Classification and regression-based convolutional neural network and long short-term memory configuration for bridge damage identification using long-term monitoring vibration data

卷积神经网络 计算机科学 人工智能 模式识别(心理学) 桥(图论) 均方误差 回归 鉴定(生物学) 人工神经网络 混淆矩阵 机器学习 期限(时间) 统计 数学 医学 植物 物理 量子力学 内科学 生物
作者
Fadel Yessoufou,Jinsong Zhu
出处
期刊:Structural Health Monitoring-an International Journal [SAGE]
卷期号:22 (6): 4027-4054 被引量:9
标识
DOI:10.1177/14759217231161811
摘要

Considerable attention has recently been focused on classification and regression-based convolutional neural network (CNN) and long short-term memory (LSTM) due to their excellent performance in capturing complex spatial and temporal information characteristics for structural damage identification. However, few studies have considered structural damage identification as a classification and regression problem. In addition, bridges in practical engineering are vulnerable to various environmental and vehicle loading conditions. Hence, this study proposed a new two-stage CNN–LSTM configuration for bridge damage identification using vibration data considering the influence of temperatures. First, a classification-based CNN–LSTM is designed to perform multiclass damage detection tasks, and then a regression-based CNN–LSTM is developed for damage localization and severity prediction tasks. The performance of the proposed damage identification method was evaluated through a simulation dataset of a concrete highway bridge model and a field experiment dataset of Z24-bridge (Switzerland). In addition, a set of statistical evaluation metrics such as sparse categorical cross-entropy loss, accuracy, confusion matrix, mean squared loss, mean absolute error, mean absolute percentage error, and coefficient of determination were used to compare the damage identification performance of the proposed CNN–LSTM configuration with a regular CNN model and conventional machine learning (ML) algorithms. Prediction results indicate that the proposed CNN–LSTM model outperforms the regular CNN model and conventional ML algorithms for bridge damage identification.
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