深開挖壁體變形預測-應用演化式支持向量機推論模式(ESIM)

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研究生：	李文通 Wun-tong Li
論文名稱：	深開挖壁體變形預測-應用演化式支持向量機推論模式(ESIM) Prediction of Diaphragm Wall Deflection in Deep Excavations Using Evolutionary Support Vector Machine Inference Model (ESIM)
指導教授：	鄭明淵 Min-Yuan Cheng
口試委員:	曾惠斌 none 曾仁杰 none 謝佑明 none
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工程學院 - 營建工程系 Department of Civil and Construction Engineering
論文出版年：	2008
畢業學年度：	96
語文別：	中文
論文頁數：	92
中文關鍵詞：	演化式支持向量機、快速混雜基因演算法、變形符合度
外文關鍵詞：	Evolutionary Support Vector Machine, Fast Messy Genetic Algorithms, Coincidence of wall deformation
相關次數：	點閱：257 下載：3
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本研究針對台北盆地深開挖壁體變形的預測，建立「演化式支持向量機推論模式」，以提供營造業及專業基礎工程包商於深基礎開挖作業中，依據輸入各階段壁體變位監測資料，利用系統訓練學習結果，來預測下階段之壁體變形量，並查核最大變位量是否在控制值之內，以做為工地安全及危機處理之參考。
本研究採用人工智慧技術－Evolutionary Support Vector Machine Inference Model（ESIM）為模式核心，結合人工智慧支持向量機與快速混雜基因演算法二種技術之優點，建立演化式支持向量機壁體變位預測模式來預測壁體變形，本模式係藉由過去相關案例壁體變位監測資料之搜集與彙整，建立壁體變位監測案例資料庫，然後應用演化式支持向量機推論之推理機制及學習機制，從案例資料中歸納出壁體變形模式，建立壁體變形推論模式。本模式使施工廠商能利用歷史工程案例之知識與經驗，較準確地預測新專案基礎開挖的壁體變形。

This study established an “Evolutionary Support Vector Machine Inference Model” to predict wall deformation in deep excavation in Taipei Basin. The system allows the construction and foundation construction contractors to use wall deflection monitoring data of different stages during deep excavation process, in order to predict the wall deformation of the next stage and examine whether the max deflection is within the controlled range. The results are used as guidelines on site safety and risk management.
This study used artificial intelligence - Evolutionary Model Inference Model (ESIM) as the core of the model, and combined with the strengths of fast messy Genetic Algorithm and Support Vector Machine to develop an “Evolutionary Support Vector Machine Inference System” to predict wall deformation. This model establishes a wall deformation monitoring database based on monitoring data collected and compiled from prior projects. This model allows contractors to utilize the knowledge and experience from past projects to predict wall deformation of new projects.

第一章 緒論………………………………………………………………………………1
1.1研究動機………………………………………………………………………1
1.2研究目的………………………………………………………………………3
1.3研究範圍與限制………………………………………………………………3
1.4研究流程與方法………………………………………………………………4
1.5論文架構………………………………………………………………………5
第二章 文獻回顧…………………………………………………………………………7
2.1影響壁體變形之因素…………………………………………………………8
2.1.1國外學者研究成果 ……………………………………………………8
2.1.2國內學者研究成果……………………………………………………10
2.2開挖造成變形原因…………………………………………………………15
2.3開挖造成壁體變形的特性…………………………………………………15
2.4壁體變形過大時產生災害的機制…………………………………………16
2.5深開挖分析及預測方法……………………………………………………17
2.5.1傳統的分析方法……………………………………………………18
2.5.2人工智慧預測法……………………………………………………19
2.5.3演化式支持向量機推論模式（ESIM）………………………………20
A. 支持向量機簡介………………………………………………21
B. 支持向量機分類………………………………………………22
C. 支持向量機迴歸………………………………………………24
D. 基因演算法……………………………………………………26
E. 快速混雜基因(fmGA)演算法…………………………………26
F. ESIM支持向量機模式架構……………………………………30
G. ESIM特性與限制………………………………………………31
H. ESIM特性………………………………………………………31
I. ESIM限制…………………………………………………………31
J. ESIM應用………………………………………………………32
第三章深開挖壁體變形預測模式建立…………………………………………………35
3.1 ESIM之知識表示……………………………………………………………35
3.2 案例蒐集……………………………………………………………………37
3.3 ESIM模式應用評估…………………………………………………………38
3.4案例資料型態………………………………………………………………39
3.5 ESIM深開挖壁體變形預測模式建構………………………………………39
3.6 ESIM訓練與測試……………………………………………………………40
3.7 ESIS軟體架構………………………………………………………………41
3.8 模式評估基準………………………………………………………………43
第四章 ESIS壁體變位預測模式之訓練與測試………………………………………44
4.1 案例輸入……………………………………………………………………44
4.2 模式訓練……………………………………………………………………44
4.3 預測模式……………………………………………………………………45
4.4 訓練案例……………………………………………………………………45
第五章 ESIS預測模式之應用…………………………………………………………48
5.1 新開挖案壁體變位預測模式之建立………………………………………48
5.2 新開挖案壁體變位預測模式之驗證………………………………………49
5.3 國企大樓新開挖案3~7階壁體變形預測過程……………………………49
5.4 國企大樓新開挖案驗證結果………………………………………………60
5.5 ESIS預測模式與SVM、ANN預測模式比較……………………………60
5.5.1 SVM預測模式訓練…………………………………………………61
5.5.2 SVM模式測試………………………………………………………65
A. 新開挖案壁體變位預測模式之驗證…………………………65
B. 國企大樓新開挖案3~7階壁體變形預測過程…………………65
C. 國企大樓新開挖案驗證結果…………………………………71
5.5.3 ESIS與SVM及ANN訓練、預測模式成果比較…………………74
第六章 結論與建議………………………………………………………………………76
6.1 結論…………………………………………………………………………76
6.2 建議…………………………………………………………………………77
參 考 文 獻……………………………………………………………………………78
附   錄   一……………………………………………………………………………82
附   錄   二……………………………………………………………………………111

圖目錄
圖1-1 研究流程……………………………………………………………………………4
圖2-1 壁體變形過大時產生災害的機制 ………………………………………………17
圖2-2 支持向量機資料分類示意圖 ……………………………………………………23
圖2-3 支持向量機資料分類示意圖 ……………………………………………………23
圖2-4 可容錯線性SVR模式 ……………………………………………………………25
圖2-5 快速混亂基因演算法演算機制 …………………………………………………27
圖2-6 快速混亂基因演算法演基因編碼方式 …………………………………………28
圖2-7 支持向量機最佳化模式架構 ……………………………………………………30
圖2-8 ESIM應用程序 ……………………………………………………………………32
圖3-1深開挖系統知識表示  ……………………………………………………………36
圖3-2 ESIS系統主畫面 …………………………………………………………………41
圖3-3 ESIS資料庫管理模組 ……………………………………………………………42
圖3-4 ESIS模式訓練模組 ………………………………………………………………42
圖3-5 ESIS模式表現評估模組 …………………………………………………………43
圖4-1 ESIS 資料庫中資料表晝面 ………………………………………………………44
圖5-1 ESIS 國企大樓第3階預測成果…………………………………………………51
圖5-2 ESIS 國企大樓第4階預測成果…………………………………………………53
圖5-3 ESIS 國企大樓第5階預測成果…………………………………………………55
圖5-4 ESIS 國企大樓第6階預測成果…………………………………………………57
圖5-5 ESIS 國企大樓第7階預測成果…………………………………………………59
圖5-6 SVM-light  V6.01…………………………………………………………………61
圖5-7 SVM預測模式訓練過程1…………………………………………………………61
圖5-8 SVM預測模式訓練過程2…………………………………………………………62
圖5-9 SVM訓練模組 ……………………………………………………………………62
圖5-10 SVM訓練案例模式結果…………………………………………………………65

表目錄
表2-1 影響壁體變形因素彙整表 ………………………………………………………14
表2-2 壁體變形因素與擋土壁變形量的關係表 ………………………………………16
表3-1 深基礎開挖工程案例表 …………………………………………………………37
表3-2 ESIM 訓練案例架構參數設定表…………………………………………………40
表4-1 ESIS訓練案例預測模式訓練結果表 ……………………………………………44
表4-3 ESIS訓練案例驗證成果表 ………………………………………………………46
表5-1 ESIM 測試案例架構參數設定表…………………………………………………48
表5-2 ESIS第3階預測模式預測成果表…………………………………………………50
表5-3 ESIS第4階預測模式搜尋結果表…………………………………………………52
表5-4 ESIS第5階預測模式搜尋結果表…………………………………………………54
表5-5 ESIS第6階預測模式搜尋結果表…………………………………………………56
表5-6 ESIS第7階預測模式搜尋結果表…………………………………………………58
表5-7ESIS國企大樓測試案例測試成果表………………………………………………60
表5-8 SVM訓練案例模式結果表 ………………………………………………………63
表5-8-1 SVM訓練案例模式結果表（續）………………………………………………64
表5-9 SVM第3階預測模式預測成果表 ………………………………………………66
表5-10 SVM第4階預測模式搜尋結果表………………………………………………67
表5-11 SVM第5階預測模式搜尋結果表………………………………………………68
表5-12 SVM第6階預測模式搜尋結果…………………………………………………69
表5-13 SVM第7階預測模式搜尋結果…………………………………………………70
表5-14 SVM國企大樓測試案例測試成果表……………………………………………71
表5-15 SVM模式57個案例測試成果表 ………………………………………………72
表5-15-1 SVM模式57個案例測試成果表（續）………………………………………73
表5-16 ESIS與SVM模式訓練及預測時間比較表 ……………………………………74表5-17 ANN訓練、預測模式綜合成果比較表…………………………………………75
表5-18 ESIS與SVM及ANN訓練、預測模式成果比較表……………………………75

                                

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