用于结构损伤识别的神经网络输入选取规则探究
神经网络在结构损伤识别中的应用研究

0 引言
目前 , 建筑物都朝着高层化 、 复杂化的方 向发展 , 而这些建筑物在其服役的期限内, 势必要受到来 自周围 环境及 自然灾害所带来的各种损伤 , 如地震 、 风灾 、 水灾及材料的 自然腐蚀老化等 , 导致其结构构件受到不同 程度 的损伤 . 及 时发现 损 伤及确 定损 伤 的程度 对 于 国民经 济 和人 们 的生 活 安全 具 有 重要 的意 义. 目前 , 结 构
的损 伤 检测 有多 种方 法 , 但 多数 都 是基 于试 验 研 究 方 法 , 通 过 测定 结 构 物 的位 移 或 者加 速 度 等 指标 进 行 判 断, 甚 至有些 时候 会对 结 构物造 成 一定 程度 的损 伤. 人 工神 经 网络是 2 0世 纪 9 0年代 发展 起来 的一 门新兴 交
叉学科 , 它是模拟人的大脑而建立起来的一种非线性的动力学网络结构 , 是由若干个简单 的神经元按照一定 的方 式 连接 而成 的复 杂 网络 系统 , 其工作 原 理类 似于 黑 匣子 . 该 系统 能 自动 根 据所 输 入 的样 本 空 间 的特 点 ,
经 过多 次 的迭代 运算 , 自动找 到输入 和输 出之 问对 应 的非 线性规 律 , 并 建 立一 个能 够准 确反 映输入 和输 出数 据 之 问 内在 规律 的数 学模 型 , 从 而 准确 对所 预测 的 目标进 行 判 断 和评估 . 目前 , 人 工神 经 网络在 工 程 上被 广
F e b . 2 0 1 4
神 经 网络在 结构 损伤 识别 中的 应 用研 究
常 虹 张 冰
( 1 : 吉林建 筑大学测绘与勘查 T程学院 , 长春 1 3 0 1 1 8 ; 2 : 吉林建筑大 学城建学院 , 长春 1 3 0 1 1 1 )
基于神经网络技术的结构损伤探测

基于神经网络技术的结构损伤探测
郭杏林;陈建林
【期刊名称】《大连理工大学学报》
【年(卷),期】2002(042)003
【摘要】理论分析表明,工程结构损伤前后的固有频率的变化包含了结构损伤位置和程度的信息. 在此理论基础上,构造了改进型BP神经网络的输入参数. 分别对一个框架模型和一个桁架模型进行了损伤数值模拟计算. 首先提取结构固有频率的变化,对神经网络进行训练;然后分别对结构的损伤位置和损伤程度进行识别. 计算分析结果表明,该方法在结构损伤检测中具有较好的识别效果.
【总页数】5页(P269-273)
【作者】郭杏林;陈建林
【作者单位】大连理工大学,工业装备结构分析国家重点实验室,辽宁,大连,116024;大连理工大学,工业装备结构分析国家重点实验室,辽宁,大连,116024
【正文语种】中文
【中图分类】O327
【相关文献】
1.基于遗传算法的二阶段结构损伤探测方法 [J], 郭惠勇;张陵;蒋建
2.基于结构振动参数变化的损伤探测方法综述 [J], 高维成;刘伟;邹经湘
3.基于神经网络技术的结构损伤检测 [J], 韩西;张伟;钟厉
4.基于双平方根算子叠前深度偏移成像技术的结构损伤成像与探测 [J], 郭原草;郭
少华
5.基于高频电阻抗信号与神经网络技术的结构损伤识别研究 [J], 严蔚;袁丽莉因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
基于神经网络的框架结构构件损伤识别研究

的结构形式之一 。结构在使用过程 中常常会 出现各种损伤 ,
修加 固。由此可见 ,有必要 建立一套 系统有效 的损伤识别
技 术 , 以便 及 早发 现结 构 损 伤 ,从 而保 证 了结 构 的安 全 性 。 神 经 网络 是 由 大 量 的 简 单 处 理 单 元 相 互 连 接 而 成 的 巨
A = I 一ll 。 『 y , I () 2 在 网络 的测试 阶段 , 一系列来 自同一结 构 , 未知状 态下 的 自振频率输人到训练好 的神经 网络 , 得到输 出 ‘ 于是训 , 练阶段 的异常指标 A 定义如下 : A =J ’一 I I I () 3
型复杂网络。神经 网络具有处理信息的 自学习性、并 行性、 自组织性 ,联想记 忆功 能以及很强 的鲁棒性 和容 错性 ,因 而它在结构损伤识别领域受到广泛 的关注。由于 B P神经网 络在结构损伤识别 中应用最广泛 ,因此本文 主要采用 B P神
经网络进行计算。
文献…研究表明采用损伤异 常检 测技 术对 构件损 伤进 行预警。本文利用 B P神经 网络建立损伤异常过滤器对构件 损伤进行 预警 。通过用 完好结构 的 自振频 率训 练 网络 使之 建立结构 的健康状 态模式 ,当把 未知状 态下 的 自振频 率输 入到已经训练好 的网络时 ,网络 将检查新 的模式 是否 偏离 已经建立 的健康模式 ,这一过程可 以成 为结 构的异常检测 , 根据异常检测的结果可实现损伤预警 。在 网络的训练阶段 , 把多次测量的完好结构的 自振频率组成 的向量J 入神经 网 r 输 络 , 入 出 目标 y定 义 如 下 : 输 Y = ( 一m )+m。 ( 。 居 i= 12 … , ) , , n () 1 式中 , 为一个正常数 , 为输入向量厂中的第 元素的 k 平均值。 网络训练完成后 , 再将输入 向量, 输入 到训练好 的网 络, 得到输出 l 于是训练阶段的异常指标 A 定义如下 : , , 。
基于BP网络识别框架结构损伤的研究

第3 3卷 第 l 4期
・
7 ・ 0
20 07年 5月
山 西 建 筑
S HANX I ARCHI TECrURE
V0. 3 No. 4 13 1 Ma y. 2 07 0
文章 编 号 :096 2 (0 7 1—0 00 10 —8 5 20 )40 7 —2
建于二十世纪五六 十年代 , 的 已接 近设计 基准期 , 的 由于种 低 , 有 有 会使 曲率 的幅值增 大。而这种变 化是局部 的 , 因此利用 曲率
种原 因, 同程度地受到 了破损 , 不 存在着一些质量隐患 。这些损伤 值 的变化 可以识别损伤 。
和质量隐患有时会造成工程结 构的严重破坏 甚至倒塌 。近 年来 , 由于结构 曲率模态振型是位移模态 振型的二阶导数 , 在结构 得结构 的振型 曲率 :
Oi : 'j r
,
因结构破坏造成的严重人员伤亡及财产损失在 国内屡屡 出现 。因 有 限元离散模 型的振动模态分析 中, 以用 中央差分公式 近似求 可 此, 加强钢筋混凝土框架结构损伤识别的研究是十分必要的。
神经 网络是模拟人脑或神经 系统 的功能发展而来 的, 广泛 并
应用于各个工程领域 , 尽管神经网络技术并 不是 专 门为损伤识 别 设计 的, 但其模式识别 的能力使得 它适 合于工程 中的损伤检测 。
() 2
其 中, , 为计算节点处 的位移 振幅 ; +
一 为其相邻 1
,,
最早将神经网络 用于 结构 损伤检 测 的是美 国 P ru大学 的 点 的位移振幅 ; ud i为节点序 号 ; 为模态 阶次 ; h为相 邻两 节点 的
即单 元 长度 。 v肌kt u r na C a … , a sba i a ma n和 hn 目前人们使用过 的网络模型有 B 距 离 , P 基于振型 曲率 , 中提 出用 振型 曲率 比作 为 损伤 识别 的参 文 神 经 网络 、 向基 函 数神 经 网络 、 率 神 经 网络 、 糊 神 经 网 径 概 模
结构损伤识别的混合神经网络方法

结构损伤识别的混合神经网络方法刘石;佴磊【摘要】在损伤位置和程度的诊断中分别构造各自相适当的网络和识别样本形成混合神经网络系统,并选择不同的输入参数对结构损伤的位置和程度进行了识别,针对一个损伤钢梁进行了数值仿真,从而证明了混合神经网络两步检测法的可行性.【期刊名称】《山西建筑》【年(卷),期】2011(037)003【总页数】2页(P21-22)【关键词】混合神经网络;频率变化比;残余力向量;损伤定位;损伤程度【作者】刘石;佴磊【作者单位】吉林大学建设工程学院,吉林,长春,130026;吉林大学建设工程学院,吉林,长春,130026【正文语种】中文【中图分类】TU317目前在结构损伤识别的研究中,大多采用一步直接诊断方法,即同时判别损伤的位置和程度。
这种方法在识别简单结构时是十分有效的,但是大部分需要进行损伤诊断的结构都比较复杂,其构件数目和动力自由度数目巨大,对数据采集精度要求较高,需要耗费较长的时间和较多的计算机资源进行计算和分析,尤其是结构健康监测系统,采集数据和分析数据的周期相对较短,当采用此方法时更为不利。
因此本文采用了一种两步诊断方法,先判别结构损伤部位,然后具体诊断损伤部位的损伤程度。
在训练网络样本数量有限的情况下,结构损伤定位是比较容易实现的,对网络的性能和数据的要求较低,而结构损伤程度的判定受样本完备性、网络性能、噪声影响较大。
考虑系统资源、算法耗时、所用数据等因素,本文在判别结构损伤部位时使用BP网络,在诊断结构损伤程度时使用径向基函数网络。
采用什么参数作为神经网络的输入向量最为合适是利用人工神经网络进行结构损伤检测的关键问题,神经网络输入参数的选择及其表达形式直接影响结构损伤检测的结果,可选择的动力参数有很多:固有频率、位移或应变模态(振型)、频响函数、加速度响应等。
对结构损伤敏感程度由高到低依次为:应变频响函数指标、曲率/应变模态指标、位移频响函数指标、固有频率指标、位移模态指标。
用神经网络方法识别结构损伤的研究

关 键
词 :神经 网络 ;结 构 ;识别
文献标识码 :A
中田分类号 :哪 7 6 1 3 4 . :02 3
近年来建筑行业突发事故频频发生 , 重者整座 建筑物倒塌 , 造成很大的经济损失 . 建筑结构与人 们生活息息相关, 建筑结构工程中常常存在着表面 破损及一些肉眼不可见的内部潜在缺陷, 如梁板的 裂缝、 火灾后混凝土的过火 、 钢结构的开焊等, 随之 结构的动力参数都将发生相应变化 . 因此 , 能及时 准确识别结构动力参数 , 对于预测评价建筑结构的 健康状况将具有十分重要的意义 . 结构故障诊断主要包括三方面的内容: 结构损
不需要严格建立推导反问题的方程, 也不需要表示 输入输出之间的算子, 这对于解决反问题是最重要
的.
1 结构损伤神经网络识别模型
众多神经网络模型中,P 反向传播) B( 网络适于
结构损伤问题 . 网络学 习训练的过程包括 网络内
部的前向计算和误差的反向传播 , 目的就是通过 其 伤识别, 结构损伤定位和结构损伤程度的标定与评 调节网络内部连接权使网络误差最小化 . 价. 损伤识别是进行结构故障诊断的基础,目 前国 对于单隐层 B 神经网络 , P 其网络内部前向计 际上关于结构故障诊 断的研究多集中在损伤识别 算如下 : 的层次上 ; 损伤定位是进行结构故障诊断的核心 , () 入层 节点 的输出 等于其输入 ; 1输 也是问题的难点所在 ; 结构损伤程度的标定和评价 () 2 臆层节点 m的输入与输出 是进行结构完整性评价、 实施维修或报废决策的依
文 章 ■ 号 :o o一14 (0 2 0 10 6 6 20 】2—0 6 13—0 3
用 神经 网络方法识别 结构损伤 的研究
基于神经网络重力坝损伤识别输入参数的研究
基于神经网络重力坝损伤识别输入参数的研究在神经网络识别结构损伤的过程中选取容易得到、识别精度高、损伤敏感性高的参数,损伤识别精度将大大提高。
为克服使用单一结构特征物理量作为神经网络输入参数而带来的缺陷,文章以武都水库非溢流坝段为例,利用径向基函数神经网络对重力坝损伤的识别展开研究,提出将结构固有频率和固定点模态分量组合作为输入参数,对比选用不同输入参数的损伤输出信息。
结果表明,使用组合参数作为输入参数对重力坝进行损伤位置识别、损伤程度预测是实用可行的。
标签:重力坝;径向基神经网络;损伤识别;输入参数引言结构工程在使用较长时间后往往会产生不同程度的损伤,使得结构的安全性和耐久性降低,因此迫切需要寻找到高效准确的损伤识别方法,对损伤结构进行维修加固。
结构出现损伤后自身的某些特性也随之发生变化,许多问题涉及非线性变化,变量之间的关系复杂,难以用确切的数学、力学模型来解决。
基于神经网络的结构损伤诊断方法不需要结构动力特性的先验知识,在非线性模式识别和分类具备很强的非线性映射能力,因而广泛运用在结构工程实际问题研究中,如大型空间网架结构,桥梁结构,多层及高层框架结构,地下隧道,海洋平台等方向。
神经网络方法不但具有处理数据的能力,且具备对知识的学习和记忆的能力,能够滤出噪声干扰正确识别结构损伤信息,Wu[1]早在1992年就证明神经网络是结构动力学系统识别的有效工具。
对于独立构件和简单模型的损伤检测现在已有许多研究,但针对大型复杂的实际工程,现有的研究仍然不够,它们的健康诊断和损伤识别无法从单一结构特征物理量反应的损伤信息中得到推断,损伤识别的结果受到如何选定神经网络输入参数及其表达形式的影响,因而需要获得结构的多种特征物理量,利用这些数据结合神经网络方法对结构进行损伤诊断,确定输入参数时尽量选择对结构影响大的特征量。
混凝土大坝发生损伤其动力特性也会随之改变,由于大坝结构的老化、损伤对动态参数的敏感度低于机械故障诊断中动态参数的敏感度,对测试技术和分析水平要求高,已有学者选用基于结构动力特性的神经网络损伤识别对大坝结构进行损伤诊断。
神经网络在结构损伤识别中的应用
线性 模式识别 和分 类 , 够滤 出 噪声 或 在有 噪声 情 况下 正 确识 这种组合结构的特点使 得其 能 在有 限的时 间 内以任意 精度逼 近 能
l n型 回归神 经 网络 的特点 是隐 含层 的输 出通过 别。根据结构 在不 同状 态 的反 映 , 通过特 征提取 , 择对结 构损 任意函数。Ema 选 伤敏感 的参数作为 网络 的输入 向量 , 结构 的损 伤状 态作 为输 出 , 承接层的延迟与储存 , 自联到 隐含 层 的输 入 , 这种 自联方 式使得
的连接类似于前馈 网络 , 输入层 的单元仅起 到信号传输 的作 用 ,
】 】… 】 ,
1 r,0II,0IY, 0l t 2 II3 II ' l TY n T 建立 3组开裂 梁的损伤模型。为 了对 比研 I
】 】… 】
下室 的顶板上 。然后根据嵌 固层位置调整 计算参数 中的 “ 地下 室 左右梁端截 面实 际受 弯承 载力 之和 不宜小 于上 下柱 端实 际受弯 的规定 , 目前软件还没有考虑 。 层数 ” 进行第二次计算 。当地下室侧 向刚度不 足 以使地 下室顶 板 承载力之 和” 作 为上部结构 的嵌 固端时 , 考虑 回填 土对地下 室 的侧 限作用参 数 参考 文献 :
与前 向型神经 网络 ( B 如 P网络 建立训练样本集 。将样本集送入 神经 网络进 行训练 , 建立输 入参 它对 历史状态的数据具有敏感性 , 数与损伤状态 之 间的 映射关 系 , 练 后 的 网络具 有模 式 分类 功 和径 向基函数网络 ) 比, l n神经 网络 克服了前 向型 网络 不具 训 相 Ema
结构损伤识别方法探析
结构损伤识别方法探析作者:邵帅姚远来源:《城市建设理论研究》2013年第35期摘要:结构在复杂的环境中会受到损伤,结构损伤会给人们带来灾难。
所以近年来损伤分析越来越受到重视。
本文介绍了几种常用的结构损伤识别方法,对各方法进行了评述,最后对结构损伤识别的几个问题进行了展望。
关键字:损伤识别;测试频率;神经网络;广义柔度矩阵;小波分析中图分类号:F121.3 文献标识码:A近年来,损伤分析在抗震评估、加固以及承载能力设计中的应用越来越引人注目。
损伤是指结构的预定功能受到影响的状态。
按其影响的不同,可分为轻微损伤、损伤、严重损伤。
损伤,从广义地讲,包括非受力损伤及受力损伤 [1]。
在国际材料与结构实验学会班LEM 关于混凝上结构破损分类的推荐草案中,损伤是指结构由于外部力学因素引起的削弱或破损。
下面介绍几种常用的结构损伤识别方法。
一.基于测试频率结构损伤识别方法[2]结构的固有频率是表示结构固有特性的整体量,当结构的局部出现损伤时,结构的固有频率将发生变化,随着刚度的降低,结构的固有频率将会增大。
正是由于这一特性加上结构固有频率易于测量和测量误差小,很多研究者将结构的固有频率作为结构损伤识别的损伤标示量。
对于一个多自由度结构系统,忽略阻尼的影响,其振动特征值方程为(1-1)式中: M为整体质量矩阵;K为整体刚度矩阵;为特征值;为正则化振型。
当结构的刚度和质量等物理参数发生小的变化△K、△M时,由摄动理论式(1-1)可知[(K+△K)-(-△)·M]·(+△)=O(1-2)多数情况下结构的损伤是由于裂缝和腐蚀所引起的,一般对质量矩阵的影响甚微,即△M0,将式(2)展开,并忽略二次项△M ·△和△·M·△的影响,有(1-3)对于第i阶振型,式(1-3)有(1-4)以△kn表示第n个单元的刚度变化,则式(4)成为(1-5)式(1-5)在形式上类似与瑞雷商,表示结构应变能和结构特征值的关系。
结构损伤识别方法研究
结构损伤识别方法研究对现有的结构损伤识别方法进行概括,并对其进行简要的介绍。
根据每种方法的特点分析其适用条件和优缺点。
标签:结构损伤识别;神经网络;小波变换0、前言随着社会经济的快速发展,现代化建筑物越修越高,越修越复杂,由于各种自然荷载和人为荷载的不断作用,使得构件内部或构件之间连接出现损伤,这间接导致结构承载力下降,而且结构从投入使用开始就面临着损伤累计的问题,并且这些建筑物服役的年限越来越长,一旦发生事故,将会造成不可估量的人身和财产损失。
一般损伤识别研究主要分为两部分:一是对损伤位置的识别;二是对损伤程度的判断。
1、结构损伤识别的研究现状目前,关于结构损伤识别的问题日益成为国内外的热点问题。
对于工程结构进行损伤研究开始于20世纪40年代,近几十年结构损伤识别的理论研究取得了飞速发展,但在实际工程中的应用却很有限。
结构损伤识别技术基本上可以分为两大类:局部损伤识别和整体损伤识别。
1.1 结构损伤识别的局部法目前常用的局部损伤识别方法有目测法、染色法、声发射法、射线法、磁扰动法等,该法是对结构的局部进行定期检查。
局部损伤识别广泛应用于船舶等领域,但也存在着很多限制和弊端,如:该法只适用于小型结构的损伤检测,而对大型复杂的结构损伤识别并不明显,另外,无法对某些结构实施在线及时的检测。
但将传感器固定在一些重要部件上,对这些部件进行远距离在线检测,较好的弥补了这一缺陷。
该技术广泛应用于航空航天、公路桥梁和民用建筑,其优点是可以直接确定构件的裂纹及其位置。
局部损伤识别技术对于压力容器、油箱等小型有规则的结构能有很好的识别效率,但对于大型、复杂的结构,这种技术用来检测结构的每一部分是不可能的。
因此,局部损伤识别技术仅适用于检测结构的特别部件或局部结构。
1.2 结构损伤识别的整体法结构损伤识别的局部法只适用于小型简单结构的损伤识别,因此基于多学科交叉的原理,得出了损伤识别技术的基础理论。
结构可以看作由刚度、质量、阻尼矩阵组成的力学系统,因此寻求物理参数和模态参数之间的对应关系便成为结构损伤识别的核心问题。
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摘
要: 将神经 网络作为模式识别工具用 于结构损伤位置识别 时 , 识别效果 除 了要 受到 网络隐层数 目、 隐层神经元 数 目、 其 各
神经元传 递函数的形式、 训练样本 的数量 与质量及训练方法 的影 响外 , 还会受 网络输 入性能 的影响 。在其 他 因素 均相同 的条
件下 , 网络输入对网络性能起着决定性作用 。为解决 网络 输入 的选取 问题 , 网络功 能 、 别可 分性和 噪声 的影 响三 个方面 从 类
2 C l g f i unAc icua T cn l y D yn 6 8 0 , hn ) . oeeo c a rht trl eh o g , ea g 10 0 C ia l Sh e o
Ab t a t W h n t ed a n ss o a g o ain i tk n a r be o d e t c t n。 e r ln t r a e u e sa p t r sr c : e h ig o i fd ma e l c t a e s ap o lm f o s mo e i n i ai n u a ewo k c n b s d a at n d i f o e ca s e . h d ni c t n e e t i e a e td b h u e ft e c n o ai e l y r a d t e n r e c l ,h rn f rf n t n ls i r T e i e t a o f c s w l b f ce y t e n mb r o h o n t t a es n h e v e s te ta se u ci i f i f i l v o mo e, e t i i g s mp e , e t i i g meh d a d t e p r r n c ft e ip t.G v n t e s me c n i o s t e p r r a c ft e d t r nn a ls t r n n to h e o ma e o n u s i e h a o d t n ,h e f m n e o h a h a n f h i o h i p t i r c a o t e p r r a c e n u a ewo k T ov h r b e o p t s ae t n,h e s cs te f n t n o e n u s sc u i t e o l h f m n e o t e r n t r . o sl e t e p o l m f i u s e ci t r e a p t :h u c i t f h l n l o e o f h n u a ewok, e s p r b ̄ y o e i p t a d t e e e to o s , l a e n o c n ie ain T e s lc in h ls o e rln t o k e r ln t r t e a a i t f h n u sn f c n ie a e t k n i t o sd rt . h ee t a n u a e r h t h f o o e f w ip t t a a e b e u o w r n t i atce i n t c ie t h s o w l u e n u a e o k t ov h r b e o d e n u s h t v e n p t fr a d i s r l s i sr t o t o e wh h h i u v i s e rl n t r o s le t e p o lm f mo w ie t c t n d n i ai . i f o Ke r s d ma e ie t c t n; e r ln t r n t o k i p t mo e i e t c t n y wo d : a g d n i a i n u a ewo k; e w r n u ; d d n i ai i f o f o
对 网络输入 的选取进行 了分析研 究 , 出了用 于结构损伤识别 的神经 网络输 入选取 的一般性 规则 , 提 对采用神 经 网络处 理模式 识别 问题具有参考价值 。 关键词 : 损伤识别 ; 神经 网络 ; 网络输入 ; 式识 别 模 中图分类 号 :U 1 ;4 5 7 T 3 7 U 4 . 文献标识码 : A 文章编 号 :0 8—13 ( 00 0 0 3— 5 10 93 2 1 ) 1— 6 0
第3 6卷 第 1期 21 00年 2月
四川建筑科学 研究
Sc u n B i igS in e ih a ul n ce c d 6 3
用 于 结构 损伤 识 ห้องสมุดไป่ตู้ 的 神 经 网络 输 入 选 取 规 则 探 究
张育智 何 伟 李 乔 单德 山 , , ,
(. 1 西南交通大学土木工程学 院 , 四川 成都 60 3 ; 10 1 2 四川建筑职业技术学 院, . 四川 德 阳 6 8 0 ) 10 0
ZHANG z i HE e 。 L io , H N D s a Yu h , W i I a S A eh n Q
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Ex l r to f s l c i n r l s f r i p t fne a e wo k u e n p o a i n o e e to u e o n u s o ur ln t r s d o s r c u a m a e i e tfc to t u t r lda g d n i a i n i