多段交叉遺傳算法在連續剛構橋測點優化中的應用

劉來君,倪富陶,孫維剛,邵永軍,李 曉

(1.長安大學 公路學院, 陜西 西安 710064；2.陜西高速公路工程試驗檢測有限公司,陜西 西安 710086)

多段交叉遺傳算法在連續剛構橋測點優化中的應用

劉來君1,倪富陶1,孫維剛1,邵永軍2,李 曉1

(1.長安大學 公路學院, 陜西 西安 710064；2.陜西高速公路工程試驗檢測有限公司,陜西 西安 710086)

闡述了基于動力檢測的傳感器優化布置準則和方法,提出了一種應用改進遺傳算法,該算法改進了遺傳算法交叉的規則,將原來的兩點交叉改進為多段交叉。并將該方法具體應用到某大橋的動力檢測中,通過計算對比分析,發現多段交叉的遺產算法有效的可以防止了傳統遺傳算法收斂過早、陷入局部最優解等現象,能更好的利用初始種群的多樣性,多段交叉遺傳算法計算結果要優于傳統遺傳算法。

橋梁工程；多段交叉；遺傳算法；測點優化

在橋梁的健康監測中,考慮到經濟性和可行性,應盡量布置較少的傳感器來滿足橋梁監測的要求,所以有必要對傳感器的數目及其布置進行優化,使傳感器能獲取可靠并且全面的橋梁動態信息。

近幾十年來,國內外發展了一些優化準則和計算方法。基于模態試驗的優化配置準則大致可分為以下幾類：有效獨立準則[1]；模態應變能準則[2]；模型縮減準則[3]；模態置信準則[4]。傳感器的優化配置計算方法主要有：包括逐步削去法和逐步累積法的序列法[5-6],包括遺傳算法[7]和模擬退火法的隨機類方法。而傳統遺傳算法容易出現種群收斂過早的早熟現象,早熟現象使遺傳算法中種群的多樣性不能得到很好地利用,在計算資源上是一種浪費。

筆者提出了一種多段交叉遺傳算法,可以有效地防止遺傳算法收斂過早。并以某大跨連續剛構橋為工程背景,對比了傳統遺傳算法和多段交叉遺傳算法的在測點優化布置應用中的差異。

1 多段交叉遺傳算法的原理

傳感器的優化布置是一類特殊的背包問題。將一定數目的傳感器配置在結構的最優位置上,其數學模型實際上是一個0-1規劃問題。若將傳感器配置于結構的第i個自由度上時,則第i位基因碼為l；若在這第i個自由度上沒有配置傳感器,則該第i位基因碼為 0。采用二重結構編碼的方法,在進行交叉和變異操作時改變基因碼l的個數來滿足約束條件,從而改變傳感器配置數量,提高了遺傳算法的搜索效率。

1.1 編 碼

二重結構編碼方法如表1,n個體染色體表示的二重結構由變量碼和附加碼兩行組成,附加碼代表可能布置傳感器的位置。第1行為變量的附加碼S(i),當S(i)對應的變量碼等于1時,對應的位置上布置傳感器,等于0時,則不布置傳感器。

表1 二重結構編碼Table 1 Dual-structure code

1.2 適應度函數

筆者把模態置信準則(MAC)作為適應度。將目標函數MAC矩陣的最大非對角元向最小化發展的極小化問題轉化為適應度函數的最大化問題：

(1)

1.3 最優保存策略

為保證算法能夠收斂到全局最優解,實施了最優保留策略。采用輪盤賭選法依據適應度函數值的大小進行群體交叉變異的選擇。找出每代進化結束后適應度函數值最高的個體,對比當前群體中最佳個體的適應度,若低于該最佳個體則以此個體作為新的目前為止最好的個體。該措施既可使優良的個體不被交叉和變異之類的遺傳運算破壞掉,又使最差的個體得到改進,提高了種群各方面素質,從而使算法得到有效的收斂。

1.4 自適應交叉和變異

在最優保存策略基礎上,采用自適應交叉和變異[8],即交叉的概率和變異概率隨適應度自動改變。對于性能不好的個體,個體適應度值會低于平均適應度值,則對其采用較大的交叉率和變異率；對于個體性能優良的個體,其適應度值普遍高于平均適應度值,就根據其適應度值取較小的交叉率和變異率,這樣既保持了群體的多樣性,又保證了遺傳算法的收斂性。

1.5 多段匹配交叉(圖1)

首先確定交叉的段數n,隨機生成2×n個交叉點。這些點的位置不能取在第一個和最后一個附加碼上,并且任意兩點之前的距離h≥2。由兩個父個體中的2×n個交叉點之間的中間段給出的映射關系生成兩個子個體。具體步驟如下：

1)隨機取得2×n個交叉的點；

2)交替兩個父個體對應交叉點之間的匹配段；

3)對兩個子個體沒有發生交叉部分,均保留從其父個體中繼承未選擇的數碼；

4)對兩個子個體的沒有發生交叉部分,若從其父個體中繼承的數碼與交換后中間段數碼出現重復,則根據父個體中間段的映射關系決定所取數碼。若備選交換有多個碼,映即射關系中存在傳遞關系,則選擇此前未確定的一個碼作交換。

圖1 多段交叉示意Fig.1 Multistage crossing schematic diagram

1.6 逆位變異(圖2)

二重結構編碼的變異操作采用逆位變異算子,即對父個體隨機產生兩個變異點,兩點間的第1行附加碼按逆序重新排列,第2行的變量碼順序不變。

圖2 變異示意Fig.2 Variation schematic diagram

變異完成后,計算新生成的個體的適應度,把所有的個體的適應度進行排序,選取前n個個體作為新的種群。并重復以上操作達到預定的迭代次數,從種群中選擇適應度最大的一個作為解。

2 傳感器的優化布置及分析

2.1 工程概況及理論模態

某預應力連續剛構2×(62.5+4×115+62.5)m。用MIDAS建立模型,主梁共有191個節點,MIDAS模型如圖3。

圖3 某大橋模型Fig.3 The bridge model

重點考慮對橋面前4階豎向振型的監測。該4階振型如圖4。

圖4 豎向前4階振型Fig.4 Vertical first 4 order vibration mode

2.2 傳感器的優化布置

采用遺傳算法交叉段數分別為一段、二段、三段、五段和七段來計算傳感器布置位置,用MATLAB R2012b進行編程計算。設置遺傳算法迭代次數為 60 次。圖5比較了不同的交叉段數情況下,配置6個測點時得到的傳感器布置方案。

圖5 布置6個測點不同交叉段數測點位置Fig.5 The layout of checking points location of different cross stages when 6 checking points arranged

2.3 不同交叉段數對比分析

圖6展示了布置6個測點時,遺傳算法歷次迭代最優解最大非對角元值B的變化。圖6縱坐標采用對數坐標系。

圖6 布置6測點歷次迭代最優解最大非對角元Fig.6 The maximum non-diagonal elements of MAC matrix of the best solution in each iteration when 6 sensors arranged

從圖6可以看出,當采用一段交叉也就是傳統的兩點交叉,遺傳算法迭代得到的MAC矩陣的最大非對角元值是最大的。而交叉段數n>1時,得到MAC矩陣的最大非對角元值均小于傳統兩點交叉計算的結果。隨著交叉段數的增加,MAC矩陣最大非對角元的值呈下降的趨勢,并且只有一段交叉的遺傳算法收斂是最早的,這意味著對種群多樣性的利用是最差的。

圖7是遺傳算法歷次迭代種群個體的MAC矩陣最大非對角元平均值圖。圖7可以更好地反應種群內每一代個體分布的變化,以及整個種群收斂的趨勢。也可以得出,多段交叉隨著交叉段數的增加,MAC矩陣的最大非對角元呈下降的趨勢。并且算法的收斂也比較晚,有效地防止了早熟現象。

圖7 布置6測點歷次迭代種群最大非對角元均值Fig.7 The average maximum non-diagonal elements of MAC matrix of all solutions in each iteration when 6 sensors arranged

由于遺傳算法的隨機性,所以在圖6和圖7中可以看到,二段交叉的解要優于其他段數。三段、五段、七段交叉隨著交叉段數的增加,MAC矩陣的最大非對角元依次下降。

考慮布置6個測點可能過少,使多段交叉的優越性不能充分發揮。現對比布置10個測點的不同交叉段數對遺傳算法結果的影響(圖8、圖9)。

圖8 布置10測點歷次迭代最優解最大非對角元Fig.8 The maximum non-diagonal elements of MAC matrix of the best solution in each iteration when 10 sensors arranged

圖9 布置10測點歷次迭代種群最大非對角元均值Fig.9 The average maximum non-diagonal elements of MAC matrix of all solutions in each iteration when 10 sensors arranged

由圖8和圖9可以明顯看出,交叉段數為一時,得到的結果是最差的,遺傳算法收斂也是最早的,種群的多樣性沒有得到很好地利用。而其他多段交叉隨著交叉段數的增加,MAC矩陣的最大非對角元呈依次下降的趨勢,遺傳算法收斂也比較晚,收斂的曲線也越來越緩和。

3 結 論

1)遺傳算法是一種隨機類算法,有時計算的到的測點布置不滿足現場布置的要求,遺傳算法的解也是不唯一的。所以,用遺傳算法計算測點優化的位置時,需要多計算幾次,選擇最理想的,最符合現場布置要求的一個方案。

2)MAC矩陣的元素代表對應的兩個模態的交角,其值越接近于 0,說明布置測點的兩個模態越好識別。而采用多段交叉遺傳算法,隨著交叉段數的增加,可以明顯降低計算結果中MAC矩陣的最大非對角元值。

3)多段交叉遺傳算法可以防止遺傳算法的早熟現象,在用遺傳算法計算時,可以選擇合適的交叉段數,控制收斂的速度,使遺傳算法種群的多樣性可以得到很好的利用。

[1] KAMMER D C. Sensor placement for on-orbit modal identification and correlation of large space structures[J].JournalofGuidanceControlandDynamics,1991,14(2):251-259.

[2] HEMEZ F M, FARHAT C. An energy based optimum sensor placement criterion and it’s application to structural damage detection[C]//ProceedingsofSPIE-theInternationalSocietyforOpticalEngineering. Honolulu, Hawaii State: [s.n.],1994:1568-1575.

[3] GUYAN R J. Reduction of stiffness and mass matrices [J].AIAAJournal,1965,3(2):380-380.

[4] CARNE T G, DOHRMANN C R. A modal test design strategy for model correlation[C]//Proceedingsofthe13thInternationalModalAnalysisConference. New York: Union College, Schenectady,1995:927-933.

[5] 黃民水,朱宏平,宋金強. 傳感器優化布置在橋梁結構模態參數測試中的應用[J]. 公路交通科技,2008,25(2):85-88. HUANG Mingshui, ZHU Hongping, SONG Jinqiang. Application of optimal sensor placement in modal parameters test of bridge structure[J].JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment,2008,25(2):85-88.

[6] 李斌.基于EI及MAC混合算法的傳感器優化布置研究[D].西安：長安大學,2013. LI Bin.OptimalSensorPlacementofResearchUsingMixedAlgorithmBasedonEffectiveIndependenceandModalAssuranceCriterionMethods[D]. Xi’an：Chang’an University,2013.

[7] HOLLAND J H.AdaptationinNaturalandArtificialSystems[M].Ann Arbor :The University of Michigan Press, 1975.

[8] 孫曉丹,李宏偉,歐進萍. 大型橋梁動力檢測測點優化的改進遺傳算法及其應用[J].西安建筑科技大學學報(自然科學版),2006,38(5):624-628. SUN Xiaodan, LI Hongwei, OU Jinping. Application of improved genetic algorithm in optimal sensor placement for dynamic test of Harbin Sifangtai bridge[J].JournalofXi’anUniversityofArchitecture&Technology(NaturalScienceEdition),2006,38(5):624-628.

Application of Multistage Crossing Genetic Algorithms by Optimal Sensor Placement in Dynamic Test of Continuous Rigid Frame Bridge

LIU Laijun1,NI Futao1,SUN Weigang1,SHAO Yongjun2,LI Xiao1

(1. College of Highway, Chang’an University,Xi’an 710064, Shaanxi, P. R. China；2. Shaanxi Expressway Testing & Measuring Co., Ltd, Xi’an 710086, Shaanxi, P. R. China)

The improvement of genetic algorithm method based on optimal arrangement of sensor in dynamic test. was elaborated.The proposed improved method by using multistage crossing instead of two-point crossing improved the code of crossing in traditional genetic algorithm and was applied in the dynamic test of some continuous rigid frame bridge. Through calculation and comparative analysis, it is discovered that the application of multistage crossing method can effectively prevent the happenings of premature convergence and local optimal solution and better utilize the variety of initial population. Hence, the results by multistage crossing method are more superior to that of traditional generic algorithms.

bridge engineering; multistage crossing; genetic algorithms; optimal sensor placement

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.02.02

2015-05-14；

2015-08-05

陜西省交通運輸廳科研基金項目(13-25K)

劉來君(1963—),男,吉林前郭人,教授,博士生導師,主要從事橋梁結構方面的研究。E-mail：liulj@chd.ehd.cn。

U446.3

A

1674-0696(2016)02-006-03