Ин таҳқиқот меомӯзад, ки оё коҳиши иқтидори борбардории сутунҳои чандире, ки дар хоки мулоими лоймонанди соҳилӣ ҷойгир шудаанд, дар зери борҳои такрории паҳлуӣ бо маълумоти маҳдуди танҳо аз қисми аввали боргузорӣ пешгӯӣ карда мешавад. Муҳаққиқон сутунҳои модели дорои нӯги кушода ва пӯшидаро дар басомадҳои 0,5, 1, 2 ва 4 Hz то 8.000 давр ба таври дуҷонибаи паҳлуӣ боргузорӣ карда, ҳашт маҷмӯи маълумоти таҷрибавӣ сохтаанд ва ин маълумотро ба шабакаи амиқи дуҷонибаи echo-state, ки бо усули метаомӯзии Reptile омӯзонида шудааст, ворид кардаанд. Meta-ESN-и пешниҳодшуда ҳатто вақте танҳо 100 даври аввали таҷрибаи ҳадаф, яъне 1/80 қисми тамоми силсилаи 8.000-давраиро истифода мебарад, тағйироти дарозмуддати иқтидори борбардориро бо хатои камтар аз моделҳои асосии муқоисавӣ бозсозӣ кардааст. Бо вуҷуди ин, натиҷаҳо бо миқёси лабораторӣ, як навъи муайяни хоки лоймонанд, ду навъи нӯги сутун ва шароити боргузории мунтазами гармоникӣ маҳдуданд; модел ҳанӯз бо маълумоти саҳроӣ дар як иншооти воқеии соҳилӣ тасдиқ нашудааст.

Омӯзандаи асосии модел, яъне шабакаи амиқи дуҷонибаи echo-state (Bi-ESDN), дар муқоисаи яквазифагӣ дар маълумоти тестӣ хатои миёнаи квадратии 13,90 × 10^-7 ба даст овардааст. Барои ҳамин меъёр дар ESN-и стандартӣ 322,39 × 10^-7, дар RNN 2.052,38 × 10^-7, дар LSTM 371,81 × 10^-7 ва дар Transformer 80,14 × 10^-7 гузориш шудааст. Модели пешакӣ бо Reptile омӯзонидашуда ҳангоми истифодаи 100 даври аввал MSE-и 2,63 × 10^-5 тавлид кардааст; ин қимат тақрибан 1/17-и усули Merge ва тақрибан 1/8-и усули Vanilla, ки аз сифр омӯзонида шудааст, будааст.

Таҳқиқот нишон медиҳад, ки намунаҳои бор ва ҷойивазкуние, ки дар марҳилаи аввали боргузорӣ чен мешаванд, метавонанд дар бораи талафоти минбаъдаи сахтии системаи сутун-хок маълумот дошта бошанд. Саҳми метаомӯзӣ дар он аст, ки ба ҷойи азбар кардани як шароити ягонаи таҷриба, аз басомадҳои гуногуни боргузорӣ ва навъҳои нӯги сутун намунаҳои умумии вақтӣ омӯхта шуда, ба шароити нав бо шумораи ками ченкуниҳо мутобиқ карда мешавад.

Аз нуқтаи назари Туркия, ин усул барои системаҳои мониторинги ҳолати таҳкурсиҳои сутунӣ дар иншооти бандарӣ, объектҳои соҳилӣ ва сохторҳои энергетикии баҳрӣ як равиши қобили таҳқиқ пешниҳод мекунад. Аммо модели мазкурро ба профилҳои хоки Туркия ё иншооти воқеӣ мустақиман интиқол додан мумкин нест. Он бояд бо истифода аз қабатбандии маҳаллии хок, геометрияи сутун, борҳои мавҷ ва бод, шуста шудани хок, борҳои амудӣ, хусусиятҳои сенсор ва садои саҳроӣ аз нав омӯзонида шуда, дар маълумоти мустақили саҳроӣ тасдиқ карда шавад.

Мушкилоти асосии таҳқиқот чист?

Таҳкурсиҳои сутунӣ дар иншооти соҳилӣ ва баҳрӣ ба қувваҳои такрории паҳлуӣ, ки аз бод, мавҷ ва ҷараёнҳо ба вуҷуд меоянд, дучор мешаванд. Ин борҳо хокро дар атрофи сутун такроран халалдор карда, метавонанд бо мурури вақт сахтӣ ва иқтидори борбардории паҳлуии системаи сутун-хокро коҳиш диҳанд. Пасттар шудани тадриҷии каҷхаттиҳои гистерезис ва коҳиш ёфтани нишебии ибтидоии онҳо нишон медиҳад, ки барои ба вуҷуд овардани ҳамон ҷойивазкунӣ қувваи паҳлуии камтар лозим мешавад.

Муайян кардани талафоти иқтидори як иншооти воқеӣ бо мониторинги мустақими саҳроӣ боэътимод аст, вале маълумоти дарозмуддат, инфрасохтори сенсорӣ ва хароҷот талаб мекунад. Таҳлилҳои ададӣ метавонанд иқтисодӣ бошанд; аммо сохтани моделҳои муфассали сутун-хок, ҳисобкунии онҳо ва тасдиқи онҳо бо рафтори воқеӣ низ душвор аст. Озмоишҳои модели лабораторӣ маълумоти назоратшаванда медиҳанд, вале барои ҳар як шароити эҳтимолии хок, бор ва сутун гузаронидани таҷрибаи алоҳида амалан имконпазир нест.

Мушкилоте, ки муҳаққиқон мехоҳанд ҳал кунанд, таҳияи як модели суррогатӣ аст, ки дар шароити нави корӣ бо маълумоти танҳо аз чанд даври аввал ҷамъшуда тамоми талафоти дарозмуддати иқтидорро пешгӯӣ карда, ба вазифаҳои қаблан надида зуд мутобиқ шавад.

Системаи пешниҳодшудаи огоҳии барвақт чӣ гуна кор мекунад?

Схемаи якуми таҳқиқот ҷараёни иттилоотеро нишон медиҳад, ки дар оянда байни лаборатория ва саҳро бунёд кардан пешбинӣ шудааст. Озмоишҳои лаборатории сутунҳои моделӣ дар шароити гуногун маълумоти талафоти иқтидор тавлид мекунанд, ин маҷмӯи маълумотҳо чаҳорчӯбаи метаомӯзиро омӯзиш медиҳанд ва дар натиҷа модели умумии пешгӯии иқтидори паҳлуӣ ба вуҷуд меояд. Ҳадаф ин аст, ки дар оянда маълумоти таҳрики даврии ибтидоӣ аз як сутуни воқеии соҳилӣ ба ин модел дода шуда, тағйироти минбаъдаи иқтидори сутун пешгӯӣ гардад.

Ин таҳқиқот қисмати озмоишҳои лабораторӣ ва моделсозии ҳисоббарории ин равандро месанҷад. Тасдиқи ниҳоӣ бо маълумоти мустақили мониторинги саҳроӣ аз сутунҳои воқеии соҳилӣ дар таҳқиқот мавҷуд нест.

Миқёс байни сутуни моделӣ ва прототип чӣ гуна сохта шудааст?

Дар таҳқиқот сутуни қубурии пӯлодӣ дар шароити хоки мулоими соҳилӣ ҳамчун асос гирифта шуда, байни прототип ва модел таносуби геометрии монандии 20:1 истифода шудааст. Диаметр, умқи дафн ва дарозии умумии сутуни модел мувофиқи ин таносуб кам карда шудаанд. Ғафсии девор бошад на танҳо бо миқёси геометрӣ, балки бо дарназардошти мувофиқати таносубҳои дарозии критикӣ ва хусусиятҳои хамшавии сутуни прототип ва модел 1,50 mm муайян шудааст.

Муҳаққиқон ду сутуни моделӣ бо хусусиятҳои якхелаи бадан омода кардаанд. Яке нӯги кушода ва дигаре нӯги пӯшида дорад. Ҳамин тавр, таъсири шароити нӯги сутун ба талафоти даврии иқтидори паҳлуӣ ҳамчун тағйирёбандаи алоҳидаи вазифа ба маҷмӯи маълумот дохил карда шудааст.

Таъсири сарҳадӣ дар зарфи таҷриба чӣ гуна назорат шудааст?

Зарфи моделӣ бо андозаҳои 900 × 700 × 700 mm омода шудааст. Масофаи байни сутун ва сарҳади уфуқии зарф тақрибан 9,5 маротиба аз диаметри сутун ва масофаи назоратӣ дар атрофи нӯги сутун аз ҳадҳои поёнии дар адабиёти дахлдор зикршуда бештар нигоҳ дошта шудааст. Бар асоси ин геометрия таҳқиқот таъсирҳои сарҳадии уфуқӣ ва амудиро ба натиҷаҳо ночиз мешуморад.

Ин арзёбӣ ба меъёрҳои масофаи геометрӣ асос ёфтааст. Дар таҳқиқот озмоиши иловагии ҳассосият бо такрори ҳамон таҷриба дар зарфи калонтар ё ченкунии мустақими таъсири сарҳадӣ пешниҳод нашудааст.

Хоки лоймонанд чӣ гуна омода шудааст?

Хоки таҷрибавӣ хоки лоймонанди дар ҳолати ҷорӣ буда мебошад, ки аз майдони Oufei Project дар Wenzhou аз тақрибан 1 метр зери сатҳ гирифта шудааст. Вазни хоси хоки ибтидоӣ 2,72; зичӣ 1,62 g/cm³; ҳади моеъшавӣ %55,53; ҳади пластикӣ %22,47 ва индекси пластикӣ %33,06 чен шудааст.

Пеш аз ҷойгир кардани сутунҳо ба хок дар давоми 22 рӯз пешборгузории вакуумӣ татбиқ шудааст. Дар зарф ду дренажи амудии пешсохта бо дарозии самараноки 550 mm ҷойгир шуда, ба шишаи вакуумӣ ва насос пайваст карда шудаанд. Фишори оби ковокӣ ва фишори хок бо микро-пьезометрҳои тории Bragg-и нахӣ ва сенсорҳои фишор, нишаст бошад бо плитаҳои дар умқҳои 400 ва 600 mm мониторинг шудааст.

Дар рӯзи аввал ченкуниҳо ҳар ду соат ва дар рӯзҳои баъдӣ ҳар ҳашт соат гирифта шудаанд. Дар охири раванди бистудурӯза гузориш шудааст, ки миқдори об %7,43 кам ва муқовимати буриши бехолиш нисбат ба қимати ибтидоӣ %96,70 зиёд шудааст. Аммо дар ин бахш қимати мутлақи муқовимати ниҳоии буриши ченшуда, номуайянӣ ё озмоиши аҳамияти оморӣ дода нашудааст.

Озмоишҳои боргузории даврӣ чӣ гуна татбиқ шуданд?

Сутунҳо ба хоки бо вакуум беҳтаршуда бо фишордиҳии статикӣ ҷойгир шуда, 24 соат истироҳат дода шудаанд. Боргузорӣ дуҷониба ва бо назорати ҷойивазкунӣ анҷом дода шудааст. Барои ҳолати ниҳоӣ ҷойивазкунии паҳлуӣ дар нуқтаи боргузорӣ 0,1 маротиба аз диаметри сутун қабул шуда, қадами ҷойивазкунӣ 3 mm интихоб шудааст.

Басомадҳои таҷриба бо табдили басомадҳои прототипии бод ва мавҷ ба миқёси модел 0,5, 1 ва 2 Hz муайян шудаанд; барои ифодаи шароити шадид 4 Hz илова шудааст. Барои ҳар як даври боргузорӣ 100 намунаи маълумот сабт шуда, таҷрибаҳо дар 8.000 давр анҷом дода шудаанд.

Каҷхаттиҳои таҷриба чӣ нишон медиҳанд?

Дар ҳамаи ҳашт графики қувва-вақт муқовимати паҳлуӣ дар оғози боргузорӣ зуд кам мешавад, баъдан суръати талафоти иқтидор суст мегардад ва каҷхат ба сатҳи устувортар наздик мешавад. Ин шакли умумӣ намунаи асосии вақтӣ мебошад, ки метавонад байни вазифаҳои гуногун интиқол дода шавад.

Дар графикҳои бор-ҷойивазкунӣ бо зиёд шудани шумораи даврҳо ҳалқаҳои гистерезис поён хам шуда, нишебии ибтидоии онҳо кам мешавад. Кам шудани нишебии ибтидоӣ коҳиши сахтии паҳлуии системаи сутун-хокро нишон медиҳад. Муҳаққиқон вайроншавии босуръати аввалро бо халалдор шудани бештари хок дар атрофи сутун дар даврҳои аввал ва бо мурури вақт ба муқовимати ҷорӣ наздик шудани хок вобаста мекунанд.

Байни сутунҳои нӯги кушода ва пӯшида ва басомадҳои гуногуни боргузорӣ дар баландӣ ва масоҳати ҳалқаҳои гистерезис фарқиятҳои равшан дида мешаванд. Таҳқиқот ин фарқиятҳоро ҳамчун асоси таҷрибавии он истифода мебарад, ки чаро як модели собити вазифа ба ҳамаи шароитҳо ба осонӣ умумӣ намешавад.

Чаро шабакаи echo-state интихоб шудааст?

Шабакаҳои хотираи дароз-кӯтоҳмуддат ва шабакаҳои стандартии нейронии такроршаванда метавонанд силсилаҳои дарози вақтро омӯзанд; аммо онҳо шумораи зиёди параметрҳои омӯзишшаванда доранд. Echo-state network (ESN) аз резервуари калон ва кампайванд истифода мебарад. Дар ESN-и стандартӣ қисми муҳими пайвастҳои воридотӣ, резервуарӣ ва бозхурд собит мемонанд; асосан қабати баромад омӯзонида мешавад. Ин сохтор барои силсилаҳои дароз раванди сабуктари омӯзишро ҳадаф дорад.

Дар таҳқиқот ESN-и стандартӣ аз ду ҷиҳат такмил дода шудааст. Аввал, ду ҳолати резервуар, ки силсилаи воридотро дар самтҳои пеш ва баръакси вақт коркард мекунанд, якҷоя шудаанд. Дуюм, ба ҷойи қабати стандартии хаттии баромад персептрони бисёрқабата истифода шудааст. Сохтори ҳосилшуда шабакаи амиқи дуҷонибаи echo-state ё Bi-ESDN номида шудааст.

Модел кадом воридотро истифода мебарад?

Воридоти асосии модел ҷойивазкунии актуатор ва вақт мебошанд. Градиенти сигнали ҷойивазкунӣ ва қиматҳои қулла ҳамчун хусусиятҳои иловагӣ гирифта шуда, табдили манфии логарифмии тағйирёбандаи вақт низ барои ифодаи тамоюли талафоти иқтидор бо вақт илова шудааст.

Вектори ниҳоии воридот аз панҷ ҷузъи зерин иборат аст:

• Ҷойивазкунӣ, d
• Градиенти ҷойивазкунӣ, d_grad
• Хусусияти қуллаи ҷойивазкунӣ, d_peak
• Вақт, t
• Шакли манфии логарифмии вақт, t_log

Ба модел таносуби фишори оби ковокӣ, сахтии секантӣ, деформатсияи ҷамъшудаи пластикӣ, муқовимати хок ё дигар тағйирёбандаҳои ҳолати физикӣ дода нашудаанд. Аз ин рӯ модел намунаи вақтии талафоти иқтидорро меомӯзад, вале наметавонад ҷудо кунад, ки талафот аз кадом механизми физикӣ ба вуҷуд омадааст.

Метаомӯзии Reptile чӣ медиҳад?

Reptile ба ҷойи он ки моделро танҳо дар як маҷмӯи маълумот ба хатои минималӣ расонад, онро ба омӯхтани фазои параметрҳои ибтидоӣ равона мекунад, ки аз бисёр вазифаҳои алоқаманд ба вазифаи нав зуд мутобиқ мешавад. Дар ҳар даври берунӣ як вазифаи манбаъ интихоб мешавад, модел дар он вазифа якчанд навсозии дохилӣ анҷом медиҳад ва параметрҳои асосӣ қисман ба параметрҳои нави дар вазифа ба дастомада наздик карда мешаванд.

Дар таҳқиқот се равиши омӯзиш муқоиса шудаанд:

• Vanilla: Омӯзиш аз сифр дар вазифаи ҳадаф бе истифодаи вазифаи манбаъ.
• Merge: Пешомӯзиш бо якҷоя кардани вазифаҳои манбаи D₂-D₈ дар як маҷмӯи маълумот.
• Reptile: Интихоби вазифаҳои манбаъ ҳамчун вазифаҳои алоҳида ва омӯзиши параметрҳои умумии ибтидоӣ, ки зуд мутобиқ мешаванд.

Равиши Merge дар вазифаҳои манбаъ хатои паст додааст; аммо азбаски вазифаҳои гетерогениро бе фарқ якҷоя мекунад, дар вазифаи ҳадаф аз ҳад зиёд мутобиқшавӣ ва хатои тестии тағйирёбанда нишон додааст. Reptile ба ҷойи якҷоя кардани маълумоти манбаъ ҳамчун як силсилаи ягона, сохторҳои умумӣ ва фарқкунандаи байни вазифаҳоро ба параметрҳои ибтидоии мутобиқшаванда табдил доданро ҳадаф мегирад.

Bi-ESDN дар муқоиса бо дигар моделҳои силсилаи вақт чӣ гуна кор кардааст?

Дар маҷмӯи маълумоти D₁ аввалин 2.000 давр барои омӯзиш ва 6.000 даври боқимонда барои тест истифода шудаанд. Барои кам кардани талаботи хотира ҳамаи силсилаҳо 10 маротиба поённамунагирӣ шуда, ҳар як маҷмӯи маълумот ба 80.000 қадами вақт кам карда шудааст.

Гарчанде хатои омӯзишии Transformer ба Bi-ESDN наздик аст, хатои тестии он тақрибан 5,8 маротиба бештар мебошад. Харитаи диққат дар таҳқиқот нишон медиҳад, ки воридоти мунтазами гармоникӣ дар дохили Transformer намунаи диққати шабеҳи тахтаи шоҳмот, вобаста ба басомади боргузорӣ, ба вуҷуд овардааст. Муҳаққиқон афзоиши хатои тестиро бо он вобаста мекунанд, ки ҳангоми тағйир ёфтани басомад ин намунаи собит метавонад ба вазифаи нав интиқол наёбад.

Равишҳои пешомӯзиш чӣ гуна муқоиса шудаанд?

Усули Merge дар маълумоти омӯзишӣ пасттарин талафотро ба даст овардааст, аммо дар маълумоти тестӣ баландтарин хаторо тавлид кардааст. Гарчанде хатои омӯзишии Reptile аз Merge бештар аст, хатои тестии он камтар мебошад. Ин натиҷа нишон медиҳад, ки барои интиқолпазирӣ ба вазифаи ҳадаф танҳо муваффақияти омӯзиш дар вазифаҳои манбаъ кофӣ нест.

Модел бо чӣ қадар маълумоти ками ибтидоӣ метавонад пешгӯӣ кунад?

Қисми ибтидоии омӯзиш, ки дар вазифаи ҳадаф истифода мешавад, мутаносибан ба 2.000, 1.500, 1.000, 500 ва 100 давр кам карда шудааст. Тавре интизор мерафт, бо кам шудани миқдори маълумот хатои ҳамаи усулҳо зиёд шудааст. Аммо афзоиш дар равиши Reptile нисбат ба ду усули дигар маҳдудтар мондааст.

Ҳангоми истифодаи танҳо 100 даври аввал хатои Reptile тақрибан 1/17-и усули Merge ва тақрибан 1/8-и усули Vanilla шудааст. Ҳамин тавр, модел тамоюли дарозмуддатро аз маълумоти ибтидоие, ки танҳо 1/80 қисми тамоми силсиларо ташкил медиҳад, ба таври устувор бозсозӣ кардааст.

Иқтидори ниҳоии борбардорӣ то чӣ андоза дақиқ пешгӯӣ шудааст?

Муҳаққиқон миёнаи қуллаҳои болоии қувваро дар 100 сонияи охири силсила ҳамчун нишондиҳандаи иқтидори устувори паҳлуӣ истифода бурдаанд. Қимати воқеии устувор дар график тақрибан 0,029 kN аст.

Бо кам шудани миқдори маълумот иқтидори ниҳоии пешгӯишуда ба самти боло каҷ шудааст. Аз ин рӯ натиҷаи 100-давраӣ, гарчанде намунаи устувори дарозмуддат медиҳад, бо пешгӯии 2.000-давраӣ ҳамон дараҷаи дақиқиро надорад.

Чаро монандии вазифаи манбаъ ва ҳадаф муҳим аст?

Муҳаққиқон монандии байни маҷмӯи маълумотҳоро бо таҳлили компонентҳои асосӣ ва монандии вазндори Eros ҳисоб кардаанд. D₁ ҳамчун вазифаи дорои баландтарин монандии умумӣ бо вазифаҳои дигар ва D₆ ҳамчун вазифаи дорои пасттарин монандӣ муайян шудааст.

Вақте D₁ ва D₆ алоҳида ҳамчун вазифаи ҳадаф таҳқиқ шуданд, модел дар ҳарду бо маълумоти маҳдуд пешгӯӣ карда тавонист. Аммо ҳангоми кам кардани дарозии омӯзиш аз 2.000 давр ба 100 давр хатои D₁ тақрибан 13 маротиба ва хатои D₆ тақрибан 50 маротиба зиёд шуд. Он ки D₆ дар баъзе шароитҳо MSE-и мутлақи камтар медиҳад, маънои устувортар будани моделро дар он ҷо надорад. Афзоиши нормализатсияшудаи хато нишон медиҳад, ки омӯзиши камнамуна дар ҳадафе, ки ба вазифаҳои манбаъ камтар монанд аст, нозуктар мебошад.

Модел ба садои ченкунӣ то чӣ андоза тобовар аст?

Тобоварӣ ба садо бо илова кардани садои сафед ба силсилаҳои вақтии воридот ва баромад дар таносубҳои сигнал-ба-садои беохир, 1.000, 100 ва 20 таҳқиқ шудааст. Бо афзоиши садо ҳам хатои омӯзиш ва ҳам тест зиёд шудаанд ва таъсир дар маълумоти тестӣ қавитар мушоҳида шудааст.

Муҳаққиқон гузориш додаанд, ки ҳангоми SNR аз 100 боло модел пешгӯиҳои қаноатбахшро нигоҳ медорад. Бо зиёд шудани сатҳи садо нисбат ба энергияи сигнали тоза, махсусан дар шароити SNR 20, фарқҳои пешгӯӣ равшантар шудаанд. Таҳқиқот мегӯяд, ки вақте садо аз %5-и сигнали тоза зиёд мешавад, арзиши амалии маълумоти мониторинг коҳиш меёбад.

Ин натиҷаҳо намояндагии пурраи садои воқеии сенсор нестанд. Дар таҷриба танҳо садои синтетикии сафед истифода шудааст; дрейф дар сенсорҳои саҳроӣ, таъсирҳои муҳитии басомади паст, маълумоти гумшуда, хатогиҳои вақтсанҷӣ ва ченкуниҳои берунӣ алоҳида таҳқиқ нашудаанд.

Ҷиҳатҳои қавии таҳқиқот кадомҳоянд?

• Модели омӯзиши мошинӣ мустақиман дар силсилаҳои дарози вақтӣ, ки аз озмоишҳои даврии лаборатории сутунҳо ҳосил шудаанд, арзёбӣ шудааст.
• Бо истифода аз сутунҳои нӯги кушода ва пӯшида ва чор басомади боргузорӣ ҳашт вазифаи алоқаманд, вале ғайрияксон сохта шудааст.
• Модел на танҳо бо хатои омӯзиш, балки бо бахши дарози тестӣ ва миқдори тадриҷан камшавандаи маълумоти ибтидоӣ санҷида шудааст.
• Усулҳои гуногуни муқоисавӣ, аз ҷумла ESN-и стандартӣ, RNN, LSTM, Transformer, омӯзиш аз сифр ва пешомӯзиши якҷоя истифода шудаанд.
• Муносибати байни монандии манбаъ-ҳадаф ва устувории омӯзиши камнамуна алоҳида таҳқиқ шудааст.
• Таҳлили алоҳидаи тобоварӣ дар зери садои синтетикӣ анҷом дода шудааст.
• Илова ба тамоми силсилаи вақтии талафоти иқтидор, қувваи қуллаи устувори ниҳоӣ низ арзёбӣ шудааст.

Маҳдудиятҳои асосии таҳқиқот кадомҳоянд?

• Озмоишҳо дар миқёси лабораторӣ ва танҳо дар як навъи асосии хок гузаронида шудаанд.
• Азбаски хок бо пешборгузории вакуумӣ беҳтар шудааст, натиҷаҳоро ба лойҳои табиӣ ё бо усулҳои дигар беҳтаршуда мустақиман татбиқ кардан мумкин нест.
• Танҳо сутунҳои яккаи нӯги кушода ва пӯшида омӯхта шудаанд; гурӯҳҳои сутунӣ ва таъсири мутақобилаи сутун-сутун вуҷуд надоранд.
• Боргузорӣ мунтазам, гармоникӣ, дуҷониба ва бо назорати ҷойивазкунӣ аст. Борҳои номунтазами тӯфонӣ, борҳои якҷояи амудӣ-паҳлуӣ ва спектрҳои воқеӣ таҳқиқ нашудаанд.
• Шуста шудани хок, хоки қабатдор, қабати миёнаи қумӣ, хоки қобили моеъшавӣ ва умқи тағйирёбандаи дафн ба доираи таҷриба дохил нашудаанд.
• Воридоти модел бо хусусиятҳои ҳосилшуда аз ҷойивазкунӣ ва вақт маҳдуданд; воридотҳои ифодакунандаи ҳолати физикии хок истифода нашудаанд.
• Модел механизми физикии талафоти иқтидорро муайян намекунад, танҳо намунаи вақтии ченшударо бозсозӣ мекунад.
• Ҳашт вазифа дар як барномаи таҷрибавӣ истеҳсол шудаанд; тасдиқи беруна бо лабораторияи дигар, миқёси дигар ё системаи сенсории дигар гузаронида нашудааст.
• Ба ҷойи тасдиқи пурраи leave-one-out барои ҳашт вазифа, таҳлили муфассал асосан ба D₁ ва D₆ равона шудааст.
• Барои натиҷаҳо омӯзишҳои такрорӣ, тақсимоти оғозҳои тасодуфии гуногун, фосилаи эътимод ё санҷиши аҳамияти оморӣ дода нашудааст.
• Модел фосилаи номуайянӣ ё эҳтимоли огоҳии бардурӯғ тавлид намекунад.
• Шарҳ дода нашудааст, ки оё резервуари дуҷониба дар истифодаи онлайн ва вақти воқеӣ ба контексти оянда ниёз дорад ва дар татбиқи саҳроӣ чӣ гуна ба таври сабабӣ кор карда мешавад.
• Барои таъсири поённамунагирии 10-карата ба қуллаҳои кӯтоҳмуддати қувва таҳлили алоҳидаи ҳассосият пешниҳод нашудааст.
• Дар сутуни воқеии соҳилӣ ё таҳкурсии турбинаи бодии баҳрӣ тасдиқи саҳроӣ анҷом дода нашудааст.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ мекунад

• Bi-ESDN дар ин маҷмӯи маълумоти лабораторӣ нисбат ба ESN, RNN, LSTM ва Transformer MSE-и тестии пасттар тавлид кардааст.
• Пешомӯзии Reptile вақте маълумоти ибтидоӣ дар вазифаи ҳадаф хеле маҳдуд буд, нисбат ба равишҳои Vanilla ва Merge хатои камтар дод.
• Монандии баландтар бо вазифаҳои манбаъ бо пешгӯиҳои устувортар нисбат ба камшавии маълумоти омӯзиш алоқаманд аст.
• Модел бо 100 даври аввал шакли умумии дарозмуддати талафоти иқтидор ва иқтидори қуллаи устуворро тақрибан пешгӯӣ карда тавонист.
• Бо афзоиши садои синтетикӣ кори модел бад шуд, аммо дар шароити SNR 100 ва болотар нисбатан устувор монд.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот исбот накардааст

• Исбот нашудааст, ки модел дар иншооти воқеии баҳрӣ ё соҳилӣ ҳамчун системаи боэътимоди огоҳии барвақт кор мекунад.
• Нишон дода нашудааст, ки Meta-ESN ба ҳамаи шароити сутун, хок ва борҳои муҳитӣ умумӣ мешавад.
• Муайян нашудааст, ки талафоти иқтидори пешгӯишуда аз кадом механизми мушаххаси механикаи хок сарчашма мегирад.
• Хатои 0,008 kN ҳамчун сатҳи қобили қабули бехатарӣ дар ҳамаи миқёсҳои муҳандисӣ тасдиқ нашудааст.
• Модел эҳтимоли огоҳии бардурӯғ, огоҳии аздастрафта ё фурӯпошии сохториро ҳисоб намекунад.
• Қиматҳои MSE-и дар миқёси лабораторӣ ба дастомадаро мустақиман ба коэффисиенти бехатарии сутуни прототип табдил додан мумкин нест.
• Модел системаи саҳроие нест, ки танҳо худаш қарори нигоҳдорӣ ё эвакуатсияро қабул карда тавонад.

Натиҷаҳо аз нуқтаи назари татбиқ чӣ маъно доранд?

Муҳимтарин ғояи амалии таҳқиқот он аст, ки бидуни интизор шудани тамоми умри хизматии сутун, аз маълумоти аввали боргузорӣ тағйироти дарозмуддати иқтидор пешгӯӣ карда шавад. Агар чунин равиш бо маълумоти саҳроӣ тасдиқ шавад, метавонад дар иншооти наве, ки ҳанӯз маълумоти дарозмуддати мониторинг надоранд, ё дар сутунҳое, ки шароити кори онҳо тағйир ёфтааст, ба арзёбии барвақти хатар мусоидат кунад.

Барои ин аз модели лабораторӣ гузаштан лозим аст. Дар татбиқи воқеӣ, илова ба ҷойивазкунии сари сутун ва маълумоти бор, бояд воридотҳои физикӣ ба монанди фишори оби ковокӣ, моменти хамшавӣ, шитоб, сахтии хок, умқи шуста шудани хок ва ченкуниҳои мавҷ ва бод арзёбӣ шаванд; талафоти маълумот ва дрейфи сенсорҳои саҳроӣ санҷида шаванд; номуайяниҳои пешгӯӣ ҳисоб карда шаванд ва ҳадҳои огоҳии муҳандисӣ бо таҳлилҳои мустақили бехатарӣ муайян карда шаванд.

Усул ва натиҷаҳои таҳқиқот

Навсозии ҳолати пешрави шабакаи echo-state

\[ \mathbf{R}^{t+1}=\Psi_a\left(\mathbf{W}_{in}\mathbf{X}^{t}+\mathbf{W}_{res}\mathbf{R}^{t}+\mathbf{b}_{R}\right) \]

R^t, ҳолати баландандозаи резервуарро дар вақти t; X^t, вектори воридотро; W_in, вазнҳои воридотро; W_res, пайвастҳои дохилии резервуарро; b_R, bias-и резервуар ва Ψ_a функсияи ғайрихаттии фаъолсозиро нишон медиҳад. Дар таҳқиқот тангенси гиперболикӣ ҳамчун интихоби маъмул зикр шудааст.

Навсозии резервуари дорои leakage

\[ \mathbf{R}^{t+1}=\lambda\mathbf{R}^{t}+(1-\lambda)\Psi_a\left(\mathbf{W}_{in}\mathbf{X}^{t}+\mathbf{W}_{res}\mathbf{R}^{t}+\mathbf{b}_{R}\right) \]

λ, коэффисиенти leakage мебошад, ки байни 0 ва 1 интихоб мешавад. Он муайян мекунад, ки чӣ қадар аз ҳолати кӯҳнаи резервуар нигоҳ дошта шавад ва воридоти нав бо чӣ суръат ба система дохил гардад. Дар модели ниҳоии истифодашуда λ = 0,6 аст.

Баромади ESN-и стандартӣ

\[ \hat{\mathbf{Y}}^{t}=\mathbf{W}_{out}[\mathbf{X}^{t};\mathbf{R}^{t}]+\mathbf{W}_{back}\hat{\mathbf{Y}}^{t-1}+\mathbf{b}_{Y} \]

W_out, вазнҳои баромадро, ки воридот ва ҳолатҳои резервуарро ба пешгӯӣ табдил медиҳанд; W_back, бозхурди пешгӯии қаблиро ба баромади ҷорӣ; b_Y бошад bias-и баромадро нишон медиҳад. Нуқтавергул дар қавсҳои чоркунҷа маънои якҷоя кардани векторҳоро дорад.

Функсияи талафоти ESN

\[ \mathcal{L}(\mathbf{Y},\hat{\mathbf{Y}})=\frac{1}{N_{out}}\sum_{i=1}^{N_{out}}\left(\sum_{n=T_a}^{T}(Y_i^n-\hat{Y}_i^n)^2+\eta\lVert\mathbf{W}_{out}\rVert^2\right) \]

T_a, бахши warm-up мебошад, ки барои ба ҳолати устувор расидани ҳолатҳои ибтидоии резервуар истифода мешавад ва дар таҳқиқот интихоби маъмул тақрибан %10-и дарозии умумии силсила зикр шудааст. η, коэффисиенти regularization аст, ки вазнҳои баромадро маҳдуд мекунад.

Резервуари самти баръакс

\[ \bar{\mathbf{R}}^{t}=\lambda\bar{\mathbf{R}}^{t+1}+(1-\lambda)\Psi_a\left(\mathbf{W}_{in}\mathbf{X}^{t+1}+\mathbf{W}_{res}\bar{\mathbf{R}}^{t+1}+\mathbf{b}_{R}\right) \]

Ҳолати резервуари дорои хатти боло тавассути коркарди силсилаи воридот дар самти баръакси вақт ҳосил мешавад. Ҳадаф истифодаи якҷояи контексти вақти пеш ва ақиб барои пешгӯии қимати ҷорӣ аст.

Баромади дуҷонибаи Bi-ESDN

\[ \hat{\mathbf{Y}}^{t}=\mathbf{W}_{out}[\mathbf{X}^{t};\mathbf{R}^{t};\operatorname{flip}(\bar{\mathbf{R}}^{t})]+\mathbf{W}_{back}\hat{\mathbf{Y}}^{t-1}+\mathbf{b}_{Y} \]

Резервуари пеш, резервуари ақиб, ки бо баръаксгардонӣ дубора ба тартиби вақт оварда шудааст, ва воридоти ҷорӣ дар як қабати баромад якҷоя мешаванд. Азбаски дар таҳқиқот ба ҷойи баромади хаттӣ персептрони бисёрқабата истифода шудааст, ин сохтор Bi-ESDN номида шудааст.

Ҳадафи метаомӯзӣ

\[ \min_{\phi}\mathbb{E}_{\pi}\left[\mathcal{L}_{\pi,te}\left(\mathcal{G}_{\pi,tr}(\phi)\right)\right] \]

φ, параметрҳои ибтидоиро, ки байни вазифаҳо омӯхта шудаанд; π, вазифаеро, ки аз тақсимоти вазифаҳои манбаъ интихоб мешавад; G_π,tr, навсозии даври дохилиро дар маълумоти дастгирӣ ва L_π,te, талафоти тестиро дар маълумоти query нишон медиҳад. Ҳадаф ёфтани нуқтаи ибтидоиест, ки баъд аз чанд навсозии дохилӣ дар вазифаи нав хатои паст медиҳад.

Градиенти даври берунии MAML

\[ \mathbf{g}_{MAML}=\frac{\partial}{\partial\phi}\mathcal{L}_{\pi,te}\left(\mathcal{G}_{\pi,tr}(\phi)\right)=\mathcal{G}'_{\pi,tr}(\phi)\mathcal{L}'_{\pi,te}(\phi) \]

MAML, азбаски ҳосилаи оптимизатсияи даври дохилиро низ ба ҳисоби даври берунӣ дохил мекунад, метавонад ҳисобҳои дараҷаи дуюм ё вобаста ба Jacobian талаб кунад. Таҳқиқот барои кам кардани ин хароҷот Reptile истифода мекунад.

Мета-навсозии Reptile

\[ \mathbf{g}_{Reptile}=\beta(\phi'-\phi) \]

φ′, параметрҳои дар охири даври дохилӣ дар вазифаи интихобшуда ба дастомадаро; β, суръати метаомӯзиро нишон медиҳад. Параметрҳои асосӣ бо таносуби β ба самти параметрҳои мутобиқшуда ба вазифа ҳаракат дода мешаванд. Дар таҳқиқот натиҷаи беҳтарин бо n = 3, β = 0,2 ва шумораи epoch-и даври дохилӣ ε = 50 ба даст омадааст.

Дарозии критикӣ барои сутуни прототип ва модел

\[ L_{cr,p}=4{,}44\left(\frac{E_{p,p}I_{p,p}}{E_{s,p}}\right)^{1/4} \]

\[ L_{cr,m}=4{,}44\left(\frac{E_{p,m}I_{p,m}}{E_{s,m}}\right)^{1/4} \]

L_cr, дарозии критикии сутунро; E_pI_p, сахтии хамшавии сутунро бо N·m²; E_s, модули Young-и хокро бо N/m² нишон медиҳад. Индексҳои p ва m мутаносибан сутуни прототип ва моделро ифода мекунанд.

Таносуби монандии дарозии критикӣ

\[ \lambda_L=\frac{L_{cr,p}}{L_{cr,m}}=C_E^{1/4}C_l \]

C_l, собитаи монандии геометрӣ ва C_E, собитаи монандии модули чандирӣ мебошад. Дар таҳқиқот C_l = 20 ва C_E = 1 қабул шудаанд.

Шарти монандии хамшавӣ

\[ \frac{E_{p,p}I_{p,p}}{E_{s,p}}\times\frac{E_{s,m}}{E_{p,m}I_{p,m}}=20^4 \]

Ин шарт барои мувофиқ кардани хусусиятҳои нисбии чандирии сутунҳои модел ва прототип истифода шуда, ғафсии девори сутуни модел 1,50 mm муайян шудааст.

Миқёсбандии басомади боргузорӣ

\[ f_m=f_p\frac{D_p}{D_m} \]

Барои борҳои мавҷ, бо истифода аз басомади прототипии 0,05-0,10 Hz ва таносуби диаметри 0,64/0,032 басомади модел 1-2 Hz; барои борҳои бод бо 0,017-0,05 Hz тақрибан 0,34-1 Hz ҳисоб шудааст. Дар барномаи таҷриба, илова ба басомадҳои 0,5, 1 ва 2 Hz, барои ифодаи шароити шадид 4 Hz татбиқ шудааст.

Матритсаи ковариатсияи маҷмӯи маълумот

\[ \mathbf{C}_i=\frac{1}{8\times10^4-1}\mathbf{D}_i^{T}\mathbf{D}_i \]

Ҳар як маҷмӯи маълумоти поённамунагиришуда тақрибан аз 80.000 мушоҳида ва се тағйирёбандаи асосӣ иборат аст. C_i, матритсаи ковариатсияи 3 × 3-и маҷмӯи маълумоти нормализатсияшудаи рақами i мебошад.

Таҷзияи компонентҳои асосӣ

\[ \mathbf{C}_i=\mathbf{U}_i\mathbf{\Sigma}_i\mathbf{U}_i^{T} \]

U_i, векторҳои хоси матритсаи ковариатсия ва Σ_i, матритсаи диагоналии дорои қиматҳои хосро нишон медиҳад. Векторҳои хос самтҳои бартаридоштаи тағйиротро дар маҷмӯи маълумот ифода мекунанд.

Монандии вазндори Eros

\[ \operatorname{Eros}(\mathbf{D}_i,\mathbf{D}_j,\boldsymbol{\omega})=\sum_{k=1}^{3}\omega_k\left|\langle\mathbf{u}_{ik},\mathbf{u}_{jk}\rangle\right| \]

Ҳосили дохилӣ байни компонентҳои асосии як тартиби ду маҷмӯи маълумот ҳисоб шуда, қимати мутлақ гирифта мешавад. Чӣ қадар натиҷа ба 1 наздик бошад, самтҳои асосии тағйироти маҷмӯи маълумот ҳамон қадар монанд ҳисобида мешаванд.

Вазнҳои Eros

\[ \omega_k=\frac{\mathbb{E}(\Sigma_{i,kk},\,i=1,\ldots,8)}{\sum_{k=1}^{3}\mathbb{E}(\Sigma_{i,kk},\,i=1,\ldots,8)} \]

Вазни ҳар як компоненти асосӣ мувофиқи саҳми миёнаи қимати хос дар ҳашт маҷмӯи маълумот муайян карда мешавад. Компоненти асосие, ки вариатсияи бештарро шарҳ медиҳад, дар ҳисоби монандӣ вазни бештар мегирад.

Гиперпараметрҳои Bi-ESDN

Гиперпараметрҳо бо ҷустуҷӯи grid интихоб шудаанд. Андозаи резервуар байни 1.000, 2.000 ва 4.000; шумораи қабатҳои MLP байни 3, 4 ва 5; паҳноии қабат бошад байни 25, 50 ва 100 арзёбӣ шудааст. Ҳисоббарорӣ бо протсессори Intel i7-13790F ва протсессори графикии NVIDIA RTX 4070 Ti SUPER анҷом дода шудааст.

Хулосаи техникии натиҷаҳо

• Bi-ESDN дар муқоисаи модели яквазифагӣ бо MSE-и тестии 13,90 × 10^-7 пасттарин хаторо тавлид кардааст.
• Тартиби беҳтарини метаомӯзии Reptile ҳамчун n = 3, β = 0,2 ва ε = 50 муайян шудааст.
• Бо 2.000 даври аввал талафоти тестии Reptile 1,4 × 10^-6 будааст.
• Бо 100 даври аввал MSE-и Reptile 2,63 × 10^-5 ҳисоб шудааст.
• Бо 100 даври аввал иқтидори қуллаи устувори пешгӯишуда тақрибан 0,037 kN, қимати воқеӣ тақрибан 0,029 kN ва фарқи мутлақ 0,008 kN мебошад.
• Дар D₆, ки ба вазифаҳои манбаъ камтар монанд аст, ҳангоми кам кардани маълумот аз 2.000 давр ба 100 давр афзоиши нисбии хато тақрибан 50 маротиба будааст.
• Дар вазифаи бештар монанди D₁ ҳамин коҳиш тақрибан 13 маротиба афзоиши хато ба вуҷуд овардааст.
• Дар таҳлили садои синтетикӣ шароити SNR 100 ва болотар бо пешгӯиҳои устувортар алоқаманд дониста шудаанд.

Ёддошт оид ба манбаъ ва усул

Номи пурраи аслии таҳқиқот: Meta-ESN: Early warning on the lateral cyclic capacity of flexible piles using a meta-learning-aided bi-directional echo-state deep network

Муаллифон ва тартиби дурусти онҳо: Wei Qin; Yuqi Pan; Yanke Tan; Xin Ye; Hao Wu; Guoliang Dai; Dong Wang.

Муаллифи аввал: Wei Qin.

Муаллифии аввалини баробар: Маълумоти муаллифии аввалини баробар ё саҳми баробар зикр нашудааст.

Муаллифи масъул: Xin Ye. Суроғаи тамос дар манбаъ: nixey.ye@connect.polyu.hk.

Пайвандҳои институтсионалӣ:

• College of Civil Engineering and Architecture, Wenzhou University, Wenzhou, Чин.
• Key Laboratory of Earthquake Engineering and Engineering Vibration, Institute of Engineering Mechanics, China Earthquake Administration, Harbin, Чин.
• Key Laboratory of Engineering and Technology for Soft Soil Foundation and Tideland Reclamation of Zhejiang Province, Wenzhou, Чин.
• Key Laboratory of Marine Environment and Ecology, Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao, Чин.
• Department of Civil and Environmental Engineering, The Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong.
• National Rail Transit Electrification and Automation Engineering Technology Research Center (Hong Kong Branch), Hong Kong.
• College of Civil Engineering, Tongji University, Шанхай, Чин.
• Wenzhou Port Group Co., Ltd., Wenzhou, Чин.
• School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing, Чин.

Мувофиқати муаллиф–муассиса: Wei Qin: Wenzhou University, лабораторияи China Earthquake Administration ва лабораторияи хоки мулоими Zhejiang; Yuqi Pan: Ocean University of China ва Wenzhou University; Yanke Tan: The Hong Kong Polytechnic University, маркази тадқиқоти роҳи оҳани Hong Kong ва Tongji University; Xin Ye: Wenzhou University ва лабораторияи хоки мулоими Zhejiang; Hao Wu: Wenzhou Port Group ва Wenzhou University; Guoliang Dai: Southeast University; Dong Wang: Ocean University of China.

DOI: 10.2139/ssrn.7199956

Маҷалла: Барои ин версия маҷаллаи тақризшаванда ё версияи ниҳоии қабулшудаи маҷалла тасдиқ нашудааст.

Платформаи нашр: SSRN.

Таъминкунандаи платформа: Elsevier.

Соли нашр: 2026.

Навъи манбаъ: Препринти таҳқиқотӣ, ки озмоиши модели лабораторӣ, таҳлили силсилаи вақт ва моделсозии метаомӯзиро муттаҳид мекунад.

Вазъи тақриз: Ин таҳқиқот препринти аз тақризи ҳамтоён нагузашта мебошад; натиҷаҳо бояд бо дарназардошти ин маҳдудият хонда шаванд.

Пайванди расмии таҳқиқот:Саҳифаи расмии таҳқиқоти SSRN

Пайванди DOI:https://doi.org/10.2139/ssrn.7199956

Ин шарҳи тоҷикӣ пас аз баррасии пурраи таҳқиқоти 32-саҳифаи боршуда омода шудааст. Меъмории моделҳо, муодилаҳои математикӣ, дастгоҳи таҷрибавӣ, параметрҳои сутуни модел ва прототип, омодасозии хок, ҳашт шароити боргузорӣ, графикҳои гистерезис, муқоисаи моделҳо, натиҷаҳои омӯзиши камнамуна, монандии вазифаҳо ва таҳлили садо арзёбӣ шудаанд. Ба натиҷаҳои илмӣ аз манбаъҳои беруна натиҷаи нав илова нашудааст. Манбаъҳои беруна танҳо барои тасдиқи библиографии DOI, сабти SSRN ва вазъи нашр истифода шудаанд.

Маҳдудиятҳои асосии таҳқиқот аз он иборатанд, ки он дар миқёси лабораторӣ мемонад, танҳо як профили асосии хок истифода шудааст, танҳо ду навъи нӯги сутун ва басомадҳои мунтазами боргузорӣ омӯхта шудаанд, дар воридоти модел тағйирёбандаҳои мустақими ҳолати хок мавҷуд нестанд, фосилаҳои номуайянӣ дода нашудаанд ва дар сутунҳои воқеии саҳроӣ тасдиқ гузаронида нашудааст. Таҳқиқот дар як сутуни воқеии соҳилӣ муваффақияти қатъии огоҳии барвақт ё кафолати бехатарии сохториро пешниҳод намекунад.