ＧＡ－ＢＰ算法在混凝土結(jié)構(gòu)故障診斷中的應(yīng)用研究

摘 要：混凝土結(jié)構(gòu)故障診斷問題包含極其豐富的內(nèi)容，實際工程中又不斷地提出各種新的要求，致使其利用傳統(tǒng)的方法難以解決。應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(NN)與遺傳算法(GA)來解決混凝土研究中的難點問題，已經(jīng)成為當(dāng)前混凝土結(jié)構(gòu)故障診斷研究領(lǐng)域的一個熱門課題。GA－BP網(wǎng)絡(luò)診斷模型為解決大規(guī)模、復(fù)雜、并行的系統(tǒng)問題提供了廣闊的前景。

關(guān)鍵詞：遺傳算法；BP網(wǎng)絡(luò)；混凝土結(jié)構(gòu)；故障診斷

中圖分類號：TP183；TD313文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-3695(2007)06-0227-03

0 引言

混凝土是土木、水利工程中應(yīng)用很廣的建筑材料之一。其結(jié)構(gòu)在工作中常常出現(xiàn)各種各樣的裂縫。當(dāng)裂縫發(fā)展到一定程度，就會影響安全使用及耐久性?；炷两Y(jié)構(gòu)通常是帶裂縫工作的，即在一定的損傷程度下使用，所以定量地描述混凝土的損傷演化規(guī)律，是進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算的理論基礎(chǔ)，是一個迫切需要解決的技術(shù)難題。隨著已有建(構(gòu))筑物的不斷增多和老化，用于檢測、維修和改造的費(fèi)用也在逐年增加。只有應(yīng)用先進(jìn)的監(jiān)測診斷技術(shù)才能提供科學(xué)、可靠的數(shù)據(jù)，為修補(bǔ)、加固措施提供依據(jù)，以減少維修費(fèi)用。而重要工程在竣工后更需要長期的監(jiān)測和日常管理。加強(qiáng)對混凝土結(jié)構(gòu)的監(jiān)測診斷已成為今天土木工程技術(shù)中的重要課題。隨著人們對混凝土建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測重要性認(rèn)識的深入，以及國家有關(guān)建筑法規(guī)的實施，結(jié)構(gòu)監(jiān)測診斷已成為繼勘察、設(shè)計、施工、監(jiān)理后的又一個產(chǎn)業(yè)［1］。

混凝土是由粗骨料及水泥石形成的多相體，混凝土結(jié)構(gòu)故障診斷是個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，且是動態(tài)的、非線性的和不可逆的。自20世紀(jì)80年代以來，人們注意到了信息時代的新的思維方式應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)裂縫診斷模擬中的優(yōu)越性，很多混凝土結(jié)構(gòu)問題的研究已經(jīng)從不同角度、不同側(cè)面應(yīng)用了計算智能的理論與方法。其中尤以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(NN)與遺傳算法(GA)的應(yīng)用研究居多。

BP網(wǎng)絡(luò)是應(yīng)用得較為廣泛的一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，尤其在建模、模式識別和優(yōu)化等方面廣為應(yīng)用。它是一個高度非線性的超大規(guī)模連續(xù)時間動力系統(tǒng)，也是一個超大規(guī)模非線性連續(xù)時間自適應(yīng)信息處理系統(tǒng)；同時它具有大規(guī)模分布處理及高度的魯棒性和學(xué)習(xí)聯(lián)想能力。網(wǎng)絡(luò)的信息處理由神經(jīng)元之間的相互作用來實現(xiàn)，知識與信息的存儲表現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)元件互連間分布的物理關(guān)系，網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)與識別決定于各神經(jīng)元連接權(quán)系數(shù)的動態(tài)演化過程。但BP網(wǎng)絡(luò)也有其自身的缺點，它在權(quán)值和閾值優(yōu)化時本身采用的是基于梯度的算法， 因而易于陷入局部最優(yōu)點［2］。

GA算法是一種模擬自然進(jìn)化過程搜索最優(yōu)解的方法。它借鑒了生物界自然選擇和自然遺傳機(jī)制，即基于達(dá)爾文適者生存，優(yōu)勝劣汰的進(jìn)化原則，對包含可行解的群體反復(fù)使用遺傳學(xué)的基本操作，不斷生成新的群體，使種群不斷進(jìn)化。同時，以全局并行搜索技術(shù)來搜索優(yōu)化群體的最優(yōu)個體，以求得滿足要求的最優(yōu)解。GA算法的最大的優(yōu)點是即使對多態(tài)的或非連續(xù)的函數(shù)，它也能獲得全局最優(yōu)解［3］。

由于GA算法具有很強(qiáng)的宏觀搜索能力，并且具有簡單通用、魯棒性強(qiáng)、適于并行處理等特點，用它來完成前期的搜索能較好地克服BP算法的缺點。將兩者結(jié)合起來，形成一種混合訓(xùn)練算法，達(dá)到優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的目的。本文在設(shè)計GA—超線性BP網(wǎng)絡(luò)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫診斷模型結(jié)構(gòu)時，應(yīng)用遺傳算法可以自主地辨識最小的包含最優(yōu)解的搜索空間。訓(xùn)練時先由遺傳算法進(jìn)行尋優(yōu)；將搜索范圍縮小后，再利用BP網(wǎng)絡(luò)來訓(xùn)練；最后利用網(wǎng)絡(luò)的泛化能力對未輸入的混凝土樣本進(jìn)行預(yù)測［4］。

1 BP網(wǎng)絡(luò)的基本原理和方法

BP網(wǎng)絡(luò)由輸入層、隱層和輸出層組成。對于N個樣本集合：

2 超線性BP學(xué)習(xí)算法

傳統(tǒng)的BP算法對于規(guī)模較小的故障診斷問題具有很好的實用性，但對于較大規(guī)?；炷两Y(jié)構(gòu)故障診斷，存在學(xué)習(xí)速度慢和易陷入局部極小等問題。而采用超線性BP學(xué)習(xí)算法，可提高網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)速度和穩(wěn)定性。該梯度下降法形式如下：

3 GA－超線性BP算法

改變BP算法依賴梯度信息的指導(dǎo)來調(diào)整網(wǎng)絡(luò)權(quán)值。利用GA算法全局性搜索的特點，尋找最為合適的網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由輸入層、輸出層和隱層組成，而輸入層、輸出層節(jié)點的個數(shù)由建模樣本決定，故而在優(yōu)化BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時，主要是優(yōu)化其隱節(jié)點的個數(shù)。

3.1 GA－超線性BP網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)描述

3.2 GA－超線性BP算法步驟

4 GA－超線性BP網(wǎng)絡(luò)診斷模型

4.1 BP網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于故障診斷的優(yōu)勢

BP網(wǎng)絡(luò)之所以適合于故障診斷，有三個主要原因：

(1)訓(xùn)練過的BP網(wǎng)絡(luò)能存儲有關(guān)過程的知識，能直接從定量的歷史故障信息中學(xué)習(xí)。可根據(jù)對象的正常歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，將此信息與當(dāng)前測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以確定故障。

(2)BP網(wǎng)絡(luò)具有濾除噪聲及在有噪聲情況下得出正確結(jié)論的能力?？梢杂?xùn)練BP網(wǎng)絡(luò)來識別故障信息，使其能在噪聲環(huán)境中有效地工作。這種濾除噪聲的能力使得BP網(wǎng)絡(luò)適合在線故障檢測和診斷。

(3)BP網(wǎng)絡(luò)具有分辨原因及確定故障類型的能力。

4.2 GA－超線性BP網(wǎng)絡(luò)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫診斷模型

對混凝土結(jié)構(gòu)，由已有經(jīng)驗知識，考慮到實際工程測量的方便，一般對高于八階的頻率不計入。加上結(jié)構(gòu)尺寸的輸入，取輸入節(jié)點數(shù)為10，輸出節(jié)點數(shù)為2。

對隱層節(jié)點數(shù)的確定，由于系統(tǒng)所考慮的是連續(xù)值問題，且工程實際又要求學(xué)習(xí)的誤差小于0.000 1，取單一隱層有可能誤差下降，很難符合要求。本文的GA－超線性BP網(wǎng)絡(luò)診斷模型取兩層隱節(jié)點。雖然要犧牲一些時機(jī)，但相對成功率高一些。結(jié)合學(xué)習(xí)樣本實際，對一般混凝土結(jié)構(gòu)，將每個頻率值的變化范圍界定為20檔已足夠，取第一層隱節(jié)點數(shù)為20個，第二層隱節(jié)點數(shù)為6個。混凝土結(jié)構(gòu)裂縫診斷神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)知識庫結(jié)構(gòu)如圖1所示。

5 仿真試驗及數(shù)據(jù)分析

本仿真試驗取四種類型的試件：①粗集料為卵石的素混凝土；②由強(qiáng)度等級為C30的混凝土經(jīng)人工搗碎而成的素再生混凝土；③在卵石素混凝土的基礎(chǔ)上加入鋼纖維而成的鋼纖維卵石混凝土；④在素再生混凝土基礎(chǔ)上加入鋼纖維而成的鋼纖維再生混凝土。試件均為150 mm×150 mm×550 mm的棱柱體。

6 結(jié)束語

試驗結(jié)果表明，采用GA－BP網(wǎng)絡(luò)診斷模型無須試湊就可得到較好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)。本文所設(shè)計的這種將GA算法和BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)合使用的混凝土結(jié)構(gòu)故障診斷模型與常規(guī)單獨使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行診斷相比，具有很大的優(yōu)越性，不僅能夠有效地避免BP網(wǎng)絡(luò)的缺陷，而且，在同等計算分析速度的條件下，精度大大提高，模擬計算的結(jié)果較之傳統(tǒng)設(shè)計方法與實際結(jié)果更為接近。

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