Big Model Strategy for Bridge Structural Health Monitoring Based on Data-Driven, Adaptive Method and Convolutional Neural Network (CNN) Group

This study introduces an innovative“Big Model”strategy to enhance Bridge Structural Health Monitoring(SHM)using a Convolutional Neural Network(CNN),time-frequency analysis,and fine element analysis.Leveraging ensemble methods,collaborative learning,and distributed computing,the approach effectively manages the complexity and scale of large-scale bridge data.The CNN employs transfer learning,fine-tuning,and continuous monitoring to optimize models for adaptive and accurate structural health assessments,focusing on extracting meaningful features through time-frequency analysis.By integrating Finite Element Analysis,time-frequency analysis,and CNNs,the strategy provides a comprehensive understanding of bridge health.Utilizing diverse sensor data,sophisticated feature extraction,and advanced CNN architecture,the model is optimized through rigorous preprocessing and hyperparameter tuning.This approach significantly enhances the ability to make accurate predictions,monitor structural health,and support proactive maintenance practices,thereby ensuring the safety and longevity of critical infrastructure.

融合Inception V1-CBAM-CNN的轴承剩余寿命预测模型

针对现有的滚动轴承剩余寿命(RUL)预测方法精度低、轴承健康指标(HI)构建困难等问题,提出了一种基于卷积神经网络(CNN)并融合Inception V1模块和卷积注意力机制模块(CBAM)的滚动轴承RUL预测模型。首先,在CNN中添加了CBAM机制,并进行了加权处理,在通道和空间维度对重要特征进行了强化,对次要特征进行了抑制,通过添加改进的InceptionV1模块,提高了CNN通道间信息交互水平,全面提取了退化特征;然后,进行了网络优化,采用全局最大池化(GMP)方法对模型进行了简化,采用Dropout和批量归一化(BN)方法,避免了过拟合,提高了精度,且克服了训练时出现的梯度消失问题;最后,对数据进行了处理,将降噪后的信号重组为三维张量,将其作为HI,构建了退化标签,引入了评价指标,采用PHM2012轴承数据集进行了实验验证,在3种工况下将其与深度神经网络(DNN)、CNN方法、结合注意力机制的残差网络方法(ResNet)进行了对比。研究结果表明:该方法在变负载条件下的平均RMSE为0.033,较其他方法的RMSE值分别降低了86%、78%和69%,在预测精度和泛化能力方面具有明显优势。

基于CNN-LSTM的大坝变形组合预测模型研究

为了提高大坝变形预测模型精度和泛化能力,建立了一种基于卷积神经网络(Convolutional neural networks,CNN)与深度学习长短期记忆(Long short-term memory,LSTM)神经网络的组合预测模型CNN-LSTM。该模型先利用CNN提取大坝变形监测时间序列的特征,再利用LSTM生成特征描述,该模型精度高、泛化能力强。以柏叶口水库混凝土面板堆石坝为例,经过CNN-LSTM模型计算,将模型变形预测值与原型监测资料进行对比,再与LSTM模型及CNN模型的预测结果进行对比。结果表明,CNN-LSTM模型预测值最接近监测资料实测结果。

基于AM和CNN的多级特征融合的风力发电机轴承故障诊断方法

提出一种基于注意力机制的多级特征融合卷积神经网络(A2ML2F-CNN)故障诊断方法。该方法将原始电流和振动信号作为输入,首先使用基于注意力卷积神经网络(AMCNN)模块分别进行数据信号特征提取,并进行一级特征融合连接。在此基础上,再次分别采用注意力机制一维卷积神经网(AM1DCNN)和二维卷积神经网络(2DCNN)提取相关信息,并进行二级特征融合,以此来解决单传感器数据故障信息不足及互补特征难以提取的问题,最后采用全连接层和Softmax层进行分类,得到诊断结果。为验证所提方法的故障诊断效果,通过帕德伯恩数据集进行实验验证,并将其与CNN、LSTM、SVM等方法的诊断精度进行对比,相较于上述方法,该文方法的诊断准确率分别提高1.8、3.2和4.8个百分点,验证了所提方法的有效性。

基于CNN‑LSTM‑SE的心电图分类算法研究

心血管疾病是我国死亡率较高的疾病之一,通过观察心电图来判断心电信号是否出现异常能够对心血管疾病进行预防和筛查。由于心电图数据规模大且繁杂,临床医护人员在心电图筛查时,工作负担大且容易出现误诊或漏诊的情况。为了提高心电图的筛查效率、减少医护人员的压力,提出了一种基于卷积神经网络、长短期记忆神经网络和SE网络的心电图分类算法模型(CNN-LSTM-SE),该模型将心电图分成5种不同的类别。主要研究内容包括:选用MIT-BIH心律失常数据集作为心电信号的数据来源,使用巴特沃斯带通滤波器对心电信号进行去噪处理,通过Z-score方法对心电信号进行标准化处理,利用独热编码方法对心电信号标签进行编码,最后使用处理后的心电数据对所提算法模型进行训练和测试。实验结果表明:所提模型相较于其它模型,能够有效提高心电图分类的准确性,在实验数据集上的分类准确率达到99.1%。

基于CNN-GRU-ISSA-XGBoost的短期光伏功率预测

针对光伏功率随机性及波动性大,单一预测模型往往难以准确分析历史数据波动规律,从而导致预测精度不高的问题,提出一种基于卷积神经网络-门控循环单元(CNN-GRU)和改进麻雀搜索算法(ISSA)优化的极限梯度提升(XGBoost)模型的短期光伏功率预测组合模型.首先去除历史数据中的异常值并对其进行归一化处理,利用主成分分析法(PCA)进行特征选取,以便更好地识别影响光伏功率的关键因素.然后采用CNN网络提取数据的空间特征,再经过GRU网络提取时间特征,针对XGBoost模型手动配置参数困难、随机性大的问题,利用ISSA对模型超参数寻优.最后对两种方法预测的结果用误差倒数法减小误差的同时对权重进行更新,得到新的预测值,从而完成对光伏功率的预测.实验结果表明,所提出的CNN-GRU-ISSA-XGBoost组合模型具有更强的适应性和更高的精度.

融合CNN和ViT的声信号轴承故障诊断方法

针对轴承故障诊断任务数据量少、故障信号非平稳等特点,提出一种短时傅里叶变换、卷积神经网络和视觉转换器相结合的轴承故障诊断方法。首先,利用短时傅里叶变换将原始声信号转换为包含时序信息和频率信息的时频图像。其次,将时频图像作为卷积神经网络的输入,用于隐式提取图像的深层特征,其输出作为视觉转换器的输入。视觉转换器用于提取信号的时间序列信息。并在输出层利用Softmax函数实现故障模式的识别。试验结果表明,该方法对于轴承故障诊断准确率较高。为了更好解释和优化提出的轴承故障诊断方法,利用t-分布领域嵌入算法对分类特征进行了可视化展示。

基于改进CNN-SVM的井下钻头磨损状态评估研究

现有钻头磨损评估方法中,存在人工特征提取过程可能无法完全提取正确分类所需的信号动态特征,及需要对各个统计量进行大量计算等问题。为此,提出了一种新的基于改进卷积神经网络支持向量机(CNN-SVM)的钻头磨损程度评估算法。该算法将采集的近钻头原始振动数据导入CNN-Softmax模型,通过训练好的CNN模型从近钻头数据中提取主要的特征参数,将提取的稀疏特征向量输入SVM并进行故障分类,利用遗传算法实现SVM参数的优化选择,最后应用t分布随机邻域法近邻嵌入,使其故障特征学习过程可视化,以评估其特征提取能力。采用该算法对钻头磨损的现场试验数据进行了分析。分析结果表明:基于改进CNN-SVM的井下钻头磨损状态评估算法准确率高达98.33%。所得结论可为实现钻头磨损状态的进一步监测提供理论支撑。

基于注意力机制的CNN-BiLSTM的IGBT剩余使用寿命预测

针对绝缘栅双极型晶体管(IGBT)可靠性问题,提出了一种融合卷积神经网络(CNN)、双向长短期记忆(BiLSTM)网络和注意力机制的剩余使用寿命(RUL)预测模型,可用于IGBT的寿命预测。模型中使用CNN提取特征参数,BiLSTM提取时序信息,注意力机制加权处理特征参数。使用IGBT加速老化数据集对提出的模型进行验证。结果表明,对比自回归差分移动平均(ARIMA)、长短期记忆(LSTM)、多层LSTM(Multi-LSTM)、 BiLSTM预测模型,在均方根误差和决定系数等评价指标方面该模型的性能最优。验证了提出的寿命预测模型对IGBT失效预测是有效的。

面向边缘计算的可重构CNN协处理器研究与设计

随着深度学习技术的发展,卷积神经网络模型的参数量和计算量急剧增加,极大提高了卷积神经网络算法在边缘侧设备的部署成本。因此,为了降低卷积神经网络算法在边缘侧设备上的部署难度,减小推理时延和能耗开销,该文提出一种面向边缘计算的可重构CNN协处理器结构。基于按通道处理的数据流模式,提出的两级分布式存储方案解决了片上大规模的数据搬移和重构运算时PE单元间的大量数据移动导致的功耗开销和性能下降的问题;为了避免加速阵列中复杂的数据互联网络传播机制,降低控制的复杂度,该文提出一种灵活的本地访存机制和基于地址转换的填充机制,使得协处理器能够灵活实现任意规格的常规卷积、深度可分离卷积、池化和全连接运算,提升了硬件架构的灵活性。本文提出的协处理器包含256个PE运算单元和176 kB的片上私有存储器,在55 nm TT Corner(25°C,1.2 V)的CMOS工艺下进行逻辑综合和布局布线,最高时钟频率能够达到328 MHz,实现面积为4.41 mm^(2)。在320 MHz的工作频率下,该协处理器峰值运算性能为163.8 GOPs,面积效率为37.14GOPs/mm^(2),完成LeNet-5和MobileNet网络的能效分别为210.7 GOPs/W和340.08 GOPs/W,能够满足边缘智能计算场景下的能效和性能需求。

基于多源信息融合和WOA-CNN-LSTM的外脚手架隐患分类预警研究

面对施工现场外脚手架隐患信息的多样性,传统的基于传感器监测的单一信号预警研究存在容错力不佳、含有信息有限等问题。针对施工现场外脚手架“图像+监测”数据,提出一种基于数据层和特征层信息融合的脚手架隐患分类预警方法。首先,利用Revit三维建模软件建立外脚手架实体模型,对不同初始隐患下的外脚手架进行有限元分析,划分隐患预警等级;其次,利用无迹卡尔曼滤波算法(Unscented Kalman Filter,UKF)及卷积长短时记忆网络(Convolutional Neural Network-Long Short Term Memory Network,CNN-LSTM)实现脚手架同类信息数据层融合及异类信息特征层融合;最后,通过实时收集西安市某在建项目落地式双排扣件式钢管脚手架隐患信息,对其进行分类预警,并使用鲸鱼优化算法(Whale Optimization Algorithm,WOA)对CNN-LSTM网络进行参数优化,发现隐藏节点个数为30、学习率为0.0072、正则化系数为1×10^(-4)时分类效果最佳,优化后预警精度达到了91.4526%。通过可视化WOA-CNN-LSTM、CNN-LSTM、CNN-SVM(Support Vector Machine,支持向量机)及CNN-GRU(Gate Recurrent Unit,门控循环单元)分类预警结果,证实了优化后的CNN-LSTM网络在脚手架分类预警方面的优越性。

Transformer-CNN特征跨注意力融合学习的行人重识别

卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)关注局部特征,难以获得全局结构信息,Transformer网络建模长距离的特征依赖,但易忽略局部特征细节。提出了一种跨注意力融合学习的行人重识别算法,利用CNN和Transformer特征学习网络的特点,在丰富行人局部特征的同时改善特征的全局表达能力。该模型由三个部分构成:CNN分支主要提取局部细节信息;Transformer分支侧重于关注全局特征信息;跨注意力融合分支通过自注意力机制计算上述两个分支特征的相关性,进而实现特征融合,最终提高模型的表征能力。剥离实验以及在Market1501和DukeMTMC-reID数据集的实验结果证明了所提方法的有效性。

基于CBAM-CNN的电力系统暂态电压稳定评估

为进一步提高电力系统暂态电压稳定评估模型的特征提取能力和模型在系统拓扑结构发生变化时的适应性,提出一种将改进的卷积神经网络与迁移学习相结合的方法。首先,在卷积神经网络的卷积层后插入卷积块注意力模块,对输入的数据从通道和空间两个独立的维度依次提取特征,提高卷积神经网络对系统暂态电压状态的识别能力。然后,将该模块与微调技术相结合,提高模型在系统拓扑结构改变时的在线更新速度。最后,算例分析验证了所提模型的有效性。

基于Transformer和CNN交错混合的肺结节分割网络

针对肺结节尺寸多样、形状异质化高等问题,提出基于Transformer和卷积神经网络(CNN)交错混合(IMTC)的肺结节分割网络,该网络是一个对称的层次连接网络,具有很强的多尺度特征提取能力。该网络通过集成2种方案分别解决肺结节多尺寸与形状异质化问题:(1)采用感知注意力模块(inception attention module,IAM),通过并联多个不同大小的卷积核来增加浅层网络的感受野组合,以此捕获更为丰富的浅层特征;(2)为获取更具表示能力的高级语义特征,利用由Transformer和CNN组成的基本骨干网络交错提取结节特征,使得全局特征与局部特征充分融合,从而提高结节特征表示的泛化能力和鲁棒性。实验结果表明:本文模型可以准确分割直径较小以及边缘复杂的肺结节,在LUNA16公开数据集上分割性能良好,Dice和IOU分别达到86.15%和76.10%。

基于双流CNN-BiLSTM的毫米波雷达人体动作识别方法

目前基于雷达的人体动作识别方法,大多是先对人体动作的回波信号进行多维快速傅里叶变换(FFT)得到距离、多普勒和角度等信息,构造各种数据谱图后再输入到神经网络中进行分类识别,数据预处理过程较为复杂。提出了一种双流卷积神经网络(CNN)与双向长短时记忆网络(BiLSTM)串联的毫米波雷达人体动作识别方法。首先对原始的雷达回波信号复数采样数据(I/Q)进行帧差处理,以消除静态干扰,并将其转换为幅度/相位(A/P)的数据格式;然后将帧差后的I/Q和A/P数据分别输入单流的CNN-BiLSTM网络,提取人体动作的空间和时间特征,最后进行双流网络的融合以增强特征的交互性,提高识别准确率。实验结果表明,该方法数据预处理简单,并充分利用了动作数据的帧间相关性,模型收敛快,识别准确率可以达到99%,是一种快速有效的人体动作识别方法。

基于CNN-LSTM和卷复制方法的高可用系统设计方法

针对单机服务器存在的单点故障问题,以及主备双机中存在的逻辑故障导致数据丢失的问题,设计了一种基于卷积和长短期记忆神经网络(CNN-LSTM)和卷复制方法的HA(High Availability)系统。系统至少包含两个节点,一个主节点以及一个或多个备用节点,主节点和备节点之间支持主备切换。每个服务器节点上包含4个模块,分别是负责接收配置信息与读写请求的代理模块;进行磁盘读写操作和重定向读写的磁盘I/O(输入输出)模块;负责主备节点间备份快照、映射表、数据块复制的卷复制模块以及基于CNN-LSTM进行状态检测的高可用模块。实验表明,该系统不仅可以解决单点故障问题,也可以解决主备双机集群中无法解决的逻辑错误问题;同时基于CNN-LSTM方法,自动针对服务器的运行健康状态进行分析和预测,可以根据预测结果自动通知管理员进行处理或自动进行主备切换。

GNSS拒止时基于并行CNN-BiLSTM回归和残差补偿的UAV导航误差校正方法

全球导航卫星系统(GNSS)拒止时,GNSS/惯性导航系统(INS)组合导航系统的性能严重下降,导致无人机集群导航误差快速发散.目前,利用神经网络预测位置与速度代替GNSS导航信息可校正无人机INS误差,但该方法仍存在定位误差较高且在轨迹突变时预测精度急剧下降的问题.因此,提出了一种基于卷积-双向长短时记忆网络联合残差补偿的位置与速度预测方法,用于提高位置与速度预测精度.首先,针对GNSS拒止后GNSS/INS组合导航系统定位误差较高的问题,提出卷积神经网络(CNN)与双向长短时记忆网络(BiLSTM)的融合模型,该模型可建立惯性测量单元(IMU)动力学测量数据与GNSS导航信息之间的关系,实现较准确的位置和速度预测.其次,针对轨迹突变时预测效果急剧下降的问题,提出并行CNNBiLSTM回归架构,在预测位置与速度的同时,挖掘IMU动力学测量数据、预测值与预测残差之间的关系,预测并补偿预测残差,增强模型在轨迹突变时的预测精度.仿真结果表明,所提模型在预测准确性、有效性和稳定性方面都优于CNN-LSTM、LSTM网络模型.

基于EMI-CNN的建筑施工模板支撑体系节点健康监测

为预防模板坍塌引发建筑施工安全事故风险,提出一种基于压电阻抗法(EMI)和卷积神经网络(CNN)的模板支撑体系节点智能监测方法。首先,利用压电陶瓷传感器(PZT)的机电耦合特性及其集驱动-传感于一体的特点,建立PZT-节点耦合系统的机电阻抗传感机制模型;其次,基于EMI法,以与待测结构耦合的PZT片电导信号为监测指标,确定模板支撑体系节点松动的发生;然后,以敏感频段内PZT片的801个原始电导信号为模型输入,9个节点松动程度为模型输出,构建162组学习样本和27组测试样本,建立EMI-CNN模型,确定节点松动程度;最后,以一个实际工程中的建筑施工模板体系节点为例,验证EMI-CNN模型的有效性,并对比分析EMI-BP模型。研究结果表明:EMI-CNN模型经过85次迭代达到收敛,预测准确率达到100%,相较于EMI-BP模型提高29.63%。该监测方法可实现对建筑施工模板支撑体系节点健康状态实时、准确、无损监测。

基于改进Faster R-CNN与U-Net算法的桥梁病害识别与量化方法

为实现桥梁病害检测的自动化,对基于图像处理技术的混凝土桥梁表观病害的智能识别和尺寸确定方法展开研究.提出基于改进Faster R-CNN算法的病害识别方法,利用K均值聚类和遗传算法对区域候选网络锚框进行优化设计;以裂缝预测区域为基础,提出ResNet34结合U-Net的裂缝形态提取方法,并结合裂缝形态学研究了裂缝像素宽度和长度的确定方法.结果表明:锚框优化设计可改进Faster R-CNN算法的表观病害识别效果,5类常见病害的预测准确率、召回率、平均精确率分别由68.40%、69.87%、74.64%提升到85.40%、83.59%、83.72%;利用病害预测框,结合改进U-Net算法的裂缝像素尺寸计算,可实现裂缝病害尺寸的自动测量;基于改进Faster R-CNN和改进U-Net的方法可实现混凝土桥梁常见病害的智能识别和尺寸量化,从而提高桥梁病害检测效率并促进桥梁技术状况评定的智能化.

组合模型对管道腐蚀速率预测的效能研究--基于注意力机制增强的CNN与LSTM模型

为评估卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)、长短期记忆(Long Short-Term Memory,LSTM)网络及结合的CNN-LSTM模型在管道腐蚀速率预测中的性能表现,特别引入注意力机制,以期提高模型对关键特征的捕捉能力和预测的准确性。分析影响管道腐蚀速率的环境因素作为模型输入,并通过注意力机制优化特征表示。结果表明,结合注意力机制的CNN-LSTM模型在准确性和可靠性上超越了单独的CNN或LSTM模型。这一结果不仅展示了深度学习模型通过技术增强了处理复杂数据的能力,也为实际工业应用中的时间序列预测提供了新的视角,同时证实了利用深度学习技术对管道腐蚀速率进行精确预测的可行性和有效性。