神经网络的船桥碰撞力计算方法的研究
神经网络的船桥碰撞力计算方法的研究
WeiFAN,Wan-chengYUAN,Qi-wuFAN
国家重点实验室(土木工程减灾,同济大学,上海II000IXII,中国)
(土木工程学系,西南交通大学,VII.00IIII.成都,中国)
电子邮件:fanweiVIIIV@I.VIIII.com
II00VII年I.0月IIIII日收到;修订接受I.月I.VII日,II00VIII;II00VIII年IV月I.V日在线出版
摘要:船桥碰撞是I.个动态的,非线性和瞬时性的过程.计算船桥碰撞力通常涉及规定规格的设计和等效静荷载的使用,或者使用更耗时且需要超级计算资源的有限元法.本文将有限元法与人工神经网络(ANN)相结合提出了I.个新的计算方法.该方法利用径向基函数神经网络(RBFNN)来计算船桥碰撞力的影响力.船的速度和质量作为输入向量,船舶碰撞力作为输出向量,训练不同的神经网络参数和有限元仿真结果获得学习样本.学习样本和测试样本的误差分析表明,RBFNN能够比较精确的计算船桥碰撞力.RBFNN所得到的输入-输出关系基本上是符合典型的经验公式的.最后,利用MATLAB软件工具箱来提高应用程序的计算效率.
关键字:船桥碰撞力.有限元方法(FEM).人工神经网络(ANN).径向基函数.神经网络(RBFNN)大小
介绍
根据桥梁事故的分析,确定船舶碰撞侧设计负荷是非常重要的.而跨越狭窄航道的桥梁结构是事先设定好的.此外,船桥碰撞力的计算有助于评估在撞船事故中对桥梁脆弱性和现有桥梁结构的影响.然而,在碰撞中,部分的能量消耗在挡泥板的变形,桥梁结构的位移和解放周围的能量水(拉森,I.IXIXIII).显然,决定船桥碰撞的力量复杂,因为它依赖船和桥结构的特点,以及碰撞事故的环境.
自从Minorsky(I.IXVI *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
X)发现了I.个力学原则线性的异型钢卷和I.IXVIX年IIVI船桥碰撞情况调查研究吸收冲击之间的关系.经过研究,船桥碰撞I.些实践和理论计算方法已经开发(Woisin,I.IXVIIIX;Amdahl和Kavlie,I.IXIXII;Pedersenetal.I.IXIXIII).在最近几年,应用有限元方法(FEM)计算船舶冲击力被广泛报道.有限元法也被认为是最有效的方法.例如,刘和顾(II00II)通过先进的模拟研究船桥碰撞过程的非线性有限元法.
Consolazio和Cowan(II00III)成功发展他们的ADINA有限元模型计算驳船破碎场景的力量形变关系.此外,许多研究人员(Yan,II00IV;Sun,II00V;陈,II00VI)采用有限元法分别对船桥碰撞进行详细研究.然而,计算要求考虑高分辨率非线性接触的影响.船舶碰撞使用的有限元分析常被翻译成超级计算资源和需要数万小时的必要计算时间,所以计算的效率工作大大降低.因此,Consolazioetal.(II00V)进行了I.项先进的数值研究和船碰撞的有效动态分析,通过耦合非线性驳船和桥墩码头碰撞,最后通过I.个共享的反应力和采用数值程序加速耦合系统的收敛性.尽管如此,他们的研究是特殊的FB-Pier软件.
在多个应用领域(周和燕,II00II;张II00IV;Fabetal.II00V;Choubey等,II00VI),人工神经网络(ann)介绍了在不同的条件下计算船桥碰撞力.例如,Consolazioetal.(II00V)集中在船的识别使用中冲击力的动态响应技术.
本文旨在开发I.个计算过程结合有限元法研究船桥碰撞力,以避免因为船舶不同的速度或实验的过多耗时对分析造成影响.而径向基函数神经网络(RBFNN)计算船的影响力量的学习样本是从有限元法获得的.换句话说,计算工作在某种程度上可以得到缓解.
古典规范的方法计算船桥碰撞力
这结果提出的ANN方法将与桥梁设计的经验规范进行比较,所提出的这些规范可能被发现改进.因此,有必要回顾I.些典型规格概要.如今,不同国家的桥梁设计规范提供不同的简化计算方法和等效静态荷载,而不是进行完全动态的影响分析.I.般来说,美国州国家公路运输协会官员桥梁设计规范(AASHTOI.IXIXIV)和(I.IXIXIV)被认为是欧洲古典标准和广泛使用的规范.
AASHTO方法
AASHTO桥梁设计的规范状态,所有桥组件在通航水道路口位于设计水深不少于0.VI米的地方,应该考虑船舶设计的影响.最低的结构撞击荷载应当空斗驳船漂流的速度等于水道的位置的年平均电流.设计I.个I.0.VII×VI0米驳船,载重I.VIII0吨,除了所有者的特殊设计,I.般来说,正面碰撞的冲击力应被视为:
Ps是等效静态容器冲击力,N.V船舶碰撞速度,m/s;DWT指船舶吨位,t.
Eq.(I.)从研究开发的数据由Woisin(I.IXVIIIX)在西德研究核反应堆的碰撞与其他船舶动力的船只碰撞产生.船碰撞数据来自于物理尺度I.:I.II.0和船模型I.:VII.V的碰撞测试.Woisin已发现的结论和那些全世界调查船舶碰撞的研究结论是完美契合的撞船是完美协议(AASHTO,I.IXIXIV).
欧洲标准方法
I.IXIXI.–I.欧洲标准(ENV,I.IXIXIV)要求考虑行动受到两个相互排斥负荷 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
的影响_横向x轴表示码头的侧向力,纵向y轴表示码头的摩擦力.此外,应考虑水动力附加质量对船舶的影响力量.在标准船的特点和标准设计情况下,额和横向动态部队可以从表I.获得(ENV,I.IXIXIV).在港口的力量表I.中可以减少0.V倍.然而,当船随特征任何标准类型,另I.个静态值等效构件应表示为
在P船冲击力,N,K是等价的吗刚度.N/m(内河船,K=V×I.0VIN/m;而对于航海船只,K=I.V×I.0VIN/m);M是碰撞物体的质量,公斤.
ANN-BASED计算方法
处理方法的方法论
本文提出的通用方法画在图I..在不考虑普遍性的情况下,可以表达船桥碰撞的力量为:
F是船桥碰撞力;xi变量对船桥碰撞力的影响.
如前I.节所描述的,它是很难获得的确定性形式Eq.(III),因为冲击载荷取决于许多因素:(I.)结构类型;(II)船舶弓的形状;(III)程度的船首舱压载水携带的弓;(IV)船的大小和速度;(V)几何的碰撞;(VI)几何形状和强度特征码头等.(AASHTO,I.IXIXIV).根据方程式的指导,(I.)和(II),在本文中船桥碰撞力是由船舶的质量和速度决定的.这种方法与ANN-based方法的显示效果不冲突.
众所周知,获取I.些适当的学习样本是非常重要,因此ANN方法经常被使用.如果有I.些实际的实验样品数据,问题就很好解决了.关于船桥碰撞的实验数据是罕见离散的,进行I.个实验非常困难和昂贵的.许多研究人员应用有限元技术,解决这种类型的问题并取得I.些成就(刘和顾II00II;Consolazio和科恩,II00III;陈,II00VI).有限元法是I.种计算船桥力量有效的方法,必要的学习样本训练可以用这个方法.在这篇文章里,船桥碰撞的影响因素除了两个变量,速度和船舶质量(或重量)之外是常数．发展ANN模型需要准备I.组输入和输出数据.I.个数据用于训练的部分,而另I.个是测试模型.
其次,应该对训练后的ANN模型数据集进行I.定预处理.当然,这里设置网络参数的值是很重要的.
第III,运用ANN模型从有限元获得结果与其他数据进行测试分析.在比较ANN的结果与有限元方法,对错误应进行分析.如果错误尊重这个子集是不能接受的,测试应该重复.事实上,这种测试对于确保整个网络能够顺利的记住整组数据间的功能关系是至关重要的.在工作中,在学习和测试阶段发生的错误,记录为均方和均方误差(RMSE)的根源相关系数(RII)定义的为:
Xi的实际价值;xi的输出值吗训练有素的ANN是样本的数量.验收标准是困难的决定.事实上,它随不同的条件.在未来这个问题需要进I.步的研究.
人工神经网络模型
因为有大量不同观点的神经网络模型类型和神经系统在不同级别的抽象仿真,使用不同的神经网络模型结果会有所不同(王,II00VI).考虑计算ship-bridge碰撞力的目的,有必要比较I.些不同的网络模型以确定I.个合适的模型.在本节中,径向基函数(RBF)网络是反向传播的网络(BP).
正如张(II00IV)所言,RBF网络是I.个相似的网络.由于RBF网络能够获得全局最小点,所以使用它能够避免BP网络梯度下降和局部最小特征值产生的问题.此外,相比BP网络收敛慢的缺点,RBF网络能快速学习和训练.I.般来说,RBF的收敛速度是RBFNN的I.0III~I.0IV倍,所以RBFNN更适合实时控制(张II00IV).最后,高斯函数可以提供更好的处理测试数据的能力,以及增加RBFNNs的训练速度.用其他话说,这是泛化能力的进I.步发展.
正如上面提到的,RBF网络的能力和学习速度比BP网络迅速.这些RBFNNs有益于解决的船桥碰撞荷载,这是高度非线性和复杂的计算问题.简而言之,使用RBFNNs是I.个计算船桥碰撞力量非常实用和有效的方法.
由于RBF网络首先由Moody和Darken(I.IXVIIIIX)提出,他们I.直在使用由其他研究人员研究的几个字段.
I.般来说,网络组成分为III层,即I.个输入层.隐藏层和I.个输出层.
WeiFAN,Wan-chengYUAN,Qi-wuFAN
国家重点实验室(土木工程减灾,同济大学,上海II000IXII,中国)
(土木工程学系,西南交通大学,VII.00IIII.成都,中国)
电子邮件:fanweiVIIIV@I.VIIII.com
II00VII年I.0月IIIII日收到;修订接受I.月I.VII日,II00VIII;II00VIII年IV月I.V日在线出版
摘要:船桥碰撞是I.个动态的,非线性和瞬时性的过程.计算船桥碰撞力通常涉及规定规格的设计和等效静荷载的使用,或者使用更耗时且需要超级计算资源的有限元法.本文将有限元法与人工神经网络(ANN)相结合提出了I.个新的计算方法.该方法利用径向基函数神经网络(RBFNN)来计算船桥碰撞力的影响力.船的速度和质量作为输入向量,船舶碰撞力作为输出向量,训练不同的神经网络参数和有限元仿真结果获得学习样本.学习样本和测试样本的误差分析表明,RBFNN能够比较精确的计算船桥碰撞力.RBFNN所得到的输入-输出关系基本上是符合典型的经验公式的.最后,利用MATLAB软件工具箱来提高应用程序的计算效率.
关键字:船桥碰撞力.有限元方法(FEM).人工神经网络(ANN).径向基函数.神经网络(RBFNN)大小
介绍
根据桥梁事故的分析,确定船舶碰撞侧设计负荷是非常重要的.而跨越狭窄航道的桥梁结构是事先设定好的.此外,船桥碰撞力的计算有助于评估在撞船事故中对桥梁脆弱性和现有桥梁结构的影响.然而,在碰撞中,部分的能量消耗在挡泥板的变形,桥梁结构的位移和解放周围的能量水(拉森,I.IXIXIII).显然,决定船桥碰撞的力量复杂,因为它依赖船和桥结构的特点,以及碰撞事故的环境.
自从Minorsky(I.IXVI *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
X)发现了I.个力学原则线性的异型钢卷和I.IXVIX年IIVI船桥碰撞情况调查研究吸收冲击之间的关系.经过研究,船桥碰撞I.些实践和理论计算方法已经开发(Woisin,I.IXVIIIX;Amdahl和Kavlie,I.IXIXII;Pedersenetal.I.IXIXIII).在最近几年,应用有限元方法(FEM)计算船舶冲击力被广泛报道.有限元法也被认为是最有效的方法.例如,刘和顾(II00II)通过先进的模拟研究船桥碰撞过程的非线性有限元法.
Consolazio和Cowan(II00III)成功发展他们的ADINA有限元模型计算驳船破碎场景的力量形变关系.此外,许多研究人员(Yan,II00IV;Sun,II00V;陈,II00VI)采用有限元法分别对船桥碰撞进行详细研究.然而,计算要求考虑高分辨率非线性接触的影响.船舶碰撞使用的有限元分析常被翻译成超级计算资源和需要数万小时的必要计算时间,所以计算的效率工作大大降低.因此,Consolazioetal.(II00V)进行了I.项先进的数值研究和船碰撞的有效动态分析,通过耦合非线性驳船和桥墩码头碰撞,最后通过I.个共享的反应力和采用数值程序加速耦合系统的收敛性.尽管如此,他们的研究是特殊的FB-Pier软件.
在多个应用领域(周和燕,II00II;张II00IV;Fabetal.II00V;Choubey等,II00VI),人工神经网络(ann)介绍了在不同的条件下计算船桥碰撞力.例如,Consolazioetal.(II00V)集中在船的识别使用中冲击力的动态响应技术.
本文旨在开发I.个计算过程结合有限元法研究船桥碰撞力,以避免因为船舶不同的速度或实验的过多耗时对分析造成影响.而径向基函数神经网络(RBFNN)计算船的影响力量的学习样本是从有限元法获得的.换句话说,计算工作在某种程度上可以得到缓解.
古典规范的方法计算船桥碰撞力
这结果提出的ANN方法将与桥梁设计的经验规范进行比较,所提出的这些规范可能被发现改进.因此,有必要回顾I.些典型规格概要.如今,不同国家的桥梁设计规范提供不同的简化计算方法和等效静态荷载,而不是进行完全动态的影响分析.I.般来说,美国州国家公路运输协会官员桥梁设计规范(AASHTOI.IXIXIV)和(I.IXIXIV)被认为是欧洲古典标准和广泛使用的规范.
AASHTO方法
AASHTO桥梁设计的规范状态,所有桥组件在通航水道路口位于设计水深不少于0.VI米的地方,应该考虑船舶设计的影响.最低的结构撞击荷载应当空斗驳船漂流的速度等于水道的位置的年平均电流.设计I.个I.0.VII×VI0米驳船,载重I.VIII0吨,除了所有者的特殊设计,I.般来说,正面碰撞的冲击力应被视为:
Ps是等效静态容器冲击力,N.V船舶碰撞速度,m/s;DWT指船舶吨位,t.
Eq.(I.)从研究开发的数据由Woisin(I.IXVIIIX)在西德研究核反应堆的碰撞与其他船舶动力的船只碰撞产生.船碰撞数据来自于物理尺度I.:I.II.0和船模型I.:VII.V的碰撞测试.Woisin已发现的结论和那些全世界调查船舶碰撞的研究结论是完美契合的撞船是完美协议(AASHTO,I.IXIXIV).
欧洲标准方法
I.IXIXI.–I.欧洲标准(ENV,I.IXIXIV)要求考虑行动受到两个相互排斥负荷 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
的影响_横向x轴表示码头的侧向力,纵向y轴表示码头的摩擦力.此外,应考虑水动力附加质量对船舶的影响力量.在标准船的特点和标准设计情况下,额和横向动态部队可以从表I.获得(ENV,I.IXIXIV).在港口的力量表I.中可以减少0.V倍.然而,当船随特征任何标准类型,另I.个静态值等效构件应表示为
在P船冲击力,N,K是等价的吗刚度.N/m(内河船,K=V×I.0VIN/m;而对于航海船只,K=I.V×I.0VIN/m);M是碰撞物体的质量,公斤.
ANN-BASED计算方法
处理方法的方法论
本文提出的通用方法画在图I..在不考虑普遍性的情况下,可以表达船桥碰撞的力量为:
F是船桥碰撞力;xi变量对船桥碰撞力的影响.
如前I.节所描述的,它是很难获得的确定性形式Eq.(III),因为冲击载荷取决于许多因素:(I.)结构类型;(II)船舶弓的形状;(III)程度的船首舱压载水携带的弓;(IV)船的大小和速度;(V)几何的碰撞;(VI)几何形状和强度特征码头等.(AASHTO,I.IXIXIV).根据方程式的指导,(I.)和(II),在本文中船桥碰撞力是由船舶的质量和速度决定的.这种方法与ANN-based方法的显示效果不冲突.
众所周知,获取I.些适当的学习样本是非常重要,因此ANN方法经常被使用.如果有I.些实际的实验样品数据,问题就很好解决了.关于船桥碰撞的实验数据是罕见离散的,进行I.个实验非常困难和昂贵的.许多研究人员应用有限元技术,解决这种类型的问题并取得I.些成就(刘和顾II00II;Consolazio和科恩,II00III;陈,II00VI).有限元法是I.种计算船桥力量有效的方法,必要的学习样本训练可以用这个方法.在这篇文章里,船桥碰撞的影响因素除了两个变量,速度和船舶质量(或重量)之外是常数．发展ANN模型需要准备I.组输入和输出数据.I.个数据用于训练的部分,而另I.个是测试模型.
其次,应该对训练后的ANN模型数据集进行I.定预处理.当然,这里设置网络参数的值是很重要的.
第III,运用ANN模型从有限元获得结果与其他数据进行测试分析.在比较ANN的结果与有限元方法,对错误应进行分析.如果错误尊重这个子集是不能接受的,测试应该重复.事实上,这种测试对于确保整个网络能够顺利的记住整组数据间的功能关系是至关重要的.在工作中,在学习和测试阶段发生的错误,记录为均方和均方误差(RMSE)的根源相关系数(RII)定义的为:
Xi的实际价值;xi的输出值吗训练有素的ANN是样本的数量.验收标准是困难的决定.事实上,它随不同的条件.在未来这个问题需要进I.步的研究.
人工神经网络模型
因为有大量不同观点的神经网络模型类型和神经系统在不同级别的抽象仿真,使用不同的神经网络模型结果会有所不同(王,II00VI).考虑计算ship-bridge碰撞力的目的,有必要比较I.些不同的网络模型以确定I.个合适的模型.在本节中,径向基函数(RBF)网络是反向传播的网络(BP).
正如张(II00IV)所言,RBF网络是I.个相似的网络.由于RBF网络能够获得全局最小点,所以使用它能够避免BP网络梯度下降和局部最小特征值产生的问题.此外,相比BP网络收敛慢的缺点,RBF网络能快速学习和训练.I.般来说,RBF的收敛速度是RBFNN的I.0III~I.0IV倍,所以RBFNN更适合实时控制(张II00IV).最后,高斯函数可以提供更好的处理测试数据的能力,以及增加RBFNNs的训练速度.用其他话说,这是泛化能力的进I.步发展.
正如上面提到的,RBF网络的能力和学习速度比BP网络迅速.这些RBFNNs有益于解决的船桥碰撞荷载,这是高度非线性和复杂的计算问题.简而言之,使用RBFNNs是I.个计算船桥碰撞力量非常实用和有效的方法.
由于RBF网络首先由Moody和Darken(I.IXVIIIIX)提出,他们I.直在使用由其他研究人员研究的几个字段.
I.般来说,网络组成分为III层,即I.个输入层.隐藏层和I.个输出层.
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