ترجمه فارسی عنوان مقاله
رگرسیون بردار پشتیبان برای کشف نابهنجاری از سوابق اندازهگیری
عنوان انگلیسی
Support vector regression for anomaly detection from measurement histories
کد مقاله | سال انتشار | تعداد صفحات مقاله انگلیسی |
---|---|---|
26007 | 2013 | 10 صفحه PDF |
منبع
Publisher : Elsevier - Science Direct (الزویر - ساینس دایرکت)
Journal : Advanced Engineering Informatics, Volume 27, Issue 4, October 2013, Pages 486–495
فهرست مطالب ترجمه فارسی
چکیده
کلمات کلیدی
1.مقدمه
1. روش تحقیق
شکل 1. چارچوب معمول برای مدیریت پل.
2. رگرسیون بردار پشتیبان (SVR)
1.3. نظریه
شکل 2. فلوچارت روش کشف ناهنجاری پیشنهادی.
2.3. SVR برای کشف ناهنجاری
3. مدل عددی
شکل 3. مدل عددی شاهتیر پل با S-I (i=1,2,…,12) که محل حسگر FBG مفروض را نشان میدهد؛ عنصر آسیبدیده نزدیک S-2 است.
شکل 4. توزیع دمایی برای مدل در شکل 3؛ پیکانها مسیر افزایش دما را نشان میدهند.
4. نتایج
1.5. عملکرد مدل SVR
2.5. پساپردازش پیشبینیهای SVR
شکل 5. دما (چپ) و تغییرشکل (راست) از حسگر S-2؛ خط فاصله زمان شروع آسیب است.
شکل 6. مقایسه تغییرشکل پیشبینیشده و اندازهگیری شده برای سناریوی D1N3 به مدت 2 سال (چپ) و نمای درشتنمایی به مدت 2 هفته (راست).
شکل 7. سریهای زمانی خطاهای پیشبینی در حسگر S-D برای سناریوی D1 (چپ) و نتایج MFFT (راست)؛ خط تیره شروع آسیب را نشان میدهد.
شکل 8. سریهای زمانی خطاهای پیشبینی در حسگر S-D برای سناریوی D3 (چپ) و نتایج MFFT (راست)؛ خط تیره شروع آسیب را نشان میدهد.
شکل 9. سریهای زمانی خطاهای پیشبینی در حسگر S-D برای سناریوی D5 (چپ) و نتایج MFFT (راست)؛ خط تیره شروع آسیب را نشان میدهد.
3.5. عملکرد تحت اختلال و فعالیتهای پرت
شکل 10. سریهای زمانی دماهای گردآوری شده در S-2 برای سناریوهای D5O3، قبل (چپ) و بعد (راست) حذف فعالیت پرت.
4.5. بحث
شکل 11. سریهای زمانی تغییرشکلهای گردآوری شده در S-2 برای سناریوهای D5O3، قبل (چپ) و بعد (راست) حذف فعالیت پرت؛ خط تیره زمان شروع آسیب را نشان میدهد.
شکل 12. سریهای زمانی خطاهای پیشبینی در حسگر S-2 برای سناریوهای D5O3، بعد از پیشپردازش اندازهگیری دما/تغییرشکل برای فعالیتهای پرت (چپ) و نتایج MFFT (راست)؛ خط تیره زمان شروع آسیب را نشان میدهد.
شکل 13. سریهای زمانی خطاهای پیشبینی (چپ) تولید شده پس از اجرای تحلیل IQR برای دادههای شکل 12 و نتایج متناظر MFFT (راست)؛ خط تیره زمان شروع آسیب را نشان میدهد.
شکل 14. سریهای زمانی خطاهای پیشبینی در حسگر S-2 برای سناریوی D5N2 (چپ)؛ نتایج MFFT از سریهای زمانی (راست)؛ خط تیره زمان شروع آسیب را نشان میدهد.
جدول 1.زمان (به روز) برای کشف نابهنجاری روش پیشنهادی و MPCA [31] برای بازهای از سناریوها.
شکل 15. طرح مولفه متناظر با حسگر S-2 در مولفه اول اصلی MPCA اندازهگیری تغییرشکل برای سناریوی D1O1.
5. نتیجهگیری
ترجمه کلمات کلیدی
- تشخیص موارد غیرعادی - رگرسیون بردار پشتیبانی - پردازش سیگنال - تفسیر داده ها - نظارت بر سلامت ساختاری
کلمات کلیدی انگلیسی
Anomaly detection,Support vector regression,Signal processing,Data interpretation,Structural health monitoring
ترجمه چکیده
این تحقیق به تحلیل اندازهگیریها از ادراک پراکنده ساختارها میپردازد. این نوید وجود دارد که تغییرات دمایی محیط، و از این رو توزیع دما در سازه، همبستگی قوی با پاسخ سازهای دارند و این رابطه را میتوان برای کشف نابهنجاری استفاده کرد. به شکلی ویژه، این تحقیق ابتدا بررسی میکند آیا مدلهای رگرسیون بردار پشتیبان (SVR) را میتوان آموزش داد تا رابطه بین دمای پراکنده و اندازهگیریهای پاسخ را بشناسد، و متعاقباً، آیا این مدلها را میتوان در رویکردی برای کشف نابهنجاری استفاده کرد. در این تحقیق روش تحقیقی برای تولید مدلهای SVR ایجاد میشود که پاسخ حرارتی پلها را از اندازهگیریهای دمای پراکنده پیشبینی میکند و عملکردش را بر سوابق اندازهگیری شبیهسازی شده با استفاده از مدلهای عددی شاهتیر پل ارزیابی میکند. کاربرد بالقوه این مدلهای SVR برای کشف آسیب با مقایسه پیشبینیهای تغییرشکل آنها با اندازهگیریهای گردآوری شده از شبیهسازیهای شاهتیر پل در شرایط آسیبدیده مطالعه شد. نتایج نشان میدهند که مدلهای SVR که پاسخ سازهای را از اندازهگیریهای دمای پراکنده پیشبینی میکنند میتوانند مبنایی برای روش کشف نابهنجاری معتبر ایجاد کنند.
© 2013 شرکت مسئولیت محدود الزویر. تمام حقوق محفوظ است.
ترجمه مقدمه
پلها داراییهای ارزشمند زیرساخت بزرگراه ملی هستند و نگهداری و مدیریتشان هزینه قابل ملاحظهای برای اقتصاد دارد. در بریتانیا، مقامات محلی و شبکه ریلی [1] برآورد کردند که نیازمند بیش از 1.95 میلیارد پوند برای تعمیر و تقویت پلهای موجود هستند. اداره بزرگراه فدرال (FHWA) [2] در ایالات متحده آمریکا خاطرنشان کرد تقریباً 24% پلهای موجود کشور، در سال 2011، به لحاظ کارآمدی ساختاری یا به لحاظ کارکردی غیرقابل استفاده هستند. بنابراین، علاقه زیادی در میان جامعه مهندسین پلسازی به فناوریهای نوآور و رویکردهایی است که هزینههای سبک زندگی مدیریت دارایی را کاهش میدهد. روشهای ارزیابی فعلی اصولاً متکی بر بازرسیهای دیداری است که نواقص ذیل را دارند:
• آنها اغلب نمیتوانند آسیب را در مراحل اولیه بیابند [3]؛ تعمیرهای برعهده گرفته شده در مرحله پیشرفته خرابی عموماً گسترده است و باعث اختلال ترافیکی قابل ملاحظه میشود.
• آنها به ندرت دادههای کافی برای توصیف صحیح رفتار سازهای فراهم میکنند [3]. در نتیجه، برآوردهای ظرفیت سازهای معمولاً محافظهکارانه است و هزینههای غیرضروری تقویت و جایگزینی را تحمیل میکند.
نظامهای پایشی پتانسیلِ غلبه بر این محدودیتها را با قادرسازی کشف زودهنگام شروع آسیب، و ارزیابی صحیح رفتار و شرایط دارایی، دارند.
در دهه اخیر، سیستمهای پایش سلامت سازهای (SHM) بارها بر پلهایی با عینیت ردگیری عملکرد بلادرنگشان استقرار یافته است [3]. برای مثال، سه پل با دهنه بلند- پل تسینگ ما، پل کاپ شوی مان و پل تینگ کائو، به صورت مستمر با استفاده از بیش از 800 حسگر با نصب دائمی به عنوان بخشی از سیستم پایش سلامت سازه و باد (WASHMS) توسط اداره بزرگراهها در هنگکنگ پایش شد [4]. پیشبینی میشود حسگرهای بیسیم که از فناوریهای برداشت انرژی سود میبرند نصب سیستمهای پایش آتی، و ذخیرهسازی و انتقال دادههای گردآوری شده را سادهتر کنند [5-7]. این تحولات ترسیم شدهاند تا فناوریهای زیربنایی را برای زیرساختهای هوشمند [8] آینده شکل دهند و به صورت مستمر محیطشان را درک کنند و شرایط دارایی بلادرنگ برای مدیریت اثربخش فراهم کنند. با این حال، این گذار عمدتاً وابسته به توسعه روشهای اساسی برای پردازش و تفسیر سیل اندازهگیریهای تولیدی با سیستمهای حسگر است.
وظیفه مهندسی معکوس تعریف وضعیت سیستم از اندازهگیریهای غیرمستقیم اغلب به عنوان شناسایی سیستم سازهای شناخته میشود [9]. تکنیکهای شناسایی سیستم [10] را میتوان به شکلی گسترده در دو گروه دستهبندی کرد: (1) روشهای مبتنی بر مدل و (2) روشهای داده محور. روشهای مدل محور یک یا چند مدل رفتاری سازه را پیشبینی میکنند که نمایشگر رفتار سازهای اندازهگیری شده است. چون مدلها مستقیم برای ارزیابی سازهای مفید هستند، این روشها به صورت گسترده توسط محققان در پایش سلامت سازهای مطالعه شدهاند (SHM). تعداد زیادی از افراد به ارزیابی پارامترهای مدل نظیر شکل خلق و خو، بسامدها و ممانعت از پایش مبتنی بر نوسان (VBM) پرداختهاند [3،11]. روشهای مدل محور برای تفسیر اندازهگیریهای ایستا نیز بررسی شدهاند [12، 13]. به خصوص، استراتژیهای چندمدلی [14، 15] که صریحاً برای مدلسازی و عدمحتمیتهای اندازهگیری هستند برای تحلیل اندازهگیریها از آزمونهای بار ایستا پلها در مقیاس کامل توسعه یافته و به شکلی موفق نشان داده شدند [16]. با این حال، چالشها هنوز باقی ماندهاند، دشوارترینها تعیین مقدار اثر تغییرها در شرایط محیطی [11] و به خصوص، تغییرات دمایی هستند که برای تاثیرگذاری شدید بر پاسخ سازهای شناخته میشوند [11، 17، 18]. اخیراً، کالپرافا و وارنیتچای [19] نشان دادند که مدلهای رفتاری را میتوان برای پیشبینی پاسخ حرارتی پل بتنی چند دهنهای پیشتنیدگی از اندازهگیریهای دمایی پراکنده توسعه داد. با این حال، تدوین مدل و شبیهسازی اغلب دچار تنگنای زمان و منابع هستند و بنابراین برای تحلیل حجم بزرگی از اندازهگیریها مناسب نیستند [20].
برخلاف روشهای مدل محور، روشهای داده محور نیازمند اطلاعات سازهای حداقلی هستند و از این رو انتظارات زیادی برای تفسیر بلادرنگ اندازهگیریها از پایش پیوسته ارائه میدهند. این روشها تلاش دارند رفتار سازهای ناهنجار را با ارزیابی این مطلب کشف کنند که آیا اندازهگیریهای جدید به حدکافی از اندازهگیریهای انجام شده منحرف هستند یا خیر در زمانی که به فرض وضعیت (پایه) سالم است. برای مثال، اندازهگیریهای گردآوری شده خیلی زود بعد از ساخت را میتوان فرض گرفت نمایشگر شرایط نرمال است و اندازهگیریهای جدید را میتوان در برابر این دادهها برای کشف آسیب مقایسه کرد. محققان تکنیکهای آماری زیادی را برای تفسیر اندازهگیریهای شبه-ایستا شامل تغییرشکل موجک [21]، تشخیص الگو [22] و مدلهای میانگین متحرک خودرگرسیو بررسی کردهاند. با این حال، این روشها تاثیرات تغییرات دمایی محیطی ندارند و بنابراین رفتار سازهای غیرهنجار تنها در مراحل پیشرفته آسیب کشف میشود چون تغییرهای آسیب القایی در پاسخ سازهای اغلب با تغییرهای بزرگتر با توجه به تغییرهای دمایی روزانه پنهان میشوند.
مطالعات پایش بلندمدت قبلی نشان دادهاند که تغییرهای دمایی روزانه و فصلی تاثیرگذاری عمدهای بر پاسخ سازهای پلها دارند [24، 25]، و اینکه این تاثیرگذاری میتواند فراتر از پاسخ به ترافیک وسیله نقلیه باشد [26]. کاتباس و همکاران [26] بر پل خرپا با دهنه بزرگ در ایالات متحده آمریکا نظارت کردند و مشاهده کردند که تفاوتهای تغییرشکل نوک به نوک سالانه برای پل ده برابر بیش از حداکثر تغییرشکل تحت القاء ترافیک است. اندازهگیریهای برگرفته از پل تامار در بریتانیا توسط کو و همکاران [27] نیز نشان داد که تغییرات دمایی محرک عمده تغییرشکل سازه هستند. بنابراین، علاقه قابل ملاحظهای در جامعه SHM به تعیین مقدار اثر شرایط محیطی بر پاسخ سازهای [28–30] است، و به خصوص، از آن برای کشف آسیب استفاده میشود. رویکرد کشف ناهنجاری که توس پوسناتو و همکاران [31,32] پیشنهاد شد متکی بر همبستگی بین اندازهگیریهای تغییرشکل و تغییرات دمایی فصلی است. با این حال، این رویکرد مبتنی بر تحلیل مولفه اصل جابجایی (MPCA) نیازمند مجموعه بزرگی از اندازهگیریهای مرجع است و قادر به کشف رفتار ناهنجار نیست مگر اینکه آسیب خیلی شدید باشد. لائوری و همکاران [33] بعداً اهمیت شمولیت تاثیرات دمایی را در فرایند تفسیر با نشان دادن این مطلب مشخص کردند که حذف تغییرات دمای فصلی از سوابق اندازهگیری میتواند به شکلی منفی بر عملکرد MPCA تاثیرگذار باشد. با این حال، تحقیقات قبلی تاکنون تلاش داشتهاند از رابطه ذاتی بین دمای پراکنده و اندازهگیری پاسخ برای کشف ناهنجاری استفاده کنند.
در این تحقیق تلاش میشود به صورت صریح رابطه بین توزیع دمایی و پاسخ با استفاده از مدلهای رگرسیون بردار پشتیبان (SVR) شناخته شود، و از این رابطه برای کشف آسیب استفاده میشود. SVR لزوماً از مفاهیم نظری یکسان همانند دستگاههای بردار پشتیبان (SVMs) استفاده میکند که گروهی از روشهای یادگیری نظارتی با استفاده گسترده در جامعه رایانش برای وظایف دستهبندی است. SVRها در این تحقیق با توجه به کاربردهای بسیار مفیدشان برای کشف ناهنجاری در موضوعات پراکنده نظیر شبکههای کامپیوتری، امور مالی و پزشکی استفاده میشوند [34,35]. در حوزه مهندسی ساختمان، ری و تیزر [36] از SVR برای ایجاد نقاط کور برطبق وضع سر اپراتور ماشینآلات ساختمان استفاده کردند؛ در ادامه این نقشهها ممکن است برای هشدار دادن به اپراتورها درباره حضور اشیاء در نقاط کورشان کمک کنند. SVRها قبلاً در کاربردهای SHM استفاده شدند. شنگچائو و همکاران [37] روش کشف خطای مبتنی بر SVR برای کشف ناهنجاریها در سازه جنگندههای F-16 بدون نیاز به سنجش قبلی برای شرایط مشکلدار پیشنهاد کردند. کاربردهای دیگر در SHM شامل ارزیابی یکپارچگی سازهای [38] و شناسایی سیستم سازهای است [39]. SVR مشخص شده به شکلی اثربخش همبستگیهای بین دما و بسامد نمایی را میشناسد [40]. با این حال، مطالعات قبلی کاربرد SVR را برای سنجش شبه-ایستا، کانون این تحقیق، بررسی نکردهاند.
هدف این تحقیق ایجاد روشی سریع و قوی برای کشف ناهنجاری با بهرهجویی از همبستگیهای بین توزیع دمایی در بین سازه و پاسخ سازه سنجش شده است. در این مقاله ابتدا رویکردی برای ایجاد مدلهای SVR از دمای توزیعی و سنجش پاسخ ارائه میشود. در ادامه، استراتژی استفاده از این مدلها برای کشف ناهنجاری شرح داده میشود. این مقاله به ارزیابی امکانپذیری این روش برای سنجش میپردازد که از شبیهسازیهای مدلهای عددی نمایشگر شاهتیر پل در وضعیت سالم و آسیبدیده به دست آمده است. علاوه بر این، عملکرد این روش تحقیق در حضور اختلال و فعالیتهای پرت در اندازهگیریها ارزیابی خواهد شد.