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王靖程 (王靖程.) [1] | 王晓伟 (王晓伟.) [2] | 李越 (李越.) [3] | 叶爱君 (叶爱君.) [4]

Abstract:

中小跨径桥梁占中国已建成桥梁的80%以上,借助机器学习对量大面广的中小跨径桥梁抗震性能进行快速预测、分析具有重要意义。然而,机器学习模型由于算法的复杂性往往表现为“黑箱子”,可信度和适用性有待商榷,建立可解释的机器学习模型成为迫切需求。因此,以中小跨径连续梁桥为研究对象,开展了桥梁纵向地震反应可解释机器学习方法研究。采用2种主流的机器学习算法(神经网络、支持向量回归),选取桥梁结构参数和地震动强度参数作为特征(即输入变量),建立桥梁地震反应预测机器学习模型。然后,基于4种通用的可解释方法(SHAP、排序重要性、部分依赖图、LIME)对模型进行全面解释。结果表明:支持向量回归和神经网络均能准确地预测桥梁地震反应,决定系数超过0.9;基于神经网络模型的SHAP与LIME解释方法能获得相对稳定可靠的解释结果。地震动强度特征之间的高相关性导致在对预测结果的贡献上出现竞争,而去掉低贡献的地震动强度特征可以保持模型预测精度基本不变的同时降低模型复杂度,提高可解释性。从机器学习模型预测性能和可解释性的角度,推荐中小跨径梁桥地震反应预测所需的地震动强度指标为平均谱加速度(AvgSa)、峰值地表位移(PGD)、峰值地表速度(PGV)以及Housner强度指标(HI)。

Keyword:

可解释性 地震动强度指标 地震反应预测 机器学习 桥梁工程 特征影响 特征重要性

Community:

  • [ 1 ] 福州大学土木工程学院
  • [ 2 ] 同济大学土木工程防灾减灾全国重点实验室
  • [ 3 ] 同济大学桥梁工程系
  • [ 4 ] 凯斯西储大学土木与环境工程系

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Source :

中国公路学报

Year: 2025

Issue: 07

Volume: 38

Page: 61-74

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