基于動-靜態(tài)模型的滲壓值預測與分析

陳守開 蔣海峰 史海波 張俊峰

摘要：針對堤壩滲壓值的動態(tài)變化特征與靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡模型的不足，建立了基于時序數(shù)據(jù)的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡模型（recurrent neural network，RNN）。該模型考慮水位、降雨與溫度在孔隙水壓力變化中的滯后作用并將其納入模型的訓練過程，實現(xiàn)了滲壓值的動態(tài)預測。以面板堆石壩滲流監(jiān)測數(shù)據(jù)為例進行驗證分析，通過灰色關聯(lián)法可確定影響滲壓值的主要因素，并進行了RNN模型與遺傳算法優(yōu)化的支持向量機模型（GA-SVM）的對比分析。結果表明：兩種模型的預測精度均在允許范圍內(nèi)，表明滲壓值數(shù)據(jù)之間具備可預測性;RNN模型的平均相對誤差僅為11.343%，相比于GA-SVM模型，RNN模型預測精度更高，由此表明滲壓值的動態(tài)變化特征對滲壓值預測影響較大，在建立預測模型時需協(xié)同考慮。

關 鍵 詞：

滲壓值; 動態(tài)模型; 靜態(tài)模型; 動態(tài)變化特征; RNN模型; GA-SVM模型

中圖法分類號： TV91

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.05.027

1 研究背景

滲流分析一直是堤壩工程安全穩(wěn)定研究的重點，對于滲流滲漏引起的堤壩工程破壞失穩(wěn)現(xiàn)象，諸多學者對其成因開展了針對性的研究[1-4]，目前已確定的影響因素主要有水位變化、降雨、溫度變化及歷時等[5-7]。實測滲壓計數(shù)據(jù)（滲壓值）的神經(jīng)網(wǎng)絡模型預測及相關改進方式亦有相關的報道[8-11]。如繆長健[8]等采用云模型改進人工魚群算法用以優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡的權值和閾值，構建CM-AFSA-BP預測模型并進行了滲流壓力的預測。陳端[9]等采用廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡模型預測了堤壩壩基處的滲流情況。此外李鵬犇[10]、吳云星[11]等結合不同神經(jīng)網(wǎng)絡模型對堤壩滲流進行了相應的預測。以上模型在一定程度上增加了預測模型的多樣性，但前期數(shù)據(jù)均值并不能有效反映滲壓值的動態(tài)變化特征[12]，且對于滲壓值而言，前期水位與降雨因素均可能對其產(chǎn)生滯后影響。因此建立考慮動態(tài)變化特征的預測模型更貼合實際的工程情況。

為驗證滲流過程中的動態(tài)變化特征的重要程度，本文以面板堆石壩工程為實例，分別建立傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡模型（靜態(tài)模型）和動態(tài)模型（循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡（recurrent neural network，RNN）），以RNN模型和遺傳算法結合支持向量機（GA-SVM）（靜態(tài)模型的代表模型）為滲壓值預測模型，確定滲壓值變化的主要影響因素，將其作為動、靜態(tài)模型的輸入?yún)?shù)并進行預測。根據(jù)預測結果確定更符合滲流預測分析特性的預測模型，為實現(xiàn)滲壓值預測及工程安全評估提供參考。

2 滲壓值預測模型

2.1 RNN模型

RNN模型是一種具有記憶功能，且適合處理時間序列數(shù)據(jù)的深度學習模型[13-15]。該模型主要由輸入層、隱含層和輸出層3部分組成。每一層上均有若干個神經(jīng)元節(jié)點，其數(shù)據(jù)的輸入與輸出與一般的神經(jīng)網(wǎng)絡類似，但其隱含層則與傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡有所不同。該模型的隱含層結構在普通多層神經(jīng)網(wǎng)絡基礎上，增加了各單元間的橫向聯(lián)系，即通過權重矩陣，可以將上一個時間序列的神經(jīng)單元的值傳遞至當前的神經(jīng)單元。隱含層的輸入既包括了本時刻輸入層影響因素的輸入，也包含了上一時刻隱含層的輸出權重，因此RNN模型對于數(shù)據(jù)中隱藏的歷史信息可實現(xiàn)記憶功能，并在將其保留之后輸出至當前神經(jīng)元以進行數(shù)據(jù)的計算，并隨著數(shù)據(jù)的輸入而不斷更新。靜態(tài)模型是僅考慮模型輸入層與隱含層、隱含層與輸出層關系的一種模型，而動態(tài)模型則是在靜態(tài)模型的基礎上，增加考慮隱含層節(jié)點之間關系的一種模型。此為動態(tài)模型與靜態(tài)模型的核心區(qū)別，如圖1所示。

3.3 模型建立

確定影響滲壓值的主要因素分別為上游水位、下游水位、上下游水位差、前3 d降雨均值、溫度值及時效分量θ、ln1+θ。樣本數(shù)據(jù)共588組，時間周期為2009年1月至2016年11月，以2016年10月至11月的數(shù)據(jù)為驗證數(shù)據(jù)，用來進行滲壓值數(shù)據(jù)的預測與分析。為消除量綱影響，需進行歸一化處理，將數(shù)據(jù)轉化為[0，1]，采用試湊法確定隱含層神經(jīng)元數(shù)目為11，神經(jīng)網(wǎng)絡拓撲結構為7-11-1，如圖5所示。

4 預測結果分析

選用MATLAB軟件來實現(xiàn)RNN模型與GA-SVM模型分析，并可得SVM模型最優(yōu)參數(shù)組合為C=4.5，g=0.01。滲壓計Pb3預測結果如表2所列。因篇幅限制，此處僅描述滲壓計Pb3預測結果，其余滲壓計預測結果見圖6及表3，4。

由表2可得，兩種模型均可實現(xiàn)滲壓值的預測，且

預測誤差值在允許范圍之內(nèi)。從預測結果來看，動態(tài)模型的預測表現(xiàn)更佳，與GA-SVM相比，RNN模型決定系數(shù)R2值為0.88，R2值更大，精度更高;其平均相對誤差和平均絕對誤差分別11.343%和0.097 m，相比于GA-SVM的平均相對誤差和平均絕對誤差（15.486%和0.123 m），分別提高4.144 %、26.80%。分析原因認為：由于動態(tài)模型的特性，其隱含層節(jié)點之間相互連接，即在不同時刻的滲壓值之間仍保持著相互聯(lián)系的狀態(tài)，能夠將數(shù)據(jù)中隱藏的歷史信息進行保存并實現(xiàn)有選擇性的輸出。當輸出滲壓值時，當天上游水位、降雨等因素會以上一時刻輸出層的狀態(tài)通過記憶單元影響本時刻滲壓值的輸出，且會再次通過記憶單元以本時刻輸出層狀態(tài)影響下一時刻滲壓值的輸出。如此循環(huán)實現(xiàn)，使得滲壓計數(shù)據(jù)預測精度得以大幅度提升。而在靜態(tài)模型中，隱含層節(jié)點之間互不關聯(lián)，模型只能對當前時刻數(shù)據(jù)進行學習并實現(xiàn)相應的預測，隨著模型的迭代與訓練，數(shù)據(jù)中的長期歷史信息將會對預測結果的準確性產(chǎn)生一定的干擾[28]。

5 結 論

（1） 通過分析滲壓值的影響因素，確定上游水位、下游水位、上下游水位差、前3 d降雨均值、溫度值θ、ln（1+θ）為主要因素，且上下游水位差、前3 d降雨均值及溫度值均存在滯后作用。

（2） 基于工程實例，以得到的主要因素為輸入層，分別建立了動態(tài)模型和靜態(tài)模型并進行滲壓值預測。結果顯示動態(tài)模型的精度更高，決定系數(shù)R2值可達0.88，其平均相對、絕對誤差為11.343%、0.097 m，較靜態(tài)模型分別提高了4.144%、26.80%，說明滲壓值的動態(tài)變化特征較為重要，在建立預測模型時需協(xié)同考慮。

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（編輯：鄭 毅）