نشریه انجمن زمین شناسی مهندسی ایران

نشریه انجمن زمین شناسی مهندسی ایران

پیش‌بینی دوام بلندمدت مصالح سنگی برای طراحی موج‌شکن با الگوریتم‌های ماشین لرنینگ

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه زمین شناسی مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران
2 دانشگاه تورنتو دپارتمان مهندسی عمران
3 رشته زمین شناسی مهندسی ، دانشکده علوم ، دانشگاه فردوسی مشهد ، مشهد ، ایران
4 مرکز تحقیقات راه، مسکن و شهرسازی، تهران، ایران
چکیده
پیش‌بینی دوام بلندمدت سنگ در ساخت سازه‌های دریایی برای عملکرد ایمن آنها حیاتی است. با این‌که چنین سازه‌هایی بیش از ۱۰۰ سال استفاده می‌شوند، پیش‌بینی دوام همچنان چالش‌برانگیز است. این مقاله، کاربرد مدل‌های ماشین لرنینگ در پیش‌بینی‌ها دوتم را بررسی می‌کند.

در این تحقیق، خواص مهندسی سنگ‌های رسوبی و آذرین که در ساخت ۳۵ موج‌شکن توده سنگی در سواحل ایران، شامل دریای خزر، دریای عمان و خلیج فارس به کار رفته‌اند، با انجام آزمون‌های آزمایشگاهی تهیه گردید. داده‌های مهندسی شامل مقاومت فشاری تکمحوری، مقاومت بار نقطه‌ای، مقاومت کششی برزیلی، ارزش‌ ضربه‌ای و ارزش فشاری، سایش لس‌آنجلس، تخلخل، سرعت موج التراسونیک، دانسیته، سلامت سولفات سدیم و داده‌های شاخص دوام است.

در تجزیه و تحلیل داده از چهار مدل ماشین لرنینگ نظارت شده شامل جنگل‌های تصادفی (RF)، ماشین بردار پشتیبان (SV)، افزایش گرادیان (GB) و k نزدیک‌ترین همسایه (KN) برای پیش‌بینی شاخص دوام استفاده شد. عملکرد مدل با استفاده از میزان خطای میانگین مطلق (RMSE) و ضریب تعیین (R2) ارزیابی شد. نتایج نشان می‌دهد مدل جنگل تصادفی (RF) بهترین عملکرد را داشته است، به ویژه برای هر دو نوع سنگ آذرین در وضعیت اشباع و خشک، مدل RF خطاهای پیش‌بینی کمتر از ±۰.۶٪ ایجاد کرد و R2 پنج رقم معنادار برابر یک بود، که نشان‌دهنده پایداری و عملکرد عالی الگوریتم RF در مقابل داده‌های نویزی و نقاط دورافتاده است.

داده‌های جدید به بهترین درک رفتار مهندسی سنگ و دوام در کاربردهای مهندسی کمک می‌کنند. همچنین، تحلیل مبتنی بر ماشین لرنینگ به افزایش دقت تصمیم‌گیری و بهبود فرآیند طراحی کمک می‌کند.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Predicting Long-Term Durability of Rock Material for Breakwater Design with Machine Learning Algorithms

نویسندگان English

Asieh Hamidi 1
John. P. Harrison 2
Naser Hafezi Moghads 3
Iraj Rahmani 4
Mohammad Ghafoori 1
1 Department of Engineering Geology, Faculty of Science, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran
2 Lassonde Institute of Mining, University of Toronto, Toronto, Canada
3 Department of Engineering Geology, Faculty of Science, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran
4 Road, Housing and Urban Development Research Center, Tehran, Iran
چکیده English

Predicting the long-term durability of rock in the construction of breakwaters is crucial for their safe and economic operation, but remains challenging. Here, we report on the application of Machine Learning models to such prediction. We developed a database of physical and mechanical properties of rocks from 35 rubble mound breakwaters on the Caspian Sea, Oman Sea and Persian Gulf coastlines of Iran. Properties include uniaxial compressive strength, point load strength, Brazilian tensile strength, aggregate impact and aggregate crushing values, Los Angeles abrasion, porosity, ultrasonic wave velocity, density, sodium sulfate soundness and slake durability index, together with petrophysical data. These data were analysed using the four supervised machine learning (ML) models of random forest (RF), support vector (SV) machine, gradient boost (GB) and k nearest (KN) neighbor. Model performance was assessed using RMSE computed using predicted and measured values of slake durability, and R2 of the linear regression of the predicted and measured slake durability values. The results indicate that the random forest (RF) models perform best, especially for igneous rocks: for both saturated and oven dry igneous rocks the RF model produced prediction errors of under ±0.6%, and R2 was unity to five significant figures. We conclude that ML techniques are robust methods for predicting the slake durability resistance of rock material used in the construction of breakwaters.

کلیدواژه‌ها English

Breakwaters
long-term durability resistance
rock property database
supervised machine learning
random forest model
دوره 17، شماره 2
تابستان 1403
صفحه 75-93

  • تاریخ دریافت 03 بهمن 1402
  • تاریخ بازنگری 17 مهر 1403
  • تاریخ پذیرش 27 آذر 1403