background image

X L V I I I   K O N F E R E N C J A   N AU K O W A 

KOMITETU  INŻ YNIERII  LĄ DOWEJ  I  WODNEJ  PAN 

I  KOMITETU  NAUKI  PZITB 

Opole – Krynica

 

2002

 

 
 
 
 
 
 

Magdalena JAKUBEK

Ewa PABISEK

Zenon WASZCZYSZYN

 
 
 

OSZACOWANIE PARAMETRÓ W CHARAKTERYSTYK 

PODATNYCH POŁ Ą CZEŃ  STALOWYCH 

ZA POMOCĄ  SIECI NEURO-ROZMYTEJ 

 

 

1.  Wprowadzenie, cel i zakres pracy 

 
W normie europejskiej EC3 [1] zaproponowano proste  modele charakterystyki M –  

F

  dla 

połą czenia ‘rygiel-słup’, gdzie: M – przywę złowy moment zginają cy rygiel, 

F

 – wzajemny 

ką t  obrotu  stycznych  do  osi  rygla  i  słupa,  schodzą cych  się   w  wę ź le.  Parametry  modelu 
charakterystyki  mają   być   wyznaczone  na  podstawie  wynikó w  badań  doświadczalnych  na 
materialnych modelach laboratoryjnych. 
 

Tą   drogą   poszły  pró by  zastosowania  sztucznych  sieci  neuronowych  do  identyfikacji 

parametró w  modeli  proponowanych  w  EC3,  opierają ce  się   na  bankach  danych  doświad-
czalnych  [2-6].  Niestety,  wyniki  tych  prac  nie  zakończyły  się   znaczą cym  powodzeniem. 
Głó wnym powodem były  mało reprezentatywne badania, ograniczane do niepowtarzalnych 
doświadczeń  na  mało  licznych  zbiorach  połą czeń.  Prowadziło  to  do  wynikó w  o  niskiej 
dokładności predykcji neuronowej. 
 

W  naszym  referacie  podejmujemy  pró bę   ponownej  analizy  problemu  wyznaczania 

parametró w prostej biliniowej charakterystyki ale nie w odniesieniu do wartości ostrych lecz 
rozmytych w sensie wartości przedziałowych. W tym celu zbudowano sieć  jednokierunkową  
o parametrach rozmytych, opierają c się  na metodzie zaproponowanej w [7]. Metoda polega 
na  uczeniu  sieci  na  oddzielnych  wzorcach  celem  wyznaczenia  funkcji  przynależności  dla 
parametró w sieci jednokierunkowej.  
 

Tak otrzymaną  sieć  neuro-rozmytą  zastosujemy do wyznaczenia przedziałowych war-

tości parametró w grupy 30 połą czeń analizowanych w [4].  

 

2.  Sieć  neuro-rozmyta 

 

Ró żnego typu  sieci neuro-rozmyte  są  omawiane  w [9]. W  naszym referacie zajmujemy  się  
siecią  o parametrach rozmytych, a wię c siecią , któ ra może odwzorowywać  rozmyte wartości 

                                                 

1

  Mgr inż., Wydział Inżynierii Lą dowej Politechniki Krakowskiej 

2

  Dr inż., Wydział Inżynierii Lą dowej Politechniki Krakowskiej 

3

  Prof. dr hab. inż., Wydział Inżynierii Lą dowej Politechniki Krakowskiej 

background image

 

70 

wejść  w rozmyte wartości wyjść , ale też dla ostrych wejść  dawać  rozmyte wyjścia. Uczenie 
takiej  sieci  za  pomocą   operacji  na  zbiorach  rozmytych  jest  bardzo  trudne  i  ze  wzglę du  na 
efektywność   numeryczną   wymaga  znacznych  uproszczeń  modelu,  np.  w  odniesieniu  do 
przyjmowanych funkcji przynależności [9]. 
 

Z tych powodó w oparliśmy się  na pomyśle algorytmu zaproponowanego w [6]. Polega 

on na wstę pnym uczeniu sieci na zbiorze wzorcó w uczą cych:  
 
                                                         L  =  {( x

(p)

 , z

(p)

 ) 

|

 p = 1,...,L } .                                            (1) 

 
 

Po  nauczeniu  sieci  zbió r  parametró w  sieci  (wartości  wag  synaptycznych  i  wartości 

progowych ), oznaczony w skró cie jako {w

i

|

 i = 1,...,LPS } gdzie LPS jest liczba paramet-

ró w sieci, przyjmujemy jako zbió r parametró w począ tkowych do uczenia sieci dla kolejnych 
wzorcó w   = 1,...,. Obliczone parametry  służą  do wyznaczania funkcji zależności   dla 
parametró w sieci  i = 1,...,LPS
 

Algorytm budowania sieci neuro-rozmytej omó wiono szczegó łowo w [10]. Składa się  

on  z trzech etapó w. W Etapie I sieć  jest uczona na całym zbiorze uczą cym (1). Ten etap jest 
poprzedzony  etapem  wstę pnym  projektowania  sieci,  por.  [10].  W  Etapie  II  proces  uczenia 
jest  powtarzany  L  razy,  kolejno  dla  każdego  wzorca  uczą cego  p.  Po  obliczeniu  zbioru 
parametró w {w

i

(p

½

 p=1,...,L;  i=1,...,LPA }. W Etapie III  obliczamy  funkcje przynależności 

m

 

i

 = 

m

 (w

i

 ) dla wszystkich parametró w sieci i . Dochodzimy w ten sposó b do sieci rozmytej, 

któ ra  po  pozytywnym  sprawdzeniu  na  zbiorze  testują cym  może  być   używana  w  etapie 
operacyjnym  do  predykcji  neuronowej  dla  innych  zbioró w  niż  wcześniej  wykorzystane 
zbiory uczą cy i testują cy. 
 

W  [11]  omó wiono  dwie  metody  obliczania  funkcji  przynależności.  Prostsza  metoda, 

wzię ta z [6], zakłada funkcje tró jką tne, por. rys. 1a (t), gdzie długości podstawy są  obliczone 
dla  standardowych  odchyleń 

s

L

  i 

s

R

  odmierzanych  od  wartości  średniej  ,  gdzie  dla 

uproszczenia pominię to indeks  i  parametru sieci. Przekroje 

a

 odpowiadają  wartości przyna-

leżności i wartości przedziałowych [w

L 

w

R

]

a

 = [ w

L

a

 , w

R

a

 

 

] . 

 

 

 

Rys. 1. Funkcje przynależności  parametru sieci neuro-rozmytej: 

a) funkcja tró jką tna (t), b) funkcja nieliniowa (n) 

 

 

Druga  metoda  wyznaczania nieliniowej funkcji przynależności parametró w  sieci, por. 

rys.  1a  (n),  polega  na  liczeniu  empirycznej  dystrubuanty  dla  parametró w    w

min

 

£

  w

(p

<

    

oraz   

£

 w

(p)  

£

 w

max 

. Numery wzorcó w w

L

a

  i w

R

a

    obliczamy z nieró wności: 

background image

 

71 

                                                       

1

-

 2 K/L

 )

 

£

  

a

 

<

 

 

(

 1

-

 2 (K

-

 1) /L

 )

 ,                                           (2) 

 

gdzie: K = k

L

a

 , k

R

a

 – numery parametró w liczone na lewo lub na prawo od wartości średniej 

.  Jeśli  zajdzie  przypadek,  że 

a

 

Î

  (K

-

  1  ,  K  )  to  wartości    w

L

a

  ,  w

R

a

    są   obliczane  z 

interpolacji liniowej wartości z przedziału ( w

K-1

w

K

 ), por. [11].  

 

Po  wyznaczeniu  funkcji  przynależności  dla  każdego  parametru  sieci  możemy  ją  

wykorzystać  dla obliczania wartości przedziałowych wyjść   [ y

L

 , y

R

 ]

a

 dla ustalonej wartości 

przekroju 

a

  . Zmieniają c wartości 

a

  możemy odtworzyć  funkcje przynależności wyjść . Na 

skutek rozmycia parametró w sieci, rozmyte wyjścia otrzymamy nie tylko dla rozmytych ale 
też ostrych wejść . Po wprowadzeniu wartości przedziałowych składowych wektoró w wejść   
x

j

L

x

j

] dalej są  wykonywane działania na nich zgodnie z rachunkiem przedziałowym [9]. 

W przypadku ostrych wartości wejść  dla wszystkich 

a

  przyjmujemy  x

j

, = 

x

j

R

 . 

 

3.  Dane doświadczalne 

 

Z obszernego banku danych  Sericon, zgromadzonego  w RWTH Aachen [8], przyję to zbió r 
30 połą czeń analizowanych w [4]. Na rys. 2a pokazano konstrukcję  połą czenia, określonego 
6-ma parametrami,  któ re przyję to jako składowe  wektora wejścia  x . Na rys. 2b pokazana 
jest  krzywa  doświadczalna  (d)  charakterystyki  M

-

F

  jednego  z  analizowanych  połą czeń. 

Aproksymację  liniową  (b) wykonano w [4] przez obliczenie takich wartości  

F

Rd

 , M

Rd

  i 

F

Cd

  

,  któ re  dają   ró wność   powierzchni 

D

1

  = 

D

2

  zawartych  mię dzy  krzywymi  (a)  i  (b).  W  [4] 

przytoczono  tablicę   z  6-ciu  danymi  i  obliczonymi  3-ma  parametrami  aproksymacji 
biliniowej dla wszystkich wartości 30-tu połą czeń. 

 

 

 

Rys. 2. a) Analizowane połą czenie, b) Charakterystyki  M

-

F

 połą czenia: 

(d) krzywa doświadczalna, (b) aproksymacja biliniowa 

 

4.  Aproksymacja neuronowa 

 

Tak  samo  jak  w  [4]  przyję to wektory  wejścia  i  wyjścia    o  nastę pują cych  składowych,  por. 
rys. 2a: 
 

          x

(6x1)   

{

}

f

b

w

f

c

a

b

h

t

t

h

,

,

,

,

,

,     y

(3x1)  

{

}

Cd

Rd

Rd

Φ

Φ

M

,

,

  ,            (3) 

 

background image

 

72 

gdzie wszystkie składowe  (

·

) przeskalowano do przedziału (0, 0.9). 

 

W  dalszym  cią gu  zajmujemy  się   tylko  jednym  przypadkiem,  oznaczonym  [4]  jako 

przypadek  II/3,  w  któ rym  zbió r  testują cy  składał  się   z  połą czeń  o  numerach  9,  17,  29,  a 
pozostałe 27 połą czeń tworzą  zbió r uczą cy. Do  uczenia  zbioru  wstę pnych parametró w sieci 
{w

i

o

}  oraz zbioru parametró w dla indywidualnych wzorcó w {w

i

(p

}, t.zn. do realizacji Eta-

pó w  I  i  II  algorytmu  omowionego  wyżej  w  p.  1,  zastosowano  sieć   6-7-3  o  sigmoidalnych 
neuronach  w  warstwie  ukrytej i  wyjściowej. Posługują c się  symulatorem [12] zastosowano 
do uczenia sieci metoda Levenberga-Marquardta (LM). Błą d  aproksymacji mierzono miarą  : 
                                                        

                                                           1     

V   3

 

                             

RMS () = 

¾

 

å

  

å

 (

z

j

(p

 

-

 y

j

(p)

 )

2

 

)

1/2

  ,                                          (4) 

                                                          V   

 p=1 j=1 

 

gdzie:        z

j

(p)

 , y

(p)

   

– przeskalowane znane i obliczone siecią  wartości wyjść  dla wzorca p,    

V = LTP –  liczba elementó w w zbiorach uczą cym i testują cym oraz pełnym zbiorze P = 
L+T . 
 

Uczenie  w  Etapie  I  wymagało  mniej  niż  100  epok  aby  osią gną ć   dokładność   rzę du  

RMS(L

»

  1

×

  10

-3

  .  Uczenie  w  Etapie  II  wymagało  ok.  20  epok  aby  osią gną ć   dokładność  

RMS(p

»

 1

×

 10

-6

 . W Tabl. 1 zestawiono błę dy Etapu I i  Etapu II dla przekroju 

a

 = 1.0  , 

określane wzorami: 

                             avr epV

j

 = 

å

=

V

p

j

ep

V

1

1

,   max epV

j

 = max {ep

j

 

½

 p=1,...,} ,                   (5) 

dla    ep

j

 

½

1

-

 y

j

(p)

 / z

j

(p)

 

½

· 100% . 

 

W tablicy przytoczono też wartości wspó łczynnika korelacji  r

P

   obliczonego dla wszystkich 

par ( y

j

(p

z

j

(p)

 ) całego zbioru  P = 30 połą czeń. 

 

Tablica 1. Błę dy neuronowej predykcji 

 

Błę dy sieci 

 RMS(V

´

 10

2

  

                     Błę dy wzglę dne [%] 
                           dla V = P

M - Rd 

Phi - Rd 

Phi - Cd 

      Wspó łczynnik 

    korelacji r

 

dla

: 

 

Sieć  

6-7-3 

 

V = L 

 

V = T 

avr 

max 

avr 

max 

avr 

max 

M-Rd 

Phi-Rd  Phi-Cd 

Etap I  3.09  18.87  5.22  27.33  6.42  33.20  5.41    40.13  0.988  0.997    0.977 

a

=1.0  8.96  17.28  10.89   23.29  8.64  24.04  15.68  34.46  0.987  0.988  0.989 

 
 

W tablicy podano błę dy dla wstę pnego uczenia sieci na wszystkich wzorcach (Etap I). 

W nastę pnym wierszu zestawiono błę dy dla sieci rozmytej i przekroju  

a

 = 1.0 . Widać , że 

średnie  błę dy  wzglę dne  są   wyższe  dla  sieci  rozmytej  ale  obniżają   się   błę dy  maksymalne. 
Dokładność  obliczania  momentu M

Rd  

i obrotu 

F

Rd

  jest wię ksza niż granicznego obrotu 

F

Cd

   

Na rys. 3 pokazano funkcje przynależne funkcji wyjściowych dla y

j

(p)

 =

  

M

Rd

 , 

F

Rd , 

F

Rd 

 

dla  wzorcó w  testują cych  p  =  9,  17,  29.  Funkcje  przynależności  pokazano  przy  założeniu 
funkcji przynależności wag parametró w sieci o kształtach tró jką tnych (t) i nieliniowych (n), 
por. rys. 1. Na rysunkach zaznaczono przez  

  punkty odpowiadają ce wartościom przedzia-

łowym dla przekrojó w 

a

 = 0.0, 0.25, 0.75, 0.9, 1.0. Przez  

Ú

 

 zaznaczono położenie znanych 

wartości wyjściowych z

j

(p)

. Wyniki dla funkcji przynależności (t) są  bliskie wynikó w otrzy-

background image

 

73 

manych  za  pomocą   funkcji  (n)  dla  przekroju   

a

  =  0.9.  Dlatego  dalszy  rysunek  jest  wyko-

nany dla funkcji (t) i przekrojó w  

a

 = 1.0 i 0.9 . 

 
 

 

 

Rys. 3. Funkcje przynależności dla wielkości wyjściowych  M

Rd

 , 

F

Rd

  i  

F

Cd

 

dla połą czeń 9, 17, 29 przy posługiwaniu się   funkcjami przynależności parametró w  

sieci oznaczonymi przez: (t) 

¾

¾

¾

 , 

(n)

 --◊--◊-- ;  Ú 

-

 

wartość  doświadczalna 

 

 

background image

 

74 

 

W  poró wnaniu  z  pracą   [4],  w  któ rej  identyfikacja  parametró w  charakterystyki 

biliniowej była  mało dokładna zwłaszcza dla połą czenia testują cego 17, zastosowanie  sieci 
neuro-rozmytej daje oszacowanie przedziałowe, któ re dla 

a

  = 0.9 nie obejmuje tylko doś-

wiadczalnej wartości 

F

Rd

 .    

 

Na rys. 4  poró wnano wartości parametró w charakterystyki biliniowej  M-

F

 , obliczo-

nych na podstawie wynikó w doświadczeń, z wartościami obliczonymi siecią  neuro-rozmytą .  

 

 

Rys. 4 a,b. Poró wnanie wartości doświadczalnie wyznaczonych parametró w M

Rd   

F

Rd

 charakterystyki biliniowej (na rysunku oznaczone przez  

Ú

z wartościami 

przedziałowymi dla przekroju 

a

 = 0.9 dla całego zbioru połączeń 

background image

 

75 

 

Rys. 4 c. Poró wnanie wartości doświadczalnie wyznaczonych parametró w 

F

Cd

  

charakterystyki biliniowej (na rysunku oznaczone przez  

Ú

z wartościami 

przedziałowymi dla przekroju 

a

 = 0.9 dla całego zbioru połączeń 

 
 

Pokazano wartości przedziałowe dla przekroju  

a

 = 0.9 . Dla zdecydowanej wię kszości 

połą czeń obliczone wartości przedziałowe [ y

j

L

y

j

R

 ] 

a

 = 0.9  

obejmują  doświadczalne wartości 

zaznaczone  na  Rys.4  przez   

Ú

  . 

Wielkość   przedziałó w  odpowiada  dokładności  neuronowej 

identyfikacji  jak  też  wrażliwości  pomiaró w  w  odniesieniu  do  wartości  identyfikowanych 
zmiennych  wyjściowych.  Zgodnie  z  oszacowaniem  błę dó w  podanych  w  tab.  1  ta  uwaga 
odnosi  się   przede  wszystkim  do  granicznego  obrotu 

F

Cd

  ,  gdyż  relatywna  długość  

przedziałó w jest najwię ksza dla tej wartości wyjściowej. 
 

5.  Uwagi koń cowe 

 

 

1. Kró tko  omó wiono  nową   sieć   rozmytą   o  tró jką tnych    (t)  lub  nieliniowych  (n) 

funkcjach przynależności parametró w sieci. 
 

2. Sieć   rozmytą   zastosowano  do  identyfikacji  parametró w  biliniowej  charakterystyki 

dla grupy 30 połą czeń, analizowaną  w [4]. 
 

3. Praca jest pierwsza pró bą  zastosowania sieci rozmytych do identyfikacji parametró w 

charakterystyk połą czeń podatnych. Zbliża ona wyniki analizy do specyfiki problemu przez 
założenie, że bliższe rzeczywistości są  wartości przedziałowe identyfikowanych parametró w 
niż wartości ostre. 
 

4. Szereg  zgromadzonych  wnioskó w  na  temat  perspektyw  stosowania  pro-

ponowanej  sieci  rozmytej  do  analizy  problemó w  doświadczalnych  teorii  kon- 
strukcji  wymaga  jeszcze  dalszych  uzasadnień  na  tle  wię kszej  liczby  przykładó w 
zastosowań. 

 

Literatura 

 
[1]  Eurocode  3:  Design  of  Steel  Structures,  ENV  1993-1-1,  6.9.  Beam-to-column 

connections. 

background image

 

76 

  [2] STAVROULAKIS  G.E.,  AVDELAS  A.V.,  ABDALLA  K.M.,  PANAGIOTOPOULOS 

P.D.,  A  back-propagation  based  neural  network  approach  for  connections,  Steel  Struc-
tures - Eurosteel’95
,  Balkema, Rotterdam 1995, 263-270. 

  [3] ANDERSON D., HINES E.L., ARTHURS J., EIAP E.L., Application of artificial neural  

networks to the prediction of    minor axis steel connections, Computers & Structures, 63 
(1997), 685-692. 

  [4] WASZCZYSZYN  Z.,  PETIT  J.,  Zastosowanie  sztucznych  sieci  neuronowych  do 

identyfikacji charakterystyk stalowych połą czeń podatnych, XLIII Konferencja Naukowa 
KILiW PAN i KN PZITB
, Materiały T.2, Poznań-Krynica 1997, 149-156. 

  [5] MILLER  B.,  PIĄ TKOWSKI  G.,  ZIEMIAŃ SKI  L.,  Determination  of  parameters  of  

a semi-rigid beam-to-column connections, Proc. 4th Conf. on Neural Networks and their 
Appllications
, Czę stochowa-Zakopane 1999, 357-362. 

  [6] URBAŃ SKA  A.,  KALISZUK  J.,  WASZCZYSZYN  Z.,  Neuronowa  analiza  połą czeń 

rurowych w ramach stalowych, X Międzynarodowa Konf. Naukowo-Techn. Konstrukcje 
Metalowe - Gdański 2001
, T.2,  325-334.   

  [7] NI S.H., LU P.C, JUANG C.H., A fuzzy neural network approach to evaluation of slope 

failure potential, Microcomputers in Civil Engineering, 11 (1996), 59-66. 

  [8] WEYNAND K., Sericon – data bank on joints in building frames, COST1 First State-of-

the-Art Workshop, ANSAIS, Polytechnicum L. Pasteur, Strasbourg 1992. 

  [9] RAJASEKARAN S., FEBIN M.F., RAMASAMY J.V., Artificial fuzzy neural networks 

in civil engineering, Computers & Structures, 61 (1996), 291-302. 

[10] WASZCZYSZYN Z. (Ed.), Neural Networks in the Analysis and Design of Structures,  

CISM Courses and Lectures No.404, Wien - New York, Sp[ringer, 1999.  

[11] PABISEK E., Jakubek M., Waszczyszyn Z., A Fuzzy neural network for the analysis of  

experimental  mechanics  problems,  Proc.  6th  Conf  .on  Neural  Networks  and  Soft 
Computing
, Zakopane (2002), (w druku). 

[12] DEMUTH  H.,  BEALE  M.,  Neural  Network  Toolbox  for  Use  with  MATLAB,  User's 

Guide, Version 3, Natick, The Math Works Inc., 1998. 

 
 

ESTIMATION OF PARAMETERS OF SEMI-RIGID STEEL 

CONNECTIONS BY A FUZZY NEURAL NETWORK 

 

Summary 

 

A  new  fuzzy  network,  developed  on  the  base  of  approach  in  [7]  is  discussed.  The 
membership  functions  of  the  network  parameters  are  formulated  on  the  base  of  network 
training  by  individual  patterns.  The  network  is  applied  to  a  group  of  30  beam-to-column 
connections analyzed in [4]. Intervals of parameters to the bilinear approximation of   M

-F

 

characteristics were computed as a closer approach to the experimental reality.  

 

 
 
 
 
 
Praca  została  wykonana  w  ramach  projektu  badawczego  KBN  Nr  8  T07E  002  20  pt. 
"Zastosowanie sztucznych sieci neuronowych do analizy konstrukcji stalowych".