[發(fā)明專利]基于漸進(jìn)式集成學(xué)習(xí)的大粒徑粗粒土力學(xué)特性預(yù)測方法

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• 申請日: 2022-07-11
• 公開（公告）號: CN115204499A
• 公開（公告）日: 2022-10-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張瑩;張雪東;陳元暢;李沐陽;華云鵬;李澳澳;周雅詩;上官陳媛;康傲;管王寧
• 申請（專利權(quán)）人: 華北電力大學(xué)
• 主分類號: G06Q10/04
• 分類號: G06Q10/04;G06F30/27;G06N3/04;G06N3/08;G06F119/14
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11246
• 代理人: 張文寶

本發(fā)明公開了屬于計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的基于漸進(jìn)式集成學(xué)習(xí)的大粒徑粗粒土力學(xué)特性預(yù)測方法。該方法包括以下步驟：步驟1：采集三軸實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，對各粒徑粗粒土數(shù)據(jù)歸類、過濾和補(bǔ)全；步驟2：基于步驟1得到的最大粒徑歸類的數(shù)據(jù)集，依次訓(xùn)練得到模型組；步驟3：根據(jù)步驟2的模型組，結(jié)合待預(yù)測的粗粒土特征數(shù)據(jù)，得到其力學(xué)特性的預(yù)測結(jié)果。本發(fā)明方法不僅在對最大粒徑較小的粗粒土的力學(xué)特性預(yù)測上有更好的性能，更能對最大粒徑更大的粗粒土的力學(xué)特性進(jìn)行預(yù)測，并且結(jié)果具有良好的準(zhǔn)確性、泛化性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及基于漸進(jìn)式集成學(xué)習(xí)的大粒徑粗粒土力學(xué)特性預(yù)測方法。

背景技術(shù)

粗粒土是指塊石、碎石(或礫卵石)、石屑、石粉等粗顆粒組成的混合土料，是土石壩的主要建筑材料，因此掌握其力學(xué)特性對土石壩建筑設(shè)計(jì)極為重要。影響粗粒土特性的因素較多，其中各粒徑大小的顆粒占比，稱為級配，是最為重要的影響因素之一。在實(shí)際使用的粗粒土原型級配中，粒徑最大可達(dá)600～800mm，而一般室內(nèi)三軸儀器支持的最大粒徑僅為60mm，因此無法直接測得其力學(xué)特性。

目前工程中只能通過一些級配縮小方法，稱為縮尺，一般將其縮尺至最大粒徑60mm進(jìn)行試驗(yàn)，再由此數(shù)據(jù)推測原型級配的特性。這將帶來無法避免的誤差，被稱為縮尺效應(yīng)。目前，在由試驗(yàn)土料特性推求現(xiàn)場大粒徑土料力學(xué)特性的過程中，一般采用傳統(tǒng)數(shù)學(xué)公式模型。這類公式模型基于一定假設(shè)，存在大量參數(shù)且參數(shù)來自于較少量的試驗(yàn)結(jié)果，不具備良好的準(zhǔn)確性、可解釋性和泛化性。

綜上所述，在大粒徑粗粒土力學(xué)特性研究中，缺少基于大量真實(shí)數(shù)據(jù)，能根據(jù)粗粒土包括級配、干密度、孔隙率等參數(shù)，準(zhǔn)確地、泛化地預(yù)測其力學(xué)特性的方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提出基于漸進(jìn)式集成學(xué)習(xí)的大粒徑粗粒土力學(xué)特性預(yù)測方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：采集三軸實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，對各粒徑粗粒土數(shù)據(jù)歸類、過濾和補(bǔ)全；

步驟2：基于步驟1得到的最大粒徑歸類的數(shù)據(jù)集，依次訓(xùn)練得到模型組；

步驟3：根據(jù)步驟2的模型組，結(jié)合待預(yù)測的粗粒土特征數(shù)據(jù)，得到其力學(xué)特性的預(yù)測結(jié)果。

所述步驟1包括如下子步驟：

步驟A1：獲取三軸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，按最大粒徑分組歸類，并確定數(shù)據(jù)的輸入特征參數(shù)和輸出標(biāo)簽；

步驟A2：首先審核步驟A1分組歸類的數(shù)據(jù)，并排除不符合三軸實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)；然后按照擬定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化數(shù)據(jù)，以巖土公式填補(bǔ)部分缺失值；最后以對應(yīng)類別數(shù)據(jù)集的平均值填補(bǔ)輸入特征參數(shù)的缺失值，以雙曲線擬合填補(bǔ)并使得所有輸出標(biāo)簽達(dá)到規(guī)定范圍。

所述步驟2包括如下子步驟：

步驟B1：由步驟1處理得到的最大粒徑最小的數(shù)據(jù)集訓(xùn)練XGBoost模型，將得到的預(yù)測該最大粒徑的模型組作為基模型組；

步驟B2：首先由基模型組更新本次最大粒徑的數(shù)據(jù)集，基于該數(shù)據(jù)集訓(xùn)練一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型并加入模型組；然后以該數(shù)據(jù)集的新標(biāo)簽訓(xùn)練得到一個新的基模型，并對此新的基模型進(jìn)行模型剪枝和恢復(fù)訓(xùn)練；最后將得到的第i個基模型加入第i-1個模型組作為第i個模型組，來預(yù)測第i個最大粒徑的粗粒土的力學(xué)特性；重復(fù)以上過程直至模型組的對應(yīng)最大粒徑達(dá)到要求。

所述步驟A1中的輸入特征參數(shù)包括最大粒徑、試驗(yàn)圍壓、容器直徑、容器高度、相對密度、干密度、孔隙比和級配。

所述步驟A1中的輸出標(biāo)簽為偏應(yīng)力或體積應(yīng)變。

所述步驟B2中數(shù)據(jù)集的新標(biāo)簽的計(jì)算公式如下：

y^new_i＝y(tǒng)_i-y^pred_i-1