CN116070924A - 基于高斯过程回归的隧道支护方案决策方法及系统 - Google Patents

基于高斯过程回归的隧道支护方案决策方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供基于高斯过程回归的隧道支护方案决策方法及系统，包括以下步骤：步骤1：采集隧道当前几何参数和地质参数；步骤2：生成可选支护方案；步骤3：选取部分备选支护方案建立数值模型，计算支护后围岩稳定性计算值及支护费用；步骤4：为其余可选支护方案生成围岩稳定性随机值；步骤5：基于步骤4选取新增备选支护方案，计算支护后围岩稳定性计算值及支护费用；步骤6：更新高斯分布参数，直到连续两次选取的新增备选支护方案间欧氏距离小于规定阈值，停止计算；步骤7：生成支护后围岩稳定性‑支护费用曲线，依据该曲线选取最佳支护方案。本发明通过高斯过程回归方法，对隧道支护方案进行主动决策，提升隧道支护方案选择的合理性。

Description

基于高斯过程回归的隧道支护方案决策方法及系统
技术领域
本发明涉及隧道施工领域，特别是基于高斯过程回归的隧道支护方案决策方法及系统。
背景技术
隧道支护方案的合理选择是保证隧道施工安全的关键。大量工程实际表明，在复杂多变地质条件下支护后常出现围岩可靠度不足或安全储备过多的情况，这造成隧道中存在安全隐患或资金的浪费。因此，如何对隧道进行合理的支护，已成为隧道施工领域一个亟待解决的问题。
目前支护方案的选择多依赖于既有工程经验，这导致设计存在一定的盲目性。虽然已有一些理论方法、数值方法及机器学习方法能够依据支护方案计算出支护后围岩响应，但这些方法无法主动指导施工人员比选出最佳方案。因此，急需基于高斯过程回归的隧道支护方案决策方法及系统。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术无法快速对隧道支护方案进行主动决策的问题。
本发明的技术解决方案是：基于高斯过程回归的隧道支护方案决策方法，包括以下步骤：
步骤1：采集隧道当前几何参数和地质参数。
步骤2：在支护参数取值范围内对每类支护参数均匀采样M次，并组合成N组可选支护方案。
步骤3：在N组可选支护方案中随机抽取k组备选支护方案，按照步骤1中参数和该k组备选支护方案中支护参数建立对应数值模型获取支护后围岩稳定性计算值及支护费用。
步骤4：基于步骤3中已计算的k组备选支护方案支护后围岩稳定性，计算其余N-k组可选支护方案支护后围岩稳定性高斯分布参数，采用拉丁超立方抽样为其余N-k组可选支护方案生成一组围岩稳定性随机值，记录该组围岩稳定性最大值对应的支护方案。重复t次拉丁超立方抽样，统计其余N-k组可选支护方案取得围岩稳定性最大值的频数。
步骤5：选取步骤4中频数最大的可选支护方案作为新增备选支护方案，按照步骤1中参数和该组备选支护方案中支护参数建立对应数值模型获取支护后围岩稳定性计算值及支护费用。
步骤6：基于既有已计算的备选支护方案支护后围岩稳定性更新其余可选支护方案支护后围岩稳定性高斯分布参数，并重复步骤4和步骤5选取新增备选支护方案并获取支护后围岩稳定性计算值及支护费用，直到连续两次选取的新增备选支护方案间欧氏距离小于规定阈值，停止计算，欧式距离d计算公式为：
式中c为支护参数种类个数，为任意连续两次选取的新增备选支护方案中前一支护方案中第i个参数，为后一支护方案中第i个参数。
步骤7：根据所有备选支护方案支护后围岩稳定性计算值及支护费用，筛选出支护后围岩稳定性及支护费用均满足要求的方案，并生成支护后围岩稳定性-支护费用曲线，依据该曲线选取最佳支护方案，发送至现场施工人员。
进一步的，所述步骤2中N组可选支护方案，N的个数为：
N=Mc
式中c为支护参数种类个数。
进一步的，所述步骤4中其余N-k组可选支护方案支护后围岩稳定性高斯分布参数，其计算过程为：
对于其余N-k组可选支护方案中任一可选支护方案，采用指数核函数计算该支护方案与已计算的备选支护方案支护后围岩稳定性间协方差向量；
基于该协方差向量计算该可选支护方案支护后围岩稳定性高斯分布参数；
进一步的，所述步骤7中最佳支护方案为支护后围岩稳定性-支护费用曲线中围岩稳定性与支护费用比值最大的点所对应的支护方案。
基于高斯过程回归的隧道支护方案决策系统包括信息采集模块、处理模块和决策模块；
信息采集模块用于采集隧道当前几何参数和地质参数；
处理模块用于生成可选支护方案，建立数值模型获取支护后围岩稳定性计算值及支护费用；采用高斯过程回归基于既有的备选支护方案选取新增备选支护方案，并比选出支护后围岩稳定性最大值所对应的支护方案；根据所有备选支护方案支护后围岩稳定性计算值及支护费用，筛选出支护后围岩稳定性及支护费用均满足要求的方案，并生成支护后围岩稳定性-支护费用曲线。
决策模块用于计算支护后围岩稳定性-支护费用曲线中围岩稳定性与支护费用比值最大的点对应的支护方案，并将该支护方案发送至现场施工人员进行施工指导。
本发明的有益效果是：
（1）本发明通过数值模型准确量化支护后围岩稳定性，结合高斯过程回归方法，根据已计算支护方案推断优化的支护方案，最终基于支护方案小样本快速寻找出最佳支护方案。
（2）本发明是对隧道支护方案进行决策的有效手段，为隧道支护施工提供科学指导，为分析相关类似工况提供了新思路，分析方法流程清晰、可靠性强。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于高斯过程回归的隧道支护方案决策方法的流程示意图。
具体实施方式
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1，示出了本发明实施例提供的基于高斯过程回归的隧道支护方案决策方法，包括以下步骤：
S101：采集隧道当前几何参数和地质参数。
S102：在支护参数取值范围内对每类支护参数均匀采样M次，并组合成N组可选支护方案，其中：
N=Mc
式中c为支护参数个数。
S103：在N组可选支护方案中随机抽取k组备选支护方案，按照S101中参数和该k组备选支护方案中支护参数建立对应数值模型获取支护后围岩稳定性计算值及支护费用，其中支护费用为材料费用、人工费用和施工机械费用的总和。
S104：基于S103中已计算的k组备选支护方案支护后围岩稳定性，计算其余N-k组可选支护方案支护后围岩稳定性高斯分布参数，计算过程为：
（1）将其余N-k组可选支护方案支护后围岩稳定性视为服从高斯分布的随机变量；
（2）对于其余N-k组可选支护方案中任一可选支护方案p，采用指数核函数计算该支护方案p与任一已计算的备选支护方案q之间协方差元素C(p,q)，计算方法为：
式中，pl为可选支护方案p的支护参数，ql为已计算的备选支护方案q的支护参数，σ为带宽参数（该参数能够调整核函数的作用范围，取值可任意调节）。
（3）支护方案p与所有已计算的备选支护方案之间协方差元素构成协方差向量，并基于该协方差向量计算可选支护方案p支护后围岩稳定性高斯分布参数。
（4）重复上述计算过程计算其余N-k组可选支护方案支护后围岩稳定性高斯分布参数。
基于其余可选支护方案支护后围岩稳定性高斯分布，采用拉丁超立方抽样获取一组其余支护方案支护后围岩稳定性随机值，记录该组中围岩稳定性最大值对应的支护方案。重复t次抽样，记录每组中围岩稳定性最大值对应的支护方案，统计每个其余可选支护方案取得围岩稳定性最大值的频数。
S105：选取S104中频数最大的可选支护方案作为新增备选支护方案，按照S101中参数和该组备选支护方案中支护参数建立对应数值模型获取支护后围岩稳定性计算值及支护费用。
S106：基于既有已计算的备选支护方案支护后围岩稳定性更新其余可选支护方案支护后围岩稳定性高斯分布参数，并重复S104和S105选取新增备选支护方案并获取支护后围岩稳定性计算值及支护费用，直到连续两次选取的新增备选支护方案间欧氏距离小于规定阈值，停止计算，欧式距离d计算公式为：
式中c为支护参数种类个数，为任意连续两次选取的新增备选支护方案中前一支护方案中第i个参数，为后一支护方案中第i个参数。
S107：根据既有支护后围岩稳定性计算值及支护费用，筛选出稳定性及费用均满足要求的支护方案，并生成支护后围岩稳定性-支护费用曲线，计算该曲线中围岩稳定性与支护费用比值最大所对应的备选支护方案，该方案为最佳支护方案，发送至现场施工人员。
本发明实施例提供的方案，结合数值模拟方法和高斯过程回归方法，精确量化支护后隧道围岩稳定性并在众多支护可选方案中快速寻找备选支护方案进而比选出最佳支护方案，有助于相关设计人员进行隧道支护方案决策，提升隧道支护后可靠度，并降低成本。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.基于高斯过程回归的隧道支护方案决策方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：采集隧道当前几何参数和地质参数；
步骤2：在支护参数取值范围内对每类支护参数均匀采样M次，并组合成N组可选支护方案；
步骤3：在N组可选支护方案中随机抽取k组备选支护方案，按照步骤1中参数和该k组备选支护方案中支护参数建立对应数值模型获取支护后围岩稳定性计算值及支护费用；
步骤4：基于步骤3中已计算的k组备选支护方案支护后围岩稳定性，计算其余N-k组可选支护方案支护后围岩稳定性高斯分布参数，采用拉丁超立方抽样为其余N-k组可选支护方案生成一组围岩稳定性随机值，记录该组围岩稳定性最大值对应的支护方案，重复t次拉丁超立方抽样，统计其余N-k组可选支护方案取得围岩稳定性最大值的频数；
步骤5：选取步骤4中频数最大的可选支护方案作为新增备选支护方案，按照步骤1中参数和该组备选支护方案中支护参数建立对应数值模型获取支护后围岩稳定性计算值及支护费用；
步骤6：基于既有已计算的备选支护方案支护后围岩稳定性更新其余可选支护方案支护后围岩稳定性高斯分布参数，并重复步骤4和步骤5选取新增备选支护方案并获取支护后围岩稳定性计算值及支护费用，直到连续两次选取的新增备选支护方案间欧氏距离小于规定阈值，停止计算，欧式距离d计算公式为：
式中c为支护参数种类个数，为任意连续两次选取的新增备选支护方案中前一支护方案中第i个参数，为后一支护方案中第i个参数；
步骤7：根据所有备选支护方案支护后围岩稳定性计算值及支护费用，筛选出支护后围岩稳定性及支护费用均满足要求的方案，并生成支护后围岩稳定性-支护费用曲线，依据该曲线选取最佳支护方案，发送至现场施工人员。
2.如权利要求1所述基于高斯过程回归的隧道支护方案决策方法，其特征在于，所述步骤2中N组可选支护方案，N的个数为：
N=Mc
式中c为支护参数种类个数。
3.如权利要求1所述基于高斯过程回归的隧道支护方案决策方法，其特征在于，所述步骤4中其余N-k组可选支护方案支护后围岩稳定性高斯分布参数，其计算过程为：
对于其余N-k组可选支护方案中任一可选支护方案，采用指数核函数计算该支护方案与已计算的备选支护方案支护后围岩稳定性间协方差向量；
基于该协方差向量计算该可选支护方案支护后围岩稳定性高斯分布参数。
4.如权利要求1所述基于高斯过程回归的隧道支护方案决策方法，其特征在于，所述步骤7中最佳支护方案为支护后围岩稳定性-支护费用曲线中围岩稳定性与支护费用比值最大的点所对应的支护方案。
5.采用权利要求1~4任一所述基于高斯过程回归的隧道支护方案决策方法所构成的系统，其特征在于，包括信息采集模块、处理模块和决策模块；
信息采集模块用于采集隧道当前几何参数和地质参数；
处理模块用于生成可选支护方案，建立数值模型获取支护后围岩稳定性计算值及支护费用；采用高斯过程回归基于既有的备选支护方案选取新增备选支护方案，并比选出支护后围岩稳定性最大值所对应的支护方案；根据所有备选支护方案支护后围岩稳定性计算值及支护费用，筛选出支护后围岩稳定性及支护费用均满足要求的方案，并生成支护后围岩稳定性-支护费用曲线；
决策模块用于计算支护后围岩稳定性-支护费用曲线中围岩稳定性与支护费用比值最大的点对应的支护方案，并将该支护方案发送至现场施工人员进行施工指导。
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