采用基于降维机器学习算法的冗余和噪声监测数据处理方法、长短期记忆网络模型的海量监测数据分析方法，分析课题二提供的MEMS传感器海量监测数据；建立考虑劣化的典型建筑结构的多尺度简化数值模型库。基于生成对抗网络模型的结构地震易损性人工智能识别方法，建立覆盖所有受力状态的结构地震易损性模型，并进而研究各类典型建筑的震前单体建筑地震风险评估方法，为课题四和五提供震前抗力预测和评估方法。
1.研究目标
基于大数据和人工智能算法对海量建筑物监测数据进行处理和分析，建立考虑劣化的典型建筑结构的多尺度简化数值模型库。建立结构力学指标与结构主体损伤和功能损失之间的函数映射关系。开展典型建筑物的地震易损性分析，建立建筑结构震前抗力分析和评估方法。开展地震危险性分析，建立各类典型建筑物的地震损失评价标准，提出各类典型建筑的地震风险评估方法。
2.主要研究内容：
（1）研究基于降维机器学习算法的建筑结构监测数据处理方法
对于海量监测数据，通过建立映射方法学习其相关函数，最大程度去除海量数据的冗余信息和噪声信息。研究经过映射的降维数据在具有最大覆盖性的同时，能够较好地保持原有关键结构力学数据的流形结构。建立关键结构力学指标和监测数据间的关系模型，识别有效的主要监测数据，为后续建筑健康监测做好数据分析准备。
图1 降维机器学习算法建筑结构监测数据处理流程图
（2）研究基于长短期记忆网络模型的建筑结构监测大数据大数据分析方法
在长期短期记忆网络（即LSTM网络）中有重复神经网络模块的链式信息传递过程中，通过门实现选择性的信息传递，对具有间歇和延迟特征的监测数据进行筛选。重点研究长期短期记忆网络中的数据丢弃、加入和输出算法，并采用反向传播训练算法以克服消失梯度问题，从而训练生成最终的数据处理网络。研究获得的长短期记忆网络模型预测回归未来时点结构响应信号序列，分析监测数据中外界扰动和结构响应监测数据的关系，识别建筑物结构力学指标变化。
图2 长短记忆网络原理图
（3）研发考虑劣化的典型建筑多尺度数值模型库
收集劣化梁、柱、剪力墙等构件试验数据，建立劣化构件试验数据库。基于大量劣化构件试验数据与传感器观测数据，建立劣化建筑计算模型的参数确定与更新方法。基于城市信息模型（CIM）、建筑信息模型（BIM）与城市地理信息系统（GIS）建立区域建筑多尺度计算模型库。建立劣化结构试验数据库与典型建筑精细有限元基准模型数据库，验证劣化典型建筑多尺度模型的准确性与可靠性。
图3 考虑劣化的建筑多尺度数值模型
（4）研发基于生成对抗网络模型的地震易损性评价方法
基于研发的建筑结构简化数值模型，开展大规模的典型建筑结构地震弹塑性增量时程分析，获取结构地震易损性模型的数据分布。采用生成对抗网络模型对高维分布建模，用地震易损性模型数据进行训练，对不同损伤程度的地震激励、结构力学指标、结构响应进行数据分布拟合。对于未遇到的数据分布，通过结构关键力学指标和地震易损性指标之间的关系，建立内部统计信息，使网络学习到一个强大的生成模型，为后续易损性评估扩充数据分布。利用该模型研究不同建造年代、典型建筑物的震前结构抗力模型。
（5）研究和建立区域典型建筑的地震风险评估方法
建立区域建筑结构构件与非结构构件的易损性数据库，提出区域建筑结构构件与非结构构件的损伤评估方法。建立区域建筑结构构件与非结构构件的修复时间与修复成本数据库，提出区域建筑结构构件与非结构构件的维修时间与经济损失评估方法。针对结构构件，重点分析梁、柱、剪力墙构件的损伤评估方法、维修时间与维修成本；非结构构件重点分析包括供水、供电、供暖三大系统以及其他关键设备的失效模式、修复时间和维修成本。建立建筑震后剩余功能与抗震韧性指标的计算方法。针对不同抗震设防烈度的典型建筑开展蒙特卡洛分析，形成各类典型建筑的功能与经济损失数据库，建立区域典型建筑的地震风险评估模型。
图4 区域建筑地震风险评估方法
3.拟解决的重大科学问题或关键技术问题
（1）基于降维机器学习算法和长短期记忆网络模型的建筑结构监测数据处理和分析技术。
（2）基于生成对抗网络模型研发面向城市建筑群震前快速评估的的建筑抗力和地震风险评估技术。
图5 课题三技术路线图
4.考核指标及评测手段/方法：
考核指标：
（1）研发方法具备震前实时分析不少于100000个六分量传感器数据的能力；
（2）考虑劣化的典型建筑结构的多尺度简化数值模型库；
（3）发表SCI/EI检索的论文16篇；
（4）培养博士研究生2名及硕士研究生8名；
（5）申请发明专利3项，实用新型专利2项、软件著作权4项。
测评方法：
第三方测试报告、专家鉴定验收证明、相关机构证书、论文收录或检索证明及学位论文等。
5.参加单位任务分工
北京工业大学负责对海量监测数据进行处理以及建立考虑劣化的典型建筑结构多尺度简化数值模型库；东莞理工学院负责大规模典型建筑结构的地震弹塑性增量时程分析；大连理工大学负责建立不同建造年代、各种结构类型的单体建筑地震易损性评价模型；中国地震局地球物理研究所负责建立各类典型建筑物的地震损失评价标准。
