WYKORZYSTANIE SZTUCZNYCH SIECI NEURONOWYCH DO ANALIZY WPŁYWU WYBRANYCH PARAMETRÓW NA ŚREDNICE KOLUMN INIEKCYJNYCH

Podobne dokumenty
WYBRANE PRZYKŁADY ZASTOSOWAŃ SZTUCZNYCH SIECI NEURONOWYCH W GEOTECHNICE

Sztuczna Inteligencja Tematy projektów Sieci Neuronowe

WYKORZYSTANIE SIECI NEURONOWEJ DO BADANIA WPŁYWU WYDOBYCIA NA SEJSMICZNOŚĆ W KOPALNIACH WĘGLA KAMIENNEGO. Stanisław Kowalik (Poland, Gliwice)

1. Historia 2. Podstawy neurobiologii 3. Definicje i inne kłamstwa 4. Sztuczny neuron i zasady działania SSN. Agenda

WYZNACZANIE WARTOŚCI PODSTAWOWYCH PARAMETRÓW TECHNICZNYCH NOWOCZESNYCH KOMBAJNÓW ZBOŻOWYCH PRZY UŻYCIU SSN

Sieci neuronowe w Statistica

L i d i a W A N I K GEOMETRYCZNE I MECHANICZNE WŁAŚCIWOŚCI KOLUMN INIEKCYJNYCH: BADANIA DOŚWIADCZALNE I PRZEWIDYWANIE

Algorytm wstecznej propagacji błędów dla sieci RBF Michał Bereta

Wykorzystanie metody funkcji transformacyjnych do analizy nośności i osiadań pali CFA

Projekt Sieci neuronowe

ZACHODNIOPOMORSKI UNIWERSYTET TECHNOLOGICZNY W SZCZECINIE

Zastosowania sieci neuronowych

ĆWICZENIE 5: Sztuczne sieci neuronowe

Kolumny Jet Grouting JG. Kolumny Jet Grouting JG. Opis

Temat: Sztuczne Sieci Neuronowe. Instrukcja do ćwiczeń przedmiotu INŻYNIERIA WIEDZY I SYSTEMY EKSPERTOWE

Streszczenie. Słowa kluczowe: modele neuronowe, parametry ciągników rolniczych

Sieci neuronowe w Statistica. Agnieszka Nowak - Brzezioska

Analiza możliwości szacowania parametrów mieszanin rozkładów prawdopodobieństwa za pomocą sztucznych sieci neuronowych 4

Wstęp do teorii sztucznej inteligencji Wykład III. Modele sieci neuronowych.

8. Neuron z ciągłą funkcją aktywacji.

WYKORZYSTANIE SZTUCZNYCH SIECI NEURONOWYCH W PROGNOZOWANIU

Metody Sztucznej Inteligencji II

HAŁASU Z UWZGLĘDNIENIEM ZJAWISK O CHARAKTERZE NIELINIOWYM

Uczenie sieci typu MLP

ZASTOSOWANIE AUTORSKIEJ METODY WYZNACZANIA WARTOŚCI PARAMETRÓW NOWOCZESNYCH SYSTEMÓW TECHNICZNYCH DO PŁUGÓW I OPRYSKIWACZY POLOWYCH

WPŁYW SZYBKOŚCI STYGNIĘCIA NA WŁASNOŚCI TERMOFIZYCZNE STALIWA W STANIE STAŁYM

PROGNOZOWANIE OSIADAŃ POWIERZCHNI TERENU PRZY UŻYCIU SIECI NEURONOWYCH**

Podstawy Sztucznej Inteligencji (PSZT)

ALGORYTMY SZTUCZNEJ INTELIGENCJI

Temat: Sieci neuronowe oraz technologia CUDA

ZASTOSOWANIE SIECI NEURONOWYCH DO OPTYMALIZACJI WARUNKÓW OBRÓBKI CIEPLNEJ STOPÓW Mg-Al

Inżynieria Rolnicza 5(93)/2007

WYKORZYSTANIE SIECI NEURONOWYCH DO ODWZOROWANIA DEFORMACJI POWIERZCHNI NA TERENACH GÓRNICZYCH

Laboratorium. Hydrostatyczne Układy Napędowe

I EKSPLORACJA DANYCH

Stosowane metody wykrywania nieszczelności w sieciach gazowych

WYKORZYSTANIE MES DO WYZNACZANIA WPŁYWU PĘKNIĘCIA W STOPIE ZĘBA KOŁA NA ZMIANĘ SZTYWNOŚCI ZAZĘBIENIA

Inteligentne systemy przeciw atakom sieciowym

Mgr inż. Paweł Trybalski Dział Doradztwa Technicznego, Grupa Ożarów S.A. Olsztyn

THE MODELLING OF CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OF HARMONIC DRIVE

Temat: ANFIS + TS w zadaniach. Instrukcja do ćwiczeń przedmiotu INŻYNIERIA WIEDZY I SYSTEMY EKSPERTOWE

Analiza stateczności zbocza

DEKOMPOZYCJA HIERARCHICZNEJ STRUKTURY SZTUCZNEJ SIECI NEURONOWEJ I ALGORYTM KOORDYNACJI

PALE PRZEMIESZCZENIOWE WKRĘCANE

SIEĆ NEURONOWA JAKO NARZĘDZIE APROKSYMACJI I KLASYFIKACJI DANYCH. Jakub Karbowski Gimnazjum nr 17 w Krakowie

Oprogramowanie Systemów Obrazowania SIECI NEURONOWE

Numeryczna symulacja rozpływu płynu w węźle

MATEMATYCZNY MODEL PĘTLI HISTEREZY MAGNETYCZNEJ

BADANIA WYTRZYMA OŒCI NA ŒCISKANIE PRÓBEK Z TWORZYWA ABS DRUKOWANYCH W TECHNOLOGII FDM

Zastosowanie sztucznych sieci neuronowych w prognozowaniu szeregów czasowych (prezentacja 2)

Sieci neuronowe do przetwarzania informacji / Stanisław Osowski. wyd. 3. Warszawa, Spis treści

Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny INSTYTUT INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ ZAKŁAD METALOZNAWSTWA I ODLEWNICTWA

Analiza kalibracji wyników sondowań CPT z próbnymi odwiertami kolumn przemieszczeniowych CMC

WYZNACZANIE NIEPEWNOŚCI POMIARU METODAMI SYMULACYJNYMI

ZASTOSOWANIE SZTUCZNYCH SIECI NEURONOWYCH DO OPISU PRZENIKALNOŚCI ELEKTRYCZNEJ MĄKI

PROGNOZOWANIE CENY OGÓRKA SZKLARNIOWEGO ZA POMOCĄ SIECI NEURONOWYCH

Analiza współpracy kolumn wykonanych technikami iniekcyjnymi z podłożem gruntowym

Modelowanie efektów fizycznych i skutków awaryjnych uwolnień LNG do środowiska

Obliczenia osiągów dyszy aerospike przy użyciu pakietu FLUENT Michał Folusiaak

ZNACZENIE POWŁOKI W INŻYNIERII POWIERZCHNI

BADANIA SYMULACYJNE PROCESU HAMOWANIA SAMOCHODU OSOBOWEGO W PROGRAMIE PC-CRASH

Podstawy Sztucznej Inteligencji

MODELOWANIE NEURONALNE ROZWOJU SYSTEMU ELEKTROENERGETYCZNEGO. CZĘŚĆ 2. MODELE SYSTEMU IEEE RTS

Abstracts Vol. 4 No. 4

Uczenie sieci neuronowych i bayesowskich

Wstęp do sztucznych sieci neuronowych

przewidywania zapotrzebowania na moc elektryczn

ALGORYTMY SZTUCZNEJ INTELIGENCJI W LOGISTYCE

Podstawy sztucznej inteligencji

Maciej Kordian KUMOR. BYDGOSZCZ - TORUŃ stycznia 2012 roku. Katedra Geotechniki Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska

BADANIA NOŚNOŚCI PALI FORMOWANYCH TECHNIKĄ INIEKCJI STRUMIENIOWEJ

Elementy inteligencji obliczeniowej

Sondowania statyczne CPTU Sprzęt, interpretacja, jakość

Nasyp przyrost osiadania w czasie (konsolidacja)

Inżynieria Rolnicza 3(121)/2010

Optymalizacja optymalizacji

METODA ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH.

Uniwersytet Zielonogórski Wydział Elektrotechniki, Informatyki i Telekomunikacji Instytut Sterowania i Systemów Informatycznych

Aproksymacja danych doświadczalnych z badań trójosiowego ściskania gruntu przy użyciu perceptronu wielowarstwowego

MODELOWANIE PROCESÓW PRZETWÓRCZYCH Z UŻYCIEM SZTUCZNYCH SIECI NEURONOWYCH

Zrealizować sieć neuronową (learnbpm) uczącą się odwzorowania z = x 2 + y 2 dla x i y zmieniających się od -1 do 1.

NAPRĘŻENIA ŚCISKAJĄCE PRZY 10% ODKSZTAŁCENIU WZGLĘDNYM PRÓBEK NORMOWYCH POBRANYCH Z PŁYT EPS O RÓŻNEJ GRUBOŚCI

PROGNOZA OSIADANIA PRZYPORY CHRONI CEJ STABILNOÚÃ SK ADOWISKA POPIO ÓW ELEKTROWNI POMORZANY

MODELOWANIE FAZ ZNI ANIA I L DOWANIA SAMOLOTU BOEING ER PRZY U YCIU SZTUCZNYCH SIECI NEURONOWYCH

Inteligentne systemy decyzyjne: Uczenie maszynowe sztuczne sieci neuronowe

Zastosowanie optymalizacji rojem cząstek (PSO) w procesie uczenia wielowarstwowej sieci neuronowej w problemie lokalizacyjnym

Instytut Mechaniki i Inżynierii Obliczeniowej Wydział Mechaniczny Technologiczny Politechnika Śląska

ALGORYTM ROZPOZNAWANIA OBRAZÓW MATERIAŁÓW BIOLOGICZNYCH

Sieci neuronowe i algorytmy uczenia Czyli co i jak andrzej.rusiecki.staff.iiar.pwr.wroc.pl s.

Politechnika Warszawska

Przewidywanie średnic kolumn iniekcyjnych przy zastosowaniu sztucznych sieci neuronowych

Materiałowe i technologiczne uwarunkowania stanu naprężeń własnych i anizotropii wtórnej powłok cylindrycznych wytłaczanych z polietylenu

POMIAR WILGOTNOŚCI MATERIAŁÓW SYPKICH METODĄ IMPULSOWĄ

WYKORZYSTANIE SZTUCZNYCH SIECI NEURONOWYCH DO PROGNOZOWANIA CEN NA GIEŁDZIE ENERGII

METODA PROGNOZOWANIA SZEREGÓW CZASOWYCH PRZY UŻYCIU SZTUCZNYCH SIECI NEURONOWYCH

MODEL NEURONOWY ZMIAN TEMPERATURY PODCZAS KONWEKCYJNEGO SUSZENIA ZRĘBKÓW WIERZBY ENERGETYCZNEJ

WPŁYW TYPU SIECI NEURONOWEJ NA DOKŁADNOŚĆ PROGNOZOWANIA PRZEKAZYWANIA DRGAŃ POCHODZENIA GÓRNICZEGO Z GRUNTU NA BUDYNEK

Zagęszczanie gruntów niespoistych i kontrola zagęszczenia w budownictwie drogowym

Sztuczne sieci neuronowe (SNN)

Transkrypt:

Maciej OCHMAŃSKI * Politechnika Śląska WYKORZYSTANIE SZTUCZNYCH SIECI NEURONOWYCH DO ANALIZY WPŁYWU WYBRANYCH PARAMETRÓW NA ŚREDNICE KOLUMN INIEKCYJNYCH 1. Wprowadzenie Kolumny iniekcyjne jet grouting stanowią obecnie jedną z bardziej popularnych metod wzmacniania słabego podłoża gruntowego. Według polskiej normy PN-EN 12716:2002 iniekcja strumieniowa polega na niszczeniu struktury gruntu lub słabej skały oraz mieszaniu i częściowej wymianie na czynnik wiążący. Na skutek wysokiego ciśnienia iniektu następuje rozluźnienie ośrodka gruntowego, a następnie wiązanie iniektu z cząstkami gruntu, co w efekcie prowadzi do powstania kolumny iniekcyjnej. Kolumny iniekcyjne mogą przyjmować różny kształt, który jest zależny od wielu czynników, m.in. od rodzaju gruntu czy energii kinetycznej iniektu. Przykład odsłoniętej kolumny pokazano na rys. 1. Za względu na specyfikę techniki iniekcji strumieniowej do dnia dzisiejszego nie zostały do końca poznane czynniki wpływające na geometrię i właściwości materiałowe uzyskiwanych kolumn iniekcyjnych. Jednym z podstawowych zagadnień jest określenie średnicy kolumn iniekcyjnych. Niestety, ze względu na poziom skomplikowania tej metody nie opracowano dotychczas żadnych metod szacowania średnicy kolumny iniekcyjnej. Zagadnienie to podjął Bergschneider [2] pokazując, że przy wykorzystaniu zbiorów rozmytych można przewidzieć średnicę kolumn iniekcyjnych z dość dużą dokładnością. Zależności empiryczne, które wykorzystują parametry formowania kolumn oraz warunki gruntowo-wodne do szacowania średnicy kolumny iniekcyjnej zostały przedstawione przez Florę i in. [4],. W referacie przedstawiono analizy wpływu wybranych parametrów gruntowych i iniekcyjnych na szacowanie średnicy kolumny iniekcyjnej. Analizy wykonano przy użyciu sztucznych sieci neuronowych. Wyniki analiz zostały porównane z * Opiekun naukowy: dr hab. inż. Joanna Bzówka, prof. Politechniki Śląskiej

2 M. Ochmański rzeczywistymi wartościami średnic kolumn iniekcyjnych, które uzyskano po odsłonięciu i pomierzeniu kolumn w terenie. Rys. 1. Kolumna iniekcyjna po odsłonięciu [3] Fig. 1. Jet grouting column after excavation [3] 2. Sztuczne sieci neuronowe Sztuczne sieci neuronowe (SSN) obok algorytmów genetycznych czy zbiorów rozmytych stanowią jedną z metod tzw. soft computing. SSN są coraz częściej z powodzeniem wykorzystywane do rozwiązywania zagadnień związanych z szeroko pojętą geotechniką od przewidywania odkształceń ośrodka gruntowego, aż po kalibrację modeli numerycznych. Zasada działania sztucznych sieci neuronowych opiera się na uproszczonej symulacji układu nerwowego organizmów żywych. Sztuczna sieć neuronowa składa się z połączonych wzajemnie wielu neuronów, które odpowiadają za modyfikację otrzymanego sygnału oraz jego dalszą propagację. Schemat biologicznego neuronu przedstawiono na rys. 2, a jego matematyczny model na rys. 3. Rys. 2. Schemat neuronu [6] Fig. 2. Scheme of neuron [6]

Wykorzystanie sztucznych sieci neuronowych do analizy wpływu wybranych 3 Rys. 3. Model sztucznego neuronu [7] Fig. 3. Model of artificial neuron [7] Matematyczną interpretację zasady działania sztucznego neuronu można przedstawić za pomocą wzoru [1]: (1) gdzie: F funkcja aktywacji, xi sygnał wejściowy, wi waga sygnału wejściowego, y sygnał wyjściowy, n liczba wejść. Sztuczna sieć neuronowa może składać się z wielu sztucznych neuronów pogrupowanych w kilka warstw. Wagi połączeń między neuronami są dostosowywane w procesie uczenia SSN za pomocą jednej z wielu metod. Jedną z najbardziej wydajnych jest metoda Levenberga-Marquardta, którą wykorzystano do analiz m.in. w pracy [5]. W celu określenia jakości utworzonej sztucznej sieci neuronowej, posłużono się błędem średniokwadratowym (MSE) wyrażonym za pomocą wzoru (2): gdzie: liczba obserwacji, (2) wartość przewidziana za pomocą SSN, wartość rzeczywista.

4 M. Ochmański 3. Analiza wpływu wybranych parametrów na otrzymywane wielkości średnic kolumn iniekcyjnych Analizy obliczeniowe za pomocą sztucznych sieci neuronowych zostały przeprowadzone w celu uzyskania informacji na temat wpływu parametrów formowania kolumn iniekcyjnych oraz warunków gruntowo-wodnych na uzyskiwane wielkości średnic kolumn iniekcyjnych. Następujące parametry formowania podlegały analizie: - średnica dyszy iniekcyjnej - do, - prędkość początkowa iniektu w dyszy - vo, - prędkość podciągania monitora podczas formowania - vs, - gęstość zaczynu iniekcyjnego - ρ, - stosunek c/w zaczynu iniekcyjnego - ω, - opór stożka sondy statycznej CPT - qc. W pierwszej kolejności przeprowadzono analizę wpływu liczby użytych przypadków do nauczenia sieci neuronowej na otrzymywane wyniki w porównaniu do podejścia empirycznego zaproponowanego przez Florę i in. [4]. Pozwoliło to na weryfikację liczby wykorzystanych przypadków opisujących kolumny iniekcyjne, mającej bezpośredni wpływ na otrzymywane wyniki, co w rezultacie zapewniło odpowiedni poziom wiarygodności przeprowadzonej analizy. Poniżej przedstawiono architekturę utworzonej sieci neuronowej: - model sieci 3-7-1, co oznacza sztuczną sieć neuronową jednokierunkową o 3 wejściach, jednej warstwie ukrytej o 7 neuronach i warstwie wyjściowej o 1 neuronie, - zmienne wejściowe (E n, ω, qc) 3, - zmienne wyjściowe (Da) 1, - funkcje aktywacji sigmoidalna (dla warstwy ukrytej) oraz liniowa (dla warstwy zmiennych wyjściowych), - liczba przypadków uczących 59. Pozostałe parametry wejściowe tj. do, vo, vs, ρ, zostały uwzględnione w wartości energii kinetycznej przez zastosowanie wzoru empirycznego [4]: gdzie: M ilość dysz [-], (3) - gęstość zaczynu cementowego [kg/m 3 ].

Wykorzystanie sztucznych sieci neuronowych do analizy wpływu wybranych 5 Rys. 4. Wpływ liczby przypadków uczących na jakość przewidywania średnicy kolumn iniekcyjnych Fig. 4. Influence of number of learning data on the quality prediction of jet grouting columns diameter Wyniki analiz zostały przedstawione na rysunku 5, który pokazuje wrażliwość otrzymanych średnic kolumn iniekcyjnych na wartości wprowadzanych zmiennych. Otrzymane wyniki są zgodne z zaobserwowanymi w praktyce tendencjami zmian średnic kolumn iniekcyjnych w zależności do zmian jednego z parametrów podczas iniekcji. Jedyna wątpliwość pojawia się w przypadku uzyskanej wrażliwości średnicy kolumny na stosunek c/w zaczynu iniekcyjnego. W praktyce, można zauważyć, że w rozpatrywanym zakresie zmienności c/w wraz ze wzrostem ilości wody w zaczynie iniekcyjnym (co w efekcie prowadzi do rozluźnienia cząstek ośrodka gruntowego) średnica kolumn iniekcyjnych wzrasta. Jedną z przyczyn błędnej oceny wpływu parametru ( =c/w) jest stosunkowo wąski zakres zmienności tego parametru w użytych danych wejściowych [4].

6 M. Ochmański a) b) c) d) e) f) Rys. 5. Wrażliwość średnic kolumn iniekcyjnych na wartości parametrów formowania kolumn iniekcyjnych oraz warunków-gruntowo Fig. 5. Diameter sensitivity of jet grouting columns on the forming parameters and soil properties

Wykorzystanie sztucznych sieci neuronowych do analizy wpływu wybranych 7 4. Przewidywanie średnicy kolumn iniekcyjnych Określenie średnicy kolumn iniekcyjnych ze względu na wpływ wielu parametrów na jej wielkość jest wyzwaniem dla inżynierów geotechników. Rys. 6. Korelacja pomierzonych średnic kolumn iniekcyjnych do ich odpowiedników uzyskanych przy wykorzystaniu Sztucznych Sieci Neuronowych Fig. 6. Correlation of measured diameter of jet grouting columns to predicted with the use of Artificial Neural Networks Sztuczna sieć neuronowa o architekturze 3-7-1 użyta do przedstawianego zadania charakteryzowała się takimi samymi parametrami jak przy analizie wrażliwości (patrz pkt 3.). W celu nauczenia SSN posłużono się algorytmem Levenberga- Marquardta. Korzystając z tak utworzonej sztucznej sieci neuronowej przewidziano średnicę kolumn iniekcyjnych posługując się danymi zaczerpniętymi z pracy [4]. Uzyskane średnice kolumn charakteryzują się dobrą zgodnością z ich rzeczywistymi odpowiednikami, co potwierdza wysoki współczynnik determinacji (R 2 =0,9539). Powyższą korelację przedstawiono na rys. 6. Jako rozszerzenie przeprowadzonych analiz sporządzono wykres służący do określania średnicy kolumn iniekcyjnych (rys. 7). Podstawowym parametrem jest energia kinetyczna iniektu u wylotu dyszy oraz parametr wytrzymałościowy (qc) ośrodka gruntowego, określony na podstawie sondowań statycznych.

8 M. Ochmański Rys. 7. Zależność średnicy kolumny iniekcyjnej od energii kinetycznej iniektu u wylotu dyszy oraz oporu stożka sondy statycznej Fig. 7. Correlation of jet grouting column diameter on kinetic energy at the nozzle per unit length of column and unit tip resistance of Cone Penetration Test 5. Podsumowanie W wyniku przeprowadzonej analizy przy wykorzystaniu sztucznych sieci neuronowych uzyskano informację o wpływie wybranych parametrów formowania kolumn iniekcyjnych oraz parametru wytrzymałościowego ośrodka gruntowego (qc) na uzyskiwaną średnicę kolumn. Powyższe analizy pokazują szerokie możliwości zastosowania sztucznych sieci neuronowych do rozwiązywania zagadnień trudnych, bądź wręcz niemożliwych przy wykorzystaniu tradycyjnych metod. Pokazano również wstępne wyniki przewidywania średnic kolumn, które charakteryzowały się bardzo dobrą zbieżnością z ich rzeczywistymi odpowiednikami. Należy jednak spojrzeć krytycznie na wyniki, które w głównej mierze zależą od jakości danych wejściowych, na podstawie których SSN została zbudowana.

Wykorzystanie sztucznych sieci neuronowych do analizy wpływu wybranych 9 BIBLIOGRAFIA 1. Bartman J. (2012): Sztuczne sieci neuronowe. Prezentacja pobrana z www.neurosoft.edu.pl/jbartman/nti1.pdf, dnia 20.12.2012. 2. Bergschneider B. (2002): Zur Reichweite beim Düsenstrahlverfahren im Sand. Bodenmechanik und Grundbau, Bericht Nr. 24. 3. Bzówka J. (2009): Współpraca kolumn wykonywanych techniką iniekcji strumieniowej z podłożem gruntowym. Monografia. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice. 4. Flora, A., Modoni, G., Lirer, S., Croce P. (2012): The diameter of single, double and triple fluid jet grouting columns: prediction method and field trial results, Geotechnique (publikacja w druku - udostępniona przez Autorów). 5. Sulewska M.: Sztuczne sieci neuronowe w ocenie parametrów zagęszczenia gruntów niespoistych. Studia z Zakresu Inżynierii, nr 64. Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN, Warszawa Białystok. 2009. 6. projects.zpt.tele.pw.edu.pl/prac_dypl_rsurgiewicz/wiki/teoria_ssn 7. http://wiki.ega.org.pl/index.php?title=sztuczne_sieci_neuronowe

10 M. Ochmański WYKORZYSTANIE SZTUCZNYCH SIECI NEURONOWYCH DO ANALIZY WPŁYWU WYBRANYCH PARAMETRÓW NA ŚREDNICE KOLUMN INIEKCYJNYCH Streszczenie W artykule przedstawiono analizę wpływu wybranych parametrów gruntowych i iniekcyjnych na uzyskiwane średnice kolumn iniekcyjnych. Analizy zostały przeprowadzone za pomocą sztucznych sieci neuronowych. THE USE OF ARTIFICIAL NEURAL NETWORKS FOR INFLUENCE ANALYSIS OF SELECTED PARAMETERS ON THE JET GROUTING COLUMNS DIAMETERS Summary In the paper the analysis of selected parameters of subsoil and jet grouting technology on diameters of jet grouting columns are presented. The analyses were performed with the use of artificial neural networks.