CN114169106A - 基于改进随机森林模型的评估旋喷桩引起侧向位移的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于改进随机森林模型的评估旋喷桩引起侧向位移的方法，包括以下步骤：S1：收集现场监测数据并对数据进行预处理，划分输入特征数据和输出特征数据；S2：建立随机森林模型，初始化所述随机森林模型的超参数；S3：根据步骤S1得到的输入特征数据和输出特征数据，采用PSO‑SA智能进化算法优化所述随机森林模型的超参数，得到改进的随机森林模型；S4：利用所述改进的随机森林模型，确定侧向位移。本发明利用PSO‑SA与随机森林模型进行杂交得到改进的随机森林模型，通过PSO‑SA确定随机森林模型的最优超参数，提高了随机森林模型的计算效率和评估的准确度，可以快速确定旋喷桩引起的侧向位移。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程领域，更具体地，涉及一种基于改进随机森林模型的评估旋喷桩引起侧向位移的方法。
背景技术
旋喷桩是一种在岩土工程中广泛应用的地基处理技术，其喷射机理涉及高压喷射流体与土壤的相互作用，这种相互作用在周围介质中产生的扰动有改变土壤刚度的倾向。喷射灌浆柱在安装过程常会引起侧向位移，这会让周围结构受到额外的土压力，影响周围结构的稳定性。现有模型评估旋喷桩引起的侧向位移存在操作复杂和没有考虑非线性问题的局限性。
公开日为2021年02月01日，公开号为CN112923842A的中国专利公开了一种基于GNSS定位技术的三维地表位移监测***及方法，该专利自述为：“公开了一种基于GNSS定位技术的三维地表位移监测方法，通过建立基站，以每个基站为中心设置多个监测点，通过超宽带无线电波飞行时间测距技术实时获取基站与监测点、以及各个监测点之间的距离变化，并基于实时的距离变化解算出实时的相对位置变化进行预警。”该专利为实时位移测量提供了技术保障。但由于技术要求高，操作难度大，监测成本较高，并不适用于旋喷桩施工引起的侧向位移监测。
发明内容
本发明提供一种基于改进随机森林模型的评估旋喷桩引起侧向位移的方法，解决现有模型并不适用于评估旋喷桩引起的侧向位移的问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种基于改进随机森林模型的评估旋喷桩引起侧向位移的方法，包括以下步骤：
S1：收集现场监测数据并对数据进行预处理，划分输入特征数据和输出特征数据；
S2：建立随机森林模型，初始化所述随机森林模型的超参数；
S3：根据步骤S1得到的输入特征数据和输出特征数据，采用PSO-SA智能进化算法优化所述随机森林模型的超参数，得到改进的随机森林模型；PSO-SA智能进化算法是融合粒子群算法(PSO)和模拟退火算法(SA)得到的混合算法。
S4：利用所述改进的随机森林模型，确定侧向位移。
优选地，步骤S1中所述现场监测数据包括：
无侧限抗压强度、土压缩指数、土壤含水量、干容重、水泥浆流量及压力、硅酸钠流量及压力、上拔速率、旋转率、超孔隙压力和地表侧向位移。
优选地，步骤S1中所述对数据进行预处理，具体为：
对收集的现场监测数据进行去除异常值，求取最小值、最大值、标准差值以及平均值。
优选地，步骤S1中所述划分输入特征数据和输出特征数据，具体为：
所述输入特征数据为无侧限抗压强度、土压缩指数、土壤含水量、干容重、水泥浆流量及压力、硅酸钠流量及压力、上拔速率、旋转率、超孔隙压力；
所述输出特征数据为地表侧向位移。
优选地，步骤S2中所述随机森林模型为利用多棵决策树对样本进行训练并评估的一种分类器，通过在训练阶段建立决策树集合并输出单个树的平均评估值来进行评估，具体包括步骤：
生成训练集和OOB测试集；
生成决策树；
对每一颗决策树的性能进行评估，得到随机森林模型的评估精度。
优选地，所述生成训练集和OOB测试集，具体为：
从步骤S1中收集的现场监测数据随机且有放回的抽取N个样本组成训练集，得到一个大小为N的训练集，进行k轮抽取，得到k组训练集，分别为T1,T2,…,Tk；每一轮抽取中未被抽取的样本组成OOB测试集，得到k组OOB测试集，分别为O1,O2,...,Ok。
优选地，所述生成决策树，具体为：
对于每一组训练集，从输入特征数据中随机抽取部分特征数据组成新的特征集，并生成决策树，k组训练集共生成k个决策树。
优选地，所述对每一颗决策树的性能进行评估，得到随机森林模型的评估精度，具体为：
将k个OOB测试集依次输入对应的决策树并计算均方误差函数MSEk，取k个OOB测试集的平均值MSE作为随机森林模型的评估精度：
式中，N(Ok)为第k个OOB测试集的样本数，x(Ok)i为OOB测试集Ok的第i个样本的评估值，y(Ok)i为OOB测试集Ok的第i个样本的观测值，MSEk为第k个OOB测试集的均方误差。
优选地，所述随机森林模型的超参数包括决策树数目k、决策树***时考虑的最大特征数F，和叶节点的最小数量M。
优选地，所述步骤S3具体包括以下步骤：
S3.1：确定迭代次数max、PSO-SA参数和收敛阈值limit，所述PSO-SA参数包括惯性因子w，学习因子c1和c2，w的变化系数wdamp，初始温度T，T的变化系数alpha，每个PSO个体的SA邻域数目nMove，突变率mu；
S3.2：设置迭代参数iter＝0，初始化PSO-SA个体向量X＝xiter的位置和向量速度v，个体向量X的位置由随机森林模型的超参数组成：
xiter＝[k,F,M]
S3.3：将均方根误差RMSE设为最小化的目标函数：
式中，N为样本数，yo i为评估值，yi为观测值；
S3.4：检验均方根误差RMSE是否小于收敛阈值limit，若小于，算法达到收敛，停止迭代，若未收敛，进入下一步；
S3.5：iter＝iter+1，计算第iter次迭代的X的候选位置xiter，计算对应的RMSEpso，计算公式如式：
viter＝w viter-1+c1 rand1(pbest–xiter-1)+c2 rand2(gbest–xiter-1)
xiter＝xiter-1+viter
式中，viter为第iter次迭代的粒子速率；xiter为第iter次迭代的粒子位置；rand为介于(0,1)的随机数；pbest为同一粒子经过多次迭代的最佳位置；gbest为不同粒子经过一次迭代的最佳位置；
S3.6：对xiter进行变异，生成nMove个xiter的候选向量，记作xiter,j，0<j<nMove，计算nMove个候选向量对应RMSEnMove值，比较所得RMSEpso和RMSEnMove，选择最小RMSE值对应的候选位置为更新后的xiter；
S3.7：更新w＝w×wdamp，T＝T×alpha，xiter、pbest和gbest，重复S3.4～S3.7直到均方根误差RMSE小于收敛阈值limit；
S3.8：确定个体向量的最佳位置X＝xiter，得到随机森林模型的最优超参数，得到改进随机森林模型。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明针对现有方法中存在的对技术要求较高，操作复杂和没有考虑非线性问题等缺陷，提出了一种基于改进随机森林模型的评估旋喷桩引起侧向位移的方法，利用PSO-SA与随机森林模型进行杂交得到改进的随机森林模型，通过PSO-SA确定随机森林模型的最优超参数，提高了随机森林模型的计算效率和评估的准确度，可以快速确定旋喷桩引起的侧向位移。
附图说明
图1为本发明的方法流程示意图。
图2为实施例提供的旋喷桩施工引起的侧向位移观测值和评估值对比示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
本实施例提供一种基于改进随机森林模型的评估旋喷桩引起侧向位移的方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1：收集现场监测数据并对数据进行预处理，划分输入特征数据和输出特征数据；
S2：建立随机森林模型，初始化所述随机森林模型的超参数；
S3：根据步骤S1得到的输入特征数据和输出特征数据，采用PSO-SA智能进化算法优化所述随机森林模型的超参数，得到改进的随机森林模型；
S4：利用所述改进的随机森林模型，确定侧向位移。
步骤S1中所述现场监测数据包括：
5根旋喷桩的无侧限抗压强度qu、土压缩指数Cc、土壤含水量wn、干容重γt、水泥浆流量Qcement及压力Pcement、硅酸钠流量Qss及压力Pss、上拔速率Rrate、超孔隙压力EPP和地表侧向位移Lat.Disp.，共245组。
所述无侧限抗压强度是指试样在无侧向压力情况下，抵抗轴向压力的极限强度，由无侧限压缩试验获得；所述土压缩指数是指土在有侧限条件下受压时，压缩曲线的斜率，是计算粘性土地基沉降量的指标；所述土壤含水量值是指100g烘干土中含有的水分比例；所述干容重是一定容积的土壤烘干后质量与烘干前体积的比值；所述水泥浆流量及压力是指在喷射灌浆施工过程中，单位时间内流入的水泥浆体积及其对应的压力；所述硅酸钠流量及压力是指在喷射灌浆施工过程中，单位时间内流入的硅酸钠体积及其对应的压力；所述上拔速率是指旋喷桩施工时的上行速率；所述旋转率是指旋喷桩施工旋转速率；所述超孔隙压力是指由于附加应力引起的中性压力；所述地表侧向位移是指地表发生的水平位移；
步骤S1中所述对数据进行预处理，具体为：
对收集的现场监测数据进行去除异常值，求取最小值、最大值、标准差值以及平均值，在本实施例中，所得数值见下表：
表1
步骤S1中所述划分输入特征数据和输出特征数据，具体为：
所述输入特征数据为无侧限抗压强度、土压缩指数、土壤含水量、干容重、水泥浆流量及压力、硅酸钠流量及压力、上拔速率、旋转率、超孔隙压力；
所述输出特征数据为地表侧向位移。
步骤S2中所述随机森林模型为利用多棵决策树对样本进行训练并评估的一种分类器，通过在训练阶段建立决策树集合并输出单个树的平均评估值来进行评估，具体包括步骤：
S2.1：随机抽取196组输入特征数据生成训练集，剩余49组输入特征数据生成OOB测试集，具体为：
从步骤S1中收集的现场监测数据随机且有放回的抽取8个样本组成训练集，得到一个大小为8的训练集，进行196轮抽取，得到196组训练集，分别为T1,T2,…,T196；每一轮抽取中未被抽取的样本组成OOB测试集，得到196组OOB测试集，分别为O1,O2,...,O196。
S2.2：初始化生成91棵决策树，具体为：
对于每一组训练集，从输入特征数据中随机抽取部分特征数据组成新的特征集，生成决策树，随机抽取91组训练集共生成91棵决策树。
对每一颗决策树的性能进行评估，得到改机随机森林模型的评估精度。
S2.3：对每一颗决策树的性能进行评估，具体为：
将196个OOB测试集依次输入决策树并计算均方误差函数MSEk，取196个OOB测试集的平均值MSE作为随机森林模型的评估精度：
式中，N(Ok)为第k个OOB测试集的样本数，x(Ok)i为OOB测试集Ok的第i个样本的评估值，y(Ok)i为OOB测试集Ok的第i个样本的观测值，MSEk为第k个OOB测试集的均方误差，得到随机森林模型的评估精度。
所说决策树是通过调用matlab软件的工具包randomforest所建立的人工智能方法。
在本实施例中，所述随机森林模型的超参数包括决策树数目K＝[10，150]、决策树***时考虑的最大特征数F＝[1,10]，和叶节点的最小数量M＝[1,25]，初始化K＝91，F＝8，M＝12。
所述步骤S3中PSO-SA智能进化算法是融合粒子群算法(PSO)和模拟退火算法(SA)得到的混合算法。该算法定义了一个从初始种群中突变的过程，通过PSO对搜索空间进行广义搜索，通过SA优化搜索过程，来建立PSO和SA之间的一致性。此外，PSO-SA通过定义一个限制系数nMove，来限制每个PSO个体的邻域数目，从而控制细化量和计算量，所述步骤S3具体包括以下步骤：
S3.1：确定迭代次数max、PSO-SA参数和收敛阈值limit，在本实施例中，所述迭代次数max＝1000；PSO-SA参数包括惯性因子w＝1，学习因子c1＝c2＝2，w的变化系数wdamp＝0.99，初始温度T＝0.1，T的变化系数alpha＝0.99，每个PSO个体的SA邻域数目nMove＝20，突变率mu＝0.5；收敛阈值limit为1.05。
S3.2：设置迭代参数iter＝0，初始化PSO-SA个体向量X＝xiter的位置和向量速度v，个体向量X的位置由随机森林模型的超参数组成：
xiter＝[K,F,M]
在本实施例中，初始化PSO-SA个体向量X＝xiter＝[91,8,12]和向量速度v＝1；
S3.3：将均方根误差RMSE设为最小化的目标函数：
式中，N为样本数，yo i为评估值，yi为观测值；
S3.4：检验均方根误差RMSE是否小于收敛阈值1.05，若小于，算法达到收敛，停止迭代，若未收敛，进入下一步；
S3.5：iter＝iter+1，计算第iter次迭代的X的候选位置xiter，计算对应的RMSEpso，计算公式如式：
viter＝w viter-1+c1 rand1(pbest–xiter-1)+c2 rand2(gbest–xiter-1)
xiter＝xiter-1+viter
式中，viter为第iter次迭代的粒子速率；xiter为第iter次迭代的粒子位置；rand为介于(0,1)的随机数；pbest为同一粒子经过多次迭代的最佳位置；gbest为不同粒子经过一次迭代的最佳位置；
S3.6：对xiter进行变异，生成nMove个xiter的候选向量，记作xiter,j，0<j<nMove，计算nMove个候选向量对应RMSEnMove值，比较所得RMSEpso和RMSEnMove，选择最小RMSE值对应的候选位置为更新后的xiter；
S3.7：更新参数w＝w×wdamp，T＝T×alpha，xiter的数值、pbest和gbest，重复S3.4～S3.7，直到RMSE＝1.048达到停止标准，确定了个体向量的最佳位置X＝[97.667,2.333,2.667]，得到改进随机森林模型的最优超参数为K＝97.667，F＝2.333，M＝2.667；
步骤S4利用所述改进的随机森林模型和245组现场监测数据评估旋喷桩引起的侧向位移，见图2。
通过对侧向位移评估值和观测值的比较，可得拟合度为0.979，验证了模型的可靠性和准确性。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于改进随机森林模型的评估旋喷桩引起侧向位移的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：收集现场监测数据并对数据进行预处理，划分输入特征数据和输出特征数据；
S2：建立随机森林模型，初始化所述随机森林模型的超参数；
S3：根据步骤S1得到的输入特征数据和输出特征数据，采用智能进化算法优化所述随机森林模型的超参数，得到改进的随机森林模型；
S4：利用所述改进的随机森林模型，确定侧向位移。
2.根据权利要求1所述的基于改进随机森林模型的评估旋喷桩引起侧向位移的方法，其特征在于，步骤S1中所述现场监测数据包括：
无侧限抗压强度、土压缩指数、土壤含水量、干容重、水泥浆流量及压力、硅酸钠流量及压力、上拔速率、旋转率、超孔隙压力和地表侧向位移。
3.根据权利要求2所述的基于改进随机森林模型的评估旋喷桩引起侧向位移的方法，其特征在于，步骤S1中所述对数据进行预处理，具体为：
对收集的现场监测数据进行去除异常值，求取最小值、最大值、标准差值以及平均值。
4.根据权利要求2所述的基于改进随机森林模型的评估旋喷桩引起侧向位移的方法，其特征在于，步骤S1中所述划分输入特征数据和输出特征数据，具体为：
所述输入特征数据为无侧限抗压强度、土压缩指数、土壤含水量、干容重、水泥浆流量及压力、硅酸钠流量及压力、上拔速率、旋转率、超孔隙压力；
所述输出特征数据为地表侧向位移。
5.根据权利要求4所述的基于改进随机森林模型的评估旋喷桩引起侧向位移的方法，其特征在于，步骤S2中所述随机森林模型为利用多棵决策树对样本进行训练并评估的一种分类器，通过在训练阶段建立决策树集合并输出单个树的平均评估值来进行评估，具体包括步骤：
生成训练集和OOB测试集；
生成决策树；
对每一颗决策树的性能进行评估，得到随机森林模型的评估精度。
6.根据权利要求5所述的基于改进随机森林模型的评估旋喷桩引起侧向位移的方法，其特征在于，所述生成训练集和OOB测试集，具体为：
从步骤S1中收集的现场监测数据随机且有放回的抽取N个样本组成训练集，得到一个大小为N的训练集，进行k轮抽取，得到k组训练集，分别为T1,T2,…,Tk；每一轮抽取中未被抽取的样本组成OOB测试集，得到k组OOB测试集，分别为O1,O2,...,Ok。
7.根据权利要求6所述的基于改进随机森林模型的评估旋喷桩引起侧向位移的方法，其特征在于，所述生成决策树，具体为：
对于每一组训练集，从输入特征数据中随机抽取部分特征数据组成新的特征集，并生成决策树，k组训练集共生成k个决策树。
8.根据权利要求7所述的基于改进随机森林模型的评估旋喷桩引起侧向位移的方法，其特征在于，所述对每一颗决策树的性能进行评估，得到随机森林模型的评估精度，具体为：
将k个OOB测试集依次输入对应的决策树并计算均方误差函数MSEk，取k个OOB测试集的平均值MSE作为随机森林模型的评估精度：
式中，N(Ok)为第k个OOB测试集的样本数，x(Ok)i为OOB测试集Ok的第i个样本的评估值，y(Ok)i为OOB测试集Ok的第i个样本的观测值，MSEk为第k个OOB测试集的均方误差。
9.根据权利要求5所述的基于改进随机森林模型的评估旋喷桩引起侧向位移的方法，其特征在于，所述随机森林模型的超参数包括决策树数目k、决策树***时考虑的最大特征数F，和叶节点的最小数量M。
10.根据权利要求9所述的基于改进随机森林模型的评估旋喷桩引起侧向位移的方法，其特征在于，所述步骤S3中采用PSO-SA智能进化算法优化所述随机森林模型的超参数，具体包括以下步骤：
S3.1：确定迭代次数max、PSO-SA参数和收敛阈值limit，所述PSO-SA参数包括惯性因子w，学习因子c1和c2，w的变化系数wdamp，初始温度T，T的变化系数alpha，每个PSO个体的SA邻域数目nMove，突变率mu；
S3.2：设置迭代参数iter＝0，初始化PSO-SA个体向量X＝xiter的位置和向量速度v，个体向量X的位置由随机森林模型的超参数组成：
xiter＝[k,F,M]
S3.3：将均方根误差RMSE设为最小化的目标函数：
式中，N为样本数，yo i为评估值，yi为观测值；
S3.4：检验均方根误差RMSE是否小于收敛阈值limit，若小于，算法达到收敛，停止迭代，若未收敛，进入下一步；
S3.5：iter＝iter+1，计算第iter次迭代的X的候选位置xiter，计算对应的RMSEpso，计算公式如式：
viter＝w viter-1+c1 rand1(pbest–xiter-1)+c2 rand2(gbest–xiter-1)
xiter＝xiter-1+viter
式中，viter为第iter次迭代的粒子速率；xiter为第iter次迭代的粒子位置；rand为介于(0,1)的随机数；pbest为同一粒子经过多次迭代的最佳位置；gbest为不同粒子经过一次迭代的最佳位置；
S3.6：对xiter进行变异，生成nMove个xiter的候选向量，记作xiter,j，0<j<nMove，计算nMove个候选向量对应RMSEnMove值，比较所得RMSEpso和RMSEnMove，选择最小RMSE值对应的候选位置为更新后的xiter；
S3.7：更新w＝w×wdamp，T＝T×alpha，xiter、pbest和gbest，重复S3.4～S3.7直到均方根误差RMSE小于收敛阈值limit；
S3.8：确定个体向量的最佳位置X＝xiter，得到随机森林模型的最优超参数，得到改进随机森林模型。
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