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现代隧道技术 2023, Vol. 60 Issue (6) :29-39    DOI:
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基于机器学习的铁路隧道施工碳排放预测模型研究
(1.西南交通大学土木工程学院,成都 610031;2.西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室,成都 610031;3.中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)
Study on the Carbon Emission Prediction Model for Railway Tunnel Construction Based on Machine Learning
(1. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031;2. Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering, Ministry of Education, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031; 3. China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063)
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摘要 为构建适用于铁路隧道施工建设阶段碳排放预测的算法模型,以某铁路隧道建设工程为研究案例,首先基于碳排放计算体系量化得到案例隧道的施工碳排放量与各子阶段碳排放占比;然后采用多种机器学习算法构建不同预测模型,结合动物优化算法对预测模型进行参数调优,选用R2 、MAE、MSE、RMSE、MAPE、SMAPE等评价指标对比分析拟合效果,筛选最佳预测模型,并基于SHAP值分析各参数变量的重要性程度。结果显示:建材生产阶段对隧道施工碳排放的贡献最大,建材运输阶段的碳排放最小;BP神经网络相对随机森林、LightGBM、SVR、极限学习机等算法的回归效果更好,并且通过对比使用PSO算法、WOA算法和SSA算法优化后的回归预测模型,WOA-BP算法的拟合效果最好;基于SHAP算法的分析,各参数变量的特征重要性排名依次为:开挖面积>围岩等级>开挖工法>埋深。
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曾弘锐1
2 孙文昊3 何 卫3 郭亚林1
2 郭 春1
2
关键词铁路隧道   施工碳排放   机器学习   回归预测   重要性评价     
Abstract: In order to build the algorithm model for carbon emission prediction during railway tunnel construction, a study has been conducted based on a railway tunnel project. First, the carbon emission during construction of the tunnel and the proportion of each subphase in the total emission are quantitatively determined by using the carbon emission calculation system. Then several different prediction models are created by using several machine learning algorithms, the parameters of the prediction models are optimized by using the animal optimization algorithm, the fitting results are compared and analyzed by using the assessment indicators including R2, MAE, MSE, RMSE, MAPE and SMAPE so as to select the optimum prediction model, and the importance degree of each parametric variable is determined by using the SHAP value. The results are stated as follows: The construction materials production stage has the greatest contribution to carbon emission in tunnel construction and the construction materials transportation stage has the least contribution; BP neural network generates better regression results than the algorithms such as random forest, LightGBM, SVR and extreme learning machine, and according to comparison of the regression prediction models optimized by the PSO, WOA and SSA algorithms, WOA-BP algorithm generates the best fitting results;based on the analysis by the SHAP algorithm, the rank of the parametric variables in terms of importance degree is as follows: excavation area > surrounding rock class > excavation method > buried depth.
KeywordsRailway tunnels,   Construction carbon emission,   Machine learning,   Regression prediction,   Importance assessment     
基金资助:四川省社会科学规划项目(SC22B031);四川省交通运输科技项目(2021-ZL-04);中国交通教育研究会教育科学研究课题(JT2022YB163,JT2022YB405).
作者简介: 曾弘锐(2000-), 男, 硕士研究生, 从事隧道及地下工程研究工作,E-mail:745416615@qq.com. 通讯作者:郭 春(1979-), 男, 博士,教授,博士生导师, 从事隧道及地下工程的教学与研究工作,E-mail: guochun@swjtu.edu.cn.
引用本文:   
曾弘锐1, 2 孙文昊3 何 卫3 郭亚林1, 2 郭 春1等 .基于机器学习的铁路隧道施工碳排放预测模型研究[J]  现代隧道技术, 2023,V60(6): 29-39
ZENG Hongrui1, 2 SUN Wenhao3 HE Wei3 GUO Yalin1, 2 GUO Chun1 etc .Study on the Carbon Emission Prediction Model for Railway Tunnel Construction Based on Machine Learning[J]  MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY, 2023,V60(6): 29-39
链接本文:  
http://www.xdsdjs.com/CN/      或     http://www.xdsdjs.com/CN/Y2023/V60/I6/29
 
没有本文参考文献
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