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        基于廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的閘壩下局部沖刷深度預(yù)測(cè)模型

        2018-07-09 09:47:18張凱馬原飛張曉萍
        卷宗 2018年17期
        關(guān)鍵詞:閘壩預(yù)測(cè)模型

        張凱 馬原飛 張曉萍

        摘 要:為了更加精確的分析閘壩下局部沖刷深度的問題,本文建立了基于廣義回歸(GRNN)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的閘壩下局部沖刷深度預(yù)測(cè)模型,并利用前人的數(shù)據(jù)在MATLAB軟件里進(jìn)行了訓(xùn)練,結(jié)果表明:該模型能較為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出閘壩下局部沖刷深度,且運(yùn)算速度快,對(duì)工程設(shè)計(jì)有較高的推廣和運(yùn)用價(jià)值。

        關(guān)鍵詞:閘壩;局部沖刷;GRNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);預(yù)測(cè)模型

        目前,修建的閘壩都具有一定的落差,導(dǎo)致下瀉水流的流速很大,并且攜帶著較大的能量,如果這些能量得不到消散,就會(huì)對(duì)河床以及河岸造成沖刷,形成沖刷坑,從而影響閘壩的穩(wěn)定和安全的運(yùn)行。閘壩下沖刷深度的預(yù)測(cè)是一個(gè)很重要的課題,到目前為止,預(yù)測(cè)閘壩下沖刷深度的方法包括現(xiàn)場觀測(cè)、模型試驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)公式和數(shù)值模擬,其中以經(jīng)驗(yàn)公式應(yīng)用最為廣泛,計(jì)算閘壩下局部沖刷深度的公式已多達(dá)數(shù)十個(gè)[1]。但是由于各公式選取的理論基礎(chǔ)不一樣,導(dǎo)致公式的形式與適用范圍也相差較大。

        神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自學(xué)習(xí)、聯(lián)想存儲(chǔ)、高速尋求最優(yōu)解等特點(diǎn),并且還有極強(qiáng)的非線性映射能力[2],使用其來預(yù)測(cè)閘壩下局部沖刷深度是一個(gè)不錯(cuò)的方法。本文在前人的研究基礎(chǔ)上,建立了基于廣義回歸(GRNN)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的閘壩下局部沖刷深度預(yù)測(cè)模型,通過訓(xùn)練,該模型具有較高的精度。

        1 廣義回歸(GRNN)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

        1.1 模型的結(jié)構(gòu)

        廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是建立在數(shù)理統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上的徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò),其理論基礎(chǔ)是非線性回歸分析。該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由輸入層、隱含層和輸出層組成[3]。輸入層只起傳輸數(shù)據(jù)的作用;隱含層中神經(jīng)元個(gè)數(shù)等于樣本個(gè)數(shù),該層的權(quán)值函數(shù)為歐式距離函數(shù),傳遞函數(shù)為徑向基函數(shù);輸出層為線性輸出層,具體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        1.2 模型的算法

        GRNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的理論基礎(chǔ)是非線性回歸分析。設(shè)隨機(jī)變量 和 的聯(lián)合概率密度函數(shù)為 ,已知 的觀測(cè)值為 ,則 相對(duì)于 的回歸,即條件均值為[4]:

        2 模型的建立

        根據(jù)前人的研究與分析,本文選取泥沙的平均粒徑、單寬下瀉流量、壩下穩(wěn)定水深、上下游水位差、沖刷坑水深為輸入層因子,閘壩下局部沖刷坑深度為輸出層因子。

        通過查閱文獻(xiàn),整理出40組關(guān)于閘壩下局部沖刷的數(shù)據(jù)[5][6],其中25組數(shù)據(jù)用于構(gòu)建模型,15組數(shù)據(jù)用于測(cè)試模型的預(yù)測(cè)能力,數(shù)據(jù)各個(gè)參數(shù)的取值范圍如表1。

        3 計(jì)算結(jié)果及分析

        本文通過計(jì)算實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)和平均相對(duì)誤差來表征預(yù)測(cè)結(jié)果精度。

        其中平均相對(duì)誤差預(yù)測(cè)公式[7]:

        從圖2可以知道,測(cè)試樣本的對(duì)比值都落在45°線附近,且大部分不超過±15%誤差線,模型預(yù)測(cè)結(jié)果的平均相對(duì)誤差 ,實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值之間的相關(guān)系數(shù) ,說明該模型比較精確。

        4結(jié)論

        本文選取前人做過的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來構(gòu)建模型和訓(xùn)練模型,增加了結(jié)果的可靠性。

        本文通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)以及平均相對(duì)誤差來判斷預(yù)測(cè)結(jié)果的精度,驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

        從結(jié)果來看,該模型能較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)出閘壩下局部沖刷深度,且運(yùn)算速度快,相較于經(jīng)驗(yàn)公式更加實(shí)用,對(duì)工程設(shè)計(jì)有較高的推廣和運(yùn)用價(jià)值。

        參考文獻(xiàn)

        [1]郭毅. 山區(qū)河流中低水頭壩下局部沖刷深度公式及應(yīng)用[D]. 重慶交通大學(xué), 2016.

        [2]馬銳. 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社, 2014.

        [3]王小川. MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)43個(gè)案例分析[M]. 北京航空航天大學(xué)出版社, 2013.

        [4]梁鳳國, 李帥瑩, 于淼,等. 基于GRNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參考作物騰發(fā)量預(yù)測(cè)[J]. 人民長江, 2009, 40(5):58-59.

        [5]劉向宇, 張根廣, 徐龍飛. 當(dāng)卡水電站泄水閘下游主河道局部沖刷坑深度計(jì)算方法[J]. 水電能源科學(xué), 2014(4):92-95.

        [6]高翔, 張根廣, 孟侖. 閘壩式水電站下游局部沖刷坑的計(jì)算方法[J]. 水電能源科學(xué), 2015(3).

        [7]霍俊波, 拾兵, 劉文沛,等. 基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的橋墩局部沖刷深度預(yù)測(cè)模型[J]. 中國水運(yùn)月刊, 2017, 17(7):101-103.

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