Ứng dụng giải thuật mạng neuron trong chẩn đoán hư hỏng công trình cầu

Đại Học Quốc Gia TP.Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BAÙCH KHOA - LÊ MINH CẢNH ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT MẠNG NEURON TRONG CHẨN ĐOÁN HƯ HỎNG CÔNG TRÌNH CẦU Chuyên ngành: CƠ HỌC KỸ THUẬT Mã số ngành: 60.52.02 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, Tháng 06 năm 2008 CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: GS.TS Ngô Kiều Nhi Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2: Luận văn thạc só bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm 2008 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC Tp HCM, ngày …….tháng ……năm 2008 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: LÊ MINH CẢNH Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 24/10/1980 Nơi sinh: Tiền Giang Chuyên ngành: Cơ Học Kỹ Thuật MSHV: 02305534 I- TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT MẠNG NEURON TRONG CHẨN ĐOÁN HƯ HỎNG CÔNG TRÌNH CẦU II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:  Tổng quan công trình cầu cần thiết việc chẩn đoán hư hỏng công trình cầu  Tổng quan mạng Neuron ứng dụng Mạng Neuron  Xây dựng, huấn luyện mô mạng Neuron phần mềm Matlab  Nhận dạng hư hỏng thông qua tín hiệu đo thông số chuyển vị tónh vị trí đo cầu mô hình từ sở lý thuyết nhận biết vị trí hư hỏng hai nhà nghiên cứu Norris Stubbs Jeong-Tae Kim đưa ra; giải thuật mạng neuron mà tác giả đề tài xây dựng III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: GS.TS NGÔ KIỀU NHI CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH Nội dung đề cương luận văn Thạc sỹ Hội đồng Chuyên ngành thông qua TRƯỞNG PHÒNG ĐT- SĐH Ngày tháng năm 2008 TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH LỜI CẢM ƠN Đề tài “Ứng dụng mạng neuron chẩn đoán hư hỏng công trình cầu” hoàn thành với hướng dẫn giúp đỡ nhiệt tình Cô GS.TS.Ngô Kiều Nhi Trong lónh vực khoa học, Cô người Mẹ Những lời nói, cử chỉ, động viên Cô giúp vượt qua khó khăn có lúc tưởng chừng vượt qua trình thực đề tài Cô nâng đỡ tinh thần, dìu dắt đứng lên vượt dậy niềm say mê nghiên cứu khoa học sau khó khăn Tôi xin gởi đến Cô tất niềm tri ân, tình cảm chân thành Cầu chúc Cô mạnh khỏe để gắn bó với khoa học cầu mong Cô hạnh phúc với lớp học trò mà Cô dạy dỗ Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy Cô giáo giảng dạy chương trình Cao học Cơ Học Kỹ Thuật, Trường Đại học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh trang bị cho kiến thức quý giá giúp đỡ nhiều toàn khóa học Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Cao Đẳng Điện Lực Tp.HCM tạo điều kiện để hoàn thành khóa học Tôi xin chân thành cảm ơn anh Nguyễn Sỹ Dũng, Trường Đại Học Công Nghiệp Tp.HCM, giúp đỡ cho trình thực luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè thân thiết hỗ trợ cho suốt thời gian học tập Cuối cùng, muốn gửi lời cám ơn đến tất người thân gia đình - cha tôi, mẹ tôi, em quan tâm, giúp đỡ, tạo điều kiện động viên nhiều thời gian học tập thực luận văn Tp.Hồ Chí Minh, tháng 6/2008 TÓM TẮT LUẬN VĂN Công việc luận văn ứng dụng giải thuật mạng Neuron chẩn đoán hư hỏng công trình cầu dựa vào tín hiệu đo thông số chuyển vị vị trí đo Luận văn chia thành vấn đề sau: - Tổng quan công trình cầu cần thiết việc chẩn đoán hư hỏng công trình cầu - Tổng quan mạng Neuron ứng dụng Mạng Neuron - Xây dựng, huấn luyện mô mạng Neuron phần mềm Matlab - Nhận dạng hư hỏng thông qua tín hiệu đo thông số chuyển vị tónh vị trí đo cầu mô hình từ sở lý thuyết nhận biết vị trí hư hỏng hai nhà nghiên cứu Norris Stubbs Jeong-Tae Kim đưa ra; giải thuật mạng neuron mà tác giả đề tài xây dựng phần mềm Matlab - So sánh kết phương pháp nhận biết hư hỏng - Cuối số kết luận hướng phát triển đề tài MỤC LỤC Lời cảm ơn i Tóm tắt luận vaên ii Muïc luïc iii Danh mục hình vẽ iv Danh mục bảng biểu .v CHƯƠNG 1: MỞ ÑAÀU Trang 1.1 Tính cấp thiết đề tài 1.2 Ý nghóa khoa học đề tài 1.3 YÙ nghóa thực tiễn đề tài 1.4 Nội dung nghiên cứu 1.5 Nhiệm vụ nghiên cứu 1.6 Mục tiêu đề tài CHƯƠNG 2: CÔNG TRÌNH CẦU VÀ VẤN ĐỀ GIÁM SÁT, KIỂM ĐỊNH CẦU ÔÛ VIEÄT NAM 2.1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH CẦU 2.1.1 Giới thiệu chung 2.1.2 Lịch sử phát triển cầu giới 2.1.2.1 Thời đại trước Công nguyên La Mã cổ đại 2.1.2.2 Thời kỳ phục hưng hậu phục hưng (TK 14 -16) 2.1.2.3 Thời kỳ Cách mạng công nghieäp 2.1.2.4 Thời kỳ đại 2.1.3 Lịch sử phát triển cầu Việt Nam .8 2.1.3.1 Thời kỳ trước Cách Mạng Tháng Taùm 2.1.3.2 Thời kỳ sau Cách Mạng Tháng Tám năm 1945 đến năm 1954 2.1.3.3 Thời kỳ từ 1954 ñeán 1975 2.1.3.4 Thời kỳ 1975 – 1992 10 2.1.3.5 Thời kỳ 1992 đến 11 2.1.4 Kết luận .12 2.2 TÌNH HÌNH VÀ HIỆN TRẠNG CẦU Ở VIỆT NAM HIỆN NAY 12 2.3 VẤN ĐỀ GIÁM SÁT, KIỂM ĐỊNH CẦU Ở VIỆT NAM 13 2.3.1 Các loại hình kiểm tra cầu .13 2.3.1.1 Kiểm tra thường xuyeân .13 2.3.1.2 Kiểm tra chi tiết 13 2.3.1.3 Kieåm tra đặc biệt 14 2.3.2 Mục tiêu việc kiểm định cầu .14 2.3.2.1 Công tác thử tải cầu 14 2.3.2.2 Noäi dung công tác thử tải cầu 15 2.3.3 Nhược điểm tình trạng kiểm định .17 CHƯƠNG 3: CHẨN ĐOÁN VÀ SỰ CẦN THIẾT TRONG VIỆC CHẨN ĐOÁN HƯ HỎNG CÔNG TRÌNH CẦU 18 3.1 TỔNG QUAN VỀ CHẨN ĐOÁN KỸ THUẬT 18 3.1.1 Sơ lược thực trạng bảo trì 18 3.1.2 Khái mệm chẩn đoán kỹ thuật 19 3.1.3 Đặc điểm toán chẩn đoán kỹ thuật 22 3.1.4 Nội dung toán chẩn đoán kỹ thuật 22 3.1.4.1 Các công đoạn để giải toán chẩn đoán kỹ thuật 24 3.1.4.2 Phương pháp thu thập thông tin phục vụ cho chẩn đoán kỹ thuật 25 3.1.4.3 Phương pháp giải toán chẩn đoán kỹ thuật 26 3.2 MỘT SỐ NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BÀI TOÁN CHẨN ĐOÁN KỸ THUẬT TẠI VIỆT NAM VÀ THẾ GIỚI 30 3.2.1 Tình hình nghiên cứu Việt Nam 30 3.2.1.1 Viện học Việt Nam .30 3.2.1.2 Viện Cơ học ứng dụng thành phố Hồ Chí Minh .32 3.2.1.3 Phòng thí nghiệm Cơ học ứng dụng Trường ĐHBK Tp.HCM 33 3.2.2 Tình hình nghiên cứu giới 33 3.3 SỰ CẦN THIẾT TRONG VIỆC CHẨN ĐOÁN HƯ HỎNG CÔNG TRÌNH CẦU 35 CHƯƠNG 4: GIỚI THIỆU VỀ MẠNG NEURON THẦN KINH NHÂN TAÏO 36 4.1 TỔNG QUAN VỀ TRÍ TUỆ NHÂN TẠO 36 4.1.1 Khoa hoïc não 36 4.1.1.1 Hoạt động não 36 4.1.1.2 Neuron vaø transistor .38 4.1.2 Trí tuệ nhân tạo 42 4.1.2.1 Xây dựng trí tuệ nhân tạo 42 4.1.2.2 Con đường dẫn đến trí tuệ nhân tạo 43 4.2 MẠNG NEURON NHÂN TẠO 47 4.2.1 Mạng Neuron Nhân Tạo 47 4.2.1.1 Giới thiệu mạng neuron nhân tạo 47 4.2.1.2 Hàm tổng hợp hàm tác động .48 4.2.1.3 Mô hình kết noái 50 4.2.1.4 Luật học 52 4.2.2 Mạng Truyền Thẳng Nhiều Lớp Với Giải Thuật Lan Truyền Ngược 53 4.2.2.1 Mạng Truyền Thẳng Nhiều Lớp Với Giải Thuật Lan Truyền Ngược 53 4.2.2.2 Các thông số hoïc 56 CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG MẠNG NEURON VỚI PHẦN MEÀM MATLAB 60 5.1 MÔ HÌNH VÀ CẤU TRÚC MẠNG NEURON TRONG MATLAB 60 5.1.1 Mô hình mạng Neuron 60 5.1.1.1 Mạng Neuron giản đơn 60 5.1.1.2 Hàm truyền .61 5.1.1.3 Vectơ ngõ vào mạng Neuron 63 5.1.1.4 Tóm tắt hệ thống ký hiệu 63 5.1.2 Cấu trúc mạng neuron 65 5.1.2.1 Maïng Neuron lớp .65 5.1.2.2 Mạng Neuron nhiều ngõ vào nhiều lớp .66 5.2 MẠNG NEURON LAN TRUYỀN NGƯC 69 5.2.1 Tổng quan mạng Neuron lan truyền ngược .69 5.2.2 Về cấu trúc mạng truyền thẳng nhiều lớp với thuật toán lan truyền ngược 70 5.2.3 Taïo maïng neuron (Newff) 71 5.2.4 Khởi tạo trọng số (init) .72 5.2.5 Mô mạng Neuron 72 5.2.6 Huấn luyện mạng Neuron 72 5.3 GIAO DIEÄN GUI (GRAPHICAL USER INTERFACE) ĐỂ XÂY DỰNG, HUẤN LUYỆN VÀ MÔ PHỎNG MẠNG 74 5.3.1 Nhập ngõ vào đích 75 5.3.2 Taïo maïng Neuron 76 5.3.3 Huấn luyện mạng Neuron 77 5.3.4 Xuất kết mạng đến không gian lệnh phần mềm Matlab .79 5.3.5 Xóa mạng liệu 80 5.3.6 Nhập mạng Neuron vào từ dòng lệnh không gian lệnh 81 5.3.7 Lưu biến vào file lấy lại 82 CHƯƠNG 6: NHẬN DẠNG HƯ HỎNG DỰA VÀO THÔNG SỐ CHUYỂN VỊ TĨNH ĐO TRÊN DẦM CẦU MÔ HÌNH 83 6.1 TỔNG QUAN VỀ THIẾT LẬP CẦU MÔ HÌNH 85 6.2 LÝ THUYẾT NHẬN BIẾT VỊ TRÍ HƯ HỎNG DO HAI NHÀ NGHIÊN CỨU NORRIS STUBBS VÀ JEONG-TAE KIM ĐƯA RA 87 6.2.1 Cơ sở lý thuyết 87 6.2.2 Ứng dụng lý thuyết để nhận biết hư hỏng với thông số đo chuyển vị tónh vị trí đo mô hình 90 6.3 NHẬN DẠNG HƯ HỎNG BẰNG THÔNG SỐ CHUYỂN VỊ TĨNH TẠI CÁC NÚT TRÊN DẦM CẦU MÔ HÌNH 91 6.3.1 Xác định vị trí hư hỏng công thức đề xuất dựa thông số chuyển vị tónh nút cầu mô hình 91 6.3.1.1 Khi sai số liệu đo 92 6.3.1.2 Khi coù sai số liệu đo .102 6.3.1.3 Xử lý sai số liệu đo 107 6.3.2 Xác định vị trí hư hỏng giải thuật mạng neuron 109 6.3.2.1 Xây dựng giải thuật mạng Neuron 109 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG  Họ tên: LÊ MINH CẢNH  Ngày, tháng, năm sinh: 24/10/1980 Nơi sinh: Tiền Giang  Địa liên lạc: Trường Cao đẳng Điện lực Tp Hồ Chí Minh QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO  Học đại học: 1998 – 2003, chuyên ngành Cơ điện tử, Trường Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh  Học cao học: 2005 – 2008, chuyên ngành Cơ học kỹ thuật, Trường Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC Từ 2003 – đến nay: Cán giảng dạy khoa Điện cơ, Trường Cao đẳng Điện lực Tp Hồ Chí Minh ... Kỹ Thuật MSHV: 02305534 I- TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT MẠNG NEURON TRONG CHẨN ĐOÁN HƯ HỎNG CÔNG TRÌNH CẦU II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:  Tổng quan công trình cầu cần thiết việc chẩn đoán hư hỏng. .. khu vực hư hỏng việc đưa phản hồi động đặn Chương 3: Chẩn đoán cần thiết việc chẩn đoán hư hỏng công trình cầu 35 3.3 SỰ CẦN THIẾT TRONG VIỆC CHẨN ĐOÁN HƯ HỎNG CÔNG TRÌNH CẦU Các công trình xây... công trình Chương 3: Chẩn đoán cần thiết việc chẩn đoán hư hỏng công trình cầu 31 Giải số toán việc chẩn đoán đánh giá dầm cầu đơn giản Trong công trình nghiên cứu với tên: ' 'Chẩn đoán kỹ thuật,