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现代隧道技术 2022, Vol. 59 Issue (6) :14-23    DOI:
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基于均值滤波去噪和XGBoost算法的泥水平衡盾构掘进速度预测方法
(1.同济大学软件学院,上海 201804;2.广东粤海珠三角供水有限公司,广州 511455;3.同济大学土木工程学院,上海 200092;4.深圳大学土木与交通工程学院,深圳 518060)
Prediction Method for Slurry Balance Shield Tunneling Speed Based on Mean Filtering & Denoising and XGBoost Algorithm
(1. Software College, Tongji University, Shanghai 201804; 2 Guangdong GDH Pearl River Delta Water Supply Co., Ltd, Guangzhou 511455) ; 3. College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092; 4. School of Civil and Traffic Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060)
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摘要 在泥水平衡盾构掘进过程中,掘进速度对刀具磨损、同步注浆及盾构机姿态有着重大影响,合理的掘进速度对于提高施工效率、降低施工风险具有重要意义。利用PLC系统采集到的历史数据构建智能预测模型,对掘进速度进行实时预测,是未来实现盾构机无人驾驶和智能控制的重要基础。基于珠江三角洲水资源配置工程中采集到的掘进参数时序数据,选取掘进速度作为预测目标,采用皮尔逊相关分析方法提取重要特征参数,利用均值滤波法对特征参数时序数据进行去噪,计算去噪后序列的均值和方差构成特征向量,基于XGBoost算法构建相应的预测模型。讨论了采用均值滤波法去噪前后的数据集及XGBoost算法中不同超参数对模型预测性能的影响。结果表明,在5-折交叉验证下,利用均值滤波进行降噪处理后的数据能够构建一个更为准确的盾构机掘进速度预测模型。采用XGBoost算法,在去噪后的数据集上盾构机掘进速度的预测准确率达到了99.97%,在未去噪的数据集上的预测准确率也达到了99.94%,优于主流随机森林算法、支持向量机回归算法和梯度提升决策树算法。试验结果验证了均值滤波法对时序数据的降噪效果和利用XGBoost算法对掘进速度进行预测的可行性。
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杜庆峰 1 张双俐 1 张晨曦 1 李旭辉 2 肖永生 2 李晓军 3 赵思成 3 付艳斌 4
关键词掘进速度   XGBoost   均值滤波   智能预测   时间序列     
Abstract: In the process of slurry balance shield tunneling, the tunneling speed has a significant impact on cutter wear, synchronous grouting and shield attitude. A reasonable tunneling speed is of great significance for improving construction efficiency and reducing construction risks. The historical data collected by the PLC system is used to build an intelligent prediction model to predict the tunneling speed in real time, which is an important basis for the realization of unmanned shield and intelligent control in the future. Based on the time series data of tunneling parameters collected in the Pearl River Delta Water Resources Allocation Project, the tunneling speed is selected as the prediction target, the Pearson correlation analysis method is used to extract important characteristic parameters,the mean filtering method is used to denoise the time series data of characteristic parameters, to calculate the mean and the variance of the denoised series to form the feature vector, and to build the corresponding prediction model based on the XGBoost algorithm. The influence of data sets before and after denoising by mean filtering and different hyper-parameters in the XGBoost algorithm on the prediction performance of the model is discussed. The results show that under the 5-fold cross validation, a more accurate prediction model of the tunneling speed of the shield machine can be established by using the data after denoising processing with mean filtering. With the XGBoost algorithm, the prediction accuracy of the tunneling speed of the shield machine based on the denoised data set has reached 99.97%, and the prediction accuracy based on the non-denoised data set has also reached 99.94%, which is superior to the mainstream random forest algorithm, the SVR algorithm and the GBDT algorithm. The experimental results prove the noise reduction effect of the mean filtering method on the time series data and the feasibility of using XGBoost algorithm to predict the tunneling speed.
KeywordsTunneling speed,   XGBoost,   Mean filtering,   Intelligent prediction,   Time series     
基金资助:国家自然科学基金(52078304, 51678363);珠江三角洲水资源配置工程项目(CD88-GC02-2020-0038) .
作者简介: 杜庆峰(1968-),男,教授,博士生导师,主要从事智能运维、地下工程数据分析等方面的工作或研究,E-mail: Du_cloud@tongji.edu.cn. 通讯作者:张双俐(1996-),女,硕士研究生,主要从事盾构隧道掘进参数预测与优化方面的工作或研究,E-mail:15801739903@163.com.
引用本文:   
杜庆峰 1 张双俐 1 张晨曦 1 李旭辉 2 肖永生 2 李晓军 3 赵思成 3 付艳斌 4 .基于均值滤波去噪和XGBoost算法的泥水平衡盾构掘进速度预测方法[J]  现代隧道技术, 2022,V59(6): 14-23
DU Qingfeng1 ZHANG Shuangli1 ZHANG Chenxi1 LI Xuhui2 XIAO Yongsheng2 LI Xiaojun3 .Prediction Method for Slurry Balance Shield Tunneling Speed Based on Mean Filtering & Denoising and XGBoost Algorithm[J]  MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY, 2022,V59(6): 14-23
链接本文:  
http://www.xdsdjs.com/CN/      或     http://www.xdsdjs.com/CN/Y2022/V59/I6/14
 
没有本文参考文献
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