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<title>中国公路学报-栏目: 人工智能在桥梁风工程中的应用专栏</title>
<description>栏目: 人工智能在桥梁风工程中的应用专栏</description>
<link>http://zgglxb.chd.edu.cn</link>
<language>zh-cn</language>
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<title><![CDATA[桥梁风工程机器学习研究进展]]></title>
    <link>http://zgglxb.chd.edu.cn/CN/abstract/abstract4442.shtml</link>
<description><![CDATA[自然风场复杂风况参数、非线性气动力与流固耦合作用等是桥梁风工程面临的系列主要挑战。在过去几十年中，风洞试验、CFD数值模拟和结构健康监测(SHM)积累了大量桥梁结构风与风效应数据，这为风工程的研究提供了宝贵的数据资源。由于具有良好的非线性表征能力、强大的优化算法、优异的泛化性能和灵活的网络结构，近年来机器学习(尤其是深度学习)在非线性科学和工程问题中取得了巨大成功。融合机器学习算法和大数据的数据驱动方法有助于克服桥梁风工程所面临的挑战，并从海量数据中挖掘物理新知识。目前机器学习方法已应用于风工程研究的各个领域，例如风环境、空气动力学、风致振动、气动优化和控制以及风灾害评估等。为系统总结梳理该领域的最新研究成果，从桥梁风环境机器学习预测、结构风压和气动力机器学习预测、桥梁风振机器学习预测3个方面重点介绍机器学习方法在桥梁风工程中的应用进展。]]></description>
<category><![CDATA[]]></category>
<author><![CDATA[赖马树金, 李文杰, 冯辉, 周旭曦, 张泽宇, 陈文礼, 李惠]]></author>
<pubDate><![CDATA[2023-09-10 00:00:00.0]]></pubDate>
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<title><![CDATA[桥梁颤振导数识别及颤振分析的不确定性研究]]></title>
    <link>http://zgglxb.chd.edu.cn/CN/abstract/abstract4443.shtml</link>
<description><![CDATA[由于风洞试验和理论模型的各种不确定性，通过风洞试验获得的颤振导数及相应的颤振临界风速存在不确定性。为了量化这些不确定性，提出了一种创新的近似贝叶斯方法。该方法通过抽样和模拟来近似表达似然函数，从而实现颤振导数的准确识别和不确定性量化。同时，还研究了颤振导数不确定性在颤振分析中的传播情况。采用子集模拟技术与近似贝叶斯方法相结合，以提高参数后验样本的抽样效率。该方法不仅能够获得颤振导数和颤振临界风速的最优估计，还能获得其后验概率分布。通过理想平板数值模拟和实桥主梁断面风洞试验，验证了该方法的有效性，并将其与传统最小二乘法进行了比较。研究结果显示:该方法得到的颤振导数最优估计与最小二乘法结果非常接近；在低风速下，所有导数的不确定性都较小，而在中高风速情况下，大多数导数都具有较大的不确定性，尤其是接近颤振临界风速时，所有导数的不确定性均较大；颤振导数的不确定性会在颤振分析中传播，导致颤振临界风速也存在较大的不确定性。所提出的近似贝叶斯方法能够准确识别颤振导数，并量化其不确定性，从而实现桥梁颤振性能的概率性评价；为桥梁颤振分析提供了新的思路，为确保桥梁的抗风安全提供了有力支持。]]></description>
<category><![CDATA[]]></category>
<author><![CDATA[封周权, 林阳, 华旭刚, 陈政清]]></author>
<pubDate><![CDATA[2023-09-10 00:00:00.0]]></pubDate>
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<title><![CDATA[桥面风场时程重构的机器学习方法]]></title>
    <link>http://zgglxb.chd.edu.cn/CN/abstract/abstract4444.shtml</link>
<description><![CDATA[获得桥面的高分辨率时变流场对研究桥梁风致问题尤为关键，然而受传感器布设与测量方法等因素制约，难以通过试验直接测得高空间分辨率的流场数据。机器学习是流场表征的有效手段，但是数据驱动的训练方法在已知样本较少时难以获得准确的模型。针对此问题，引入流场时程的人工神经网络方法，使用流体控制方程辅助模型训练，通过增加未知测点处的方程约束提高模型的精度，得到了考虑物理约束的桥面风场时程的机器学习重构模型。以低雷诺数桥面绕流为例，实现了基于稀疏已知测点时程数据的模型训练，得到了较好的效果。结果表明：通过引入未知测点处的控制方程约束，可在较少已知时程数据的情况下，获得更准确的桥面风场重构模型，为人工智能方法在风场实测时程数据中的应用提供了基础。]]></description>
<category><![CDATA[]]></category>
<author><![CDATA[战庆亮, 刘鑫, 张冠华, 白春锦, 葛耀君]]></author>
<pubDate><![CDATA[2023-09-09 00:00:00.0]]></pubDate>
</item>
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<title><![CDATA[神经网络驱动的桥梁主动气动翼板颤振智能控制优化]]></title>
    <link>http://zgglxb.chd.edu.cn/CN/abstract/abstract4445.shtml</link>
<description><![CDATA[通过风洞试验和数值模拟获得主动气动翼板优化控制参数需要庞大的试验和计算成本，并且难以得到最优的翼板控制参数。基于流线箱梁主动气动翼板颤振控制的风洞试验数据，以翼板与主梁扭转运动相位差为输入，颤振临界风速变化比例为输出建立BP人工神经网络模型，对神经网络进行训练得到了主动气动翼板颤振临界风速预测关系。结果表明：预测输出值和实际值之间误差为5%左右，相关系数为0.965；使用训练得到的人工神经网络模型以1°增量对0°~360°范围内的气动翼板相位差进行遍历计算，得到了两侧翼板相位差对主梁-翼板系统颤振性能的影响规律，当迎风侧翼板相位差位于180°~360°内时系统颤振性能得以提高，最优参数组合为迎风翼板相位差231°，背风侧翼板相位差63°；利用获得的最优气动翼板相位差参数组合，建立了主梁-翼板系统流固耦合模型，对试验和神经网络模型的最优参数的颤振控制效果进行验证，证明了神经网络对颤振控制预测的准确性。提出的通过数据量较少的试验数据训练构建人工神经网络模型，构建预测主梁-翼板系统颤振性能的理论框架，显著改善了颤振控制效果，实现了高精度主动气动翼板颤振的优化控制。]]></description>
<category><![CDATA[]]></category>
<author><![CDATA[王子龙, 赵林, 崔巍, 方根深, 李珂, 葛耀君]]></author>
<pubDate><![CDATA[2023-09-09 00:00:00.0]]></pubDate>
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<title><![CDATA[基于实测数据驱动下优化参数的移动下击暴流数值模拟]]></title>
    <link>http://zgglxb.chd.edu.cn/CN/abstract/abstract4446.shtml</link>
<description><![CDATA[为实现下击暴流风场高精度数值模拟，基于冲击射流模型开展稳态下击暴流数值模拟，引入网格滑移技术实现下沉气流移动效应的模拟，研究下击暴流移动过程中的风场演变规律；提出以实测数据为目标的下击暴流模拟参数优化方法，将目标风速时程抽象为若干特征点，通过模拟特征点与目标值的误差建立目标函数；将代理模型引入下击暴流模拟参数优化的过程以提高计算效率，并通过数值模型计算设计样本点响应来训练代理模型；通过5组测试算例验证Kriging模型的代理精度和参数优化方法的可行性，采用所提出的优化方法以安德鲁斯空军基地(AAFB)所监测的下击暴流风场为目标进行模拟参数优化，并基于此参数进行数值模拟。研究结果表明：下沉气流喷口速度<i>U</i><sub>j</sub>、喷口移动速度<i>U</i><sub>T</sub>和环境风速<i>U</i><sub>b</sub>的相对值是影响下击暴流平均风速时程时变特征的关键因素；在参数优化过程中引入代理模型替代数值模型参与优化迭代，极大地提高了参数优化的效率；基于最优参数进行数值模拟，显著提高了下击暴流数值模拟的精度。]]></description>
<category><![CDATA[]]></category>
<author><![CDATA[冯宇, 郝键铭, 辛凌风, 李加武]]></author>
<pubDate><![CDATA[2023-09-09 00:00:00.0]]></pubDate>
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<title><![CDATA[基于长短期记忆网络的桥梁非定常气动力预测]]></title>
    <link>http://zgglxb.chd.edu.cn/CN/abstract/abstract4447.shtml</link>
<description><![CDATA[气动力是影响桥梁结构稳定性和安全性的关键因素之一，其演化规律受其自身非定常特性和计算机精度的影响，很难实现长时间预测。准确预测桥梁结构的气动力特性对结构设计和振动控制具有重要意义。风洞试验和数值模拟是目前气动力研究中应用最广泛的方法，但风洞试验成本高，且难以模拟复杂风场条件，数值模拟对计算资源又具有强依赖性。因此，为了实现计算量和计算精度的平衡，利用长短期记忆(Long Short-term Memory, LSTM)网络开发了一种不同风攻角桥梁非定常气动力时序预测模型。该模型以不同风攻角下0~<i>n</i>时刻的气动力系数为输入，以<i>n</i>+1时刻的气动力系数为输出。首先，基于开源Tensorflow库构建LSTM网络框架；其次，基于3°、4°和5°三个风攻角的桥梁主梁非定常气动力数值模拟结果构建训练集和测试集，并进行模型训练；最后，利用训练好的模型基于风攻角分布进行内插和外推预测。在内插预测时，基于风攻角为3°和5°时的气动力系数构建数据集对模型进行内插训练，对风攻角为4°时的气动力系数进行预测。在外推预测时，基于风攻角为3°和4°时的气动力系数构建数据集对模型进行外推训练，对风攻角为5°时的气动力系数进行预测。结果表明：LSTM预测结果与数值模拟结果随时间变化的轨迹、振幅和周期基本一致，验证了所构建模型的预测能力。为了进一步验证模型的泛化性，使用已经训练好的LSTM外推预测模型对风攻角为0°和-3°时的气动力系数进行预测，结果显示该模型可以较好地预测原始结果。因此，该算法在桥梁结构非定常气动力预测中具有应用潜力，可为工程应用提供技术支持。]]></description>
<category><![CDATA[]]></category>
<author><![CDATA[刘庆宽, 刘士杰, 张珍, 周雪, 靖洪淼]]></author>
<pubDate><![CDATA[2023-09-09 00:00:00.0]]></pubDate>
</item>
<item>
<title><![CDATA[深度强化学习驱动下桥梁主动吸气流动控制]]></title>
    <link>http://zgglxb.chd.edu.cn/CN/abstract/abstract4448.shtml</link>
<description><![CDATA[为了改善桥梁在风场中的气动性能，提出一种基于深度强化学习(Deep Reinforcement Learning, DRL)算法驱动的主动吸气流动控制方法，DRL算法吸气控制策略能够根据风场环境进行柔性调整。根据桥梁尾缘旋涡脱落位置，吸气槽设置于相对来流方向的桥梁尾缘底板转角处。通过DRL与计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)耦合平台DRLinFluids，进行了二维风场环境下主动吸气控制研究。结果表明：①DRL算法吸气控制下，桥梁脉动升力、脉动阻力、脉动弯矩分别较无控制情况下减少了99.2%、92.9%、98.5%，同时桥梁时均阻力与弯矩分别下降21.3%与98.3%；②DRL算法吸气控制下，桥梁尾流的旋涡脱落被抑制，尾流涡由周期性交替脱落的旋涡变成稳定的长尾状尾流，延后了旋涡脱落位置；③DRL算法吸气策略由前期大振幅波动逐渐过渡至小振幅波动。此外，高能耗的大振幅吸气时间与改善流场的耗时吻合。流场进入稳定阶段后，策略转变为小振幅低能耗吸气状态。]]></description>
<category><![CDATA[]]></category>
<author><![CDATA[邓晓龙, 胡钢, 陈文礼, 欧进萍]]></author>
<pubDate><![CDATA[2023-09-09 00:00:00.0]]></pubDate>
</item>
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<title><![CDATA[基于WOA-GRNN代理模型的Π形截面梁风嘴气动外形优化]]></title>
    <link>http://zgglxb.chd.edu.cn/CN/abstract/abstract4449.shtml</link>
<description><![CDATA[Π形截面大跨度桥梁极易发生涡激振动，工程中常通过增设风嘴进行抑振，然而风嘴参数选择及抑振效果高度依赖经验或枚举试算，效率低下。为此，基于WOA-GRNN代理模型对Π形截面梁在多参数设计空间内的气动外形优化问题进行了研究。首先，选取风嘴长度、纵深和风攻角，构成多参数设计空间；其次，采用最优拉丁超立方抽样和Sculptor<sup>&#174;</sup>网格变形驱动技术获取设计空间初始代表点集及其高质量计算网格，通过CFD数值模拟获得训练数据池；然后，建立风嘴设计参数和桥梁涡振响应的WOA-GRNN代理模型，通过数据池训练模型；接着，以某典型Π形截面大跨桥梁为工程背景，利用训练后WOA-GRNN代理模型预测多参数设计空间内的桥梁涡振响应面，通过自适应差分进化算法全域寻优，获得了最优设计参数及涡振响应值；最后，通过风洞试验结果对比验证了所提方法的正确性。研究结果表明：WOA-GRNN代理模型可显著提高桥梁气动外形优化效率；对案例Π形截面梁，最优风嘴气动外形#1的竖弯涡振响应相较于原型断面降低99%，抑振效果极佳。研究成果可为今后同类型Π形截面梁的涡振控制、气动外形优化以及相关研究提供重要参考。]]></description>
<category><![CDATA[]]></category>
<author><![CDATA[刘汉云, 陈柏翔, 韩艳, 胡朋, 蔡春声, 王力东]]></author>
<pubDate><![CDATA[2023-09-09 00:00:00.0]]></pubDate>
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<title><![CDATA[雷暴风作用下大跨度桥梁抖振响应智能预测研究]]></title>
    <link>http://zgglxb.chd.edu.cn/CN/abstract/abstract4450.shtml</link>
<description><![CDATA[面向特异风环境桥梁风振实时推演，开展了雷暴风作用下大跨度桥梁抖振响应智能预测研究。以苏通大桥实测数据为基础，分析了风场参数与主梁抖振响应之间的相关性，确定了桥梁雷暴风效应的主要关联参数。基于前馈神经网络(FNN)、卷积神经网络(CNN)、长短期记忆网络(LSTM)、门控循环单元(GRU)等典型神经网络模型，以主要风场关联参数及历史抖振响应作为输入，开展了桥梁抖振响应预测网络架构与模型训练，并对比分析了4种模型的预测效果。研究结果表明：雷暴风作用下大跨度桥梁的抖振响应主要与平均风速、平均风向、脉动风速均方差、紊流积分尺度等风场参数密切相关；待预测的桥梁抖振响应与历史风场及桥梁状态参数有关，需考虑二者的记忆效应；FNN与CNN未能较好地表征该记忆效应，故预测结果与实测值仅趋势相近，预测误差相对较大；GRU与LSTM的预测效果总体较好，GRU在雷暴风风速较大时的预测效果最优；LSTM在高风速下的预测效果略低于GRU，但在风速较低时的抖振预测精度最高，即具有更强的泛化能力。研究结果可为雷暴风易发区大跨度桥梁的安全运维提供借鉴与参考。]]></description>
<category><![CDATA[]]></category>
<author><![CDATA[陶天友, 邓鹏, 王浩, 石棚]]></author>
<pubDate><![CDATA[2023-09-09 00:00:00.0]]></pubDate>
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<title><![CDATA[基于TL-Conv LSTM-AM组合模型的薄平板抖振响应预测]]></title>
    <link>http://zgglxb.chd.edu.cn/CN/abstract/abstract4451.shtml</link>
<description><![CDATA[针对大跨度桥梁等工程结构在紊流场作用下的抖振响应预测问题，以薄平板为例，将数值模拟的薄平板抖振响应时程结果作为训练与测试数据，选用风场时程数据作为输入，并将薄平板的横向位移、竖向位移以及扭转角响应时程数据作为输出，分别采用带外部输入的非线性自回归(NARX)、长短期记忆(LSTM)、卷积长短期记忆(Conv LSTM)、注意力机制长短期记忆(LSTM-AM)神经网络模型预测薄平板的抖振响应。进一步地，将迁移学习(TL)方法与上述神经网络模型相结合，提出基于Davenport准定常抖振理论获取大量源任务数据的方法。通过筛选出的可用源任务数据，训练上述神经网络模型并经共享权重、微调参数后完成对薄平板目标任务数据的预测，并最终构建了TL-Conv LSTM-AM组合模型来预测薄平板抖振响应的思路。研究结果表明：在薄平板抖振响应预测中，LSTM模型的预测精度要高于NARX模型；引入卷积计算和注意力机制均有利于时序数据的预测，因此Conv LSTM和LSTM-AM模型的抖振响应预测精度相比单一的LSTM模型的预测精度要高；当上述神经网络模型结合迁移学习方法后能有效提升抖振响应的预测精度，但在局部区域仍有一定偏差；提出的TL-Conv LSTM-AM组合模型在高紊流情况下3个方向的抖振响应预测精度<i>R</i><sup>2</sup>均超过了0.99，低紊流情况下预测精度<i>R</i><sup>2</sup>也超过了0.98，其中扭转角的预测精度<i>R</i><sup>2</sup>也接近于0.99。因此，所提出的TL-Conv LSTM-AM组合模型在薄平板抖振响应预测中的精度较高，具有较强的泛化性。研究成果可为大跨度桥梁等工程结构的抖振响应时程预测提供新的思路。]]></description>
<category><![CDATA[]]></category>
<author><![CDATA[胡朋, 丁艳, 韩艳, 张非, 程渭]]></author>
<pubDate><![CDATA[2023-09-09 00:00:00.0]]></pubDate>
</item>
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<title><![CDATA[分离式三箱梁空气动力学特性风洞试验]]></title>
    <link>http://zgglxb.chd.edu.cn/CN/abstract/abstract4452.shtml</link>
<description><![CDATA[分离式三箱梁因其优异的颤振稳定性，且对极端风环境的适应能力强，在超大跨度桥梁的设计和建设中逐渐被广泛应用。然而，因为双间隙的存在，分离式三箱梁极易发生涡激振动。桥梁涡激振动的起源与其所受的气动力及其绕流密不可分。为了揭示分离式三箱梁涡激振动的诱因，同时为工程设计和应用实践提供理论指导，以中国某座正在筹建的大跨度桥梁分离式三箱梁为研究对象，进行了精密化的风洞试验研究。通过试验对比了3种断面的表面压力特性，研究三者表面压力分布特征及频率特征。其频率分析结果表明：曲线腹板型式的箱梁具备“双频”现象，易导致涡振区的增大。其后，为揭示双频现象的诱因，进行了流场可视化烟线试验，试验结果表明：近尾流区没有发现剪切层的相互作用以及交替脱落的旋涡，单侧剪切层的分离和再附诱发了分离式三箱梁的气动不稳定性；线性腹板的断面间隙流场更为紊乱，尤其是下游间隙流场。还采用节段模型风洞试验对成桥状态下分离式三箱梁的压力分布特性及绕流场特征进行了初步研究。研究结果表明：与线性腹板的断面相比，曲线型腹板能够有效降低分离式三箱梁在成桥状态下的升阻力系数；剪切层的分离和再附依然是诱发分离式三箱梁气动不稳定性的主要原因。]]></description>
<category><![CDATA[]]></category>
<author><![CDATA[高东来, 孟昊, 陈文礼, 李惠]]></author>
<pubDate><![CDATA[2023-09-09 00:00:00.0]]></pubDate>
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