[发明专利]一种基于神经网络预测吹填土标高的方法

摘要

本发明公开了一种基于神经网络预测吹填土标高的方法，特别是涉及一种基于神经网络预测软基吹填标高和加固后标高的预测方法。基于神经网络理论运用VisualBasic语言开发的“围海造陆吹填土标高神经网络预测系统”软件对吹填土标高进行预测，包括以下步骤：收集已有围海造陆工程实测数据，形成吹填标高预测数据库和加固后标高预测数据库；运用所开发的软件对相应的数据库进行学习训练；输入待预测工程的影响因素数值，对待测因子进行预测。该方法具有双向预测功能，已知加固后标高可预测吹填标高，已知吹填标高可预测加固后标高，适用范围较广。该方法应用简便且预测精度较高，可满足工程需要。

主权项

1.一种基于神经网络预测吹填土标高的方法，所述的标高采用1972年天津市大沽高程系2003年高程，即天津市规划局颁布的在天津市域范围内统一使用的高程标准，该高程系以宝坻基岩标作为大沽高程的基准面，该方法其特征在于：采用以Visual Basic语言开发的“围海造陆吹填标高神经网络预测系统”软件，该软件主要的程序代码为：Public Sub StudyMain() For Count = 1 To NN  Call MidLayer  Call OutLayer  Call OutError  Call MidError  Call Modify_Mid_Out  Call Modify_In_Mid Next CountEnd SubPublic Sub Initial()Dim i, j, k As IntegerRandomizeFor j = 1 To JJ  For i = 1 To II    V(j, i) = 2 * Rnd - 1  Next iNext jFor k = 1 To KK  For j = 1 To JJ  W(k, j) = 2 * Rnd - 1  Next jNext kFor j = 1 To JJ  R(j) = 2 * Rnd - 1Next jFor k = 1 To KK  Q(k) = 2 * Rnd - 1Next kEnd SubPublic Sub Teacher()Dim i, j, k As IntegerOpen TT For Input As #1For j = 1 To NN  For i = 1 To II + KK    If i <= II Then     Input #1, z(j, i)    Else     k = i - II     Input #1, d(j, k)    End If  Next iNext jFor i = 1 To II  M2(i) = z(1, i)  L3(i) = z(1, i)  For j = 1 To NN If M2(i) < z(j, i) Then  M2(i) = z(j, i) End If If L3(i) > z(j, i) Then  L3(i) = z(j, i) End If Next jNext iFor i = 1 To II  For j = 1 To NN z(j, i) = (z(j, i) - L3(i) + 0.01) * 0.6 / (M2(i) - L3(i) + 0.01) + 0.2 Next jNext iFor k = 1 To KK  M(k) = d(1, k)  L(k) = d(1, k)  For j = 1 To NN If M(k) < d(j, k) Then  M(k) = d(j, k) End If If L(k) > d(j, k) Then  L(k) = d(j, k) End If Next jNext kFor k = 1 To KK  For j = 1 To NN  If d(j, k) > 0 Or d(j, k) < 0 Then  d(j, k) = (d(j, k) - L(k) + 0.01) * 0.6 / (M(k) - L(k) + 0.01) + 0.2  Else  d(j, k) = 0.0001  End If  Next jNext kEnd SubPublic Sub MidLayer()Dim i, j As IntegerDim net() As DoubleReDim net(JJ)For j = 1 To JJ  For i = 1 To II    net(j) = net(j) + V(j, i) * z(Count, i)  Next i  y(Count, j) = f(net(j) - R(j))Next jEnd SubPublic Sub OutLayer()Dim j, k As IntegerDim net() As DoubleReDim net(KK)For k = 1 To KK  For j = 1 To JJ    net(k) = net(k) + W(k, j) * y(Count, j)  Next j  o(Count, k) = f(net(k) - Q(k))Next kEnd SubPublic Sub OutError()Dim k As IntegerFor k = 1 To KKEr1(k) = (d(Count, k) - o(Count, k)) * o(Count, k) * (1 - o(Count, k))Next kEnd SubPublic Sub MidError()Dim j, k As IntegerFor j = 1 To JJ  For k = 1 To KK    Er2(j) = Er2(j) + Er1(k) * W(k, j)  Next k  Er2(j) = Er2(j) * y(Count, j) * (1 - y(Count, j))Next jEnd SubPublic Sub Modify_Mid_Out()Dim k, j As IntegerFor k = 1 To KK  For j = 1 To JJ  W(k, j) = W(k, j) + L1 * Er1(k) * y(Count, j)  Next j  Q(k) = Q(k) - L2 * Er1(k)Next kEnd SubPublic Sub Modify_In_Mid()Dim i, j As IntegerFor j = 1 To JJ  For i = 1 To II  V(j, i) = V(j, i) + L1 * Er2(j) * z(Count, i)  Next i  R(j) = R(j) - L2 * Er2(j)Next jEnd SubPublic Function f(x As Double) As Doublef = 1 / (1 + Exp(-x))End Function上述的程序代码涵盖内容如下：（1）定义归一化子函数Sigmoid函数：；（2）随机生成初始化调节参数；（3）将采集的数据构成的数据库导入系统；（4）开始调入学习过程，学习过程包括以下六个步骤：步骤1：计算中间层各个单元的输入、输出；步骤2：计算输出层的各个单元输入、输出；步骤3：计算输出层各单元的一般化误差；步骤4：计算中间层各单元的一般化误差；步骤5：调节输入层至中间层之间的连接权及输出层节点的阈值；步骤6：调节中间层至输出层之间的连接权及输出层节点的阈值；（5）读入待预测工程影响因素参数，计算预测标高值；以上述软件程序进行吹填标高的预测，具体的预测步骤包括：1）建立已有工程的样本数据库：根据天津市围海造陆工程勘察报告整理，采集已有工程的影响因素数据，建立吹填标高预测数据库，数据库包括：吹填土层加固后层底标高h₃，单位为m；吹填土层加固后标高h₄，单位为m；吹填土含水率ω₁，单位为%；吹填土塑性指数I_p1；原天然地基含水率ω₂，单位为%；原天然地基塑性指数I_p2和沉降值s，单位为m；建立加固后标高预测数据库，数据库包括：吹填土层加固前层底标高h₁，单位为m；吹填土层吹填标高h₂，单位为m；吹填土含水率ω₁，单位为%；吹填土塑性指数I_p1；原天然地基含水率ω₂，单位为%；原天然地基塑性指数I_p2和沉降值s单位为m；所建立已有工程的样本数据库包含了89组样本数据；从上述数据库中分别随机采集了9组数据，列于表1和表2中，以示数据库的真实性：表1 吹填标高预测数据库数据表2 加固后标高预测数据库数据2）运用开发的“围海造陆吹填标高神经网络预测系统”软件对相应的数据库进行学习训练，具体步骤包括：（1）将数据库数据导入软件中；（2）向软件系统输入训练误差为0.02~0.10、权调节系数为0.4~0.8、阈调节系数为0.4~0.8、训练样本数目为60~200、影响因子数目为4~10、隐层节点数目为6~16、待测因子数目为1~2；（3）通过计算机计算，当达到步骤（2）所设定的训练误差后软件停止学习；如果学习时间过长，则增大步骤（2）中的训练误差，以降低学习时间；如果计算误差过大，则减小步骤（2）中的训练误差，增加学习时间来达到计算精度要求；3）输入影响因素，对待测因子进行预测：（1）当预测吹填土吹填标高h₂时，把影响因素输入软件，影响因素范围为：吹填土层加固后层底标高h₃为-2m~+2m、吹填土加固后标高h₄为+2m~+8m、吹填土含水率ω₁为60%~200%、吹填土塑性指数I_p1为14~20、原天然地基含水率ω₂为30%~80%、原天然地基塑性指数I_p2为14~20；经计算得到吹填土吹填标高h₂的预测结果；（2）当预测吹填土加固后标高h₄时，把影响因素输入软件，影响因素范围为：吹填土层加固前层底标高h₁为-2m~+2m、吹填土吹填标高h₂为+2m~+10m、吹填土含水率ω₁为60%~200%、吹填土塑性指数I_p1为14~20、原天然地基含水率ω₂为30%~80%、原天然地基塑性指数I_p2为14~20；经计算得到吹填土加固后标高h₄的预测结果。