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Real-time prediction of rock mass classification based on TBM operation big data and stacking technique of ensemble learning

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Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering 2022年第1期14卷 123-143页

作者： shaokang hou Yaoru Liu Qiang Yang State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering Tsinghua UniversityBeijing100084China

Real-time prediction of the rock mass class in front of the tunnel face is essential for the adaptive adjustment of tunnel boring machines(TBMs).During the TBM tunnelling process,a large number of operation data are generated,reflecting the interaction between the TBM system and surrounding rock,and these data can be used to evaluate the rock mass *** study proposed a stacking ensemble classifier for the real-time prediction of the rock mass classification using TBM operation *** on the Songhua River water conveyance project,a total of 7538 TBM tunnelling cycles and the corresponding rock mass classes are obtained after data ***,through the tree-based feature selection method,10 key TBM operation parameters are selected,and the mean values of the 10 selected features in the stable phase after removing outliers are calculated as the inputs of *** preprocessed data are randomly divided into the training set(90%)and test set(10%)using simple random *** stacking ensemble classifier,seven individual classifiers are established as the *** classifiers include support vector machine(SVM),k-nearest neighbors(KNN),random forest(RF),gradient boosting decision tree(GBDT),decision tree(DT),logistic regression(LR)and multilayer perceptron(MLP),where the hyper-parameters of each classifier are optimised using the grid search *** prediction results show that the stacking ensemble classifier has a better performance than individual classifiers,and it shows a more powerful learning and generalisation ability for small and imbalanced ***,a relative balance training set is obtained by the synthetic minority oversampling technique(SMOTE),and the influence of sample imbalance on the prediction performance is discussed.

关键词： Tunnel boring machine(TBM)operation data Rock mass classification Stacking ensemble learning Sample imbalance Synthetic minority oversampling technique(SMOTE)

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Pixel-level crack segmentation of tunnel lining segments based on an encoder–decoder network

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Frontiers of Structural and Civil Engineering 2024年第5期18卷 681-698页

作者： shaokang hou Zhigang OU Yuequn HUANG Yaoru LIU State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering Tsinghua UniversityBeijing 100084China China Renewable Energy Engineering Institute Beijing 100120China State Key Laboratory of Stimulation and Regulation of Water Cycles in River Basins China Institute of Water Resources and Hydropower ResearchBeijing 100038China Hunan Provincial Water Resources Development&Investment Co. Ltd.Changsha 410007China

Regular detection and repair for lining cracks are necessary to guarantee the safety and stability of *** development of computer vision has greatly promoted structural health *** study proposes a novel encoder–decoder structure,CrackRecNet,for semantic segmentation of lining segment cracks by integrating improved VGG-19 into the U-Net *** image acquisition equipment is designed based on a camera,3-dimensional printing(3DP)bracket and two laser rangefinders.A tunnel concrete structure crack(TCSC)image data set,containing images collected from a double-shield tunnel boring machines(TBM)tunnel in China,was *** data preprocessing operations,such as brightness adjustment,pixel resolution adjustment,flipping,splitting and annotation,2880 image samples with pixel resolution of 448×448 were *** model was implemented by Pytorch in PyCharm processed with 4 NVIDIA TITAN V *** the experiments,the proposed CrackRecNet showed better prediction performance than U-Net,TernausNet,and *** paper also discusses GPU parallel acceleration effect and the crack maximum width quantification.

关键词： tunnel lining segment crack detection semantic segmentation convolutional neural network encoder-decoder structure

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双护盾TBM掘进数值仿真及护盾卡机控制因素影响分析

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清华大学学报（自然科学版） 2021年第8期61卷 809-817页

作者：侯少康刘耀儒清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室北京100084

卡机是制约双护盾全断面隧道掘进机(tunnel broing machine, TBM)安全、高效施工的重要工程地质问题。卡机涉及影响因素较多,数值仿真是对各种因素的影响程度进行定量化分析的有效手段。该文提出了考虑双护盾TBM掘进施工过程的数值仿真... 详细信息

卡机是制约双护盾全断面隧道掘进机(tunnel broing machine, TBM)安全、高效施工的重要工程地质问题。卡机涉及影响因素较多,数值仿真是对各种因素的影响程度进行定量化分析的有效手段。该文提出了考虑双护盾TBM掘进施工过程的数值仿真方法,通过基于内变量热力学的蠕变模型模拟围岩的时效变形特性,并实现围岩与护盾的相互作用的模拟。以某公路隧洞为研究对象,对TBM推进速度和超挖量2个卡机控制因素的影响进行了研究。分析结果表明:增大TBM推进速度,能在一定程度减小接触压力和卡机风险;而超挖量对减小接触压力的作用更为显著,且对于高地应力、软岩条件下的隧洞施工,2种卡机控制措施的收益将更加明显。研究结果可为类似工程的卡机风险分析及TBM推进速度和超挖量等参数的优化设计提供一定的借鉴。

关键词：双护盾TBM 隧洞施工卡机推进速度超挖量

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基于IPSO-BP混合模型的TBM掘进参数预测

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岩石力学与工程学报 2020年第8期39卷 1648-1657页

作者：侯少康刘耀儒张凯清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室北京100084

通过TBM上升段数据预测稳定段的掘进参数,可以在每个掘进循环的起始阶段预测出各掘进参数的建议值,辅助进行TBM掘进参数的设置和优化调整。提出一种基于改进粒子群算法优化BP神经网络(Improvedparticle swarm optimization-back propaga... 详细信息

通过TBM上升段数据预测稳定段的掘进参数,可以在每个掘进循环的起始阶段预测出各掘进参数的建议值,辅助进行TBM掘进参数的设置和优化调整。提出一种基于改进粒子群算法优化BP神经网络(Improvedparticle swarm optimization-back propagation,IPSO-BP)的TBM掘进参数预测模型,采用自适应惯性权重对标准PSO算法进行改进,并基于改进PSO算法对BP网络的连接权值和偏置进行优化。基于吉林引松工程TBM3标段802 d的TBM运行数据对训练集和测试集进行划分。选取TBM掘进上升段前30 s的刀盘扭矩、贯入度、刀盘功率、推进速度、总推进力5个掘进参数变化特征(均值和线性拟合斜率),以及岩性、围岩分级和地下水活动情况3个地质参数作为模型的输入,并通过试验法确定模型的3个关键超参数(隐含层节点数、学习率和粒子群种群规模),预测稳定掘进时的推进速度v、总推进力F和刀盘扭矩T。结果表明,所提出的模型对TBM稳定掘进段参数的预测拟合优度均达0.85以上,平均绝对百分误差均小于12.68%,相比于BP模型和PSO-BP模型具有更高的预测精度。

关键词：隧道工程 TBM 改进粒子群算法(IPSO) BP神经网络掘进参数预测

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TBM豆砾石回填灌浆密实度对支护效果的影响研究

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隧道建设（中英文） 2020年第3期40卷 326-336页

作者：王明友侯少康刘耀儒金峰华能西藏雅鲁藏布江水电开发投资有限公司四川成都610200 清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室北京100084

双护盾TBM(tunnel boring machine)采用预制管片、回填豆砾石和灌浆的方式进行施工,使管片、回填层与围岩形成整体的支护结构。豆砾石回填灌浆的密实度是影响TBM隧洞工作性能的重要指标,但实际工程中回填灌浆的密实度往往较低。为了研... 详细信息

双护盾TBM(tunnel boring machine)采用预制管片、回填豆砾石和灌浆的方式进行施工,使管片、回填层与围岩形成整体的支护结构。豆砾石回填灌浆的密实度是影响TBM隧洞工作性能的重要指标,但实际工程中回填灌浆的密实度往往较低。为了研究不同回填密实度对围岩变形、屈服状态及衬砌受力等的影响,基于多雄拉隧洞掘进的数值仿真,提出一种随机单元模型,用于模拟不同的回填灌浆密实度,对豆砾石回填灌浆的密实度与围岩、管片支护结构的力学状态的关系进行分析,并根据对围岩变形的影响将回填灌浆密实度划分为A^E 5个等级,同时给出相应的回填灌浆密实度建议。此外,对顶部和侧部局部不密实对支护效果造成的影响进行模拟和分析。通过分析可知:回填灌浆密实度过低,会导致管片应力分布不均匀且产生较大拉应力,也会产生较大的围岩变形和屈服区分布;对于Ⅲ类围岩及以上围岩,建议回填密实度在70%以上,对于比Ⅲ类围岩质量差的围岩,建议回填密实度在80%以上。另外,通过计算可知顶部回填不密实的风险大于侧部,且当回填不密实比例为1/6时应力分布最不均匀。研究成果可为类似工程提供密实度评价及为补灌处理提供借鉴。

关键词：双护盾TBM 隧洞施工豆砾石回填灌浆密实度支护效果随机单元模型

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基于数值样本和随机森林分类器的岩爆风险快速预测代理模型

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清华大学学报（自然科学版） 2024年第7期64卷 1203-1214页

作者：王克忠谢添李梅张如九侯少康王震洲刘耀儒浙江工业大学土木工程学院杭州310014 云南省滇中引水工程有限公司昆明650000 清华大学水圈科学与水利工程全国重点实验室北京100084 中国电力建设集团水电水利规划设计总院北京100120 国网经济技术研究院有限公司北京102200

该文依托滇中引水工程香炉山隧洞,开展深埋隧洞掘进过程中岩爆风险预测研究,提出基于数值样本和随机森林(random forest,RF)的岩爆风险快速预测代理模型。以地应力和围岩本构参数作为模型输入特征,以围岩最大弹性应变能密度作为输出特征... 详细信息

该文依托滇中引水工程香炉山隧洞,开展深埋隧洞掘进过程中岩爆风险预测研究,提出基于数值样本和随机森林(random forest,RF)的岩爆风险快速预测代理模型。以地应力和围岩本构参数作为模型输入特征,以围岩最大弹性应变能密度作为输出特征,开展使用隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)掘进深埋隧洞过程中的多工况数值仿真,基于正交试验设计构建了611组数值样本,并通过围岩能量演化分析和相关性分析,验证输入、输出参数的合理性。进一步以RF为基分类器,利用10折交叉验证优化超参数,建立了岩爆风险快速预测代理模型,并对比多种机器学习算法,验证所提代理模型的预测准确性和适用性。结果表明:所提方法具有良好的预测性能和泛化能力,测试集样本的预测准确率达82.02%,优于用于比较的其余4种机器学习模型,为快速预测深埋隧洞施工期岩爆风险提供了一种研究路径。

关键词：深埋隧洞岩爆风险隧道掘进机数值样本随机森林弹性应变能

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水利工程智能建造进展及关键技术

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水利水电技术（中英文） 2022年第10期53卷 1-20页

作者：刘耀儒侯少康程立黄跃群清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室北京100084 水电水利规划设计总院北京100120 湘水集团湖南省水利发展投资有限公司湖南长沙410007

智能建造成为近年来工程建设领域的研究热点和发展趋势,通过集成人工智能、大数据和云计算等新一代信息技术,进一步推进了水利工程的安全、高效、高质、经济和绿色建设。简要回顾了水利工程智能建造的发展历程,从大坝智能建造的角度总... 详细信息

智能建造成为近年来工程建设领域的研究热点和发展趋势,通过集成人工智能、大数据和云计算等新一代信息技术,进一步推进了水利工程的安全、高效、高质、经济和绿色建设。简要回顾了水利工程智能建造的发展历程,从大坝智能建造的角度总结了智能碾压、智能温控、智能灌浆、智能安全监测和大坝智能施工机械5个方面的关键技术进展,并从隧洞智能建造的角度总结了围岩条件智能感知、地质灾害智能预测预警、TBM智能掘进、智能支护、隧洞智能施工机械5个方面的关键技术进展。目前,水利工程智能建造已逐渐由探索阶段向系统化发展阶段过渡,且已在一些工程中取得了良好的示范,但仍存在一些挑战和局限性。最后,从4个方面探讨了水利工程智能建造中的技术难点及展望,包括专业机理知识和数据驱动模型的融合、少样本条件下跨工程/工况的迁移学习、多源多模态异构互补数据信息的融合和基准数据集开发与数据标准化。

关键词：水利工程智能建造大坝隧洞机理-数据融合迁移学习多源数据

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A multi-functional MgF_(2)/polydopamine/hyaluronan-astaxanthin coating on the biodegradable ZE21B alloy with better corrosion resistance and biocompatibility for cardiovascular application

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Journal of Magnesium and Alloys 2024年第3期12卷 1102-1116页

作者： Yachen hou Xueqi Zhang Jingan Li Liguo Wang shaokang Guan School of Materials Science and Engineering and Henan Key Laboratory of Advanced Magnesium Alloy and Key Laboratory of Materials Processing and Mold Technology(Ministry of Education) Zhengzhou UniversityZhengzhou 450001China

The cardiovascular diseases(CVD)continue to be the major threat to global public health over the years,while one of the effective methods to treat CVD is stent *** magnesium(Mg)alloys have great potential applications in cardiovascular stents benefit from their excellent biodegradability and ***,excessive degradation rate and the delayed surface endothelialization still limit their further *** this study,we modified a Mg-Zn-Y-Nd alloy(ZE21B)by preparing MgF_(2) as the corrosion resistance layer,the dopamine polymer film(PDA)as the bonding layer,and hyaluronic acid(HA)loaded astaxanthin(ASTA)as an important layer to directing the cardiovascular cells *** electrochemical test results showed that the MgF_(2)/PDA/HA-ASTA coating improved the corrosion resistance of *** cytocompatibility experiments also demonstrated that this novel composite coating also selectively promoted endothelial cells proliferation,inhibited hyperproliferation of smooth muscle cells and adhesion of *** with the HAloaded rapamycin(RAPA)coating,our MgF_(2)/PDA/HA-ASTA coating showed better blood compatibility and cytocompatibility,indicating stronger multi-functions for the ZE21B alloy on cardiovascular application.

关键词： Biodegradable ZE21B alloy Reendothelialization Surface modification Hyaluronic acid Astaxanthin.

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The therapeutic potential of MSC-EVs as a bioactive material for wound healing

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Engineered Regeneration 2021年第1期2卷 182-194页

作者： Yachen hou Jingan Li shaokang Guan Frank Witte School of Material Science and Engineering&Henan Key Laboratory of Advanced Magnesium Alloy&Key Laboratory of materials processing and mold technology(Ministry of Education) Zhengzhou University100 Science RoadZhengzhou 450001PR China Department of Prosthodontics Geriatric Dentistry and Craniomandibular DisordersCharite–Universitatsmedizin BerlinAssmannshauser Strasse 4–6Germany

In clinical trials,cell therapy,especially mesenchymal stem cells(MSC),contributed to wound treatment options in an innovative ***,there are some limitations of MSC during the application process,including strict maintenance requirements and unpredictable *** order to expand the scope of application and reduce the restrictions related to direct use of SMC,the mechanisms of stem cells need to be *** latest research found that the effect of cell therapy is achieved mainly through paracrine effects,and the major bioactive vesicles which responsible for the paracrine effects is *** is a kind of extracellular membrane vesicle,which secreted from various cells and contain proteins,lipids and nucleic acids,to coordinate intercellular *** this review,the main cells type and cytokines relevant to every healing stage has been discussed,and the research about MSC-derived exosomes that has therapeutic effects has been *** last,the potential application of exosomes as a bioactive material in the treatment of wound healing and related challenges as well as its possible solutions are discussed to reveal highly effective therapeutic strategies.

关键词： Exosomes Wound healing Mesenchymal stem cells Bioactive particles

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Effect of Ca Micro-Alloying on the Microstructure and Anti-Corrosion Property of Mg0.5Zn0.2Ge Alloy

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Acta Metallurgica Sinica(English Letters) 2024年第7期37卷 1147-1160页

作者： Bishan Cheng Depeng Li Baikang Xing Ruiqing hou Pingli Jiang Shijie Zhu shaokang Guan School of Materials Science and Engineering and Henan Key Laboratory of Advanced Magnesium Alloys Zhengzhou UniversityZhengzhou450001China Center of Advanced Analysis and Gene Sequencing Zhengzhou UniversityZhengzhou450001China Key Laboratory of Materials Processing and Mold Technology Ministry of EducationZhengzhou450002China

Magnesium and its alloys have attracting rising attention as one of biodegradable metallic ***,the rapid corrosion and severe localized corrosion still hinder their extensive applications in *** this study,micro-alloying of Ca(≤0.1 wt%)into Mg0.5Zn0.2Ge alloy developed in our previous work was explored to further enhance the corrosion resistance and alleviate the localized corrosion of the *** results reveal that the addition of Ca leads to the transformation of the cathodic Mg_(2)Ge phase in Mg0.5Zn0.2Ca alloy into anodic MgCaGe phase in Ca-containing alloys,thereby changing the galvanic couples in alloys during *** preferential dissolution of MgCaGe phase promotes the participation of Ca and Ge into the formation of corrosion products,resulting in the enrichment of Ca and Ge in the outmost of corrosion product layer,which stabilizes and passivates the corrosion product layer on Mg alloy ***,the enrichment of Zn at the corrosion interface seems to further hinder the corrosion of Mg *** of these factors confer a slower and more uniform corrosion on Mg0.5Zn0.2GexCa(x<0.1 wt%)alloy,which provides favorable candidates for the further processing to gain suitable biodegradable Mg alloys.

关键词： Magnesium alloy Micro-alloying Calcium Corrosion resistance

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