1、，.，.基 金 项 目：国 家 自 然 科 学 基 金 联 合 基 金 项 目（）；高 性 能 土 木 工 程 材 料 国 家 重 点 实 验 室 开 放 基 金 项 目（）（）（）：.基 于 机 器 学 习 回 归 模 型 的 三 峡 大 坝 混 凝 土 强 度 预 测徐 潇 航，胡 张 莉，刘 加 平，李 文 伟，刘 建 忠 东 南 大 学 材 料 科 学 与 工 程 学 院，南 京 中 国 长 江 三 峡 集 团 有 限 公 司，北 京 江 苏 苏 博 特 新 材 料 股 份 有 限 公 司，南 京 人 工 神 经 网 络、决 策 树 与 支 持 向 量 机 为 目 前 混 凝 土 强
2、度 预 测 的 常 用 机 器 学 习 算 法。为 实 现 三 峡 大 坝 大 体 积 混 凝 土 原 材 料 筛 选 以 及 配 比 经 验 的学 习 与 应 用，并 对 大 坝 维 护 以 及 其 他 水 利 工 程 的 建 设 提 供 指 导，本 研 究 基 于 三 峡 大 坝 主 体 工 程 混 凝 土 抗 压 强 度 数 据，构 建 了 原 材 料 性 能 及 配 合比 与 混 凝 土 强 度 之 间 的 关 系，并 结 合 随 机 森 林 特 征 权 重 排 序 与 统 计 分 析 的 方 法，确 定 了 水 泥 用 量、混 凝 土 温 度、水 灰 比 为 影 响 三 峡 大 坝
3、混 凝 土 抗 压 强度 的 关 键 特 征 参 数。探 讨 了 常 用 机 器 学 习 算 法 对 三 峡 大 坝 混 凝 土 强 度 预 测 效 果，依 据 固 定 特 征 参 数、通 用 参 数 与 超 参 数 综 合 调 优 后 的 多 种 算 法的 预 测 结 果 对 比 可 知，经 体 系 化 综 合 调 优 的 支 持 向 量 回 归（）算 法 在 预 测 中 更 优。关 键 词 混 凝 土 三 峡 工 程 抗 压 强 度 机 器 学 习 模 型 调 优中 图 分 类 号：；文 献 标 识 码：，（），引 言随 着 工 程 建 设 发 展，混 凝 土 使 用 环 境 日 益 复
4、杂，基 于 传统 配 合 比 设 计 方 法 的 混 凝 土 制 备 技 术 因 受 限 于 人 工 经 验 与大 量 试 验 批 次 等 问 题，已 与 现 代 混 凝 土 的 发 展 脱 节。为 满 足新 型 建 筑 材 料 高 品 质 开 发、混 凝 土 性 能 有 效 预 测 以 及 多 方 位性 能 优 化 等 需 求，亟 需 探 索 和 建 立 科 学 智 能、通 用 高 效 的 配合 比 设 计 技 术 体 系。机 器 学 习 方 法 因 具 有 广 泛 学 习 数 据 集 中 蕴 含 的 规 律 或判 断 规 则 并 辅 以 人 工 经 验 调 整 构 建 模 型 的 特 征，
5、是 突 破 传 统配 合 比 设 计 中 经 验 回 归 模 型 局 限、预 测 混 凝 土 配 合 比 与 性 能间 关 系 的 新 兴 路 径。该 方 法 目 前 在 土 木 工 程 领 域 的 高 层 建筑 抗 震、城 市 智 能 规 划、结 构 智 能 设 计、工 程 健 康 监 测、生 产质 量 管 控、材 料 强 度 预 测 与 耐 久 性 多 目 标 配 合 比 优 化 等 方 面得 到 关 注 与 应 用，采 用 的 算 法 主 要 有 人 工 神 经 网 络、支 持 向量 机、决 策 树 等。其 中，人 工 神 经 网 络 通 过 改 变 激 励 函 数 与提 升 隐 藏 层
6、 层 数 引 入 非 线 性，通 常 选 取 交 叉 熵 等 作 为 损 失 函数，算 法 具 有 强 适 应 性 但 需 要 大 量 数 据 训 练 且 难 以 解 释 内 部机 制；支 持 向 量 机 通 过 核 函 数 引 入 非 线 性，通 常 选 取 合 页 损失 函 数 并 以 最 大 化 边 界 为 目 标，具 有 较 优 异 的 非 线 性 可 分 性能，但 核 函 数 较 敏 感 且 训 练 难 度 大；决 策 树 通 过 构 建 树 结 构并 循 环 特 征 分 割 的 过 程，具 有 强 泛 化 能 力 但 易 过 拟 合。各 算法 需 结 合 不 同 数 据 情 况 与
7、 所 需 解 决 的 具 体 问 题 综 合 选 择 与使 用。抗 压 强 度 是 混 凝 土 最 基 础、最 重 要 的 力 学 性 能，也 是 混凝 土 结 构 设 计 中 需 考 虑 的 关 键 因 素。其 公 开 数 据 全、标 准 规范 中 也 有 相 应 经 验 预 测 模 型，可 为 基 于 原 材 料 及 配 合 比 的 预测 提 供 基 础。目 前 国 内 外 学 者 在 采 用 机 器 学 习 方 法 预 测 混凝 土 抗 压 强 度 方 面 已 展 开 了 一 定 的 探 索，等 针 对 实际 工 程 的 大 型 数 据 集 与 的 实 验 室 数 据 集，应 用 主 要
8、 的三 大 类 机 器 学 习 方 法 预 测 普 通 混 凝 土 抗 压 强 度 并 评 估了 数 据 集 模 型 应 用 的 基 本 性 能；等、樊 磊 等、方 涛 等、曹 斐 等 采 用 灵 敏 度 分 析 法、灰 色 关 联 分 析 法、神经 网 络 权 重 重 要 度 分 析 法、马 氏 距 离 法 等 从 单 一 角 度 确 定 不同 强 度 影 响 因 素 对 混 凝 土 抗 压 强 度 的 影 响；曹 斐 等 应 用支 持 向 量 机 模 型 与 基 于 决 策 树 的 随 机 森 林 模 型 并 将 二 者 同人 工 神 经 网 络 模 型 对 比，综 合 分 析 加 州 大
9、 学 欧 文 分 校 实 验 混凝 土、再 生 骨 料 混 凝 土 以 及 公 路 混 凝 土 抗 压 强 度 的 预 测精 度。此 外，部 分 学 者 也 在 算 法 模 型 上 做 了 进 一 步 的 工 作，例 如：人 工 神 经 网 络 模 型 与 模 糊 推 理 模 型（）结 合 的 自 适 应神 经 模 糊 推 理 系 统（）能 够 在 人 工 神 经 网 络 的 基 础 上利 用 提 供 专 家 知 识。等、等 针 对 的 性 能 在 预 测 加 州 大 学 欧 文 分 校 实 验 混 凝 土 以 及 含 高 炉 矿渣、粉 煤 灰 混 凝 土 的 抗 压 强 度 时 得 到 了
10、有 效 检 验；结 合 元 启发 式 算 法 的 优 化 神 经 网 络 模 型 同 样 被 广 泛 应 用，等、等 分 别 在 人 工 神 经 网 络 的 基 础 上 结 合 多 目 标 灰狼 优 化 算 法 与 改 进 的 萤 火 虫 算 法，预 测 含 硅 灰 的 混 凝 土 与 高性 能 混 凝 土 的 抗 压 强 度；而 等、等 针 对 高 性 能混 凝 土 抗 压 强 度 的 预 测 则 采 用 了 基 于 支 持 向 量 机 的 混 合 模 型 与 混 合 模 型，其 具 有 更 高 的 预 测 精度 与 更 强 的 鲁 棒 性；等 则 采 用 在 传 统 树 梯 度 提 升 方
11、法 上 发 展 的 模 型，针 对 提 供 的 混 凝 土 实验 室 数 据 集 预 测 抗 压 强 度，而 显 示 出 较 强 的 结 构 化数 据 集 的 能 力。综 上，目 前 的 研 究 均 取 得 一 定 成 果，但 依 旧存 在 数 据 集 普 遍 量 少 单 一、未 有 效 结 合 数 据 集 本 身 特 征 进 行多 角 度 探 究 特 征 参 数 对 抗 压 强 度 的 影 响、缺 乏 系 统 性 研 究 模型 调 参 对 预 测 结 果 的 影 响 等 问 题。本 研 究 针 对 上 述 问 题，基 于 时 间 跨 度 超 过 年 的 条三 峡 大 坝 主 体 工 程 实
12、测 混 凝 土 抗 压 强 度 数 据，通 过 特 征 量 优化、异 常 数 据 点 检 测、数 据 分 类 等 数 据 预 处 理 建 立 了 包 含 个 特 征 参 数 与 抗 压 强 度 的 结 构 化 数 据 集；提 出 了 基于 随 机 森 林 的 强 度 影 响 因 素 权 重 综 合 判 定 方 法；建 立 了 包 含通 用 参 数、超 参 数 调 整 以 及 大 坝 混 凝 土 抗 压 强 度 预 测 性 能 综合 评 估 的 三 种 优 化 的 机 器 学 习 回 归 算 法。三 峡 大 坝 主 体 工程 数 据 集 作 为 现 阶 段 包 含 原 材 料 配 合 比 及 特
13、 性、力 学 性 能 与耐 久 性 能 并 通 过 工 程 持 续 监 测 得 到 的 具 有 高 度 完 整 性 的 数据 集，可 为 大 坝 混 凝 土 抗 压 强 度 预 测 与 后 续 可 展 开 的 各 项 力学、耐 久 性 能 预 测 研 究 提 供 体 量 充 足、来 源 可 靠 的 数 据 支 持。本 研 究 对 大 坝 等 水 利 工 程 的 混 凝 土 原 材 料 筛 选、配 合 比 设 计具 有 指 导 意 义，可 为 多 类 机 器 学 习 算 法 集 成 调 优 的 发 展 提 供新 思 路，并 为 大 坝 混 凝 土 的 各 性 能 单 项 预 测 与 多 性 能
14、预 测 提供 借 鉴。本 工 作 中 处 理 后 的 结 构 化 数 据 集 所 包 含 的 混 凝 土 原 材料 性 能 及 其 配 合 比 的 特 征 量 为 粉 煤 灰 种 类 依 据 来 源 地 的 不同 划 分 种 类（，）、粉 煤 灰 掺 量（，）、骨 料 级 配（）、水 灰 比（，）、水 泥 品 种（）、水 泥 强 度（）、水 泥 用 量（）、砂 率（）、减水 剂 种 类（，）、减 水 剂 掺 量（，）、引 气 剂 种 类（，）、引 气 剂 掺 量（，）与 混 凝 土 温 度（）。模 型 原 理本 工 作 采 用 人 工 神 经 网 络 中 的 多 层 感 知 机 回 归（，）模
15、 型、支 持 向 量 机 中 的 支 持 向 量 回 归（，）模 型与 决 策 树 中 的 随 机 森 林 回 归（，）模 型 预 测 三 峡 大 坝 混 凝 土 强 度，其 中 输 入 特 征 量 对 于 输 出 量 抗 压 强 度 的 影 响 程 度 采 用 随 机 森 林 中 的 分 类 模 型（，）进 行 判 断。多 层 感 知 机 回 归（）多 层 感 知 机 是 一 种 监 督 学 习 算 法，其 结 构 中 具 有 多 层、前 馈、误 差 反 馈 的 特 点，对 于 给 定 的 输 入 量 和 输 出 量，多 层 感知 机 能 够 通 过 分 类 或 者 回 归 学 习 一 个
16、非 线 性 函 数，其 与 传 统逻 辑 回 归 不 同 之 处 在 于 输 入 与 输 出 层 之 间 存 在 一 个 层 的非 线 性 隐 藏 层，在 各 层 中 神 经 元 为 数 据 单 元，其 包 含 的 信 息与 前 一 层 中 的 所 有 神 经 元 相 关。图 为 基 于 结 构 化 数 据 集 所建 立 的 具 有 个 输 入 量 神 经 元、个（未 确 定）隐 藏层和以 抗 压 强 度（）为 输 出 量 神 经 元 的 多 层 感 知 机 拓 扑 结 构 图。图 多 层 感 知 机 的 拓 扑 结 构 本 工 作 中 采 用 的 多 层 感 知 机 算 法 包 括 正 向
17、传 播、反向 调 整、误 差 迭 代 三 个 过 程。（）正 向 传 播（）（）（）（）式 中：代 表 将 第 个 样 本 输 入 多 层 感 知 机；（）为 第 层 第 个 神 经 元 的 输 出；（）为 前 一 层 的 第 个 神 经 元 指 向 层第 个 神 经 元 的 权 重 值；（）为 第 层 第 个 神 经 元 的输 出；为 第 层 第 个 神 经 元 的 阈 值；（）为 激 励 函 数，隐藏 层 的 激 励 函 数 一 般 为 非 线 性 函 数，输 出 层 的 激 励 函 数 则 既可 能 为 线 性 也 可 能 为 非 线 性 函 数，由 输 入、输 出 的 映 射 关 系决 定。（）反 向 调 整（）（）（）（）（）（）式 中：（）为 第 个 样 本 时 前 一 层 的 第 个 神 经 元指 向 层 第 个 神 经 元 的 权 重 值；（）同 式（）中 一 致；为学 习 率；为 动 量 因 子，；（）为 权 重 调 整 值，利用 梯 度 下 降 算 法 可 得。（）误 差 迭 代依 次 输 入 样 本，待 个 样 本 输 入 完 毕 后，计 算 网 络 总 误材 料 导 报，（）：
