[發明專利]一種基于監測數據的高拱壩應力預測模型構建方法

在審

• 申請號: 202310024859.5
• 申請日: 2023-01-09
• 公開（公告）號: CN115935488A
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 李波;梁蔚;余信江;田亞嶺;鄭謙;楊勝梅;張啟靈;胡超;胡蕾;李志
• 申請（專利權）人: 長江水利委員會長江科學院
• 主分類號: G06F30/13
• 分類號: G06F30/13;G06F30/27;G06N3/006;G06F119/14
• 代理公司: 武漢楚天專利事務所 42113
• 代理人: 孔敏

1.一種基于監測數據的高拱壩應力預測模型構建方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1：應變計組應力計算：結合高拱壩無應力計和應變計組監測數據，計算高拱壩單軸應變；根據計算的高拱壩單軸應變，結合混凝土試驗得到的彈性模量和徐變度公式，通過變形法計算高拱壩的應力；

S2：LightGBM高拱壩應力預測模型建立：將步驟S1計算所得高拱壩的應力和確定的高拱壩應力影響因素劃分訓練集和預測集，基于劃分的訓練集和預測集以及LightGBM算法建立高拱壩應力預測模型；

S3：種群初始化：設置麻雀搜索算法的相關參數和LightGBM超參數的范圍，使用Tent混沌映射理論和折射反向學習初始化超參數的麻雀種群；

S4：最優超參數計算：利用步驟S2建立的LightGBM高拱壩應力預測模型對訓練集進行訓練，計算麻雀個體對預測集的適應度值；更新發現者、加入者和偵察者位置，計算麻雀種群適應度值；利用自適應t分布對所有麻雀位置進行變異，更新麻雀種群位置；判斷算法是否達到最大迭代次數，不滿足則返回計算麻雀個體的適應度值，滿足則輸出最優超參數；

S5：可解釋的高拱壩應力預測模型建立：根據步驟S4計算的最優超參數，引入SHAP框架，建立可解釋的LightGBM高拱壩應力預測模型，所述可解釋的LightGBM高拱壩應力預測模型用于評估高拱壩應力影響因素的重要性。

2.根據權利要求1所述的一種基于監測數據的高拱壩應力預測模型構建方法，其特征在于，步驟S1中應變計組應力計算的具體步驟如下：

S11、結合高拱壩無應力計監測數據，建立無應力計統計模型方程：

ε₀＝a₀+a₁T+a₂t+a₃Ln(1+t)+a₄e^kt??????(1)

式中：ε₀為無應力計實測值，T為無應力計當前測點溫度，t為距分析起始日期的時間長度，a₀,a₁,a₂,a₃,a₄為回歸系數，k取-0.01；

S12、通過最小二乘法得到步驟S11中的回歸系數，結合高拱壩應變計組監測數據，扣除混凝土自由體積變形得到外部荷載作用下的應力應變ε_n的計算公式如下：

式中：為應變計組某一方向應變的實測值，為應變計組實測溫度的平均值；

S13、任一方向n的應力應變ε_n與正應變、切應變滿足如下關系：

ε_n＝ε_xl²+ε_ym²+ε_zn²+γ_xylm+γ_yzmn+γ_zxnl??(3)

式中：ε_x、ε_y、ε_z是x、y、z坐標軸向的正應變，γ_xy、γ_yz、γ_zx是xy、yz、zx坐標面上的切應變，l、m、n是方向余弦，l＝cos(n,x)、m＝cos(n,y)、n＝cos(n,z)；

解如下方程組將實測應變轉換為正應變和切應變：

E_n＝Aε??????????????????????(4)

式中：E_n是各向應變計扣除自由體積變形后應變ε_n的向量，A是l、m、n構成的系數矩陣，ε是正應變和切應變的向量；

S14、應變計組單軸應變的計算式如下：

式中：ε^′_x、ε^′_y、ε_z^′是x、y、z坐標軸向的單軸應變，γ_y^′_z、γ_x^′_z,、γ_x^′_y是xy、yz、zx坐標面上的單軸應變；

S15、將單軸應變過程線劃分為一系列不等的時段，采用以下加載方式計算各時段應力增量：

式中：τ_i為第i個計算時段的終點齡期；為第i個計算時段的中點齡期，ε_i^′為第i個計算時段終點齡期的單軸應變；為時刻混凝土的瞬時彈性模量；表述以為加荷齡期持續到τ_i的徐變度度；表示以齡期加荷單位應力持續到τ_i的總變形的導數，稱為τ_i時刻的持續彈性模量；Δσ(τ_i)為τ_i時刻的應力增量；

疊加得到任一時刻的應力：

式中：σ(τ_n)為任一時刻τ_n的拱向、徑向或垂直向應力。