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基于GRA-GPR的滚石运动特征参数敏感性分析及预测模型.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月自 然 灾 害 学 报 .收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金项目()陕西省自然科学基础研究计划()陕西省自然科学基础研究计划一般项目(青年项目)()作者简介:赵天豪()男硕士研究生主要从事水工结构工程方面的研究:.通讯作者:杨 杰()男教授博士主要从事水工结构数值仿真及安全监控研究:.文章编号:()./.基于 的滚石运动特征参数敏感性分析及预测模型赵天豪马春辉杨 杰程 琳(.西安理工大学 水利水电学院陕西 西安 .西安理工大学 省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室陕西 西安)摘 要:针对滚石运动特征参数间关系模糊等问题在开展其敏感性分析的基础上构建准确、快捷
2、的滚石运动特征参数预测系统 首先引入灰色关联法()以水平运动距离、弹跳高度和碰撞能量等滚石运动特征为目标参数研究了初始速度、边坡摩擦角、滚石质量、法向恢复系数和切向恢复系数等滚石运动影响因素的敏感性和显著性 随后使用高斯过程回归模型建立水平运动距离、弹跳高度和碰撞能量等滚石运动特征参数的预测模型避免了传统的滚石运动数值模拟软件繁琐的建模计算过程 研究表明高斯过程回归()模型对滚石的水平距离和总动能的预测精度最高 因此文中所构建的滚石运动特征参数敏感性分析及预测模型能够快速得出滚石运动特征参数对支挡结构的设计和施工有重要的参考价值关键词:边坡滚石敏感性分析灰色关联模型预测滚石特征参数中图分类号:
3、文献标识码:(.):.().().自 然 灾 害 学 报第 卷.:引言滚石是指个别块石因某种原因从地质体表面失稳后经过下落、回弹、跳跃、滚动或滑动等运动方式中的一种或几种的组合沿着坡面向下快速运动最后在较平缓的地带或障碍物附近静止的动力演化过程 滚石灾害虽发生规模较小但由于其具有泛生性、突发性和随机性的特点其所造成的生命、财产损失与大规模滑坡灾害基本相当 随着我国国民经济的高质量发展和西部大开发战略的实施水利、公路和建筑等基础建设范围日益广泛所面临的滚石灾害问题愈发凸显 因此明确合理、有效的支挡结构设计方案和位置是防止滚石灾害发生、减少灾害损失的有效手段之一而滚石的运动特征参数是制定支挡结构方
4、案的关键指标直接关系到滚石防护治理工程的安全性、经济性和有效性 由于边坡滚石的影响因素众多滚石的运动特征参数具有明显的随机性和模糊性目前缺少易用性高和精确度高的边坡滚石运动特征参数预测方法国内外专家学者针对滚石的运动模型运动参数开展了大量的研究:在滚石的运动参数方面黄润秋等通过现场滚石试验分析了滚石形状对滚动摩擦系数的影响 等应用数学模型进行落石的研究 等研究了 个实际落石的堆积并采用幂律分布拟合落石体积分布数据秦志英等通过单球碰撞系统的数值仿真从精度、效率和微观接触过程等方面对各种碰撞模型进行了比较何思明等研究了滚石法向和切向碰撞恢复系数的计算模式与计算公式并阐明了影响碰撞恢复系数的主要因素
5、 在滚石运动预测方面吴顺川等提出了落石参数的正交试验确定方法及基于概率分析的落石预测分析思路吴琴等通过分析崩塌落石的运动形式和受力情况对灾害的危险性进行预测王学良等对山区输变电工程中滚石灾害的识别与预测方法进行了研究郭亮等通过室内模型试验考察基覆界面倾角、傍依坡角和堆积高度对震后崩塌堆石体稳定性的影响揭示失稳前兆特征及变形破坏模式何宇航等对九寨沟景区悬沟危岩体的威胁范围进行了预测熊绍真等采用 离散元数值模拟方法对高陡斜坡在地下开采作用下崩塌所产生的机理、失稳模式和运动轨迹进行了全过程模拟魏新容等基于颗粒接触理论并考虑了斜坡滚石碰撞过程中的随机因素建立了斜坡滚石速度预测模型 等利用 近邻算法预测
6、落石跳动范围根据与坡脚的距离将落石跳动范围分类为不同的子区间 等将逻辑模型树与装饰、随机子空间和旋转森林集成技术相结合比较混合方法的预测性能以对不同类型的滑坡进行敏感性评估 等引入 支持向量机和 神经网络建立斜坡特征落石预测系统并通过工程实例对预测系统进行了验证刘福臻等基于 环境下三维落石模拟软件 对物源区块石进行了运动轨迹、速度和弹跳高度的数值模拟 上述研究在滚石问题中均取得了重要进展但对于滚石运动特征参数的研究目前多针对单一因子尚未有不同因素的敏感性研究且缺少科学、快捷的滚石运动特征参数预测系统综上本文将灰色关联法与滚石运动数值模拟相结合以滚石的水平运动距离、弹跳高度和冲击运动能量为目标指
7、标分析评价不同滚石运动特征影响因素的显著性 在此基础上采用多种预测方法对滚石运动特征参数进行预测并依据预测精度选取精度最优的预测模型以快速估算滚石运动参数为支挡结构的设计施工提供科学合理的依据 模型原理简介.原理灰色关联法()用于判断多因素之间的关联性可以确定各因素与参考变量之间的主次关系进而掌握事件的主要特征相较于其他多目标优化方法灰色关联法具有搜索性强和效率高的特点 本文采用邓氏关联度评价滚石运动特征参数与其影响因素的显著性关系 邓氏灰色关联法原理如下:设有参考序列()和比较序列()由于不同变量的量纲不同故需进行无量纲处理:第 期赵天豪等:基于 的滚石运动特征参数敏感性分析及预测模型()(
8、)()()()()式中:()为目标无量纲化处理后的数据()为第 项对应实验值求差序列()及差序列的最大差 和最小差 公式为()()()()()()()()()()可得灰色关联系数:()()()式中 为分辨系数取值区间为()具体取值要具体分析情况 当.时分辨力最好通常取值.滚石灾害受到地形、地质、环境和人为因素等各种因素的影响有较强的不确定性属于灰色系统因此滚石运动特征参数及其影响因素的研究也属于灰色关联分析的范畴灰色关联法还具有原始信息量少、计算简单及预测精度较高等优点 综上灰色关联法适合滚石运动特征参数影响因素的敏感性分析.预测模型高斯过程回归()是基于贝叶斯网络的新型机器学习算法它适用于处
9、理小样本、随机性强及多维复杂因素预测问题 模型本质上是非参数回归模型是将函数的分布从有限维度空间推广到无限维 对于数据集合:()()输入矩阵 输出矩阵为 其中()()()可构成输入变量的联合高斯分布集合即()()()()考虑到训练样本目标值中可能存在噪声所以 的一般模型为()()式中 为独立的高斯白噪声方差为()()()式中:为单位矩阵()和()分别为 的协方差矩阵与核矩阵训练数据的输入向量 和输出向量 以及测试数据的输入向量 和输出向量 间的联合高斯分布为()()()()()式中()()()()()为 维协方差函数测试数据的自协方差函数值为()由此可以得到高斯过程回归方程即()()()()(
10、)()()()()()式中 为预测均值向量基于 的滚石运动特征参数预测模型构建影响滚石运动的因素众多针对单一工程边坡目前缺少简单易操作的滚石运动特征参数预测系统 因此深入研究滚石影响因素是进行防护措施设计、施工和构建滚石运动特征参数预测模型的关键 综上本文基于 计算分析滚石运动影响因素的敏感性并根据敏感性分析结果基于 等预测方法构建了不同滚石运动特征参数的预测模型其主要计算步骤如下:自 然 灾 害 学 报第 卷)灰色关联分析:确定参考序列和比较序列即滚石运动特征参数和各个影响因子针对数据进行无量纲化处理求解参考序列和比较序列之间的灰色关联系数值求解关联度值对关联度值进行排序得出结论 并将灰色关
11、联的分析结果与极差方差的结果结合分析得出不同影响因子对 个滚石运动特征参数的敏感性排序 将灰色关联分析的结果与方差极差分析的结果相结合对各个影响因子的敏感性进行综合排序)预测模型的构建:基于不同影响因子的敏感性排序结果和现场实际的勘察情况构建预测模型数据集对敏感性较高的因子取较多的因素水平对敏感性较小的因子取较少的因素水平 完成因素水平的选取后将部分数据集按照一定比例归为验证集利用二维滚石数值模拟软件计算工程边坡的滚石运动特征参数)数据预测:利用不同预测方法对 个滚石运动特征参数进行预测并将预测结果与验证集中滚石模拟软件的计算结果、误差进行对比分析以此来验证模型的精确性为实际工程的工作人员提供
12、科学精准方便易操作的滚石运动特征参数预测模型 模型构建的流程如图 所示图 模型构建流程图.基于 的滚石运动影响因素敏感性分析滚石运动特征参数的影响因素众多且均具有随机性和模糊性的特点对滚石防护措施的设计、施工及管理都造成了困难 因此探究众多影响因素对滚石运动特征参数的影响程度对实际工程中防护方案的制定有重要的意义 是分析因子间相互关系的有效方法且对样本量、样本概率分布形式要求低因此能够将 与滚石数值模拟结合用于分析不同滚石运动影响因素的敏感性影响滚石运动特征参数因素众多 本文将水平运动距离、弹跳高度 和总动能 作为滚石运动特征参数其主要受初始速度、边坡摩擦角、滚石质量、法向恢复系数 和切向恢复
13、系数 等 个滚石运动影响因素的影响 其中 和 的取值主要受边坡和滚石岩体性质的影响因此在以下滚石运动分析中不将 和 作为独立因素考虑本研究通过滚石运动数值模拟进行计算将滚石简化为质点以分析崩落岩体的运动 数值模拟是基于滚石基本参数进行大量模拟和概率统计能够模拟出滚石运动过程中的运动轨迹、运动状态及运动特征参数.敏感性分析试验方案设计滚石运动影响因素的具体取值范围如表 所示 对于初始速度 通常认为滚石在启动时 较小本文第 期赵天豪等:基于 的滚石运动特征参数敏感性分析及预测模型表 滚石运动影响因素的取值范围 参数取值范围初始速度/(/).摩擦角 /()质量/法向恢复系数.切向恢复系数.取值范围为
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- 关 键 词:
- 基于 GRA GPR 运动 特征 参数 敏感性 分析 预测 模型
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