Applications of General Regression Neural Networks in Dynamic Systems

Nowadays, computational intelligence (CI) receives much attention in academic and industry due to a plethora of possible applications. CI includes fuzzy logic (FL), evolutionary algorithms (EA), expert systems (ES) and artificial neural networks (ANN). Many CI components have applications in modeling and control of dynamic systems. FL mimics the human reasoning by converting linguistic variables into a set of rules. EA are metaheuristic population-based algorithms which use evolutionary operations such as mutation, crossover, and selection to find an optimal solution for a given problem. ES are programmed based on an expert knowledge to make informed decisions in complex tasks. ANN models how the neurons are connected in animal nervous systems. ANN have learning abilities and they are trained using data to make intelligent decisions. Since ANN have universal approximation abilities, they can be used to solve regression, classification, and forecasting problems. ANNs are made of interconnected layers where every layer is made of neurons and these neurons have connections with other neurons. These layers consist of an input layer, hidden layer/layers, and an output layer

Modelling activated sludge wastewater treatment plants using artificial intelligence techniques (fuzzy logic and neural networks)

Activated sludge process (ASP) is the most commonly used biological wastewater treatment system. Mathematical modelling of this process is important for improving its treatment efficiency and thus the quality of the effluent released into the receiving water body. This is because the models can help the operator to predict the performance of the plant in order to take cost-effective and timely remedial actions that would ensure consistent treatment efficiency and meeting discharge consents. However, due to the highly complex and non-linear characteristics of this biological system, traditional mathematical modelling of this treatment process has remained a challenge. This thesis presents the applications of Artificial Intelligence (AI) techniques for modelling the ASP. These include the Kohonen Self Organising Map (KSOM), backpropagation artificial neural networks (BPANN), and adaptive network based fuzzy inference system (ANFIS). A comparison between these techniques has been made and the possibility of the hybrids between them was also investigated and tested. The study demonstrated that AI techniques offer viable, flexible and effective modelling methodology alternative for the activated sludge system. The KSOM was found to be an attractive tool for data preparation because it can easily accommodate missing data and outliers and because of its power in extracting salient features from raw data. As a consequence of the latter, the KSOM offers an excellent tool for the visualisation of high dimensional data. In addition, the KSOM was used to develop a software sensor to predict biological oxygen demand. This soft-sensor represents a significant advance in real-time BOD operational control by offering a very fast estimation of this important wastewater parameter when compared to the traditional 5-days bio-essay BOD test procedure. Furthermore, hybrids of KSOM-ANN and KSOM-ANFIS were shown to result much more improved model performance than using the respective modelling paradigms on their own.Damascus Universit

Condition assessment of bridge structures using statistical analysis of wavelets

La surveillance à distance des structures a émergé comme une préoccupation importante pour les ingénieurs afin de maintenir la sécurité et la fiabilité des infrastructures civiles pendant leur durée de vie. Les techniques de surveillance structurale (SHM) sont de plus en plus populaires pour fournir un diagnostic de "l'état" des structures en raison de leur vieillissement, de la dégradation des matériaux ou de défauts survenus pendant leur construction. Les limites de l'inspection visuelle et des techniques non destructives, qui sont couramment utilisées pour détecter des défauts extrêmes sur les parties accessibles des structures, ont conduit à la découverte de nouvelles technologies qui évaluent d’un seul tenant l'état global d'une structure surveillée. Les techniques de surveillance globale ont été largement utilisées pour la reconnaissance d'endommagement dans les grandes infrastructures civiles, telles que les ponts, sur la base d'une analyse modale de la réponse dynamique structurale. Cependant, en raison des caractéristiques complexes des structures oeuvrant sous des conditions environnementales variables et des incertitudes statistiques dans les paramètres modaux, les techniques de diagnostic actuelles n'ont pas été concluantes pour conduire à une méthodologie robuste et directe pour détecter les incréments de dommage avant qu'ils n'atteignent un stade critique. C’est ainsi que des techniques statistiques de reconnaissance de formes sont incorporées aux méthodes de détection d'endommagement basées sur les vibrations pour fournir une meilleure estimation de la probabilité de détection des dommages dans des applications in situ, ce qui est habituellement difficile compte tenu du rapport bruit à signal élevé. Néanmoins, cette partie du SHM est encore à son stade initial de développement et, par conséquent, d'autres tentatives sont nécessaires pour parvenir à une méthodologie fiable de détection de l'endommagement. Une stratégie de détection de dommages basée sur des aspects statistiques a été proposée pour détecter et localiser de faibles niveaux incrémentiels d'endommagement dans une poutre expérimentale pour laquelle tant le niveau d'endommagement que les conditions de retenue sont réglables (par exemple ancastrée-ancastrée et rotulée-rotulée). Premièrement, des expériences ont été effectuées dans des conditions de laboratoire contrôlées pour détecter de faibles niveaux d'endommagement induits (par exemple une fissure correspondant à 4% de la hauteur d’une section rectangulaire équivalente) simulant des scénarios d'endommagement de stade précoce pour des cas réels. Différents niveaux d'endommagement ont été simulés à deux endroits distincts le long de la poutre. Pour chaque série d'endommagement incrémentiel, des mesures répétées (~ 50 à 100) ont été effectuées pour tenir compte de l'incertitude et de la variabilité du premier mode de vibration de la structure en raison d'erreurs expérimentales et du bruit. Une technique d'analyse par ondelette basée sur les modes a été appliquée pour détecter les changements anormaux survenant dans les modes propres causées par le dommage. La réduction du bruit ainsi que les caractéristiques des agrégats ont été obtenues en mettant en œuvre l'analyse des composantes principales (PCA) pour l'ensemble des coefficients d'ondelettes calculés à des nœuds (ou positions) régulièrement espacés le long du mode propre. En rejetant les composantes qui contribuent le moins à la variance globale, les scores PCA correspondant aux premières composantes principales se sont révélés très corrélés avec de faibles niveaux d'endommagement incrémentiel. Des méthodes classiques d'essai d'hypothèses ont été effectuées sur les changements des paramètres de localisation des scores pour conclure objectivement et statistiquement, à un niveau de signification donné, sur la présence du dommage. Lorsqu'un dommage statistiquement significatif a été détecté, un nouvel algorithme basé sur les probabilités a été développé pour déterminer l'emplacement le plus probable de l'endommagement le long de la structure. Deuxièmement, se basant sur l'approche probabiliste, une série de tests a été effectuée dans une chambre environnementale à température contrôlée pour étudier les contributions relatives des effets de l’endommagement et de la température sur les propriétés dynamiques de la poutre afin d’estimer un facteur de correction pour l'ajustement des scores extraits. Il s'est avéré que la température avait un effet réversible sur la distribution des scores et que cet effet était plus grand lorsque le niveau d'endommagement était plus élevé. Les résultats obtenus pour les scores ajustés indiquent que la correction des effets réversibles de la température peut améliorer la probabilité de détection et minimiser les fausses alarmes. Les résultats expérimentaux indiquent que la contribution combinée des algorithmes utilisés dans cette étude était très efficace pour détecter de faibles niveaux d'endommagement incrémentiel à plusieurs endroits le long de la poutre tout en minimisant les effets indésirables du bruit et de la température dans les résultats. Les résultats de cette recherche démontrent que l'approche proposée est prometteuse pour la surveillance des structures. Cependant, une quantité importante de travail de validation est attendue avant sa mise en œuvre sur des structures réelles. Mots-clés : Détection et localisation des dommages, Poutre, Mode propre, Ondelette, Analyse des composantes principales, Rapport de probabilité, TempératureRemote monitoring of structures has emerged as an important concern for engineers to maintain safety and reliability of civil infrastructure during its service life. Structural Health Monitoring (SHM) techniques are increasingly becoming popular to provide ideas for diagnosis of the "state" of potential defects in structures due to aging, deterioration and fault during construction. The limitations of visual inspection and non-destructive techniques, which were commonly used to detect extreme defects on only accessible portions of structures, led to the discovery of new technologies which assess the "global state" of a monitored structure at once. Global monitoring techniques have been used extensively for the recognition of damage in large civil infrastructure, such as bridges, based on modal analysis of structural dynamic response. However, because of complicated features of real-life structures under varying environmental conditions and statistical uncertainties in modal parameters, current diagnosis techniques have not been conclusive in ascertaining a robust and straightforward methodology to detect damage increments before it reaches its critical stage. Statistical pattern recognition techniques are incorporated with vibration-based damage detection methods to provide a better estimate for the probability of the detection of damage in field applications, which is usually challenging given the high noise to signal ratio. Nevertheless, this part of SHM is still in its initial stage of development and, hence, further attempts are required to achieve a reliable damage detection methodology. A statistical-based damage detection strategy was proposed to detect and localize low levels of incremental damage in an experimental beam in which the level of damage and beam restraint conditions are adjustable (e.g. fixed-fixed and pinned-pinned). First, experiments were performed in controlled laboratory conditions to detect small levels of induced-damage (e.g. 4% crack height for an equivalent rectangular section) simulated for early stage damage scenarios in real cases. Various levels of damage were simulated at two distinct locations along the beam. For each sate of incremental damage, repeat measurements (~ 50 to 100) were performed to account for uncertainty and variability in the first vibration mode of the structure due to experimental errors and noise. A modal-based wavelet analysis technique was applied to detect abnormal changes occurring in the mode shapes caused by damage. Noise reduction as well as aggregate characteristics were obtained by implementing the Principal Component Analysis (PCA) into the set of wavelet coefficients computed at regularly spaced nodes along the mode shape. By discarding components that contribute least to the overall variance, the PCA scores corresponding to the first few PCs were found to be highly correlated with low levels of incremental damage. Classical hypothesis testing methods were performed on changes on the location parameters of the scores to conclude damage objectively and statistically at a given significance level. When a statistically significant damage was detected, a novel Likelihood-based algorithm was developed to determine the most likely location of damage along the structure. Secondly, given the likelihood approach, a series of tests were carried out in a climate-controlled room to investigate the relative contributions of damage and temperature effects on the dynamic properties of the beam and to estimate a correction factor for the adjustment of scores extracted. It was found that the temperature had a reversible effect on the distribution of scores and that the effect was larger when the damage level was higher. The resulted obtained for the adjusted scores indicated that the correction for reversible effects of temperature can improve the probability of detection and minimize false alarms. The experimental results indicate that the combined contribution of the algorithms used in this study were very efficient to detect small-scale levels of incremental damage at multiple locations along the beam, while minimizing undesired effects of noise and temperature in the results. The results of this research demonstrate that the proposed approach may be used as a promising tool for SHM of actual structures. However, a significant amount of challenging work is expected for implementing it on real structures. Key-words: Damage Detection and Localization, Beam, Mode Shape, Wavelet, Principal Component Analysis, Likelihood Ratio, Temperatur