基因表达式编程及其在混凝土徐变分析中应用.pdf
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1、第 3 0卷 第 4期 2 0 0 8年 8月 重 庆 建 筑 大 学 学 报 J o u r n a l o f Ch o n g q i n g J i a n z h u Un i v e r s i t y Vo1 3 0 NO 4 Aug 2 0 08 基因表达式编程及其在混凝土徐变分析中应用 何鲜峰 。 ”, 顾 中时 , 谷艳 昌 , 陈 ( 1 河海大学水电学院 , 南京2 1 0 0 9 8 ; 2 水 资源高效 利用 与工程安全 国家工程研究 中心 , 南京 州4 5 0 0 0 3 ; 4 水利 部堤 防安全与病害防治工程技术研究 中心 郑州4 5 0 0 0 3 ) 睿
2、 2 1 0 0 9 8 ; 3 黄河水 利科 学研究院 , 郑 摘 要 : 混凝 土徐 变分析 在 混凝 土结 构应 力计 算和 变形 分析 中有 着 重要 意义 。 由 于影 响 混凝 土徐 变 的 因 素 较 多 , 徐 变 函数 呈 现 高度 非 线 性 , 传 统 回 归 方 法 难 以 取 得 令 人 满 意 结 果 。 基 因 表 达 式 程 序 设 计 方 法 , 吸 取 了遗 传 算 法 和 基 因编 程 两 者 的 优 点 , 在 解 决 非 线 性 拟 合 问题 方 面 表 现 出非 凡 的 数 据 挖 掘 能 力 与 优 势 。在 基 因表 达 式 编 程 理 论 分
3、析 基 础 上 , 利 用 该 方 法 建 立 了混 凝 土 徐 变 函 数 知 识 挖 掘 模 型 。 实例 表 明 该 模 型 比 常 规 方 法 得 到 的 函 数 有 更 高 的 精 度 。 关键 词 : 基 因表 达 式编程 ( GEP ); 混凝 土徐 变 ; 知 识挖 掘 中图分 类号 : TP 3 1 1文献 标识 码 : A 文章编 号 : 1 0 0 6 7 3 2 9 ( 2 0 0 8 ) 0 4 - 0 0 8 2 0 5 e Ap p l i c a t i o n o f Ge n e Ex p r e s s i o n Pr o w R。 Co n c r e
4、 t e Cr e e p An a l 3 t r o g r a mml n g i n c r e t e Ur eep An a l y s i s HE Xi a n f e ng , 。 一,GU Ch o ng s hi ,GU Ya n c ha ng 一,CHEN Ru i , 。 ( 1 Co l l e g e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d Hy d r o p o we r En g i n e e r i n g,Ho h a i Un i v e r s i t y,Na n j i n g ,2 1 0 0 9
5、8,P RCh i n a ;2 Na t i o n a l En g i n e e r i n g Re s e a r c h Ce n t e r o f Wa t e r Re s o u r c e s E f f i c i e n t Ut i l i z a t i o n a n d En g i n e e r i n g S a f e t y ,Na n j i n g ,2 1 0 0 9 8,P RCh i n a ;3 Ye l l o w Ri v e r I n s t i t u t e o f Hy d r a u l i c Re s e a r c
6、 h,Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 3 ,P , R,Ch i n a ; 4 Re s e a r c h Ce n t e r o n L e v e e S a f e t y Di s a s t e r Pr e ve n t i on M i ni s t r y o f W a t e r Re s ou r c e s,Zh e ng z ho u 4 5 000 3,P RChi na ) Abs t r a c t : The c r e e p a n a l ys i s o f c on c r e t e i s o f gr e a t
7、i mpo r t a nc e i n s t r e s s c a l c u l a t i o n a nd de f o r m a t i on a n a l ys i s o f c o nc r e t e s t r u c t ur e s Si n c e ma ny f a c t o r s a f f e c t c o nc r e t e c r e e p,t h e c r e e p f un c t i on i s h i ghl y n on l i ne a r,ma ki n g i t d i f f i c ul t t o ob t a
8、 i n s a t i s f a c t or y r e s u l t s u s i n g t he t r a d i t i o na l r e g r e s s i o n me t h od The g e ne e xpr e s s i o n p r o g r a mmi n g ( GEP) me t h o d,wh i c h c o mb i n e s t h e a d v a n t a g e s o f GA a n d g e n e p r o g r a mmi n g , s h o ws g r e a t p r o m i s e
9、 a n d c a p a bi l i t y of da t a mi ni n g i n no nl i n e a r f i t t i n gBa s e d on t he or e t i c a l a na l y s i s o f GEP,t he da t a m i n i n g mo d e l o f t h e c r e e p f un c t i on was e s t a bl i s he d by us i n g GEPExa mpl e s i nd i c a t e t hi s mo de l i s mo r e a c c u
10、 r a t e t h a n f un c t i o ns o bt a i ne d by c on v e nt i on a l me t ho ds Ke y wo r d s : Ge n e Ex p r e s s i o n Pr o g r a mmi n g ( GEP) ;c o n c r e t e c r e e p ;kn o wl e d g e mi n i n g 混凝 土徐 变规律 研究 在 混凝土 结构 应力 、 变形 、 预 应力损失计算方面都有重要意义 , 徐变函数 的精确与 否直接影响到上述计算结果的精度 。由于徐变是混凝 土的一种特殊属性
11、, 对水泥品种、 骨料品种、 水灰 比、 龄 期( 养护龄期和加荷龄期 ) 、 荷载大小等多种 因素 比较 敏感 , 徐 变 函数 C( t , r ) 呈 现 高 度 非 线 性 , 常 规 回归 方 法难 以取 得满 意 的 效 果 。因 此 , 国 内外学 者 在 对 大 量 混凝土徐变资料分 析、 归纳和总结 的基础上提 出了多 种徐 变 函数表达 形式 , 然 而这 些经 验公式 普遍 存 在 待定 系数 较 多 , 实 际 应用 时 系数 不 易 确 定 的 难 题 。虽 然神经网络和演化算法分别在建立非线性关系和参数 识别 方 面可 以取 得 较 好 的效 果 , 但 神 经 网
12、络 在 训 练 样本时容易陷入局部最 优收敛 , 且提供的是一个黑箱 系统 , 使用不便 , 而演化算法受所选徐变函数样式 的限 制 , 有 时 效 果 并 不 理 想 。而 基 因 表 达 式 编 程 ( GE P, Ge n e E x p r e s s i o n P r o g r a mmi n g ) 知 识 挖掘 技 术作 为 一 种 新 兴 的知识 挖掘 手段 , 目前 已在股 票投 资 、 信 息系 统 设 计 、 煤 矿 瓦斯 监 控 和 S ARS疫情 分 析领 域 得 到 成 功 * 收稿 日期 : 2 0 0 8 0 3 2 0 基金项 目: 国家 自然科学 基金
13、( 5 0 5 7 9 0 1 0 , 5 0 5 3 9 0 1 0 , 5 0 5 3 9 1 1 0 ) ; 9 7 3基 础研究 发展 计划 ( 2 0 0 7 C B 7 1 4 1 0 3 ) ; 江 苏省 高校研 究 生科 技创 新计 划 ( 1 0 4 4 一B 0 6 0 1 5 ) ; 国家科技支撑计划 ( 2 0 0 6 B AC 1 4 B 0 3 ) ; 中国水 电工程顾问集团公司科技项 目 ( C HC - K J 2 0 0 7 0 2 ) ; 国家 自然科学 基 金委 、 二滩水电开发有 限责任公 司雅砻江水 电开发联合基金( 5 0 5 3 9 0 3 0 1
14、 3 ) ; 黄科 院院所长基 金( HKY J B YW一 2 0 0 8 1 3 ) 作 者简介 : 何鲜 峰( 1 9 7 4 一 ) , 男 , 工程师 , 河海大学博士研究 生 , 主要从 事水工建筑物安全监控 研究 与应用 。( E ma i l ) : h e x f h h u e d u c n 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 何 鲜峰 , 等 : 基 因表 达 式编 程及 其在 混 凝土 徐 变分析 中应 用 8 3 应用 0 I , 可 以 比较 完 美 的解 决 混 凝 土 徐 变 这 类 高 度 非线 性 函数挖 掘
15、 问题 , 并 可 在 全 域 内达 到 最 优 。论 文 将就基 因表达式编程及其在混凝土徐变分析 中根据试 验资料 发现 徐 变规律 的相关 问题 进行 探讨 。 1 GEP程 序 设 计 概 述 GE P最初 由 C a n d i d a F e r r e i r a于 2 0 0 1年提 出 1 1 j , 此后得到迅速发展并逐步完善 。G E P来 源于遗传算 法 ( G A, Ge n e t i c Al g o r i t h ms ) 和 基 因编程 ( G P,g e n e t i c p r o g r a mmi n g ) , 继 承 了二 者 的优 点 。在
16、GE P进 化 过 程 中, 既保持 了 GA 算法遗传操作 的便捷性 , 又拥 有 GP算法的非线性树结构 , 实现 了利 用简单编码解决 复 杂 问题 的 目的l 1 引。 1 1 GE P的基 因和 染色体 结构 基 因表 达式 编程 采用 定长 编码 的符 号 串作 为 遗传 基 因 编码 , 编码 由头 部 ( h e a d ) 和 尾 部 ( t a i l ) 组 成 。头 部 由函数 操作符 ( 来 自于 函数 集 : 运 算 符 和 初 等 函数 ) 或 终结符( 来 自于终结符集 : 自变量和常数) 组成 , 而尾部 仅 含有 终结符 。头部 长 度 h依 据 具体 问题
17、 选 定 , 尾部 长 度 z 则是 h和 的函数 , 并 由下 式决 定 。 Z h ( 一 1 )+ 1 ( 1 ) 其中 为所需参数量最多的函数的参数个数 。例 如 , 开方 和对 数 运 算 , 取 1 ; 而 加减 等 四则 运 算 , 取 2 。GE P中基 因 的这种 结构 避 免 了遗 传操 作 中产 生 大 量的无效编码 , 提高了算法的执行效率 。 考虑 由 + , 一 , *, , Q, S , C, a , b 构 成 的基 因 ( 其中 Q表示开平方 , S和 C分别 表示正弦和余弦 函 数) 。这里 一2 , 如果取 矗 一1 0 , 则 由式( 1 ) 可得 z
18、一1 1 , 基 因 总长度 为 1 0 + 1 1 2 1 。则 式 ( s i n n C O S b a ) + , 7 b的基 因编码 可表 示为 ( 尾部 用 黑斜 体表 示 ) : 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0+ 一 *s Qb a Ca a b a a b b b a a b a ( 2) 要将其变换成 表达式树 ( E x p r e s s i o n Tr e e , E T) , 只要 按照从左到右顺序读取基因 , 并按照层次顺序构成表 达式树 。依 照 上 述规 则 解 析 基 因 ( 2 ) 得 到 的 树 如 图
19、 1 所示 。该例 中表 达式长 度 为 1 2个 字符 , 基 因后 部 的非 编码区域为程序的进化提供了很大空间。 图 1 基 因表达式树形结 构 在 GE P中 , 若 干个类 似 的等 长基 因按 照 一定 的组 合方式构成 了 GE P染色体( C h r o mo s o me ) 。这种组合 视具 体情 况 而 定 , 可 以 是 逻 辑 运 算 , 也 可 以是 四则 运 算。程序运行时 , 基 因的数 目以及基因的头部长度都 是事 前选 定 的 。染色 体 中每个 基 因 片段可 以解 码 成一 个子表达式树 ( S u b Ex p r e s s i o n Tr e e
20、 ,S u b E T) , 多个 子 表 达 式 树 构 成 了 更 复 杂 的 多 子 树 ( Mu l t i s u b u n i t E T) 表达 式 树 口 。G E P染 色 体 的这 种 特 殊 结 构 以及 丰富的遗传 算子 为 GE P解 决 复杂 问题提 供 了基本 保 证 。 1 2 适 应度 函数 和选 择 算子 在 GE P的符号 回归和函数发现过程 中, 所有 的 进化计算算法都需要 对代表个体 的问题解答进 行评 价 。由于解答是一段程序 , 确切 的说是一个表达式 , 对 表 达式 进行 评 价 , 就 是 要 评 测 利 用 该 表 达式 计 算 得 到
21、 的数 据和 目标 数 据 的接 近 程 度 。C a n d i d a提 出 了两 种 评 价模 型 : Ct f 一 ( M J c , ) 一 丁r , ) J ) ( 3 ) J一 1 C t I ,、 1、 l f 一( M-l 1 0 0 I )( 4 ) j =l I J I 其 中, M 是适应度 的取值范围, 为一常数 ; C , 为 由第 i 个染色体解析的公式计算第 组数据集得到的估计 值 ; T j 为第 J组数据集的 目标值 ; C 为训练样本总数。 GE P中对选择 算子 并无 特殊要 求 , 研究 结果 表 明l 1 , 选 择不 同的选 择算 子 在个 体 优
22、 选 能力 上 没 有 明 显差别 , 有些方法可能对解决某个 问题表现较好 , 但对 其他 问题则可能表现欠佳。然而 , 为 了防止超级个体 独 霸种 群 , 在 解 决 比较 复 杂 问题 时最 好 采 用 锦 标赛 选 择算 子 。 1 3 染 色体 的遗传 算 子 如果说 GE P的染 色 体 结 构 是 其 解 决 问 题 的 物质 基础, 那么染色体在遗传过程中丰富多样 的操作算子 则 是 GE P解决 复杂 问题 的重要保 证 。通 常 GE P包 括 复 制 、 变异 、 插 串和重 组 等几 大类 遗传 算子 。 1 3 1 复制 算子 ( R e p l i c a t i
23、 o n ) 根 据 适 应 度 函数 计 算结果和轮盘赌 的选择结果 , 被选 中的染色体被忠实 的复制到下一代。通常 , 适应度高 的个体更容 易被复 制到下一代 。在挑选复制基 因的过程 中, 被选中的基 因组根据轮盘赌 的结果决定 了被复制的次数 , 并根据 种群 中个体的数 量进行相应次数 的旋转, 从而保证 了 种群 的大小维 持 恒定 。 1 3 2 变异 算 子 ( Mu t a t i o n ) 变 异 操 作 可 以 出现 在 染色体的任何部位 。当对染 色体 的每 一位编码遍历 时 , 对其进行随机测试 , 当测试值满足设定的变异概率 维普资讯 学兔兔 w w w .x
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- 基因 表达式 编程 及其 混凝土 分析 应用
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