遗传投影寻踪回归在火灾后高强混凝土损伤科学评价中的应用.pdf

四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 第 3 6卷第4期 2 0 1 0年 8月 遗传投影寻踪回归在火灾后高强混凝土损伤科学 评价中的应用 方 崇 ， 韦庆辉 ， 梁汉吉。 ( 1 广西水利电力职业技术学院， 广西 南宁5 3 0 0 2 3 ； 2 广西大学土木建筑工程学院， 广西 南宁5 3 0 0 0 4； 3 广西华蓝设计( 集团) 有限公司， 广西 南宁5 3 0 0 1 1 ) 摘要： 在研究高强混凝土高温后性能的基础上 ， 通过对火灾后影响高强混凝土结构性能的主要因素进行了分析， 选择抗压 强度损失系数、 耐久性损失系数、 爆裂损失系数和裂纹损失系数作为评价指标， 以投影寻踪回归理论为基础， 提出综合评定高 温后损伤混凝土性能的方法， 建立了投影寻踪综合评价模型， 编制了基于 MA T L A B的相应程序， 采用加速遗传算法， 寻求最优 投影方向， 根据投影特征指标值， 对高强混凝土高温后性能进行综合评价。研究表明， 该方法避免了评判专家人为确定权重， 评价结果客观准确、 方法简单， 为混凝土结构火灾损伤的诊断评估与修复加固提供了科学依据。 关键词： 高强混凝土； 受火损伤 ； 投影寻踪回归； 遗传算法； 综合评价 中图分类号： T U 5 2 8 3 1 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 0 ) 0 4 0 8 4 0 3 A me t h o d 0 f p r o j e c t i o n p u r s u i t e v a l u a t i o n b a s e d o n g e n e t i c a l g o r i t h m o n d a ma g e o f h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e a f t e r e x po s e d t o fir e F A N G C h o n g ， WE I Q i n g h u i ， L I A N G H a n j i ( 1 G u a n g x i H y d r a u l i c a n d E l e c t ri c P o l y t e c h n i c ， N a n n i n g 5 3 0 0 2 3 ， C h i n a ； 2 C o e g e o f C i v i l a n d A i t e c t u r a l E n g i n e e r i n g ， G u an g x i Un i v e r s i ty， N a n n i n g 5 3 0 0 0 4， C hin a ； 3 G u a n g x i Hu al a n D e s i g n&C o n s u l t i n g G r o u p ， N a n n i n g 5 3 0 0 1 1 ， C h i n a ) A b s t r a c t ： T h e p r o p e r t i e s o f h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e ( H S C )w a s s t u d i e d a f t e r h i g h t e m p e r a t u r e ， t h e m a i n f a c t o r s i n f l u e n c i n g t h e c o n c r e t e s t r u c t u r e fi r e d wa s a n a l y z e d， and t h e s t r e n gth d a ma g e c o e ffic i e n t ， d u r a b i l i ty d am a g e c o e ffic i e n t ， a d d i t i o n ， the s p a l l i n g d e g r e e and c r a c k w i d t h 0 f HS C a r e c h o s e n as t h e c ri t e ri o n i n dic e s f o r c o n c r e t e s t r u c t u r e c l a s s i fi c a t i o n A HS C b y fi r e d e v alu a t i o n me t h o d Was e s t a b l i s h e d， o p t i m i z e d i t s p r e c t d i r e c t i o n u s e d g e n e t i c a l g o ri t h m， a n d t h e m o d e l i s a p p h e d t o c l a s s i i n g i n a n e x am p l e T h e e v a l u a t i o n r e s ult s a r e a c c u r a t e ， t h i s m e t h od i s s i mp l e ， a n d s o m e e l r o rs w e r e e l i m i n a t e d b e c a u s e o f t h e s u b j e c t i v e f a c t o rs f o r t r a d i t i o n al m e t h o d s P r o j e c t i o n p u rs u i t i s a n e w e v alu a t i o n m e t h o d o f j u d gi n g a n d c l ass i f y i n g o f t h e H S C b y fi r e d ， i t h as p r o vi d e d s c i e n t i fi c b asi s t o d i a g n o s i s ， e v alu a t i o n ， r e p a i r i n g a n d s t ren gth e n i n g for HS C s t r u c t u r e d a ma g e b y fi red Ke y w o r d s ： h i g h s e n gt h c o n c r e t e ； d a m a g e b y fi re d ； p r o j e c t i o n p u rs mt ； g e n e t i c al g o r i t h m； c o mp re h e n s i v e e v alu a t i o n 0前言 建筑火灾是建筑结构的主要灾害之一， 在高 温作用下， 混凝 土构件 的力学性 能将大为 削弱 ， 因 此 ， 对灾后受损混凝土建筑物的受损程度、 结构安全 性等方面 ， 进行科学正确地检测、 诊断与评价的研究 具有十分重要意义 。 由于火灾后混凝 土结构 的性能受许 多因素影 响， 给混凝土损伤的正确评价带来极大困难 。建 收稿 13 期 ： 2 0 0 9 - 0 7 - 2 4； 修回日期 ： 2 0 0 9 - 0 8 1 0 作者简俞 ： 方崇( 1 9 6 5一) ， 男 ， 壮族 ， 广 西横 县人 ， 博士， 副 教授 ， 研 究方向为结构检测 与加固 、 建 筑防火设计。 基金项目： 国家 自然科学基金( 5 0 7 6 8 0 0 1 ) E ma i l ： f a n g c h o n 0 09 1 6 3 t o m 筑物的整体部分或个别部分受到意外的火灾时， 混 凝土结构的受损程度是很难进行定量化分析， 长期 以来， 主要凭现场工程师的经验主观判断， 缺少客观 数据和分析手段 的支持 。随着工程实践与人工智能 理论学科相互渗透 ， 许多系统工程理论 已相继引入 火灾后混凝 土损伤 的评判 中。如模糊 数学理 论H 、 可拓学理论 J 、 灰色系统理论 等。这些多 因素偶联的评判方法 ， 考虑 了火灾后各种受损因素 对混凝土结构损伤的影响， 各等级互相渗透 ， 在一定 程度上提高了混凝土火灾损伤评估的准确性。模糊 综合评判理论相对较完善成熟， 但在权重确定上存 在一定的不足 ； 用灰色理论进行评价 ，当原始数据 序列波动较大、 信息过于分散时， 不能充分反映火灾 后高强混凝土结构的受损程度与安全性能。 方崇， 等： 遗传投影寻踪回归在火灾后高强混凝土损伤科学评价中的应用 8 5 本文选择抗压强度损失系数、 耐久性损失系数 、 爆裂损失系数 ( 爆裂度) 、 裂纹损失系数( 裂缝宽度) 等 4个具有代表性 的因素作为评判指标 ， 采用投影 寻踪 回归理论提取原始样本 的特征 ， 将改进的基 于 实数编码的加速遗传算法引入到投影方向优化计算 中， 建立综合评价模 型。在此基础上， 编制基 于 MA T L A B语言相应的计算程序。利用该评价模型对 高强混凝土高温后性能进行综合评判 ， 并通过实例 予以验证。 1 遗传投影寻踪 回归分析的基本原 理 投影寻踪是用来处理和分析高维数据的一种探 索性数据分析的有效方法 。其基本思想是 ： 利用计 算机技术 ， 把高维数据通过某种组合 ， 投影到低维子 空间上 ， 并通过极小化某个投影指标 ， 寻找 出能反映 原高维数据结构或特征的投影 ， 在低维空间上对数 据结构进行分析， 以达到研究和分析高维数据的目 的 。根据给定的判别标准， 利用投影特征值对评 价样本进行等级水平评价 ， 称为投影寻踪等级评价 模型。其分析步骤如下 圳： 设等级评价表中各指标值的样本集为 ： i i l =1 ， 2 ， ， 凡 ； =1 ， 2 ， ， m 式中 ii是第 i 个样本的第 个指标值。 ( 1 ) 数据预处理 即对数据进行归一化处理， 消除各指标值的量 纲和统一各指标值的变化范围。 ( 2 ) 构造投影指标函数 把 m维数据综合成某一方向的一维投影值 ， 并 要求投影值散布特征 为局部投影 点尽可能密集 ， 整 体上各个点团之间尽可能散开。 用 m维的单位向量 a ( a ， a ： ， ， a ) 表示某一 投影方 向， 样本 在该方 向上 的投影值可表示为 ： z j =0 i i =1 ， 2 ， ， n ( 1 ) 设 S ( a )为投影值的标准差 ， D( a )为投影值 的 局部密度 ， 则投影指标 函数可以表示为 ： Q( 口 )=S ( 口 ) D( a ) ( 2 ) 厂 二一 其中 S ( o )= ( i 一 i ) ( n一 1 ) ( 3 ) V 1=1 式 中Z i 为投影方向上投影值的平均值。 D ( a )=( Rr i ) 厂 ( 尺一r i ) 1= J k= l r ik=J i z k l ( 4 ) 式 中 R为局部 密度 的窗 口半 径 ， 可取 r + 2 m； 函数为一单位跃阶函数 ； Rr i t0 时， 其值为 1 ， Rr i O 时， 其值为 0 。 ( 3 ) 估计最佳投影方 向 Q( a )值与投影方向 a有关 ， 当 Q( a )取最大值 时的 a方向是最能反映数据结 构特征的方 向。所 以， 可以通过求解投影指标函数优化问题， 来估计最 佳投影方向a ， 即求解： - Q ( ) ( 5 ) 【 s t 1 l a l=1 。 遗传算法是模拟生物在 自然环境中的遗传和进 化过程而形 成的一种 自适 应全局优化概率搜索算 法 ， 可以用来求解最佳投影方 向。限于篇幅， 本文略 去了该算法的详细步骤， 基于实数编码加速遗传算 法优化的实现过程 ， 见文献 8 。 ( 4 ) 火灾后高强混凝土损伤综合评价 把求得的最佳投影方向 a 代人式( 1 ) ， 可得各 样本点的投影值 ( i )。将 ( i ) 与 ( J ) 进行比 较 ， 二者越接近 ， 表示样本 i 与 越倾 向于分 为同一 类 ， 以此判定高强混凝土损伤等级。 2 应用 实例 2 1 评价指标的选取 火灾不仅会造成混凝土结构构件承载力、 变形 能力受到损害 ， 还会使建筑物 的耐久性 和抗震性能 劣化 。近年来 ， 尽管国内外学者对钢筋混凝土结 构的火灾损伤进行 了大量 的研究 ， 并取得 了大量的 相关数据与资料 ， 但对火灾后建筑物构件 的各种性 能损伤影 响理论研究还不够深入 ， 尚缺乏系统 、 完善 的评定依据。迄今我国还没有法定规范对混凝土构 件的火灾损伤等级加以区分与界定 ， 目前 ， 国内正式 颁布的只有上海市地方标准 D B J 0 82 1 99 6 火 灾后混凝土构件评定标准 。为此， 本文结合工程 实践经验 ， 参照此标准和文献 1 的研究成果 ， 选取 受火后混凝土材料的抗压强度 、 耐久性及外观损伤， 即抗压强度损失 系数 ( ) 、 耐久性损失系数( X 2 ) 、 爆裂损失系数( X 3 ) 、 裂纹损失系数( X ) 等 4个具有 代表性的评价指标作为火灾后混凝土材料损伤的评 判指标， 建立评价指标体系。火灾后混凝土损伤综 合评价等级 ， 可分 为 ： 轻微 损伤 (I级 ) 、 中度损伤 ( 级) 、 较严重损伤( 级) 、 严重损伤 ( 级 ) 。混 凝土受火灾损伤分级判据指标 ， 见表 1 。 2 2 混凝土受火灾损伤评价模型的建立 以 等 4个评价指标来综合判定混凝土 受火灾损伤等级， 即要使式( 5 ) 中的投影函数 Q ( a ) 为最大， 需要同时优化 4 个参数， 实质上属于多维参 数寻优 的问题。本 文采用遗传算法进行参数优化 选 ， 在 R A G A优化过程 中选定参 数 ： 父代初 始种群 8 6 四川建筑科学研究 第 3 6 卷 规模 N= 4 0 0 ， 交叉概率P = 0 8 ， 变异概率P = 0 8 ， 优秀个体数 目选定 为 2 0个 ， 口= 0 0 5 ， 加速 次数为 l 5 ， 迭代次数为 5 0 。遗传算法的迭代过程， 如图 1 所示。 图 1 遗传 算法的迭代过程 Fi g 1 A i t e r at i v e pr o c e s s di a g r a i n o f g e ne t i c a l go r i t l ma 在回归分析过程中， 首先对样本数据进行归一 化处理， 在 M A T L A B环境下运行程序后 ， 得到最佳 投影方向： n = ( 0 5 7 3 ， 0 2 8 2 ， 0 4 1 6 ， 0 3 4 7 ) 。把 最佳投影方 向代人式 ( 1 ) ， 即可求得混凝土受火灾 损伤分级标准的投影特征值( 表 1 ) 。 2 3实例分 析 以文献 1 中的高强混凝土试验样本作为评价 实例进行分析。试验中， 采用的高强混凝土的强度 等级为 C 7 0 ， 受火温度为 6 0 0 C。分别对受火灾后的 混凝土进行抗压强度、 渗透性及外观损伤的无损检 测 ， 计算各个评价指标 ， 结果列于表 1 。 表 1 各评定等级与相应的评价指标、 投影值 Ta b l e 1 Th e s t a n d a r d c l a s s i f i c a tio n o f HS C b y fir e d 把所求得的最佳投影方 向代入式 ( 1 ) ， 即可求 得待评价样本混 凝土受火灾损伤评价指标 的投影特 征值为0 4 9 6 ， 其值与评定标准等级“ 级” 的投影 值 0 4 3 7最为接近 ， 从而可判定该样本混凝土受火 灾损伤综合评价等级为“ 中度损伤( 级) ” ， 这与文 献 1 中采用模糊综合评判模型对该样本进行分级 评判的结果完全相 同。这说明， 本文采用 的投影寻 踪评价模型是可行的 ， 评价结果客观准确。 3 结 论 ( 1 ) 应用投影寻踪评价模型对火灾后混凝土结 构进行综合评定 ， 无需对指标人为确定权重， 保证了 评价工作的客观性和准确性。投影寻踪 回归理论通 俗易懂 ， 计算方法简便 ， 并且容易进行计算机编程， 为高强混凝土结构防火性能设计的有关规范和规程 的制定， 提供了理论依据。 ( 2 ) 将加速遗传算法应用于投影寻踪评价模型 中的优化问题 ， 可 以有效地找到最佳投影方向， 获得 最佳投影值， 为投影寻踪优化问题的解决， 提供了一 条新的思路 。 ( 3 ) 目 前， 我国还没有一套火灾后 昆 凝土结构 综合评定的国家标准， 在工程实践中， 损伤评定工作 缺乏统一标准和依据。因此， 建议有关部门应及早 出台一套 比较系统和完善 的国家标准。另外 ， 将投 影寻踪回归用于火灾后混凝土结构评定 ， 目前 尚处 于探索性阶段 ， 还需要进一步研究和完善。 参 考 文 献 ： 1 李敏， 考宏涛， 钱春香 高强混凝土受火后损伤的模糊综合 评价 J 混凝土， 2 0 0 8 ( 6 ) ： 8 - 1 0 2 杨晓光 火灾后钢筋混凝土结构的受损鉴定与修复加固 D 天津 ： 天津大学 ， 2 0 0 6 3 陈华 ， 夏燕 浅析混凝土结构火灾后的安全性鉴定与加固 J 四川建筑科学研究， 2 0 0 8 ， 3 4 ( 2 ) ： 1 1 2 1 1 3 4 彭立敏， 王薇 隧道火灾后衬砌损伤特级的模糊评判方法控 制 J 长沙铁道学院学报， 1 9 9 8 ， 1 6 ( 2 ) ： 1 1 1 6 5 王威， 苏经宇， 韩阳， 等 火灾后混凝土损伤综合评价的物 元模型 J 混凝土 ， 2 0 0 8 ( 1 ) ： 2 0 - 2 2 6 安永林 ， 彭立敏 ， 杨高 尚 隧道火 灾后衬砌损 伤的灰色综合 评 N J 地下空间与工程学报， 2 0 0 6， 2 ( 2 ) ： 2 8 4 - 2 8 7 7 李祚泳 投影寻踪的理论及应用进展 J 大 自然探索， 1 9 9 8 ， 1 7 ( 1 )： 4 7 - 5 O 8 付强， 金菊良， 梁川 基于实码加速遗传算法的投影寻踪 分类模型在水稻灌溉制度优化中的应用 J 水利学报， 2 0 0 2 ( 1 0 ) ： 3 9 - 4 5 9 F ri e d m a n W J ， T u k e y JH A p r o j e c t i o n p u r s u i t a l g o r i t h m f o r e X - p l o r a t o r y d a ta a n a l y s i s I n： I EE E T r a n s Co mp u t e rs 1 9 7 4； 1 9 7 4： 8 8 1 - 8 8 9 1 O 郭进军， 刘忠， 张雷顺 混凝土高温损伤研究评述 J 四川 建筑科学研究， 2 0 0 7 ， 3 3 ( 5 ) ： 1 3 0 1 3 2