博士论文: 机器学习在地下岩石工程中的实际应用

文摘   科技   2024-09-22 09:27   内蒙古  
1. 引言

刚刚阅读了Dr. Morgenroth(女)的博士论文《Practical applications of machine learning to underground rock engineering (机器学习在地下岩石工程中的实际应用)》,这篇论文是2022年完成的,2023年获得了加拿大岩石力学学会(CARMA)第二届 Doug Stead教授博士论文奖利用遥感和数值模拟相结合的方式评价边坡坡坏机制(Remote Sensing and Numerical Modeling)】。


Dr. Morgenroth本科毕业于Queen's地质工程专业,硕士毕业于UBC土木工程专业,博士于2022年毕业于York地质工程专业,毕业后就职于RockMass Technologies工程岩体分类---老问题新思考便携式手持LiDAR工具测绘岩体结构和地层变形】。


2. 研究内容

随着传感器技术的发展、数据存储成本的降低以及计算速度和计算能力的提高,岩石力学工程师从地下开挖中获取大量数据的机会越来越多,机器学习已成为处理工程决策数据的一种可行方法。本研究利用来自各种岩体变形环境的真实数据集,研究了机器学习算法(MLA)在地下岩石工程问题中的实际应用。研究发现,尽可能保留原始输入数据的格式可减少数字化过程中的偏差,并可获得更具可解释性的机器学习算法。

利用加拿大萨斯喀彻温省Cigar Lake矿(注:这是Cameco公司的铀矿)的数据集开发了卷积神经网络(CNN)【从岩石照片中提取节理或不连续性特征---直接识别和机器学习使用深度学习预测岩土稳定性的框架(3种不同方法和代码)】,用于预测隧道衬砌屈服分类。对几个超参数进行了优化:训练数据量、卷积滤波器大小和误差加权方案。提出了两种 CNN 架构来描述岩体变形:(i) 全局平衡模型,该模型对所有塌方等级的预测准确率大于 65%;(ii) 目标 2/3 级模型,该模型强调最坏情况下的塌方,对 2 级的召回率大于 99%。通过三种输入变量选择 (IVS) 方法研究了 CNN 的可解释性。这三种方法是通道激活强度法、输入遗漏法和部分相关法。后两种方法是利用时空地质力学数据集为 CNN 提出的新方法。综合来看,IVS 分析表明,需要所有可用的数字化输入才能产生良好的 CNN 性能。

利用加拿大安大略省萨德伯里附近Garson矿(注:这是Vale公司的铜矿)的数据集开发了一种长短期记忆(LSTM)网络,用于预测FLAC3D模型中的应力状态。这是一种新颖的方法,用于半自动化校准高应力环境的有限差分模型,提出了优化 LSTM 网络超参数的工作流程。与预测六分量应力张量相比,LSTM网络预测三个主应力的性能有所提高,修正后的 Akaike 信息准则 (AICc) 值分别为 -59.62 和 -45.50。

针对实际岩石工程问题的机器学习算法开发,从如何格式化和预处理输入、选择架构、调整超参数以及确定工程验证指标等方面提出了一般性建议。还提出了一些建议,以展示如何通过应用机器学习领域已有的工具来实现算法的可解释性。

计算岩土力学
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