一種用于損傷識別的拉力補償方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于結構健康監(jiān)測技術領域，更具體地，涉及一種用于損傷識別的拉力補 償方法。
【背景技術】
[0002] 土木工程結構由于連續(xù)使用，材料退化、環(huán)境影響、地震等造成結構損傷，而絕大 部分結構潛在的微小損傷很難通過肉眼識別。結構早期的微小損傷若未及時發(fā)現(xiàn)，會引發(fā) 結構的累計損傷，從而導致結構的突發(fā)性失效，及時準確地識別結構早期微弱和潛在的損 傷，是結構工程領域的難題；現(xiàn)有的結構健康監(jiān)測技術有視覺檢驗法，低頻振動技術，靜態(tài) 結構響應技術，以及局部無損檢測技術；這些技術的缺陷主要在于：工程結構系統(tǒng)龐大，檢 測難以到達每個部位，耗時耗力；由于其低頻特性對局部損傷無效，且易受環(huán)境噪聲影響； 測量龐大結構的靜態(tài)特性（如位移、速度、加速度等）不具有可操作性。
[0003] 基于PZT的壓電阻抗（EMI)技術主要基于局部高頻激勵，利用PZT同時作為傳感 器和驅動器，對結構局部激勵獲取結構性能變化的信息，從而實現(xiàn)對結構微小損傷的識別； 其基本原理是利用高強粘結劑將PZT粘貼結構表面或植入結構內部，利用PZT正逆壓電效 應，通過壓電阻抗儀施加電壓對結構局部激振，獲得與結構性能（質量，剛度，阻尼等）相關 的監(jiān)測信號，此信號作為結構健康衡量的基準，將來通過觀察信號的改變來識別結構是否 發(fā)生損傷。由于其高頻特性，具有對結構微小損傷敏感，且能避開環(huán)境噪聲影響的優(yōu)點；但 該技術仍然局限于試驗件，未有計入外部拉力對工件的影響。
[0004] 而實際工況下，工程結構始終處于受力狀態(tài)；且在工程結構的整個服役過程中，所 承受的荷載是不斷變化的；當結構發(fā)生損傷時局部應力會發(fā)生很大變化；EMI技術通過測 量導納信號并通過判別導納曲線的偏移實現(xiàn)結構損傷識別；試驗表明，結構在受拉力的狀 態(tài)下的壓電阻抗導納信號與不受拉力狀態(tài)的不同，結構受拉會引起導納曲線偏移，從而影 響EMI技術對結構損傷的識別的準確度；因此，排除拉力變化對工程結構損傷識別的干擾， 建立有效的拉力補償方法有待解決。

【發(fā)明內容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種用于損傷識別的拉力補 償方法，其目的在于通過采用包含頻率、拉力及導納的樣本數(shù)據(jù)對RBF神經(jīng)網(wǎng)絡進行訓練， 實現(xiàn)對結構所受拉力的補償，為結構精確的損傷識別排除干擾。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于損傷識別的拉力補償 方法，該拉力補償方法基于RBF(多變量插值的徑向基函數(shù)，Radical Basis Function)神 經(jīng)網(wǎng)絡具體包括如下步驟：
[0007] (1)將掃頻頻率及拉力作為輸入層，以導納值作為輸出層，與隱含層一起構成RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡；
[0008] (2)采用包含掃頻頻率、拉力及導納值的樣本數(shù)據(jù)對所述RBF神經(jīng)網(wǎng)絡進行訓練， 直到輸出導納值與相應樣本數(shù)據(jù)的導納值之間的差值在樣本數(shù)據(jù)導納值的±5%以內，結 束RBF神經(jīng)網(wǎng)絡訓練；
[0009] (3)將測試數(shù)據(jù)的掃頻頻率及拉力作為輸入，采用步驟（2)訓練獲得的RBF神經(jīng)網(wǎng) 絡，獲取與所述掃頻頻率及拉力相應的導納值；所述導納值包含了外部拉力信息，補償了拉 力對導納數(shù)據(jù)的影響；
[0010] ⑷根據(jù)步驟⑶獲得的導納值，獲取補償后的RMSD損傷指標；
[0011] 上述用于損傷識別的拉力補償方法先采用包含掃頻頻率、拉力及導納值的樣本數(shù) 據(jù)對RBF神經(jīng)網(wǎng)絡進行訓練，訓練完成后將測試數(shù)據(jù)的掃頻頻率及拉力作為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡 的輸入，獲取相應輸出的導納值，該導納值包含了拉力信息，補償了拉力對導納數(shù)據(jù)的影 響。
[0012] 優(yōu)選的，在步驟（2)所述的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡訓練中，根據(jù)以下方法確定隱含層神經(jīng)元 的數(shù)量：
[0013] a、將RBF神經(jīng)網(wǎng)絡產(chǎn)生的均方誤差（MSE)所對應的輸入向量作為權值向量，生成 一個新的隱含層神經(jīng)元；
[0014] b、以測試所得導納值作為輸入，以仿真所得的導納值作為輸出，與步驟a生成的 新的隱含層神經(jīng)元，構成新的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡；
[0015] c、獲取步驟b所述新的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡的均方誤差；
[0016] d、重復步驟a~c，直到RBF神經(jīng)網(wǎng)絡的均方誤差達到預設均方誤差，以此時的 隱含層神經(jīng)元數(shù)量作為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡隱含層神經(jīng)元的數(shù)量；其中，預設均方誤差在5%~ 10% ；
[0017] 在RBF神經(jīng)網(wǎng)絡訓練中，現(xiàn)有技術是使隱含層神經(jīng)元的數(shù)量與輸入向量的元素相 等；但在輸入向量很多時，過多的隱含層單元數(shù)會增加計算的復雜度；采用本發(fā)明提供的 上述方法，逐步趨近的達到隱含層神經(jīng)元數(shù)量的最佳值，在最小的計算量內即可獲得最佳 補償效果。
[0018] 優(yōu)選地，步驟⑵所述的對RBF神經(jīng)網(wǎng)絡進行訓練的步驟，包括如下子步驟：
[0019] (2. 1)給定掃頻頻率、拉力和期望輸出的導納值；
[0020] (2. 2)將上述掃頻頻率和拉力作為輸入向量，經(jīng)步驟（1)獲得的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡處 理，獲取導納值；
[0021] (2. 3)將步驟（2. 2)中獲取的導納值與所述期望輸出的導納值做差，獲得差值；判 斷所述差值是否在期望輸出導納值的±5%以內；若是，則結束訓練；若否，則增加神經(jīng)元， 并返回步驟（2.2)。
[0022] 優(yōu)選的，在上述步驟（2. 3)結束對RBF神經(jīng)網(wǎng)絡的訓練后，采用如下步驟確定RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡訓練效果，具體為：
[0023] (2.4)將不同于訓練樣本的數(shù)據(jù)作為輸入向量，用訓練好的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡進行仿 真，獲取仿真輸出的導納值；
[0024] (2. 5)根據(jù)步驟（2. 4)里仿真輸出的導納值獲取RMSD值，若在各拉力工況下獲得 的RMSD值在5%以內波動，則進入步驟（3);否則，返回步驟（2. 1)，采用新的樣本數(shù)據(jù)重新 訓練RBF神經(jīng)網(wǎng)絡；
[0025] 其中，RMSD(root mean-square deviation)是對結構在不同狀態(tài)下測量的信號的 均方根指數(shù)，根據(jù)該統(tǒng)計指標可衡量導納信號變化前后PZT (piezoelectric ceramics，壓 電陶瓷）傳感器電信號的變化程度，根據(jù)下式獲?。?br>[0027] 其中，η是指采樣頻率數(shù)，i是指每個頻率采樣點的導納值，X1表示結構損傷前測 得的阻抗值；Y1表示結構損傷后測得的阻抗值；其中，i = 1，2,3,…，η。
[0028] 總體而言，通過本發(fā)明所構思的以上技術方案與現(xiàn)有技術相比，能夠取得下列有 益效果：
[0029] (1)本發(fā)明提供的用于損傷識別的拉力補償方法，采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡對拉力的影 響進行補償；將掃頻頻率及不同的受力狀態(tài)作為輸入層，導納信息作為輸出層；神經(jīng)網(wǎng)絡 在輸入層和輸出層之間形成特定的映射關系；通過訓練，利用已經(jīng)形成的神經(jīng)網(wǎng)絡進行仿 真；在給定某一個輸入后，通過神經(jīng)網(wǎng)絡仿真出相應的輸出；從而達到消除拉力對導納值 的影響，降低拉力對壓電阻抗技術的干擾。
[0030] (2)本發(fā)明提供的拉力補償方法，其優(yōu)選方案里，還包括分析網(wǎng)絡訓練效果是否合 理的步驟，具有可不斷調節(jié)仿真數(shù)據(jù)的靈活性，直到達到符合實際工況的補償效果。
【附圖說明】
[0031] 圖1是RBF神經(jīng)網(wǎng)絡示意圖；
[0032] 圖2是RBF神經(jīng)網(wǎng)絡訓練流程不意圖；
[0033] 圖3是測量試件一的ΡΖΤ2各拉力工況下導納曲線圖及局部放大圖；
[0034] 圖4是測量試件二的ΡΖΤ3各拉力工況下導納曲線圖及局部放大圖；
[0035] 圖5是測量試件一的PZT2RBF仿真與實測導納信息對比圖；
[0036] 圖6是測量試件二的PZT3RBF仿真與實測導納信息對比圖；
[0037] 圖7是試件一的ΡΖΤ2導納經(jīng)RBF補償前后RMSD指標對比圖；
[0038] 圖8是試件二無損時ΡΖΤ3導納經(jīng)RBF補償前后RMSD指標對比圖；
[0039] 圖9是試件二有損傷時ΡΖΤ3導納經(jīng)RBF補償前后RMSD指標對比圖。
【具體實施方式】
[0040] 為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要 彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0041] 本發(fā)明提供的用于損傷識別的拉力補償方法