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基于CEEMDAN-PE-LSTM的混凝土坝变形预测

宋洋 杨杰 宋锦焘 程琳

宋洋,杨杰,宋锦焘,等. 基于CEEMDAN-PE-LSTM的混凝土坝变形预测[J]. 水利水运工程学报,2021(3):41-49. doi:  10.12170/20200520003
引用本文: 宋洋,杨杰,宋锦焘,等. 基于CEEMDAN-PE-LSTM的混凝土坝变形预测[J]. 水利水运工程学报,2021(3):41-49. doi:  10.12170/20200520003
(SONG Yang, YANG Jie, SONG Jintao, et al. Concrete dam deformation prediction based on CEEMDAN-PE-LSTM model[J]. Hydro-Science and Engineering, 2021(3): 41-49. (in Chinese)) doi:  10.12170/20200520003
Citation: (SONG Yang, YANG Jie, SONG Jintao, et al. Concrete dam deformation prediction based on CEEMDAN-PE-LSTM model[J]. Hydro-Science and Engineering, 2021(3): 41-49. (in Chinese)) doi:  10.12170/20200520003

基于CEEMDAN-PE-LSTM的混凝土坝变形预测

doi: 10.12170/20200520003
基金项目: 国家自然科学基金重点项目(52039008);陕西省自然科学基础研究计划重点项目(2018JZ5010);陕西省水利科技计划项目(2018SLKJ-5);引汉济渭联合基金项目(2019JLM-55)
详细信息
    作者简介:

    宋 洋(1996—),男,云南昆明人,硕士研究生,主要从事水工结构与安全监控研究。E-mail:songyang115@163.com

    通讯作者:

    宋锦焘(E-mail:zibet998@126.com

  • 中图分类号: TP.698.1

Concrete dam deformation prediction based on CEEMDAN-PE-LSTM model

  • 摘要: 由于混凝土坝变形监测数据有明显的非线性、非平稳特征,且数据序列包含一定的噪声,容易导致模型预测精度不高。针对上述问题,提出了基于自适应噪声完全集合经验模态分解(CEEMDAN)-排列熵(PE)-长短时记忆神经网络(LSTM)的混凝土坝变形预测模型。利用CEEMDAN对非线性信号的自适应分解能力,将原始变形数据分解为频率不同、复杂度差异明显的一组固有模态函数(IMF),降低序列中不同尺度信息的相互影响。基于PE算法将复杂度相近的IMF分量进行合并重组。最后,对若干重组序列分别构建LSTM模型进行预测,将预测结果相加得到最终变形预测值。以某混凝土坝水平位移监测数据进行建模分析,结果表明:CEEMDAN-PE-LSTM模型与常规模型相比预测精度显著提高,能更好地对非线性数据序列进行预测。与单一的LSTM模型相比,平均绝对误差、平均绝对百分比误差和均方根误差分别降低了76.43%、75.55%和74.73%,表明该模型通过对原始序列的分解与重组获取不同尺度特征,可以更好地把握非线性、非平稳数据的变化规律,提高预测精度,能有效运用于混凝土坝的变形预测。
  • 图  1  LSTM的内部单元结构

    Figure  1.  LSTM internal unit structure diagram

    图  2  引张线观测点布置(单位:m)

    Figure  2.  Layout of the tension wire measuring points (unit: m)

    图  3  EX4测点水平位移实测序列过程线

    Figure  3.  Process line of measured sequence of horizontal displacement of EX4 measuring point

    图  4  基于CEEMDAN的变形序列分解结果

    Figure  4.  Decomposition result of deformation sequence based on CEEMDAN

    图  5  CEEMDAN分解的相对误差

    Figure  5.  Relative error of CEEMDAN decomposition

    图  6  IMF分量的排列熵值

    Figure  6.  Permutation entropy values of each IMF component

    图  7  经过CEEMDAN-PE处理的变形重组序列

    Figure  7.  Deformed recombination sequence processed by CEEMDAN-PE

    图  8  各模型预测结果

    Figure  8.  Prediction results of each model

    表  1  IMF分量合并方案

    Table  1.   IMF components merger scheme

    X1X2X3X4
    IMF1+IMF2 IMF3 IMF4+IMF5+IMF6 IMF7
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    表  2  各预测模型性能指标对比

    Table  2.   Comparisons of prediction performance indexes for each prediction model

    模型平均绝对误差/mm平均绝对百分比误差/%均方根误差/mm
    PLSR 0.440 27.143 0.481
    SVR 0.305 17.520 0.377
    LSTM 0.157 9.078 0.182
    CEEMDAN-PE-LSTM 0.037 2.220 0.046
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-05-20
  • 网络出版日期:  2021-05-08
  • 刊出日期:  2021-06-15

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