損傷診斷方法研究.pdf

1、基于結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識別理論的損傷診斷技術(shù)是現(xiàn)階段水利水電工程研究中的熱點(diǎn)問題之一。水工結(jié)構(gòu)在實(shí)際運(yùn)營中，由于設(shè)計(jì)、施工等先天缺陷或者使用載荷超出設(shè)計(jì)以及遭受強(qiáng)大的突加外在荷載（如地震作用等）的作用會(huì)使結(jié)構(gòu)物出現(xiàn)不同程度的損傷，結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷以后將嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的承載力及耐久性，甚至?xí)l(fā)生嚴(yán)重的工程事故，不僅造成重大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，而且還會(huì)產(chǎn)生極壞的社會(huì)影響。因此，為了保證結(jié)構(gòu)的安全性、完整性和耐久性，需采用有效的手段對結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)進(jìn)行

2、診斷。常規(guī)的一些結(jié)構(gòu)損傷診斷方法，由于其本身的缺陷而不適用于水利水電工程。鑒于水工結(jié)構(gòu)流激振動(dòng)響應(yīng)的獲取較為容易，且不會(huì)對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不良影響，利用結(jié)構(gòu)在流激振動(dòng)下的實(shí)測響應(yīng)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識別，進(jìn)而借助于機(jī)器學(xué)習(xí)理論強(qiáng)大的學(xué)習(xí)功能對結(jié)構(gòu)的損傷進(jìn)行診斷無疑是一種很好的方法。本文針對流激振動(dòng)下基于機(jī)器學(xué)習(xí)和模態(tài)參數(shù)識別理論的水工結(jié)構(gòu)損傷診斷方法進(jìn)行了研究。主要內(nèi)容如下： ⑴提出了泄流振動(dòng)下基于帶通濾波的水工結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識別方法。即通

3、過分析結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)自振頻率的范圍，首先應(yīng)用帶通濾波的方法對信號進(jìn)行預(yù)處理，提取出信號中感興趣的部分，然后應(yīng)用時(shí)域方法進(jìn)行識別。工程實(shí)例表明：該種方法能夠很好的對流激振動(dòng)下水工結(jié)構(gòu)的自振頻率進(jìn)行識別。 ⑵提出了水工結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的遺傳識別方法。借助于遺傳算法強(qiáng)大的全局尋優(yōu)能力，將遺傳算法應(yīng)用到水工結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識別中來。由于該方法以結(jié)構(gòu)的噪聲為研究對象，所以其在提高結(jié)構(gòu)自振頻率識別精度的同時(shí)，在一定程度上也提高了阻尼比的識別精度。

4、最后，通過工程實(shí)例表明了這種算法的有效性。 ⑶提出了基于機(jī)器學(xué)習(xí)理論和模態(tài)分析的水工結(jié)構(gòu)損傷診斷方法。在結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識別的基礎(chǔ)上，通過有限元計(jì)算各種損傷狀態(tài)下的耦合動(dòng)力特性，以構(gòu)造支持向量機(jī)（SVM）學(xué)習(xí)的樣本庫，建立基于支持向量機(jī)（SVM）的結(jié)構(gòu)損傷定位及損傷程度診斷方法。即通過支持向量機(jī)的二次優(yōu)化問題求解，以保證小樣本情況下機(jī)器學(xué)習(xí)得到的解是全局最優(yōu)解，避免了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)難于確定、過學(xué)習(xí)、欠學(xué)習(xí)以及局部最小化

5、等問題。以最小二乘線性系統(tǒng)作為損失函數(shù)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的支持向量機(jī)采用的二次規(guī)劃方法。較成功地解決了泄流結(jié)構(gòu)（特別是水下部位）損傷定位和損傷定量難的問題。 ⑷流激振動(dòng)下基于水工結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識別的損傷診斷方法能夠有效地節(jié)約資源，且識別結(jié)果可靠。本文首次提出將其應(yīng)用到水利水電工程中來。以青銅峽壩體結(jié)構(gòu)三大條貫穿性裂縫為研究對象，通過對現(xiàn)場采集信號的分析、模態(tài)參數(shù)識別和有限元計(jì)算，得出在裂縫深度為自基礎(chǔ)向上22m左右，最后，就結(jié)構(gòu)損傷發(fā)生后