基于混沌时序—随机森林回归的堆石坝料加水量预测与应用研究

发布时间：2020-09-29 12:14

　　堆石坝碾压施工过程一般通过对坝料进行加水来提高压实质量。然而,当前针对坝料坝外加水的研究,均未考虑坝料摊铺施工过程中气象因素对坝料含水率的影响。为使坝料在碾压施工过程中仍能维持设计含水率,保证压实质量,需在坝外加水过程中综合考虑坝料含水率的变化;因此,本文基于混沌时序和随机森林回归方法,建立了考虑气象因素影响的堆石坝料加水量预测模型以实现精确给定加水量,研究取得以下主要成果:(1)针对现有气象信息复杂多变,难以采用传统方法描述其变化过程的问题,提出基于混沌时间序列的短期气象信息预测方法。基于气象信息时间序列特性,利用混沌时序方法进行气象信息时间序列的混沌性分析,并采用坐标延迟法进行相空间重构,将气象信息时间序列扩展到高维空间,确认序列的时间延迟和嵌入维数,使其具备混沌预测的能力,建立基于混沌时序的气象预测模型,实现坝料摊铺过程中的短期气象信息预测。(2)针对因气象因素引起的坝料含水率非线性变化的问题,提出了基于随机森林回归的坝料含水率变化预测方法。首先,构建基于坝料含水率变化及气象信息的原始数据集,利用袋装法对原始数据进行重抽样,保证训练样本的差异性;其次,利用随机子空间法生成回归树,降低树与树之间的相关性;最后,建立基于随机森林回归方法的坝料含水率变化预测模型,并采用十折交叉验证检验模型预测精度,而后预测因气象因素引起的坝料含水率的非线性变化。(3)针对坝料加水量精确计算的问题,构建基于混沌时序-随机森林回归方法的加水量预测模型,应用于某实际工程,实现坝料加水量的精确计算。结合坝料含水率变化预测结果、坝料初始含水率、设计含水率和坝料质量,构建基于混沌时序-随机森林回归模型的坝料加水量预测模型,从而对加水量进行精确计算。在摊铺碾压监控系统和运输监控系统的基础上,将本文方法应用于某实际工程,并与现有的加水方法进行了对比,验证了本文方法的有效性和准确性,为堆石坝料加水量的精细化控制提供科学指导。
【学位单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TV41
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 堆石坝料加水研究现状
        1.2.2 气象预测研究现状
        1.2.3 混沌时序方法研究现状
        1.2.4 随机森林方法研究现状
    1.3 研究思路与主要内容
        1.3.1 研究思路
        1.3.2 主要内容
第2章堆石坝料加水量预测原理
    2.1 研究框架
    2.2 数学模型
    2.3 堆石坝料加水量预测原理
        2.3.1 堆石坝料含水率影响因素相关性分析
        2.3.2 堆石坝料加水量预测应用基础
        2.3.3 堆石坝料加水量预测应用过程
    2.4 本章小结
第3章基于混沌时序的短期气象预测方法
    3.1 研究框架
    3.2 数学模型
    3.3 混沌理论
        3.3.1 混沌的定义
        3.3.2 混沌特性
        3.3.3 时间序列相空间重构
        3.3.4 时间序列混沌特性判别
    3.4 基于混沌时间序列的短期气象信息预测方法
    3.5 本章小结
第4章基于随机森林回归的含水率变化预测方法
    4.1 研究框架
    4.2 数学模型
    4.3 随机森林理论
        4.3.1 袋装法
        4.3.2 随机子空间法
        4.3.3 随机森林回归模型参数选取
    4.4 基于随机森林回归的含水率变化预测方法
    4.5 模型精度比较与验证
        4.5.1 BP神经网络预测基本原理
        4.5.2 线性回归预测基本原理
        4.5.3 模型精度比较与验证
    4.6 本章小结
第5章工程应用
    5.1 工程简介
    5.2 短期气象信息预测
    5.3 堆石坝料含水率变化预测
    5.4 堆石坝料加水量计算
    5.5 本章小结
第6章结论与展望
    6.1 结论
    6.2 展望
参考文献
发表论文和参加科研情况说明
致谢

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