基于PCA-SSA-ELM的混凝土坝变形预测模型

混凝土坝变形与环境量之间有着复杂的函数关系,传统统计模型泛化能力较弱,难以处理高维非线性问题。为此,提出了一种基于主成分分析法和麻雀搜索算法优化极限学习机的混凝土坝变形预测模型,该模型通过主成分分析法(PCA)提取环境量中的关键因子作为模型输入变量,采用寻优能力强的麻雀搜索算法(SSA)选取极限学习机(ELM)中的初始输入权重和偏置的最优解。将该PCA-SSA-ELM模型应用到某高拱坝拱冠梁坝段测点径向位移的预测中,并与ELM、BP神经网络模型的计算结果进行对比分析,验证了新模型的有效性。     

基于改进EMD-SSA-KELM的用水量预测方法研究

针对用水量具有波动性和不确定性,且预测时存在精度低、可信度差等问题,提出了改进经验模态分解法与麻雀搜索算法优化核极限学习机的组合预测模型。首先使用长短期记忆网络对人民胜利渠的原始引黄用水量序列进行极值延拓,改进经验模态分解法的端点效应;然后通过改进后的经验模态分解法将时序信号分解为若干个本征模态分量,使原始用水量信号平稳化;最后利用麻雀搜索算法优化核极限学习机,对原始用水量序列与通过改进后经验模态分解方法的用水量序列进行预测对比。结果表明：基于改进后经验模态分解方法有效地抑制了端点效应,模型预测误差降低43.51%、可信度提高76.79%,因此采用改进经验模态分解方法有效地提高麻雀搜索算法优化核极限学习机组合模型的预测精度和可信度,在水资源预测中更具适应性。     

基于BO-GRU的混凝土坝变形预测模型

针对混凝土坝变形具有较强的非线性特点、目前大坝变形预测模型出现参数过多及易陷入局部最优等问题,提出了一种深度学习中的门控制循环单元(GRU)模型,并结合贝叶斯优化算法(BO)对门控制循环单元的超参数进行优化,建立BO-GRU模型应用于混凝土坝变形预测。为检验模型的可行性,以实测变形监测数据为基础,并与极限学习机、相关向量机和基于遗传算法优化的支持向量机等模型预测结果进行对比。结果表明:该模型的泛化能力强、运行效率高,能有效运用于混凝土坝的变形预测。     

基于SSA-LSTM的混凝土拱坝变形预测模型

由于混凝土拱坝在变形过程中有明显的非线性特点,因此参数过多和陷入局部最优的问题是大坝变形预测模型过程中较为常见的问题。通过将麻雀搜索算法(SSA)引入长短期记忆神经网络(LSTM)中,进行超参数优化,建立了SSA-LSTM模型进行混凝土拱坝变形预测模型。以某拱坝多个测点的实测径向位移数据为例,将水压、温度和时效作为输入,坝体径向位移作为输出,使用SSA-LSTM模型与传统的变形预测模型BP神经网络、极限学习机(ELM)和支持向量机(SVM)分别进行回归预测,结果表明SSA-LSTM模型具有较强的预测能力,可用于大坝安全的预警预报。     

基于PCA-SSA-XGBoost算法的拱坝应力预测模型研究

由于大坝应力受水位、温度等众多因素共同作用,各影响因子间的相互关联会引起多重共线性问题,容易导致以此为输入的预测模型出现伪回归现象。此外,现有基于机器学习算法的应力预测模型由于训练特征过多、过度训练易产生过拟合现象,其预测精度还有待提高。针对上述问题,提出了基于主成分分析法(PCA)和麻雀搜索算法(SSA)改进的极限梯度提升算法(PCA-SSA-XGBoost)构建拱坝应力预测模型。该模型首先采用主成分分析法对参数进行降维,降低影响因子的多重共线性影响;进而通过SSA算法优化XGBoost的超参数,以避免传统算法过拟合,进一步提高模型预测性能。将该模型应用于我国西南某混凝土拱坝工程,对应力及应力相关监测数据进行处理、分析和预测,并与多元线性回归模型(MVLR)、神经网络模型(RBFNN)、极限梯度提升回归预测模型(XGBR)的预测结果进行对比分析。结果表明,基于PCA-SSA-XGBoost算法的应力预测模型可克服输入变量的多重共线性和过拟合问题,在预测精度方面具有优越性。     

基于混沌优化极限学习机的库岸边坡变形预测

为提高库区岸坡变形的非线性预测精度,提出利用极限学习机构建库区岸坡的非线性预测模型。首先,利用逐步试算法优化极限学习机的激励函数和隐层神经元数;其次,采用Rosenstein算法评价边坡变形序列的混沌特性,利用空间重构来实现极限学习机的混沌优化,进而构建混沌优化ELM模型。分析表明,不同实例的最优网络参数具有差异,通过逐步试算法能很好地确定最优参数;库岸边坡的变形序列均具有混沌特性,通过混沌理论的空间重构优化,能有效提高预测精度,且预测结果较传统神经网络具有较大的优越性。     

基于机器学习的重力坝变形监测统计模型及应用

为了提升重力坝变形监测模型精度,文章采用极限学习机(ELM)、基于网格搜索和交叉验证的支持向量机、基于模拟退火遗传算法优化的BP神经网络(GASA-BP)三种机器学习方法对经验模态分解(EMD)重构的周期项进行训练和预测,并与传统的最小二乘法进行对比分析。结果表明,机器学习算法可以有效提升模型的拟合及预测精度。     

基于混合核SHTS-SVM的年径流预测

为提高年径流预测精度,利用同热传递搜索(SHTS)算法对混合核支持向量机(SVM)关键参数和混合权重系数进行优化,提出混合核SHTS-SVM年径流预测模型。通过6个不同维度的标准测试函数对SHTS算法进行仿真验证,并与当前寻优效果较好的教学优化(TLBO)算法、灰狼优化(GWO)算法进行对比验证。利用两个年径流预测算例对混合核SHTS-SVM模型进行实例验证,并与多项式核SHTS-SVM、高斯核SHTS-SVM及SHTS-BP模型预测结果进行对比。结果表明:SHTS算法寻优精度优于TLBO、GWO优化算法,具有较好的极值寻优能力和稳健性能。混合核SHTS-SVM模型综合了多项式全局核函数和高斯局部核函数二者优点,在预测精度、泛化能力等方面均优于对比模型,具有较好的实际应用价值。     

静电放电算法-混合核SVM的月径流预报模型及应用

为提高水文预测预报精度,构建基于多项式核与高斯核混合的支持向量机(SVM),利用静电放电算法(ESDA)优化混合核SVM关键参数和混合权重系数,提出混合核ESDA-SVM枯水期月径流预测模型,并构建高斯核ESDA-SVM、多项式核ESDA-SVM及ESDA-BP作对比预测模型,以云南省某水文站枯水期1—4月月径流预测为例进行实例研究,利用实例前24 a和后10 a资料对各模型进行训练和预测。结果表明,混合核ESDA-SVM模型对实例1—4月月径流预测的平均相对误差绝对值分别为4.09%、3.32%、3.51%和5.64%,预测精度均高于多项式核ESDA-SVM等3种模型。混合核ESDA-SVM模型综合了多项式全局核函数和高斯局部核函数二者优点,在预测精度、泛化能力等方面均优于对比模型,具有较好的实际应用价值。     

基于KPCA-PSO-SVM的径流预测研究

为提高径流预测模型的准确性与稳定性,对KPCA-PSO-SVM的径流预测方法进行了研究。在分析径流影响因素的基础上,利用核主成分分析(KPCA)法对径流影响因子进行非线性特征提取,获得主成分作为支持向量机(SVM)的输入变量,建立了径流预测SVM模型,其中模型参数通过粒子群算法(PSO)进行优化。模型建立后,以新疆伊犁河雅马渡站中长期径流预测为例进行分析。预测分析结果表明,在拟合和检验阶段模型的平均相对误差分别为0.77%和7.64%,与其他预测模型比较,基于KPCA-PSO-SVM方法建立的径流预测模型有较好的预测和泛化能力,是一种行之有效的中长期径流预测方法。     

基于鸡群算法优化相关向量机的混凝土坝变形预报模型

针对混凝土坝变形监控模型中大坝变形与环境影响因素之间的复杂非线性问题,为提升大坝变形监控模型的预报能力,提出了一种基于鸡群算法(CSO)优化相关向量机(RVM)的混凝土坝变形预报模型。考虑到相关向量机核函数参数的选取直接影响其回归分析性能,采用鸡群算法对其核函数参数进行寻优处理。据此,构造了基于鸡群算法优化的相关向量机模型,进而提升相关向量机的预报精度和泛化能力。以某混凝土坝长期变形监测资料分析表明,基于鸡群算法优化的相关向量机模型预报可有效挖掘大坝变形与环境因素间复杂的非线性函数关系,相比传统的相关向量机模型,该模型的拟合与预报精度更优,有效验证了所提方法的合理性与有效性,为大坝变形分析与预测提供新的模型方法。     

基于DPSO-ANFIS的大坝变形预测模型

变形预测模型是大坝结构安全性态分析的关键技术支撑。针对现有大坝变形预测模型在精确度、泛化性等方面的不足,将自适应模糊神经网络引入到大坝变形预测模型中,利用动态权重粒子群算法对自适应模糊神经网络中模糊层的适应度值进行参数寻优,形成可以寻找最优适应度值的自适应模糊神经网络,进而建立基于DPSO-ANFIS的大坝变形预测模型。根据大坝原型监测数据,代入训练好的模型得到输出值,并将其与实际监测数据进行对比分析。工程实例应用表明,基于DPSO-ANFIS的大坝变形预测模型输出值与实测值偏差最大为0.0516 mm,均方根误差为0.0351 mm,平均绝对误差为0.0320 mm,各项指标精度均优于基于PSO-ANFIS、ANFIS和BP神经网络的大坝变形预测模型。针对不同位置测点、预测时间段,基于DPSO-ANFIS的大坝变形预测模型输出值接近实测值,预测趋势符合真实值走向,整体预测性能稳定。该模型具有较高的精确度、良好的泛化性与可靠的稳定性,工程实用综合性能较优。     

基于相空间重构的大坝服役性态小波支持向量机预测模型

通过支持向量机与相空间重构、小波分析、粒子群算法等的组合应用,充分考虑大坝原型监测数据特征,开展了大坝变形性态预测模型研究。为提升模型的抗噪能性,首先利用小波分析工具对监测数据序列进行时频分解,对分解所得的高频子序列实施阈值去噪处理;进而在借助混沌相空间重构技术,计算各子序列延迟时间与嵌入维数的基础上,重构各子序列的相空间。依据去噪和重构后的变形子序列,建立大坝变形性态支持向量机预测模型。考虑到支持向量机惩罚因子与核函数参数对模型预测精度影响显著的特点,引入粒子群算法,并通过支持向量机的参数寻优,进一步提高了模型的预测精度。工程实例分析表明,相空间重构的大坝变形性态小波支持向量机预测模型具有较强的抗噪和泛化能力,且能够更好地辨识蕴含于大坝原型监测数据中的时频非线性特征,更利于大坝变形性态的精准预测。     

基于马尔科夫链残差修正的EMD-MELM混凝土坝位移预测模型

基于经验模态分解(EMD)、改进的极限学习机(MELM)以及马尔科夫链,提出了一种新的混合模型。由于混凝土坝的变形可看成静水压力、环境温度和时间效应而产生的变形,前两者体现总变形中的周期性分量,后者体现为总变形中的趋势性分量,所以在数据预处理阶段,利用经验模态分解技术将坝体总位移序列分解为趋势分量位移和周期分量位移,选择多项式函数预测趋势分量位移,提出了一种改进的极限学习机,即均值学习机集成(MELM),采用MELM模型对周期分量进行预测。再使用马尔科夫链修正模型对两个模型的拟合残差进行修正预测,叠加各预测值得到最终预测值。在某混凝土坝的应用表明,该组合模型的拟合及预测精度明显优于传统模型,具有操作简便、预测精度高、训练速度快等优点。     

基于人工蜂群算法与Elman神经网络的大坝变形监控模型

针对Elman神经网络收敛速度慢、容易陷入局部极小等问题,建立了人工蜂群算法(ABC)与Elman神经网络组合的大坝变形监控模型。应用于某混凝土重力坝的结果表明,单纯Elman神经网络建模方法预测的相对误差和标准差分别为3.50%和0.131,ABC-Elman(人工蜂群算法与Elman神经网络)模型预测的相对误差和标准差分别为1.98%和0.063。从各影响因子对大坝变形的贡献上看,水压分量占27.9%,温度分量占62.3%,时效分量占9.8%。ABC-Elman模型在建模效率、预测精度等方面均有一定的优势,较适合于大坝变形的建模分析,并可推广于大坝渗流、应力等监控模型中。     

基于改进GWO和SVM的大坝变形预测

建立准确可靠的大坝变形预测模型是大坝安全评价的重要内容,为此,将差分进化算法的交叉和变异算子引入灰狼优化算法(GWO),提出一种基于改进灰狼算法(MGWO)优化支持向量机(SVM)的大坝变形预测方法。通过差分进化算法丰富初始种群,提出改进灰狼优化算法(MGWO),并采用MGWO算法优化SVM的惩罚因子和核函数,建立基于MGWO-SVM算法的大坝变形预测模型。以锦屏一级特高拱坝实测数据为例,将MGWO-SVM模型与SVM、GWO-SVM模型的预测结果进行比较。结果表明,MGWO-SVM模型可以有效提高大坝变形预测精度。     

基于M-ELM的大坝变形安全监控模型

针对大坝变形监测数据存在的非线性强、异常值诊断和剔除工作复杂及传统监控模型抗粗差能力差等问题,结合稳健估计理论抗粗差性强和极限学习机在处理非线性问题方面的优势,建立了基于稳健估计极限学习机的大坝变形安全监控模型。试验确定网络隐含层层数,构建4次方损失函数,采用加权最小二乘法计算输出权值,实现原始监测数据的拟合和预测。以某工程大坝变形监测数据为例进行建模分析,结果表明:以反映模型预测精度的均方误差和平均绝对百分误差及反映模型鲁棒性的中位数绝对偏差作为评价指标,基于稳健估计极限学习机的大坝变形安全监控模型的各项指标明显优于对比模型。     

基于BBO-SVM的大坝变形预测模型与性能验证

针对大坝监测数据小样本、高维度和非线性的特点,引入支持向量机( SVM) 机器学习方法,采用生物地理学优化算法( BBO) 优化其惩罚因子 c 和核函数参数 g,建立了基于 BBO-SVM 的大坝变形预测模型。结合 2011—2016 年水口大坝 4 个测点共 900 组环境量与效应量监测数据,对模型预测性能进行了验证,并将预测结果与 SVM、PSO-SVM 和 ABC-SVM 大坝变形预测模型进行对比。结果表明: 文中提出的 BBO-SVM 模型不仅预测精度高,且稳定性更好,4 个测点的均方根误差分别达到了 0. 332 0、0. 473 5、0. 405 7、0. 222 8,拟合优度分别达到了 0. 910 4、0. 961 0、0. 962 4、0. 956 9。本研究可提高大坝安全监测成果利用,对于大坝健康状态预测评估具有一定的工程指导意义。     

曲线重力坝形体的优化设计

针对三角形断面并非理论上的最优断面的问题,将重力坝上下游做成曲面形式,利用有限元分析软件ANSYS的优化功能,对曲线重力坝的几何参数进行优化。以重力坝上下游曲线方程的系数作为设计变量,以主要荷载下的抗滑稳定和应力控制为约束条件,以单位坝段的断面面积为目标函数,建立混凝土重力坝结构优化设计的数学模型。以30 m坝高为例进行优化分析,得出曲线坝形明显优于传统的实用剖面的结论,为工程设计提供了参考。     

基于小波EGM-ISFLA-SVR的大坝变形组合预测模型

为了提高大坝变形监控模型的预测能力,充分挖掘变形实测数据并及时了解大坝的运行性态,提出了一种基于小波EGM-ISFLA-SVR的大坝变形组合预测模型。该模型首先应用小波分析进行去噪,提取变形监测序列的时效分量以及由水压、温度分量组成的综合效应分量。然后,分别运用均值GM(1,1)模型和基于改进的混合蛙跳算法的支持回归机模型对两种序列进行建模和预测。最后,经小波重构得到组合模型。通过工程实例对模型效果加以检验,采用多项指标分别与传统统计模型的拟合精度和预测精度进行对比。结果显示,该模型拟合时具有比统计模型更大的复相关系数和更小的均方差;预测时均方差、平均绝对百分比误差和平均绝对误差均小于统计模型,表明该模型具有更高的拟合和预测精度和更强的泛化能力。