视觉智能Shapelet Transform驱动的SHM数据关联分析与域自适应迁移机制深度学习
批准号:
52108276
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
陈柳洁
依托单位:
学科分类:
工程建造与服役
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
陈柳洁
中文摘要
深度学习是实现结构健康监测(SHM)大数据解读的有效手段之一。研究基于视觉形状的SHM数据挖掘技术,能为从数据本身揭示结构安全状态提供理论指导。目前已通过GARCH模型获得振动响应数据新息序列,并基于深度学习投影特征对裂缝图像进行识别与重构,解决结构化与非结构化数据的可视化问题,证明可进一步利用视觉智能Shapelet Transform(SF)挖掘SHM数据的内在表征机理。拟进一步开展:1.研究SF对多源异构数据形状特征的通用提取方法,揭示SHM数据Shapelet特征蕴含的物理含义;2.建立多源异构数据的关联关系及其与结构的映射规律,阐明数据融合的关键技术;3.利用域自适应迁移学习胶囊神经网络,探索标签数据到无标签数据的深度学习机制。本项目有望进一步从视觉角度认识和揭示结构响应、荷载与性能演化规律,为结构诊断与预测提供新的理论依据,为结构损伤识别算法由理论走向实际工程应用提供新途径。
英文摘要
Deep learning is one of the promising approaches to interpret big data of structural health monitoring (SHM). Research of big data mining technology in SHM based on visual shape can provide theoretical guidance for revealing the structural safety state of structures from the data itself. At present, GARCH model has been used to obtain Innovation series of vibration response data, and cracks images have been deep learned to extract projection features to recognize and reconstruct the damage information. It has been proved that the visual intelligent Shapelet Transform (SF) can be further utilized to mine the intrinsic representation mechanism from SHM data when the visualization problems of structured and unstructured data have been solved. The research plan is: 1) To study general extraction method for the shape features of multi-source heterogeneous data by SF, and reveal the physical meaning of the Shapelet features of SHM data; 2) Establish the association relationship of multi-source heterogeneous data and the mapping rule with structure, and clarify the key technologies of data fusion; 3) Explore the deep learning mechanism from labeled data to unlabeled data by using domain adaptive transfer learning capsule neural network. This project will further understand and reveal the evolution law of structural responses, loads and performances from the perspective of visual intelligence. It will provide a new theoretical basis for structural diagnosis and prognosis, and pave the way for structural damage identification algorithm from theoretical developments to practical applications.
本研究围绕结构健康监测(SHM)中的多源异构数据处理与智能化分析,系统性地提出了基于Shapelet Transform的特征提取、数据融合及跨场景迁移学习机制,为SHM技术可解释性的智能化发展提供了切实可行的理论依据和实践方法。首先,针对多源异构数据的局域特征提取问题,本研究聚焦于Shapelet Transform在多源异构数据中的局域通用特征提取方法,深入探讨了其通用表征形式及特征筛选策略,高效提取了SHM数据的局域特征。通过系统研究,突破了深度学习模型“黑箱”的局限性,实现了对SHM大数据中Shapelets特征的可解释性分析,揭示了其与结构状态间的内在关联机制,为多源异构数据的特征提取提供了通用的技术路径,为数据间的关联性分析与融合奠定了重要的理论基础。其次,针对多源异构数据的融合难题,进一步系统探索了结构化与非结构化数据的关联分析及其与结构性能的映射规律,深入剖析了多源异构数据的特性及其与结构状态的关联机制。通过构建基于Shapelet局域特征提取的多源异构数据融合方法,突破了传统数据融合技术的局限性,实现了不同结构、不同类别、不同数据格式下特征提取与融合的普适性,明确了SHM中多源异构数据融合的关键技术路径,为复杂工程结构的状态评估与性能预测提供了科学可靠的数据融合框架。最后,针对实验室数据与工程实际数据间的迁移难题,本研究还提出了基于域自适应的跨场景迁移学习机制,构建了“视觉智能Shapelet Transform特征提取-多源异构数据融合-胶囊神经网络迁移学习”三位一体的交互模型。通过引入数据同化算法实现多源监测数据的智能融合,充分发挥了局域Shapelet特征与深度学习算法的优势互补,突破了土木工程结构损伤识别从实验室到工程应用的迁移瓶颈,为结构健康监测提供了可靠的智能化解决方案。综上所述,本研究通过Shapelet Transform的特征提取、多源异构数据融合及跨场景迁移学习的系统研究,研究成果提升了SHM数据的处理效率与可解释性,为复杂工程结构的状态评估、性能预测及损伤识别提供了可靠的技术路径。
国内基金
海外基金