基于迁移卷积神经网络的桥梁结构损伤识别方法

针对实际桥梁结构损伤模式识别时有限元模型与实际结构存在差异的情况,为了提高有限元数值模拟数据集训练的深度神经网络识别实际桥梁结构损伤模式的准确率,提出一种结合迁移学习(Transfer Learning,TL)和一维卷积神经网络(One Dimensional Convolutional Neural Network,1D-CNN)的结构损伤识别方法。首先,基于结构有限元数值模拟数据训练1D-CNN模型,选择损伤识别效果较好、性能优良的模型作为源模型;然后,将源模型中的网络结构和超参数迁移到实际结构实测数据集(目标域)网络模型的对应位置并冻结,得到预训练模型;最后,使用实测数据微调预训练模型得到目标模型。为验证该方法的有效性,通过3层钢框架结构实验室试验和日本某简支钢桁梁桥的现场试验,对比源模型(模型Ⅰ)、仅采用实测数据训练得到的CNN模型(模型Ⅱ)和采用迁移学习得到的CNN目标模型(模型Ⅲ)等3种神经网络模型的结构损伤模式识别准确率。研究结果表明:3层钢框架结构实验室试验中,3种CNN模型的最高损伤模式识别准确率分别为63.44%,98.44%,99.06%;日本某简支钢桁梁桥的现场试验中,3种CNN模型的最高损伤模式识别准确率分别为59.50%,97.00%,99.50%。针对不同结构,目标模型(模型Ⅲ)的损伤模式识别准确率均最高,收敛速度最快,优于其他2种CNN模型。基于迁移卷积神经网络的桥梁结构损伤识别方法具有较好的实际结构损伤识别能力,为解决数据有限情况下的结构损伤识别问题提供了一种有效的解决途径。