基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的混凝土壩滲壓值自動(dòng)預(yù)測(cè)方法

杜 猛

(南京南瑞水利水電科技有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

混凝土壩是水利工程的重要組成部分，研究表明，我國(guó)目前已建成的大型混凝土壩有數(shù)十座[1]，建設(shè)技術(shù)逐漸完善，因此，混凝土壩的應(yīng)用前景較好。近幾年，我國(guó)建設(shè)的混凝土壩規(guī)模越來(lái)越大，受復(fù)雜的壩區(qū)地質(zhì)條件影響[2]，出現(xiàn)了嚴(yán)重的安全問(wèn)題。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，混凝土壩壩體表面存在較多的施工裂縫[3]，這些施工裂縫在長(zhǎng)期發(fā)展下會(huì)成為主要滲流通道，增加混凝土壩的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，因此，需要對(duì)混凝土壩滲壓值進(jìn)行自動(dòng)預(yù)測(cè)，提前設(shè)置處理預(yù)案[4]，保證混凝土壩的運(yùn)行可靠性。

事實(shí)上，混凝土壩內(nèi)含有復(fù)雜的成層結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)屬于壩體薄弱部分，會(huì)隨著混凝土壩規(guī)模的增加導(dǎo)致滲流問(wèn)題逐漸嚴(yán)重。因此，為了提高混凝土壩的可靠性，降低其安全風(fēng)險(xiǎn)，需要對(duì)混凝土壩的滲壓值進(jìn)行有效分析預(yù)測(cè)[5]。相關(guān)研究人員針對(duì)混凝土壩的建設(shè)特點(diǎn)及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了若干種常規(guī)的混凝土壩滲壓值自動(dòng)預(yù)測(cè)方法，第一種是考慮滲流作用的混凝土壩滲壓值自動(dòng)預(yù)測(cè)方法[6]，其主要根據(jù)壩體運(yùn)行規(guī)律，進(jìn)行ANSYS模擬，通過(guò)語(yǔ)言編程網(wǎng)絡(luò)完成滲壓值自動(dòng)預(yù)測(cè)；第二種是基于三維有限元分析的混凝土壩滲壓值自動(dòng)預(yù)測(cè)方法[7]，其主要進(jìn)行了滲流計(jì)算，根據(jù)不同的工況條件生成預(yù)測(cè)參數(shù)，完成混凝土壩滲壓值自動(dòng)預(yù)測(cè)。但上述2種混凝土壩滲壓值自動(dòng)預(yù)測(cè)方法主要使用ELM極限學(xué)習(xí)機(jī)生成滲壓預(yù)測(cè)模型，易受預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)擬合作用影響，導(dǎo)致預(yù)測(cè)的壩前水位與實(shí)測(cè)壩前水位偏差較高，不符合混凝土壩的運(yùn)行安全要求，因此，本文基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法，設(shè)計(jì)了一種全新的混凝土壩滲壓值自動(dòng)預(yù)測(cè)方法。

1 混凝土壩滲壓值機(jī)器學(xué)習(xí)算法自動(dòng)預(yù)測(cè)方法設(shè)計(jì)

1.1 基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法構(gòu)建混凝土壩滲壓值預(yù)測(cè)模型

機(jī)器學(xué)習(xí)可以使用決策樹(shù)劃分預(yù)測(cè)的類別，從而提高滲壓值預(yù)測(cè)精度，因此，本文設(shè)計(jì)的方法基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法構(gòu)建了混凝土壩滲壓值預(yù)測(cè)模型。首先可以利用機(jī)器學(xué)習(xí)的決策樹(shù)設(shè)置相關(guān)的預(yù)測(cè)分類規(guī)則[8]，根據(jù)屬性圖完成預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)分析，獲取關(guān)鍵的預(yù)測(cè)變量值，降低預(yù)測(cè)誤差，因此，可以根據(jù)決策樹(shù)信息熵值獲取混凝土壩滲壓值預(yù)測(cè)Gini指數(shù)[9]，其定義式Gini(t)為：

(1)

式中，p(j|k)—不同預(yù)測(cè)類別在預(yù)測(cè)節(jié)點(diǎn)中的概率。此時(shí)假設(shè)樣本存在若干個(gè)組成部分[10]，則計(jì)算的Gini指數(shù)Gini(T)為：

(2)

式中，ni—母節(jié)點(diǎn)樣本數(shù)；n—子節(jié)點(diǎn)樣本數(shù)。

在預(yù)測(cè)過(guò)程中可以根據(jù)計(jì)算的Gini指數(shù)將機(jī)器學(xué)習(xí)分類器進(jìn)行隨機(jī)組合，得到更強(qiáng)的分類器，從而有效處理滲壓值預(yù)測(cè)問(wèn)題，提高最終的預(yù)測(cè)精度。

在混凝土壩滲壓值自動(dòng)預(yù)測(cè)的過(guò)程中，可以從原始訓(xùn)練樣本集中抽取不同的Bootstrap訓(xùn)練樣本，進(jìn)行重復(fù)訓(xùn)練，得到初始的機(jī)器學(xué)習(xí)分類器，此時(shí)可以設(shè)置預(yù)測(cè)樣本容量，調(diào)整預(yù)測(cè)樣本取值，增加分類器的泛化能力。待上述步驟完畢后，可以構(gòu)建混凝土壩滲壓值自動(dòng)預(yù)測(cè)決策樹(shù)，如圖1所示。

圖1 混凝土壩滲壓值自動(dòng)預(yù)測(cè)決策樹(shù)

由圖1可知，上述的混凝土壩滲壓值自動(dòng)預(yù)測(cè)決策樹(shù)可以在分類過(guò)程中選取最佳的預(yù)測(cè)變量，保證決策樹(shù)的獨(dú)立性及多樣性，提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。在設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)過(guò)程中，可以使用組合決策樹(shù)，獲取預(yù)測(cè)平均值，得到最終的預(yù)測(cè)結(jié)果。

影響混凝土壩滲壓值預(yù)測(cè)的因素角度，包括水位、降雨等，本文基于此構(gòu)建了預(yù)測(cè)輸入模型Pi：

Pi=PH+PT+PR

(3)

式中，PH—水位滲壓值預(yù)測(cè)影響分量；PT—時(shí)效滲壓值預(yù)測(cè)影響分量；PR—降雨預(yù)測(cè)影響分量。

根據(jù)上述輸入的預(yù)測(cè)模型可以調(diào)節(jié)決策樹(shù)數(shù)量，判斷主要預(yù)測(cè)參數(shù)，計(jì)算存在的預(yù)測(cè)誤差，待泛化預(yù)測(cè)誤差正確排除后，即可進(jìn)行后續(xù)的預(yù)自動(dòng)預(yù)測(cè)反演分析。

1.2 進(jìn)行混凝土壩滲流參數(shù)反演預(yù)測(cè)分析

混凝土滲壓值預(yù)測(cè)過(guò)程中，需要進(jìn)行反演分析。常規(guī)的反演問(wèn)題主要涉及上述獲取的模型參數(shù)，因此，上述構(gòu)建的模型與反演預(yù)測(cè)存在一定的映射關(guān)系：

G(m)=d

(4)

式中，G(m)—預(yù)測(cè)模型參數(shù)；d—觀測(cè)數(shù)據(jù)。

由上述的映射關(guān)系可知，反演問(wèn)題在求解時(shí)存在多個(gè)種類，本文設(shè)計(jì)的滲壓值自動(dòng)預(yù)測(cè)方法使用貝葉斯隨機(jī)反演法，通過(guò)待反演參數(shù)獲取先驗(yàn)數(shù)據(jù)信息，再根據(jù)概率與統(tǒng)計(jì)關(guān)系確定預(yù)測(cè)反演結(jié)果的不確定性，得出最終的預(yù)測(cè)結(jié)果，因此，本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)預(yù)測(cè)方法設(shè)置了預(yù)測(cè)灰函數(shù)f(x)：

(5)

式中，αi—滲流預(yù)測(cè)階數(shù)。

根據(jù)上述的預(yù)測(cè)灰函數(shù)，可以獲取一個(gè)準(zhǔn)確的滲流預(yù)測(cè)參數(shù)，調(diào)整預(yù)測(cè)可信度，使其滿足預(yù)測(cè)均值關(guān)系。

預(yù)測(cè)極大熵屬于離散型隨機(jī)預(yù)測(cè)變量，調(diào)整該隨機(jī)變量可以有效降低預(yù)測(cè)不確定性，保證預(yù)測(cè)結(jié)果的信度，因此，本文設(shè)計(jì)的滲壓值自動(dòng)預(yù)測(cè)方法計(jì)算了預(yù)測(cè)極大熵c(a)：

(6)

式中，Hn—預(yù)測(cè)結(jié)果可能出現(xiàn)的概率。

使用上述計(jì)算的預(yù)測(cè)極大熵值可以有效判斷預(yù)測(cè)隨機(jī)分布關(guān)系，將預(yù)測(cè)結(jié)果劃分在準(zhǔn)確的區(qū)間內(nèi)。

2 實(shí)例分析

2.1 概況及準(zhǔn)備

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的混凝土壩滲壓值自動(dòng)預(yù)測(cè)方法的預(yù)測(cè)效果，本文選取X水電站進(jìn)行實(shí)例分析，已知，X水電站位于我國(guó)某江的中游段，屬于大型發(fā)電水電工程。X水電站的正常水庫(kù)蓄水水位為1134m，總庫(kù)容較高，調(diào)節(jié)性能良好，X水電站的平面布置如圖2所示。

圖2 X水電站平面布置

由圖2可知，研究區(qū)域主要由右岸心墻堆石壩、主混凝土壩、左岸非溢流壩段組成，壩頂總長(zhǎng)度為1158m，部分長(zhǎng)度為838.56m，壩頂通過(guò)坡相連，兩岸地形非對(duì)稱。研究區(qū)域巖性種類較多，不僅包括砂巖、細(xì)砂巖、泥質(zhì)巖，還包括各種斷層巖體。

為了降低研究區(qū)域的滲流量壓力，X水電站設(shè)置了防滲止水帷幕，打通了多個(gè)排水孔，共同完成上下游及輔助排水操作?；炷翂螇误w使用混凝土二級(jí)配輔助排水方案，厚度呈階梯狀，上下段厚度變化明顯，壩體內(nèi)部設(shè)置了排水孔，間距為0.11m。為了準(zhǔn)確地判斷X水電站的滲流狀態(tài)，確定其壩前水位，本文結(jié)合具體的勘探資料設(shè)計(jì)了混凝土壩滲透值計(jì)算模型，如圖3所示。

圖3 混凝土壩滲透值計(jì)算模型

根據(jù)圖3的混凝土壩滲透值計(jì)算模型可以精準(zhǔn)地計(jì)算混凝土壩的壩前水位，精準(zhǔn)地確定混凝土壩的滲壓值，X水電站的外圍地層滲透系數(shù)見(jiàn)表1。

表1 X水電站外圍地層滲透系數(shù) 單位：10-7m/s

由表1可知，待上述的水電站外圍地層滲透參數(shù)確定完畢后，即可得出混凝土壩滲壓值自動(dòng)預(yù)測(cè)結(jié)果。

2.2 應(yīng)用效果與討論

結(jié)合上述的概況及準(zhǔn)備，可以進(jìn)行混凝土壩滲壓值自動(dòng)預(yù)測(cè)應(yīng)用效果分析，即分別使用本文設(shè)計(jì)的基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的混凝土壩滲壓值自動(dòng)預(yù)測(cè)方法、文獻(xiàn)[6]的考慮滲流作用的混凝土壩滲壓值自動(dòng)預(yù)測(cè)方法，以及文獻(xiàn)[7]的基于三維有限元分析的混凝土壩滲壓值自動(dòng)預(yù)測(cè)方法對(duì)不同日期的混凝土壩壩前水位進(jìn)行預(yù)測(cè)，將3種方法的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比，應(yīng)用效果見(jiàn)表2。

表2 應(yīng)用效果與討論 單位：m

由表2可知，本文設(shè)計(jì)的基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的混凝土壩滲壓值自動(dòng)預(yù)測(cè)方法在不同日期預(yù)測(cè)的壩前水位與實(shí)測(cè)壩前水位相擬合，證明其預(yù)測(cè)的滲壓值較準(zhǔn)確；文獻(xiàn)[6]的考慮滲流作用的混凝土壩滲壓值自動(dòng)預(yù)測(cè)方法及文獻(xiàn)[7]的基于三維有限元分析的混凝土壩滲壓值自動(dòng)預(yù)測(cè)方法在不同日期預(yù)測(cè)的壩前水位與實(shí)測(cè)壩前水位相差較大，證明其預(yù)測(cè)的滲壓值存在明顯偏差。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本文設(shè)計(jì)的基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的混凝土壩滲壓值自動(dòng)預(yù)測(cè)方法的預(yù)測(cè)效果較好，具有可靠性，有一定的應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，混凝土壩是一種常見(jiàn)的壩體，其建設(shè)難度較小，可靠性較高，符合大壩的環(huán)保適應(yīng)要求，因此，混凝土壩在我國(guó)具有悠久的建設(shè)歷史。早在20世紀(jì)中后期，我國(guó)就開(kāi)始建造混凝土壩，在各個(gè)水利工程中起著重要作用。受混凝土壩的建設(shè)規(guī)模及其運(yùn)行環(huán)境影響，其容易出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致滲壓值發(fā)生改變，造成壩體失穩(wěn)，增加了混凝土壩的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，因此，需要對(duì)其滲壓值進(jìn)行自動(dòng)預(yù)測(cè)，生成有效的處理預(yù)案。常規(guī)的混凝土壩滲壓值自動(dòng)預(yù)測(cè)方法的預(yù)測(cè)效果較差，不符合混凝土壩的安全處理要求，因此，本文基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法設(shè)計(jì)了一種全新的混凝土壩滲壓值自動(dòng)預(yù)測(cè)方法。進(jìn)行實(shí)例分析，結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的預(yù)測(cè)方法的預(yù)測(cè)效果較好，具有可靠性，有一定的應(yīng)用價(jià)值，為降低混凝土壩運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)作出了一定的貢獻(xiàn)。