余露

摘要：采用灰色模型、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型以及兩者聯(lián)合的數(shù)據(jù)處理模型對(duì)港口防波堤的沉降進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和預(yù)測(cè)處理；通過(guò)灰色系統(tǒng)與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合模型與各自單獨(dú)的模型對(duì)比分析，兩者的聯(lián)合模型在港口防波堤的沉降預(yù)測(cè)中有更高的可靠性。

關(guān)鍵詞：港口防波堤；沉降預(yù)測(cè)；灰色模型；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

一、緒論

防波堤為阻斷波浪的沖擊力、圍護(hù)港池、維持水面平穩(wěn)以保護(hù)港口免受壞天氣影響、以便船舶安全停泊和作業(yè)而修建的水中建筑物[1]。

由于防波堤砌體重量較大可達(dá)上100噸，再加上海浪以及由于海底的淤泥和沙質(zhì)地質(zhì)的綜合影響，那么整個(gè)港口的防波堤在安裝建設(shè)的過(guò)程中以及建成過(guò)后都會(huì)發(fā)生沉降，而且在實(shí)際交付使用的時(shí)候要求防波堤的堤頂高程要高于設(shè)定的高程才能安全的有效的防止海浪和有效的保護(hù)港口內(nèi)的船只。

二、灰色模型與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

防波堤的沉降影響因素不僅受堤體自重、海浪、海底地質(zhì)等因素的影響，而且受其他的因素的影響；如：潮汐、日月引力、固體潮等因素的影響，這些參數(shù)在實(shí)際中有些無(wú)法測(cè)量或者實(shí)際應(yīng)用中的精度沒有考慮這些因素。這就導(dǎo)致影響因素的灰色性同時(shí)因?yàn)槎嘤绊懸蛩厮钥梢圆捎蒙窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)模型灰色系統(tǒng)理論是由華中理工大學(xué)鄧聚龍教授于1982年創(chuàng)立并發(fā)展起來(lái)的[2]。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)屬前向網(wǎng)絡(luò)，但它采用的是反向傳播的學(xué)習(xí)方法。BP網(wǎng)絡(luò)是對(duì)非線性可微分函數(shù)進(jìn)行權(quán)值訓(xùn)練的多層網(wǎng)絡(luò)，主要用于函數(shù)逼近、模式識(shí)別、分類及數(shù)據(jù)壓縮等[3]。

三、GM（1，1）處理沉降數(shù)據(jù)

以其中一點(diǎn)如C4點(diǎn)的沉降數(shù)據(jù)為例進(jìn)行處理預(yù)測(cè)，共11期沉降數(shù)據(jù)，以前八期的數(shù)據(jù)作為灰色模型的原始序列然后對(duì)后三期的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)驗(yàn)證。

1、原始序列x（0）（k）=（x（0）（1），x（0）（2），x（0）（3），…，x（0）（n））進(jìn)行一次累加生成處理得到x（1）（k）=（x（1）（1），x（1）（2），x（1）（3），…，x（1）（n））。其中的累加內(nèi)核公式為：

x（1）（k）=∑ki=1x（0）（i），k=1，2，3…，n（3.1）

2、計(jì)算得出均值序列即對(duì)累加生成的序列x（1）（k）進(jìn)行均值生成：Z（1）（k）=12[x（1）（k-1）+x（1）（k）]，k=2，3，…，n（3.1）

3、得到灰色模型的時(shí)間響應(yīng)函數(shù)：

（1）（k+1）=（x（0）（1）-ba）e-ak+ba（3.3）

3.得到最終的響應(yīng)式：

（0）（k+1）=（1-ea）（x（0）（1）-ba）e-ak（3.2）

4、采用最小二乘法計(jì)算a、b的估計(jì)值，這樣可以得到最優(yōu)的估計(jì)值，

通過(guò)計(jì)算得到=[a，b]T的最佳估計(jì)值。

5、由累減生成方法還原原始序列：（0）（k）=（1）（k）-（1）（k+1）；上述步驟可以通過(guò)matlab程序就可以得到前八期的模擬值以及向后預(yù)測(cè)三期的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。采用均方差比值D來(lái)驗(yàn)證精度，D=S2/S1其中：后驗(yàn)方差比值D就為：誤差的標(biāo)準(zhǔn)差與原始序列標(biāo)準(zhǔn)差的比值。

D=S2=1n∑nk=1E（K）-2S1=1n∑nk=1x（0）（k）-2（3.7）

得到D=02417，D小于精度標(biāo)準(zhǔn)的035，模型的精度為良好。

四、采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理數(shù)據(jù)

在預(yù)測(cè)之前，為了數(shù)據(jù)處理更加方便快捷，需要將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)模型，輸入層為三個(gè)節(jié)點(diǎn)，輸出層有一個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)公式m+n+a，m為輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)，n為輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)a屬于[1，10]之間的數(shù)，確定隱含層的節(jié)點(diǎn)數(shù)這里取四。用前8期數(shù)據(jù)作為輸入樣本，第九期、第十期和第十一期進(jìn)行預(yù)測(cè)驗(yàn)證。

構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型的核心思想可以概括為：第1、2、3期預(yù)測(cè)第四期第2、3、4期預(yù)測(cè)第五期，依次類推前八期為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，后三期為預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。通過(guò)程序的計(jì)算得出整體的均方誤差MSE為21773；誤差相當(dāng)大。主要是由于后三個(gè)預(yù)測(cè)值的影響。

五、GM（1，1）與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合

灰色模型具有良好的兼容性可以和其他算法模型進(jìn)行兼容，同時(shí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型本身也具有灰色性，所以兩者可以進(jìn)行聯(lián)合的處理數(shù)據(jù)[4]。同時(shí)通過(guò)以上的灰色模型和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)同一組數(shù)據(jù)的處理可以看出，兩個(gè)算法在模擬計(jì)算時(shí)精度較高，但是在預(yù)測(cè)時(shí)誤差就特別大。

采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對(duì)灰色模型處理的模擬的預(yù)測(cè)值的殘差結(jié)果進(jìn)行模擬和處理，即對(duì)殘差數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后得到殘差的處理值，根據(jù)（0）（i）=（0）（i）+（0）（i），i=1，2，…，n得出最終的模擬值和預(yù)測(cè)值。

通過(guò)matlab繪制灰色模型模擬值、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬值、灰色模型與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合處理的模擬值的圖形進(jìn)比較：

六、結(jié)論

通過(guò)比較分析可以看出在本次沉降數(shù)據(jù)處理中，由于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)量的要求較高，所以導(dǎo)致在模擬時(shí)有較高的精度但是在預(yù)測(cè)時(shí)精度較差，而灰色模型把原本不具備規(guī)律的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理在模擬和預(yù)測(cè)時(shí)精度較高可以應(yīng)用于本次數(shù)據(jù)處理；灰色模型與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合處理所得到的結(jié)果無(wú)論在模擬還是在預(yù)測(cè)方面都是與實(shí)測(cè)值最相近的，所以灰色模型和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的聯(lián)合模型可以良好的應(yīng)用于本次防波堤的數(shù)據(jù)處理之中。

參考文獻(xiàn)：

[1]宮云增，闞衛(wèi)明.天津港北大防波堤工程半圓體沉降觀測(cè)和初步分析[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2003

[2]鄧聚龍.灰理論基礎(chǔ)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002

[3]鄧聚龍.灰色系統(tǒng)基本方法[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，1987

[4]付海兵，曾黃麟.BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法及改進(jìn)[J].中國(guó)西部科技，2012，11（8）.23～24

[4]田秀梅.BP算法的改進(jìn)及仿真研究[J].電子技術(shù)研發(fā)：64～66

[5]謝中華，李國(guó)棟等matlab從零到進(jìn)階[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2012