Structural damage detection (SDD) is a challenging task in the field of structural health monitoring (SHM). As an exploring attempt to the SDD problem, a hybrid self-adaptive Firefly-Nelder-Mead (SA-FNM) algorithm is proposed for the SDD problem in this study. First of all, the basic principle of firefly algorithm (FA) is introduced. The Nelder-Mead (NM) algorithm is incorporated into FA for improving the local searching ability. A new strategy for exchanging the information in the firefly group is introduced into the SA-FNM for reducing the computation cost. A random walk strategy for the best firefly and a self-adaptive control strategy of three key parameters, such as light absorption, randomization parameter and critical distance, are proposed for preferably balancing the exploitation and exploration ability of the SA-FNM. The computing performance of the SA-FNM is evaluated and compared with the basic FA by three benchmark functions. Secondly, the SDD problem is mathematically converted into a constrained optimization problem, which is then hopefully solved by the SA-FNM algorithm. A multi-step method is proposed for finding the minimum fitness with a big probability. In order to assess the accuracy and the feasibility of the proposed method, a two-storey rigid frame structure without considering the finite element model (FEM) error and a steel beam with considering the model error are taken examples for numerical simulations. Finally, a series of experimental studies on damage detection of a steel beam with four damage patterns are performed in laboratory. The illustrated results show that the proposed method can accurately identify the structural damage. Some valuable conclusions are made and related issues are discussed as well.
Modern swarm intelligence heuristic search methods are widely applied in the field of structural health monitoring due to their advantages of excellent global search capacity, loose requirement of initial guess and ease of computational implementation etc. To this end, a hybrid strategy is proposed based on butterfly optimization algorithm (BOA) and differential evolution (DE) with purpose of effective combination of their merits. In the proposed identification strategy, two improvements including mutation and crossover operations of DE, and dynamic adaptive operators are introduced into original BOA to reduce the risk to be trapped in local optimum and increase global search capability. The performance of the proposed algorithm, hybrid butterfly optimization and differential evolution algorithm (HBODEA) is evaluated by two numerical examples of a simply supported beam and a 37-bar truss structure, as well as an experimental test of 8-story shear-type steel frame structure in the laboratory. Compared with BOA and DE, the numerical and experimental results show that the proposed HBODEA is more robust to detect the reduction of stiffness with limited sensors and contaminated measurements. In addition, the effect of search space, two dynamic operators, population size on identification accuracy and efficiency of the proposed identification strategy are further investigated.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.21
no.1
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pp.73-82
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2008
In this paper, a new regularization method by parameter subset selection method is proposed based on the residual force vector for damage localization. Although subset selection using the fundamental modal characteristics as a residual function has been successful in detecting a single damage location, this method seems to have limited capabilities in the detection of multiple damage locations and typically requires cumbersome weighting values. The method is presented herein and considers cases in which damage detection must be achieved using incomplete measurements of the structural responses. Model expansion is incorporated to deal with this challenge. The unique advantage of employing the new regularization method is that it can reliably identify multiple damage locations. Through an illustrative example, the proposed damage detection method is demonstrated to be a reliable tool for identifying multiple damage locations for a planar truss structure.
As infrastructure ages and traffic load increases, serious public concerns have arisen for the well-being of bridges. The current health monitoring practice focuses on large-scale bridges rather than short span bridges. However, it is critical that more attention should be given to these behind-the-scene bridges. The relevant information about the construction methods and as-built properties are most likely missing. Additionally, since the condition of a bridge has unavoidably changed during service, due to weathering and deterioration, the material properties and boundary conditions would also have changed since its construction. Therefore, it is not appropriate to continue using the design values of the bridge parameters when undertaking any analysis to evaluate bridge performance. It is imperative to update the model, using finite element (FE) analysis to reflect the current structural condition. In this study, a FE model is established to simulate a concrete culvert bridge in New South Wales, Australia. That model, however, contains a number of parameter uncertainties that would compromise the accuracy of analytical results. The model is therefore updated with a neural network (NN) optimisation algorithm incorporating Monte Carlo (MC) simulation to minimise the uncertainties in parameters. The modal frequency and strain responses produced by the updated FE model are compared with the frequency and strain values on-site measured by sensors. The outcome indicates that the NN model updating incorporating MC simulation is a feasible and robust optimisation method for updating numerical models so as to minimise the difference between numerical models and their real-world counterparts.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.28
no.5A
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pp.631-639
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2008
This paper reports the mode shapes of Seohae cable-stayed bridge extracted by TDD technique. In order to record total 72 acceleration points in the vertical direction of the bridge deck, a custom made data acquisition system with LAN communication has been especially developed and a set of ambient vibration tests has been conducted. For the measured acceleration responses, total twenty four mode shapes up to 2Hz has been extracted by TDD technique. The extracted mode shapes include many new modes that have not been identified in the current on-line health monitoring system installed in the bridge. It is confirmed that TDD technique is the most effective in extracting the high resolution mode shapes on a particularly long span bridge.
Ali Zar;Zahoor Hussain;Muhammad Akbar;Bassam A. Tayeh;Zhibin Lin
Smart Structures and Systems
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v.32
no.5
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pp.319-338
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2023
The study presents a new hybrid data-driven method by combining radial basis functions neural networks (RBF-NN) with the Jaya algorithm (JA) to provide effective structural health monitoring of arch dams. The novelty of this approach lies in that only one user-defined parameter is required and thus can increase its effectiveness and efficiency, as compared to other machine learning techniques that often require processing a large amount of training and testing model parameters and hyper-parameters, with high time-consuming. This approach seeks rapid damage detection in arch dams under dynamic conditions, to prevent potential disasters, by utilizing the RBF-NNN to seamlessly integrate the dynamic elastic modulus (DEM) and modal parameters (such as natural frequency and mode shape) as damage indicators. To determine the dynamic characteristics of the arch dam, the JA sequentially optimizes an objective function rooted in vibration-based data sets. Two case studies of hyperbolic concrete arch dams were carefully designed using finite element simulation to demonstrate the effectiveness of the RBF-NN model, in conjunction with the Jaya algorithm. The testing results demonstrated that the proposed methods could exhibit significant computational time-savings, while effectively detecting damage in arch dam structures with complex nonlinearities. Furthermore, despite training data contaminated with a high level of noise, the RBF-NN and JA fusion remained the robustness, with high accuracy.
Milk urea nitrogen (MUN) determination is being used an indicator of the protein-energy balance in dairy herds. A faulty balance can be corrected to optimize milk production and animal health. This parameter is regarded as a potential tool to evaluate suboptimal feeding practices and reproductive disorders. Therefore, the purpose of this study was to investigate the response of milk composition by regular feeding analysis and to compared the relationship between MUN and milk protein(MP) and fertility at the insemination period in Holstein dairy cows. Total of 355 artificial insemination (AI) for 150 Holstein cows in the herd were used to examine the relationship between MUN and MP content and conception rate. The AI occured for the cows 50 to 150 day in milk, and MUN and MP concentration were determined using automated infrared procedures. The mean${\pm}$standard deviation of MUN and MP concentration in the herd were $15.6{\pm}2.1mg/dl$ and $3.23{\pm}0.38%$, respectively. MUN contents of bulk milk were increase by elevated crude protein intake. The conception rate was lower in the cows in which the level of MUN was lower than > 8.0mg/dl (10.0%) or > higher than 25mg/dl (15.4%) relative to the cows in MUN content of 12.0~17.9 mg/dl (36.7%) at the time of insemination. Also, lower MP than 3.0% or higher MP than 3.25% were associated with a lower conception rates. Consequently, MUN and MP analyses may be used serve as a monitoring tool of protein and energy nutritional balance to improve reproduction efficiency in Holstein dairy cows.
Park, Jong-Woong;Sim, Sung-Han;Jung, Byung-Jin;Yi, Jin-Hak
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.35
no.1
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pp.1-8
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2015
Wind power systems have gained much attention due to the relatively high reliability, good infrastructures and cost competitiveness to the fossil fuels. Advances have been made to increase the power efficiency of wind turbines while less attention has been focused on structural integrity assessment of structural sub-systems such as towers and foundations. Among many parameters for integrity assessment, the most perceptive parameter may be the induced horizontal displacement at the hub height although it is very difficult to measure particularly in large-scale and high-rise wind turbine structures. This study proposes an indirect displacement estimation scheme based on the combined use of inclinometers and accelerometers for more convenient and cost-effective measurements. To this end, (1) the formulation for data fusion of inclination and acceleration responses was presented and (2) the proposed method was numerically validated on an NREL 5 MW wind turbine model. The numerical analysis was carried out to investigate the performance of the propose method according to the number of sensors, the resolution and the available sampling rate of the inclinometers to be used.
Kwon, Ja Young;Lee, Yu Bin;Cho, Ju Hyun;Lee, Yoo Jin;Choi, Young Deuk;Nam, Ki Chang
Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers
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v.49
no.9
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pp.328-334
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2012
Continuous fetal heart beat monitoring has assisted clinicians in assuring fetal well-being during antepartum and intrapartum. Fetal heart rate (FHR) is an important parameter of fetal health during pregnancy. The Doppler ultrasound is one of very useful methods that can non-invasively measure FHR. Although it has been commonly used in clinic, inaccurate heart rate reading has not been completely resolved.. The objective of this study is to improve detection algorithm of FHR from Doppler ultrasound signal with simple method. We modified autocorrelation function to enhance signal periodicity and adopted adaptive window size and shifted for data segment to be analysed. The proposed method was applied to real measured data, and it was verified that beat-to-beat FHR estimation result was comparable with the reference fetal ECG data. This simple and effective method is expected to be implemented in the embedded system.
Nawaz, Javeria;Arshad, Muhammad Zeeshan;Park, Jin-Su;Shin, Sung-Won;Hong, Sang-Jeen
Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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2012.02a
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pp.239-240
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2012
With advancements in semiconductor device technologies, manufacturing processes are getting more complex and it became more difficult to maintain tighter process control. As the number of processing step increased for fabricating complex chip structure, potential fault inducing factors are prevail and their allowable margins are continuously reduced. Therefore, one of the key to success in semiconductor manufacturing is highly accurate and fast fault detection and classification at each stage to reduce any undesired variation and identify the cause of the fault. Sensors in the equipment are used to monitor the state of the process. The idea is that whenever there is a fault in the process, it appears as some variation in the output from any of the sensors monitoring the process. These sensors may refer to information about pressure, RF power or gas flow and etc. in the equipment. By relating the data from these sensors to the process condition, any abnormality in the process can be identified, but it still holds some degree of certainty. Our hypothesis in this research is to capture the features of equipment condition data from healthy process library. We can use the health data as a reference for upcoming processes and this is made possible by mathematically modeling of the acquired data. In this work we demonstrate the use of recurrent neural network (RNN) has been used. RNN is a dynamic neural network that makes the output as a function of previous inputs. In our case we have etch equipment tool set data, consisting of 22 parameters and 9 runs. This data was first synchronized using the Dynamic Time Warping (DTW) algorithm. The synchronized data from the sensors in the form of time series is then provided to RNN which trains and restructures itself according to the input and then predicts a value, one step ahead in time, which depends on the past values of data. Eight runs of process data were used to train the network, while in order to check the performance of the network, one run was used as a test input. Next, a mean squared error based probability generating function was used to assign probability of fault in each parameter by comparing the predicted and actual values of the data. In the future we will make use of the Bayesian Networks to classify the detected faults. Bayesian Networks use directed acyclic graphs that relate different parameters through their conditional dependencies in order to find inference among them. The relationships between parameters from the data will be used to generate the structure of Bayesian Network and then posterior probability of different faults will be calculated using inference algorithms.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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