基于半监督学习的桥梁结构健康分类模型的研究与应用

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桥梁结构健康监测是一种多参数的监测,是保障桥梁正常运营的必要手段。桥梁的静态结构参数,蕴含的桥梁结构信息丰富,具有数值波动不规则、无明显周期性、样本分布不平衡等特点,利用机器学习的方法建立桥梁结构健康分类模型,获取反映桥梁实际结构的动静力行为并对桥梁结构状况进行评估。近年来静态监测数据量增大、更新速度快,因此建立传统的监督分类模型需要大量的标记样本。若将复杂的桥梁结构监测数据一一标记则需花费大量的人力和物力。半监督学习利用大量未标记数据和少量已标记数据进行模式分类,即吸纳了监督学习带来的分类性能上的优势,又达到样本标记代价上的平衡,因此建立基于半监督学习的分类模型可以有效的解决这一问题。本课题以桥梁结构监测与评估问题为研究应用背景,以半监督学习的协同训练风范为理论基础,主要做了以下几个方面的工作:1.综述了桥梁结构健康监测领域的研究发展现状,根据归纳了桥梁结构参数的数据特点,阐述了桥梁结构健康监测数据分析理论及方法;2.对半监督学习所涉及的理论基础及相关工作进行了研究,并重点对现有协同训练算法进行了深入的分析和讨论,以便后文对算法进行相应的改进研究;3.提出了一种基于差异性策略的半监督协同分类算法,在UCI标准数据集上的实验结果表明,与原始的协同训练算法相比,该算法的分类精度更高,泛化能力更强;4.结合桥梁实测的静态数据,构建桥梁结构特征样本并建立了桥梁结构健康半监督协同分类模型。实验结果表明半监督协同分类模型适用于桥梁结构数据的分析,具备一定的实用价值。通过与监督算法和其他半监督学习算法的分类错误率比较,进一步证实了本文提出的算法的分类性能的优势。5.基于实验结果总结了建立桥梁分类模型在选取样本容量、未标记样本比率、分类器选择等原则,为相关部门对大桥做出整体的结构健康评估提供建议。6.在WEKA中开发了半监督学习模块并完成了半监督协同分类模型的软件实现。
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