分析巖石力學(xué)性態(tài)預(yù)測的支持向量機模型及應(yīng)用
1 引 言
巖石力學(xué)性態(tài)是指巖石所處物理、化學(xué)環(huán)境下的強度、變形、動力學(xué)特性、滲透性和壓縮性等性質(zhì)，它與巖石的成巖過程、地質(zhì)賦存環(huán)境和人工活動等因素密切相關(guān)。目前，巖石力學(xué)性態(tài)的研究方法主要是現(xiàn)場試驗和室內(nèi)試驗。現(xiàn)場試驗有測量巖體原位變形性能和強度性能的承壓板試驗和剪切試驗、現(xiàn)場三軸壓縮試驗和巖體滲透性試驗等；室內(nèi)試驗有單軸壓縮、三軸壓縮、單軸拉伸、直接剪切和滲透試驗等。但是無論是現(xiàn)場試驗還是室內(nèi)試驗都存在著一個共同的缺陷：在將試驗結(jié)果抽象成數(shù)學(xué)模型時，很難把影響巖石力學(xué)性態(tài)的各種地質(zhì)因素（如礦物成分、顆粒大小、空隙的分布情況等）作為變量納入到數(shù)學(xué)模型中加以分析，以致計算結(jié)果與實際情況相比有很大的離散性，這也是巖石力學(xué)發(fā)展過程中尚未明確解決的問題之一。針對上述情況，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法被引入到巖石力學(xué)中來預(yù)測巖石的力學(xué)性態(tài)，并取得了一定的成果。但人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法是基于大樣本的啟發(fā)式算法，推廣能力較差，當(dāng)樣本容量較小時，所得成果不可靠、精度不高；樣本過多又易陷入維數(shù)災(zāi)難、泛化性能不高。近年來發(fā)展起來的支持向量機很好的彌補了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的不足，為巖石力學(xué)的智能化研究提供了一條新的途徑。
支持向量機是基于統(tǒng)計學(xué)習(xí)理論的機器學(xué)習(xí)工具，遵循結(jié)構(gòu)風(fēng)險最小化原理，在小樣本情況下具有良好的外推能力，主要用于解決模式識別問題和函數(shù)擬合問題。支持向量機的核函數(shù)參數(shù)與懲罰因子對預(yù)測效果有較大的影響，但其理論本身并未給出核函數(shù)與懲罰因子的最佳取值方法。本文提出利用支持向量回歸機來預(yù)測巖石力學(xué)性態(tài)，建立符合期望風(fēng)險最小原則的巖石力學(xué)性態(tài)預(yù)測模型。在詳細(xì)介紹該模型的原理、算法和步驟后，將其應(yīng)用到巖石壓縮系數(shù)(coefficient of compressibility)的預(yù)測研究中，查看入侵海洋微小生物快速監(jiān)測論文。
2 支持向量機模型及分析
巖石的力學(xué)性態(tài)包括巖石的強度、變形、滲透性、壓縮性等性質(zhì)。本文選取壓縮性作為示例來討論vm 模型在巖石力學(xué)性態(tài)預(yù)測中的應(yīng)用及其可行性。巖石的壓縮性是指巖石在壓力作用下體積縮小的特性，壓縮性的大小通過壓縮系數(shù)反映。巖石壓縮系數(shù)的大小除與自身所受到的壓力有關(guān)外，還與巖石自身的裂隙、礦物成分、密度等因素密切相關(guān)。
2.1 壓縮系數(shù)影響
因素的確定l.caruso 等人研究了砂巖中各種空隙及礦物成分等對巖石試件線彈性壓縮系數(shù)的影響，但在形成經(jīng)驗公式時，未能將這些因素作為變量納入到公式中。本文考慮將上述因素作為輸入變量，通過svm 來對壓縮系數(shù)進(jìn)行預(yù)測。根據(jù)現(xiàn)有資料，選定以下因素作為巖石力學(xué)性態(tài)的影響因素：
（1）巖石的礦物成分含量（%）：石英含量、長石含量、碎屑粘土含量、其他成分含量。
2.2 svm 在壓縮系數(shù)預(yù)測中的應(yīng)用
為了驗證svm 的可行性，本文選取30 個試驗結(jié)果作為模型的學(xué)習(xí)樣本，另取7 個試驗結(jié)果作為模型精度的測試樣本。選取影響壓縮系數(shù)的6 個因素共計11 個指標(biāo)，即礦物成分（4 個指標(biāo)）、顆粒尺寸、空隙分布（3 個指標(biāo)）、平均空隙比、密度和施加的壓力作為模型的輸入變量，三個正交方向上的壓縮系數(shù)（aa，ab，ac）依次作為模型的輸出，即依次建立（rn ?aa），（rn ?ab）和（rn ?ac）3個映射關(guān)系，其中rn表示模型的輸入變量， n 為變量的維數(shù)。svm 的核函數(shù)類型為rbf。