本發(fā)明專利技術(shù)屬于傳感器優(yōu)化布置相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，其公開(kāi)了一種面向架橋機(jī)健康監(jiān)測(cè)的傳感器多目標(biāo)優(yōu)化布置方法及其應(yīng)用，包括以下步驟：(1)，對(duì)架橋機(jī)的有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析以獲得模態(tài)振型矩陣，并確定模態(tài)數(shù)目；(2)，采用數(shù)據(jù)集對(duì)三個(gè)目標(biāo)函數(shù)對(duì)應(yīng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練；(3)，將訓(xùn)練好的三個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型分別作為河馬優(yōu)化算法的適應(yīng)度函數(shù)，并結(jié)合帕累托理論對(duì)河馬優(yōu)化算法進(jìn)行改進(jìn)以得到改進(jìn)河馬優(yōu)化算法，進(jìn)而獲得最終Pareto前沿解集，進(jìn)而得到最優(yōu)解。本發(fā)明專利技術(shù)將河馬優(yōu)化算法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，將訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型作為河馬優(yōu)化算法的適應(yīng)度函數(shù)，大大地提高了優(yōu)化算法中適應(yīng)度目標(biāo)函數(shù)值的計(jì)算速度，進(jìn)而提高了本發(fā)明專利技術(shù)的優(yōu)化效率。
1、隨著城市化進(jìn)程的加速，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的需求日益增加。橋梁作為城市交通網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵紐帶，其建設(shè)與維護(hù)對(duì)于保障城市交通的流暢性和安全性至關(guān)重要。架橋機(jī)作為橋梁建設(shè)中的重要設(shè)備，其性能的穩(wěn)定性與安全性直接關(guān)系到工程質(zhì)量和施工人員的安全。
2、在橋梁建設(shè)過(guò)程中，架橋機(jī)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)變得尤為重要。傳感器監(jiān)測(cè)是一種有效的手段，通過(guò)在架橋機(jī)的關(guān)鍵部位安裝傳感器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其運(yùn)行狀態(tài)，捕捉并分析關(guān)鍵參數(shù)的變化趨勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)架橋機(jī)狀態(tài)的全面監(jiān)控。傳感器的選擇、數(shù)量以及優(yōu)化布置是保證監(jiān)測(cè)效果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
3、目前，傳感器布置的準(zhǔn)則已經(jīng)較為成熟，常用的方法包括模態(tài)置信度、動(dòng)能和信息矩陣等。這些方法通過(guò)不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)，幫助確定傳感器的最佳布置位置。考慮多個(gè)布設(shè)準(zhǔn)則，進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，一種是通過(guò)對(duì)兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的加權(quán)賦值運(yùn)算，得到新的目標(biāo)函數(shù)，其中人為主觀影響因素較大，并不科學(xué)合理，另一種是pareto多目標(biāo)傳感器布設(shè)準(zhǔn)則，通過(guò)“先計(jì)算，后決定”的方法首先計(jì)算得到pareto前沿解集，然后在pareto前沿解集中選取最后的最優(yōu)解。但大多數(shù)傳感布置優(yōu)化方法中，使用單一目標(biāo)函數(shù)或者多個(gè)目標(biāo)簡(jiǎn)單加權(quán)構(gòu)成單一目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行傳感器布置優(yōu)化，難以綜合考慮各個(gè)方面的因素。同時(shí)隨著測(cè)點(diǎn)和傳感器數(shù)量的增加，計(jì)算量將急劇增加，目標(biāo)函數(shù)的計(jì)算時(shí)間隨著測(cè)點(diǎn)和傳感器數(shù)量的增加而時(shí)間不斷增加，導(dǎo)致優(yōu)化效率較低。
>技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本專利技術(shù)提供了一種面向架橋機(jī)健康監(jiān)測(cè)的傳感器多目標(biāo)優(yōu)化布置方法及其應(yīng)用，其旨在解決現(xiàn)有傳感器的布置效率較低的問(wèn)題。
2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本專利技術(shù)的一個(gè)方面，提供了一種面向架橋機(jī)健康監(jiān)測(cè)的傳感器多目標(biāo)優(yōu)化布置方法，所述方法包括以下步驟：
3、步驟一，對(duì)架橋機(jī)的有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析以獲得模態(tài)振型矩陣，并確定模態(tài)數(shù)目；
4、步驟二，采用數(shù)據(jù)集對(duì)三個(gè)目標(biāo)函數(shù)對(duì)應(yīng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練；其中，三個(gè)目標(biāo)函數(shù)分別為模態(tài)獨(dú)立性、振動(dòng)響應(yīng)強(qiáng)度以及損傷敏感性；所述數(shù)據(jù)集是由多個(gè)傳感器布置點(diǎn)位與其對(duì)應(yīng)的三個(gè)目標(biāo)函數(shù)值組成，三個(gè)目標(biāo)函數(shù)值是基于得到的模態(tài)振型矩陣及模態(tài)數(shù)目計(jì)算得到的；
5、步驟三，將訓(xùn)練好的三個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型分別作為河馬優(yōu)化算法的適應(yīng)度函數(shù)，并結(jié)合帕累托理論對(duì)河馬優(yōu)化算法進(jìn)行改進(jìn)以得到改進(jìn)河馬優(yōu)化算法；通過(guò)改進(jìn)河馬優(yōu)化算法獲得最終pareto前沿解集，進(jìn)而得到最優(yōu)解，即傳感器點(diǎn)位的最優(yōu)布置方案。
6、進(jìn)一步地，通過(guò)改進(jìn)河馬優(yōu)化算法獲得最終pareto前沿解集時(shí)，一次循環(huán)中基于初始傳感器布置點(diǎn)位先計(jì)算出所有的解，再通過(guò)帕累托理論獲得當(dāng)前循環(huán)輪次的pareto前沿解集，接下一次循環(huán)將當(dāng)前得到的pareto前沿解集作為初始解，進(jìn)而得到最終pareto前沿解集。
7、進(jìn)一步地，采用標(biāo)準(zhǔn)化差絕對(duì)值法對(duì)最終pareto前沿解集進(jìn)行度量以得到最優(yōu)解。
8、進(jìn)一步地，基于模態(tài)振型矩陣得到fisher信息矩陣q：
9、
10、其中，m為選取的模態(tài)階數(shù)；
11、將fisher信息矩陣q的2-范數(shù)(∥q∥2)的變化率roc作為評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，根據(jù)變化率的變化趨勢(shì)選擇合理的模態(tài)數(shù)目。
12、進(jìn)一步地，采用模態(tài)向量空間交角來(lái)評(píng)估模態(tài)獨(dú)立性指標(biāo)；振動(dòng)響應(yīng)強(qiáng)度指標(biāo)反映傳感器在監(jiān)測(cè)點(diǎn)處對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的響應(yīng)能力；損傷敏感性指標(biāo)反映傳感器對(duì)結(jié)構(gòu)損傷的敏感程度。
13、進(jìn)一步地，在模態(tài)獨(dú)立性指標(biāo)評(píng)估當(dāng)中，模態(tài)置信度準(zhǔn)則mac通過(guò)評(píng)價(jià)模態(tài)向量空間交角的大小來(lái)有效衡量測(cè)點(diǎn)測(cè)得各階模態(tài)之間的獨(dú)立性：
14、
15、其中，macij表示mac矩陣中的非對(duì)角元素，并且i≠j，φi與φj表示第i、j階模態(tài)振型向量；當(dāng)macij＝0時(shí)，表明第i、j階模態(tài)振型向量完全正交；當(dāng)macij＝1時(shí)，表明第i、j階模態(tài)振型向量完全重合。
16、進(jìn)一步地，基于損傷靈敏度的fisher信息矩陣qs為：
17、qs＝sts
18、其中，
19、
20、其中si表示第i階損傷靈敏度，l表示結(jié)構(gòu)單元總數(shù)，kt表示第t個(gè)單元的單元?jiǎng)偠染仃嚕薸表示結(jié)構(gòu)第i階特征值；按照自由度進(jìn)行分解，使qs等于各自由度對(duì)應(yīng)的損傷fisher信息矩陣之和：
21、
22、其中，使用矩陣跡值的大小來(lái)評(píng)價(jià)每個(gè)自由度的損傷敏感性：
23、
24、當(dāng)?shù)趈個(gè)自由度對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的跡值trace(qsj)越大時(shí)，表示該測(cè)點(diǎn)對(duì)損傷越敏感。
25、本專利技術(shù)還提供了一種架橋機(jī)的健康監(jiān)測(cè)方法，所述健康監(jiān)測(cè)方法首先采用如上所述的面向架橋機(jī)健康監(jiān)測(cè)的傳感器多目標(biāo)優(yōu)化布置方法得到傳感器點(diǎn)位的最優(yōu)布置方案；接著，將多個(gè)傳感器按照所述最優(yōu)布置方案進(jìn)行設(shè)置，進(jìn)而通過(guò)多個(gè)所述傳感器對(duì)架橋機(jī)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)。
26、本專利技術(shù)還提供了一種面向架橋機(jī)健康監(jiān)測(cè)的傳感器多目標(biāo)優(yōu)化布置系統(tǒng)，所述包括存儲(chǔ)器及處理器，所述存儲(chǔ)器儲(chǔ)存有計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)執(zhí)行如上所述的面向架橋機(jī)健康監(jiān)測(cè)的傳感器多目標(biāo)優(yōu)化布置方法。
27、本專利技術(shù)還提供了一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，：所述計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)存儲(chǔ)有機(jī)器可執(zhí)行指令，所述機(jī)器可執(zhí)行指令在被處理器調(diào)用和執(zhí)行時(shí)，所述機(jī)器可執(zhí)行指令促使所述處理器實(shí)現(xiàn)如上所述的面向架橋機(jī)健康監(jiān)測(cè)的傳感器多目標(biāo)優(yōu)化布置方法或/及架橋機(jī)的健康監(jiān)測(cè)方法。
28、總體而言，通過(guò)本專利技術(shù)所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)提供的面向架橋機(jī)健康監(jiān)測(cè)的傳感器多目標(biāo)優(yōu)化布置方法及其應(yīng)用主要具有以下有益效果：
29、1.本專利技術(shù)將河馬優(yōu)化算法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入為傳感器的布置點(diǎn)位，輸出為三個(gè)目標(biāo)函數(shù)的數(shù)值，將訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型作為河馬優(yōu)化算法的適應(yīng)度函數(shù)，大大地提高了優(yōu)化算法中適應(yīng)度目標(biāo)函數(shù)值的計(jì)算速度，進(jìn)而提高了本專利技術(shù)的優(yōu)化效率。
30、2.本專利技術(shù)采用pareto理論進(jìn)行多目標(biāo)傳感器布設(shè)，通過(guò)“先計(jì)算，后決定”的方法計(jì)算得到pareto前沿解集，然后在pareto前沿中選取最后的最優(yōu)解，提高了優(yōu)化效率及質(zhì)量。
31、3.本專利技術(shù)考慮了帕累托最優(yōu)理論，結(jié)合河馬優(yōu)化算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，提高了優(yōu)化質(zhì)量。
本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種面向架橋機(jī)健康監(jiān)測(cè)的傳感器多目標(biāo)優(yōu)化布置方法，其特征在于：所述方法包括以下步驟：
2.如權(quán)利要求1所述的面向架橋機(jī)健康監(jiān)測(cè)的傳感器多目標(biāo)優(yōu)化布置方法，其特征在于：通過(guò)改進(jìn)河馬優(yōu)化算法獲得最終Pareto前沿解集時(shí)，一次循環(huán)中基于初始傳感器布置點(diǎn)位先計(jì)算出所有的解，再通過(guò)帕累托理論獲得當(dāng)前循環(huán)輪次的Pareto前沿解集，接下一次循環(huán)將當(dāng)前得到的Pareto前沿解集作為初始解，進(jìn)而得到最終Pareto前沿解集。
3.如權(quán)利要求1所述的面向架橋機(jī)健康監(jiān)測(cè)的傳感器多目標(biāo)優(yōu)化布置方法，其特征在于：采用標(biāo)準(zhǔn)化差絕對(duì)值法對(duì)最終Pareto前沿解集進(jìn)行度量以得到最優(yōu)解。
4.如權(quán)利要求1所述的面向架橋機(jī)健康監(jiān)測(cè)的傳感器多目標(biāo)優(yōu)化布置方法，其特征在于：基于模態(tài)振型矩陣得到Fisher信息矩陣Q：
5.如權(quán)利要求1所述的面向架橋機(jī)健康監(jiān)測(cè)的傳感器多目標(biāo)優(yōu)化布置方法，其特征在于：采用模態(tài)向量空間交角來(lái)評(píng)估模態(tài)獨(dú)立性指標(biāo)；振動(dòng)響應(yīng)強(qiáng)度指標(biāo)反映傳感器在監(jiān)測(cè)點(diǎn)處對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的響應(yīng)能力；損傷敏感性指標(biāo)反映傳感器對(duì)結(jié)構(gòu)損傷的敏感程度。
6.如權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的面向架橋機(jī)健康監(jiān)測(cè)的傳感器多目標(biāo)優(yōu)化布置方法，其特征在于：在模態(tài)獨(dú)立性指標(biāo)評(píng)估當(dāng)中，模態(tài)置信度準(zhǔn)則MAC通過(guò)評(píng)價(jià)模態(tài)向量空間交角的大小來(lái)有效衡量測(cè)點(diǎn)測(cè)得各階模態(tài)之間的獨(dú)立性：
7.如權(quán)利要求6所述的面向架橋機(jī)健康監(jiān)測(cè)的傳感器多目標(biāo)優(yōu)化布置方法，其特征在于：基于損傷靈敏度的Fisher信息矩陣Qs為：
8.一種架橋機(jī)的健康監(jiān)測(cè)方法，其特征在于：所述健康監(jiān)測(cè)方法首先采用權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的面向架橋機(jī)健康監(jiān)測(cè)的傳感器多目標(biāo)優(yōu)化布置方法得到傳感器點(diǎn)位的最優(yōu)布置方案；接著，將多個(gè)傳感器按照所述最優(yōu)布置方案進(jìn)行設(shè)置，進(jìn)而通過(guò)多個(gè)所述傳感器對(duì)架橋機(jī)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)。
9.一種面向架橋機(jī)健康監(jiān)測(cè)的傳感器多目標(biāo)優(yōu)化布置系統(tǒng)，其特征在于：所述包括存儲(chǔ)器及處理器，所述存儲(chǔ)器儲(chǔ)存有計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)執(zhí)行權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的面向架橋機(jī)健康監(jiān)測(cè)的傳感器多目標(biāo)優(yōu)化布置方法。
10.一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其特征在于：所述計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)存儲(chǔ)有機(jī)器可執(zhí)行指令，所述機(jī)器可執(zhí)行指令在被處理器調(diào)用和執(zhí)行時(shí)，所述機(jī)器可執(zhí)行指令促使所述處理器實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的面向架橋機(jī)健康監(jiān)測(cè)的傳感器多目標(biāo)優(yōu)化布置方法或/及權(quán)利要求8所述的架橋機(jī)的健康監(jiān)測(cè)方法。
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【技術(shù)特征摘要】
1.一種面向架橋機(jī)健康監(jiān)測(cè)的傳感器多目標(biāo)優(yōu)化布置方法，其特征在于：所述方法包括以下步驟：
2.如權(quán)利要求1所述的面向架橋機(jī)健康監(jiān)測(cè)的傳感器多目標(biāo)優(yōu)化布置方法，其特征在于：通過(guò)改進(jìn)河馬優(yōu)化算法獲得最終pareto前沿解集時(shí)，一次循環(huán)中基于初始傳感器布置點(diǎn)位先計(jì)算出所有的解，再通過(guò)帕累托理論獲得當(dāng)前循環(huán)輪次的pareto前沿解集，接下一次循環(huán)將當(dāng)前得到的pareto前沿解集作為初始解，進(jìn)而得到最終pareto前沿解集。
3.如權(quán)利要求1所述的面向架橋機(jī)健康監(jiān)測(cè)的傳感器多目標(biāo)優(yōu)化布置方法，其特征在于：采用標(biāo)準(zhǔn)化差絕對(duì)值法對(duì)最終pareto前沿解集進(jìn)行度量以得到最優(yōu)解。
4.如權(quán)利要求1所述的面向架橋機(jī)健康監(jiān)測(cè)的傳感器多目標(biāo)優(yōu)化布置方法，其特征在于：基于模態(tài)振型矩陣得到fisher信息矩陣q：
5.如權(quán)利要求1所述的面向架橋機(jī)健康監(jiān)測(cè)的傳感器多目標(biāo)優(yōu)化布置方法，其特征在于：采用模態(tài)向量空間交角來(lái)評(píng)估模態(tài)獨(dú)立性指標(biāo)；振動(dòng)響應(yīng)強(qiáng)度指標(biāo)反映傳感器在監(jiān)測(cè)點(diǎn)處對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的響應(yīng)能力；損傷敏感性指標(biāo)反映傳感器對(duì)結(jié)構(gòu)損傷的敏感程度。
6.如權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的面向架橋機(jī)健康監(jiān)測(cè)的傳感器多目標(biāo)優(yōu)化布置方法，其特...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：劉佳靜，方偉立，馬軍偉，耿光輝，駱漢賓，張哲政，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：華中科技大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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