混凝土坝变形Wavelet-EGM-PE-ARIMA组合预测模型

混凝土坝的总变形可以归结为由水压和温度变化引起的变形以及随时间发展的变形。其中,水压变形和温度变形体现为总变形中的周期性分量,而时效变形体现为总变形中的趋势性分量。借助复合建模思想,提出一种混凝土坝变形Wavelet-EGM-PE-ARIMA组合预测模型。首先利用小波多分辨分析功能,分解出大坝变形时间序列中的趋势性项、周期性项;其次,运用EGM模型实现对趋势性项的有效预测,采用周期外延模型实现对周期性项的有效预测,在此基础上,利用ARIMA模型实现对EGM模型和周期外延模型残差项的有效预测;最后通过某工程实例,检验所提出模型的有效性。计算结果表明:该组合模型充分考虑大坝各变形分量的变化规律,并基于此,实现对大坝变形时间序列有效的拟合和预测,且其拟合和预测精度均明显优于传统统计模型。     

基于小波消噪及BP神经网络的大坝变形分析

基于港口湾大坝多期变形观测数据,采用Matlab语言、小波消噪及BP神经网络分别建立了基于时间序列和基于环境因素的大坝变形监测BP神经网络模型,并利用模型分别对大坝某点变形值进行预测。时间序列BP模型具有结构简单、学习速率快的特点;环境因素BP模型精度高,可有效反映变形因素,便于拟合预测复杂的测点变形,相对前一种模型能更好地揭示大坝变形规律。两种建模方法先应用小波分析对原始观测数据消噪,训练过程中采用附加动量法等改进BP算法,大大提高了BP神经网络的计算效率,克服了其易陷入局部极小的缺陷,取得了良好的拟合效果和预测精度。     

基于WA-LSTM-ARIMA的混凝土坝变形组合预测模型

针对混凝土坝变形实测数据序列的不规律性和预测精度欠佳等问题,基于复合建模思想提出一种基于WA-LSTM-ARIMA的大坝变形组合预测模型。首先通过小波多分辨率分析对原始监测序列进行多尺度分解,从中提取高频周期性分量、低频趋势性分量和高频随机性分量;然后将去噪处理后的随机分量与高频周期性分量融合得到综合高频序列,并使用LSTM进行建模预测,对于低频趋势性分量则应用ARIMA模型进行预测,将两组预测结果叠加后即可得到最终的坝体变形预测结果;最后通过工程实例证明该模型所得预测值与实测值拟合较好,与传统的静态模型预测结果对比表明,该模型的预测精度更高。     

基于EMD的小波神经网络模型预测大坝变形

针对大坝变形预测中非平稳非线性的数据处理问题,以及小波神经网络(WNN)在预测中无法实现自适应多分辨率分析的不足,提出一种基于经验模态分解(EMD)的小波神经网络预测模型(EMD-WNN)。利用经验模态法将变形时间序列分解成具有不同物理尺度特征的变形分量,以便降低其非平稳性;然后采用游程判定法对波动程度相似的分量重构为高、中和低频3个分量,并分别对其建立WNN模型;最后叠加各预测值即为最终预测结果。算例与多元回归模型、BP神经网络模型和WNN模型对比分析表明,该算法预测精度较高,可用于大坝变形预测。     

基于LSTM-Arima的大坝变形组合预测模型及其应用

大坝变形是水压、温度等多种因素综合作用的结果,变形监测数据是非平稳非线性的时间序列,并且在时间维度上具有关联性。为充分挖掘变形监测数据在长短时间跨度上的关联性,提出了应用长短期记忆网络(LSTM)预测大坝变形的方法。为进一步提升预测精度,利用自回归差分移动平均模型(Arima)对预测残差进行误差修正,从而建立基于LSTM-Arima的大坝变形组合预测模型。以某混凝土重力坝为例,将组合模型的预测结果与Arima模型、支持向量机(SVM)的预测结果进行对比分析。结果表明LSTM-Arima的预测结果优于Arima模型和SVM的预测结果,LSTM-Arima的均方根误差(RMSE) 比Arima模型和SVM分别降低了40.65%和59.00%,平均绝对误差(MAE)分别降低了35.49%和55.60%,表明LSTM-Arima模型具有较高的预测精度。研究成果对于更精确地开展大坝变形预测有一定参考价值。     

小波和混沌神经网络在大坝变形预测中的应用

大坝是复杂的变形系统,其变形表现为动态非线性,也存在混沌现象。为充分利用大坝变形监测位移时间序列,实现位移单变量情况下的准确预测,提出了一种小波和混沌神经网络预测新方法,首先对大坝位移变形监测数据进行小波分解,其次对分解后的平滑信号进行傅里叶函数拟合预测,再对细节信号进行软阈值去噪和混沌神经网络预测,最后将预测信号进行小波重构。通过工程实例对比分析了小波和混沌神经网络预测新方法、神经网络模型、多元回归模型在大坝位移变形预测中的精度。结果表明,小波和混沌神经网络预测方法的预测精度最高,可以应用于大坝变形预测。     

大坝安全性态的非线性组合监控

利用小波网络构造模型的优化组合函数，以实现对不同的大坝安全监控子模型的非线性组合。将非线性组合函数的拟合转化为小波网络参数的估计，采用遗忘因子法训练网络的权值，利用递推预报误差算法训练尺度因子和平移因子。最后，将该非线性组合模型用于对大坝安全性态的拟合和预测。实例表明，该方法具有很强的泛化能力与自适应数据和函数变化的能力，可以实现大坝安全监控多模型的优化组合，能够有效提高拟合和预测精度。     

基于EMD-FOA-BP神经网络的大坝变形预测研究

建立了以经验模态分解法(EMD)和果蝇算法(FOA)优化BP神经网络为基础的EMD-FOA-BP大坝变形预测模型,该模型首先利用EMD将大坝变形序列分解成相对平稳的分量,再根据各分量的特点构造不同FOA-BP模型并进行预测,叠加各分量预测值得到最终预测结果。结果表明,EMD-FOA-BP模型的自适应能力、学习能力及非线性映射能力较强,在大坝变形预测应用中能有效提高精度,预测精度较FOA-BP模型有所提高,且明显优于BP神经网络模型和GA-BP模型。     

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EEMD-ELM的大坝变形预测模型

建立合理可信的大坝变形监控模型对科学有效地分析大坝变形监测数据和准确可靠地评估大坝工作运行状况意义重大。通过EEMD算法分解大坝变形量,得到代表不同特征尺度的本征模函数(IMF)分量,针对不同IMF分量选择不同影响因素,将各IMF分量作为极限学习机(ELM)的训练样本对大坝变形分量进行分析、拟合、预测,最后累加各IMF分量的预测结果得到大坝变形预测值。以某碾压混凝土重力坝为例,利用EEMD-ELM模型对大坝变形量进行预测,同时与BPNN模型和ELM模型的预测结果进行对比分析,其中EEMD-ELM模型的平均相对误差为0.566,较BPNN模型、ELM模型分别降低54%和14.8%,表明EEMD-ELM模型预测精度更高,具备一定的应用价值。     

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。     

考虑黏弹性滞后效应的拱坝位移监控组合模型

位移监控模型需要对拱坝变形性态兼具良好的解释和预测能力。水压-滞后-周期性温度-时效四因子HHST(Hydraulic,Hysteretic,Seasonal and Time)模型能够合理地解释锦屏一级拱坝的黏弹性滞后变形性态。为进一步提升该模型的预测精度,使用支持向量机(SVM)建立有限元计算所得拱坝黏弹性滞后位移与其因果因子之间的隐式关系,再将其融入到HHST模型中,进而基于多元线性回归建立拱坝位移的组合监控模型。以锦屏一级拱坝为例,减少输入因子数的组合模型的预测精度明显高于直接以HHST模型中18个因子作为输入的单一模型;SVM对滞后水压位移分量的预测精度明显高于基于约束最小二乘法的线性回归模型,采用2种滞后水压分量所建组合模型对拱坝变形性态具有相近的解释能力,而采用SVM滞后水压分量建立的组合模型可有效地提高拱坝位移的预测精度,多测点均方误差(MSE)平均降低21.67%,决定系数R²整体提高0.07%。     

改进温度分量的拱坝变形时空分布模型

通过对混凝土拱坝变形滞后特性的研究,分析了温度效应对坝体位移影响规律,并引入瑞利分布函数建立了改进温度分量的拱坝变形监控统计模型。再通过引入空间坐标,考虑变形值在空间的连续性,建立了改进温度分量的拱坝时空分布模型。由于所建立的监控模型因子较多,因此应用粒子群算法和逐步回归分析法进行参数寻优。最后将所建立的拱坝变形时空分布模型应用于某拱坝变形监控中,结果显示:影响因子的个数减少,复相关系数及剩余标准差均优于传统模型,所建立的模型较传统大坝变形监控模型精度更高、拟合效果更好。     

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 PCA － ＲBF 神经网络的混凝土坝位移趋势性预测模型

为了提高混凝土坝位移趋势的预测精度,提出了一种基于主成分分析( PCA) 和径向基( ＲBF) 神经网络的混凝土坝位移趋势性预测模型( PCA － ＲBF) 。首先,利用主成分分析,将混凝土坝多测点 的径向位移监测数据降维,消除影响分量数据集的多重相关性,分别提取出主元位移和主元影响分 量。然后,把主元位移和主元影响分量输入径向基神经网络并构建模型,对提取出的主元位移进行预 测。最后,将本法应用于某混凝土坝,结果表明,PCA － ＲBF 模型的均方根误差( ＲMSE) ,平均绝对 误差( MAE) 和平均绝对百分比误差( MAPE) 分别为 2. 037 8 mm,1. 698 6 mm 和 3. 32% ,显著低于传 统的多元回归统计模型、径向基神经网络模型( ＲBF) 和利用经主成分分析进行因子处理的 BP 神经网 络模型( PCA － BP) ,说明 PCA － ＲBF 模型有着良好的预测精度。     

Cloud-Verhulst hybrid prediction model for dam deformation under uncertain conditions

Uncertainties existing in the process of dam deformation negatively influence deformation prediction. However, existing deformation prediction models seldom consider uncertainties. In this study, a cloud-Verhulst hybrid prediction model was established by combing a cloud model with the Verhulst model. The expectation, one of the cloud characteristic parameters, was obtained using the Verhulst model, and the other two cloud characteristic parameters, entropy and hyper-entropy, were calculated by introducing inertia weight. The hybrid prediction model was used to predict the dam deformation in a hydroelectric project. Comparison of the prediction results of the hybrid prediction model with those of a traditional statistical model and the monitoring values shows that the proposed model has higher prediction accuracy than the traditional statistical model. It provides a new approach to predicting dam deformation under uncertain conditions.     

基于PSO-SVM的碾压混凝土坝变形预测模型

为提升大坝变形预测能力,提出了一种基于粒子群算法(PSO)优化支持向量机(SVM)的混凝土重力坝变形预测模型.通过粒子群算法对支持向量机惩罚函数C与核函数σ进行寻优,避免了拟合过程中易陷入局部最优解的问题,提高了模型的拟合精度.以新疆北疆某碾压混凝土坝2014年～ 2019年变形监测数据为例,建立了逐步回归、SVM、P...