Matlab仿真大坝位移BP神经网络模型研究.pdf

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1、2014年第2期东北水利水电水生态环境【文章编号]1O02—0624(2014)O2一o053—02Madab仿真大坝位移BP神经网络模型研究张效(辽宁省水利厅，辽宁沈阳110000)[摘要]文章基于人工神经网络的非线性映射能力，应用Matlab7．1网络仿真平台，结合辽宁省白石水库多年大坝变形实测数据，建立了三种不同改进BP算法的多层前馈神经网络模型。分析其拟合、预报结果，选择更为合适的网络模型，实现对大坝位移实时、有效的监控。[关键词]大坝位移；BP神经网络；改进优化；预报[中图分类号]TV698[文献标识码]BMATLAB语言是美国TheMathWorks公司

2、开层反传。周而复始的信息正向传播和误差反向传发的用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数播，使各层权值不断调整，一直进行到网络输出的值计算的高级语言和交互式环境，除具备卓越的误差减少到可以接受的程度，或者预先设定的学数值计算能力外，它还提供了专业的符号计算、可习次数为止。视化建模仿真和实时控制等功能，广泛应用于包2标准BP算法的改进优化括信号图像处理、控制系统设计、建模分析等众多尽管BP网络可以实现任意精度的非线性映应用领域【1】。应用Matlab7．1软件包的神经网络工射功能，适合求解内部机制复杂的非线性问题，而具箱，构建BP神经网络模型，实现对大坝变形的且具有自

3、学习能力，但是，标准BP算法也存在很人工神经网络仿真。多的问题[21，如学习效率较低，收敛速度慢；容易陷1BP神经网络原理入局部极小，而导致训练失败；网络结构尚无统一BP神经网络是基于误差反向传播(ErrorBack而完整的理论指导，只能根据经验选定；网络的预PrOragation)算法的多层前馈神经网络，具有良好测能力与训练能力的矛盾，可能出现“过拟合”现的非线性映射能力，以及泛化和容错能力，是目前象等。人工神经网络应用最为广泛的一种网络。针对存在的缺陷，标准BP算法也在不断地改误差反向传播算法，由信息的正向传播和误进和优化。例如：权值调整增加动量项、自适应调差的

4、反向传播两个过程组成。输入层各神经元负节学习率、增加陡度因子、贝叶斯Bayesian归一化责接收来输入信息，并传递给隐层各神经元；隐层法等。此外，一些数理统计、仿生等优化方法，如遗是内部信息处理层，负责信息变换；隐层传递到输传算法、蚁群算法、粒子群算法等也不断被引入和出层各神经元的信息，经进一步处理后，完成一次应用。学习的正向传播处理过程，由输出层向外界输出3BP网络模型设计信息处理结果。当实际输出与期望输出不符时，进3．1数学模型入误差的反向传播阶段。误差通过输出层，按误差在水压力、扬压力、温度等荷载作用下，坝体梯度下降的方式修正各层权值，向隐层、输入层逐将产生位

5、移。一般情况下，大坝位移数学模型分为·53·水生态环境东北水利水电2014年第2期三个分量【3】。通过坝工工程力学推导，水压位移分关系[4]。利用节点删除法反复建模测试，通过多组量分别与坝前水深H的一次幂、二次幂、三次幂呈不同隐层节点数模型的误差对比，寻找出拟合效线性关系。温度位移是由于坝体和坝基温度变化果好，没有显著“过拟合”现象的合理隐层节点数。引起的大坝位移，以坝体、坝基温度作为变量因4BP网络拟合预报效果子，也可以采用库区日常平均气温作为等效因子。通过网络训练和仿真计算，坝顶位移拟合和时效位移主要指坝体混凝土和坝基岩石的徐变、预报成果，见表1。塑性变形，基岩

6、地质构造的压缩变形，以及坝体裂表1坝】页水平位移BP网络模型成果特征值对比缝等多种因素引起的不可逆变形，文中时效位移拟合特征值(2o01．2__2咖．5)预报特征值(2007．7__2008．12)选择对数函数和线性函数两种。项目GDX算法LM算法BR算法GDx算法LM算法BR算法由此，建立混凝土重力坝变形的单测点全模复相关系数R0．9906O．卯680．98100,97980．97620．9450型，坝体变形为剩余标准差rm0．20280．33900．29o2035120-加100．5458)，=：％+日+++Z5+乜6∞D+嘶1_60+残差平方和7．360020

7、．575515．07223．82364．98539．2348o~T61—90+cE91nO+1)+01(1)残差最大蚰O．581．170．700．430．461．23残差最小Ⅱm一0．47一g89—031—0．63—0．80—0．72式中，n0。为回归系数；为坝前水深；，、隐层神经元666一∞，一∞，一勋分别为下标天内的库区日常平均训练次数1945412气温；t为时间数，以天／100为单位，以观测首日为基准点。’5结论3．2训练样本根据三种BP神经网络仿真成果可以看出：文章选取辽宁省白石水库19号坝段的坝顶1)基于三种算法的BP网络模型拟合效果均能水平位移作为建