JP7576491B2 - Analysis device and analysis program - Google Patents
Analysis device and analysis program Download PDFInfo
- Publication number
- JP7576491B2 JP7576491B2 JP2021037734A JP2021037734A JP7576491B2 JP 7576491 B2 JP7576491 B2 JP 7576491B2 JP 2021037734 A JP2021037734 A JP 2021037734A JP 2021037734 A JP2021037734 A JP 2021037734A JP 7576491 B2 JP7576491 B2 JP 7576491B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- slice corresponding
- excavated
- variable
- objective variable
- slice
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 claims description 125
- 238000009412 basement excavation Methods 0.000 claims description 95
- 238000003062 neural network model Methods 0.000 claims description 16
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 13
- 239000011435 rock Substances 0.000 claims description 13
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 claims description 7
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 claims description 7
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 24
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 22
- 238000000034 method Methods 0.000 description 22
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 14
- 239000002689 soil Substances 0.000 description 12
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 9
- 238000010801 machine learning Methods 0.000 description 7
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 7
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 7
- 239000003673 groundwater Substances 0.000 description 6
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 5
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 230000008595 infiltration Effects 0.000 description 3
- 238000001764 infiltration Methods 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 230000006399 behavior Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 2
- 238000000611 regression analysis Methods 0.000 description 2
- 239000002349 well water Substances 0.000 description 2
- 235000020681 well water Nutrition 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000013135 deep learning Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 1
- 238000009472 formulation Methods 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012549 training Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Investigation Of Foundation Soil And Reinforcement Of Foundation Soil By Compacting Or Drainage (AREA)
Description
本発明は、解析装置及び解析プログラムに関する。 The present invention relates to an analysis device and an analysis program.
トンネル工事に関する地下水問題として、大量湧水に伴う切羽崩壊や周辺環境への影響などが挙げられる。これらの問題に対応するため、迅速かつ正確な湧水量の予測手法が求められている。 Groundwater problems associated with tunnel construction include the collapse of tunnel faces due to large amounts of water seeping out and the impact on the surrounding environment. To address these issues, there is a need for a method to quickly and accurately predict the amount of water seeping out.
そこで、施工中の観測値をモデルに反映して迅速に地下水挙動の予測を行い、掘削工法の選定や地下水対策(排水工法、止水工法)の検討に反映する情報化施工法として、逐次型データ同化手法(SDA:Sequential Data Assimilation)を導入した湧水量の予測手法SDA-SWING(地下水情報化施工)法が知られている(例えば、非特許文献1、2)。 Therefore, the SDA-SWING (groundwater information construction) method, which incorporates sequential data assimilation (SDA) to predict spring water volume, is known as an information construction method that quickly predicts groundwater behavior by incorporating observed values during construction into a model and reflecting the results in the selection of excavation methods and the consideration of groundwater countermeasures (drainage methods, water stoppage methods) (for example, non-patent documents 1 and 2).
現場で得られた坑口湧水量の観測値を活用して湧水量を予測し、施工段階に反映することが可能な一次元水理公式を用いた予測手法が開発されているが、予測結果と観測値が乖離するケースが報告されている。原因の一つとして、未開削部分においては、予測に必要な地山の物理量を事前に把握することが困難であることが要因であると推定される。 A prediction method has been developed that uses measurements of wellhead spring water obtained on-site to predict the amount of spring water and incorporates this into the construction stage, using one-dimensional hydraulic formulas; however, there have been reported cases where the predicted results differ from the observed values. One of the reasons for this is thought to be the difficulty of grasping the physical quantities of the ground required for prediction in advance in unexcavated areas.
本発明は上記事実を考慮して、地山の未掘削部分に対応するスライスの観測値を精度よく予測することができることを目的とする。 Taking the above facts into consideration, the present invention aims to accurately predict the observed values of slices corresponding to unexcavated parts of the ground.
本発明に係る解析装置は、掘削対象となる地山をモデル化した地山モデルを、掘削方向に分割したスライス毎に、予め求められた前記スライスの地層区分を含む物理量である説明変数を設定する設定部と、掘削対象部分より前記掘削方向の手前側である掘削済み部分に対応する前記スライスの、前記説明変数と相関がある物理量である目的変数に基づいて、前記掘削対象部分に対応する前記スライスの前記目的変数を予測する目的変数予測部と、前記掘削済み部分に対応する前記スライスの、前記説明変数及び前記目的変数を学習データとして、前記説明変数から前記目的変数を推定するための推定モデルを学習する学習部と、前記掘削対象部分を掘削した後に、前記掘削対象部分に対応する前記スライスの、前記目的変数と関連する物理量である観測値を取得する観測部と、前記掘削対象部分に対応する前記スライスの前記観測値から、前記観測値と前記目的変数との関係を表す観測方程式を用いて、前記掘削対象部分に対応する前記スライスの前記目的変数を同定する同定部と、前記同定された前記掘削対象部分に対応する前記スライスの前記目的変数と、前記掘削対象部分より前記掘削方向の奥側である未掘削部分に対応する前記スライスの前記説明変数と、前記推定モデルとを用いて、前記未掘削部分に対応する前記スライスの前記目的変数を予測し、前記未掘削部分に対応する前記スライスの前記目的変数と、前記観測方程式とを用いて、前記未掘削部分に対応する前記スライスの前記観測値を予測する観測値予測部と、を含んで構成されている。 The analysis device according to the present invention includes a setting unit that sets explanatory variables, which are physical quantities including the stratum division of the slice obtained in advance, for each slice obtained by dividing a rock mass model that models the rock mass to be excavated in the excavation direction; an objective variable prediction unit that predicts the objective variable of the slice corresponding to the portion to be excavated based on an objective variable, which is a physical quantity correlated with the explanatory variable, of the slice corresponding to the excavated portion that is on the front side of the portion to be excavated in the excavation direction; a learning unit that uses the explanatory variables and the objective variable of the slice corresponding to the excavated portion as learning data to learn an estimation model for estimating the objective variable from the explanatory variables; and a learning unit that learns an estimation model for estimating the objective variable from the explanatory variables after excavating the portion to be excavated, based on an objective variable that is a physical quantity correlated with the explanatory variable of the slice corresponding to the portion to be excavated. The system includes an observation unit that acquires observed values, which are physical quantities corresponding to the excavation target portion, an identification unit that identifies the objective variable of the slice corresponding to the excavation target portion from the observed values of the slice corresponding to the excavation target portion using an observation equation that represents the relationship between the observed values and the objective variable, and an observation value prediction unit that predicts the objective variable of the slice corresponding to the unexcavated portion using the objective variable of the slice corresponding to the identified excavation target portion, the explanatory variable of the slice corresponding to the unexcavated portion that is further in the excavation direction than the excavation target portion, and the estimation model, and predicts the observed value of the slice corresponding to the unexcavated portion using the objective variable of the slice corresponding to the unexcavated portion and the observation equation.
本発明に係る解析装置によれば、設定部によって、掘削対象となる地山をモデル化した地山モデルを、掘削方向に分割したスライス毎に、予め求められた前記スライスの地層区分を含む物理量である説明変数を設定する。目的変数予測部によって、掘削対象部分より前記掘削方向の手前側である掘削済み部分に対応する前記スライスの、前記説明変数と相関がある物理量である目的変数に基づいて、前記掘削対象部分に対応する前記スライスの前記目的変数を予測する。 According to the analysis device of the present invention, the setting unit sets explanatory variables, which are physical quantities including the stratum classification of the slices obtained in advance, for each slice obtained by dividing a natural ground model that models the natural ground to be excavated in the excavation direction. The objective variable prediction unit predicts the objective variable of the slice corresponding to the portion to be excavated based on the objective variable, which is a physical quantity correlated with the explanatory variable of the slice corresponding to the excavated portion that is on the near side of the portion to be excavated in the excavation direction.
そして、学習部によって、前記掘削済み部分に対応する前記スライスの、前記説明変数及び前記目的変数を学習データとして、前記説明変数から前記目的変数を推定するための推定モデルを学習する。観測部によって、前記掘削対象部分を掘削した後に、前記掘削対象部分に対応する前記スライスの、前記目的変数と関連する物理量である観測値を取得する。 Then, a learning unit learns an estimation model for estimating the objective variable from the explanatory variables, using the explanatory variables and the objective variable of the slice corresponding to the excavated portion as learning data. An observation unit obtains an observation value, which is a physical quantity related to the objective variable of the slice corresponding to the excavated portion, after the portion to be excavated is excavated.
そして、同定部によって、前記掘削対象部分に対応する前記スライスの前記観測値から、前記観測値と前記目的変数との関係を表す観測方程式を用いて、前記掘削対象部分に対応する前記スライスの前記目的変数を同定する。観測値予測部によって、前記同定された前記掘削対象部分に対応する前記スライスの前記目的変数と、前記掘削対象部分より前記掘削方向の奥側である未掘削部分に対応する前記スライスの前記説明変数と、前記推定モデルとを用いて、前記未掘削部分に対応する前記スライスの前記目的変数を予測し、前記未掘削部分に対応する前記スライスの前記目的変数と、前記観測方程式とを用いて、前記未掘削部分に対応する前記スライスの前記観測値を予測する。 Then, an identification unit identifies the objective variable of the slice corresponding to the portion to be excavated from the observed values of the slice corresponding to the portion to be excavated, using an observation equation that represents the relationship between the observed values and the objective variable. An observation value prediction unit predicts the objective variable of the slice corresponding to the unexcavated portion, using the objective variable of the slice corresponding to the identified portion to be excavated, the explanatory variables of the slice corresponding to the unexcavated portion that is further in the excavation direction than the portion to be excavated, and the estimation model, and predicts the observed value of the slice corresponding to the unexcavated portion, using the objective variable of the slice corresponding to the unexcavated portion and the observation equation.
このように、前記掘削済み部分に対応する前記スライスの、前記説明変数及び前記目的変数を学習データとして、前記説明変数から前記目的変数を推定するための推定モデルを学習し、前記同定された前記掘削対象部分に対応する前記スライスの前記目的変数と、未掘削部分に対応する前記スライスの前記説明変数と、前記推定モデルとを用いて、前記未掘削部分に対応する前記スライスの前記目的変数を予測し、前記観測方程式を用いて、前記未掘削部分に対応する前記スライスの前記観測値を予測することにより、地山の未掘削部分に対応するスライスの観測値を精度よく予測することができる。 In this way, the explanatory variables and the objective variables of the slice corresponding to the excavated portion are used as learning data, and an estimation model for estimating the objective variables from the explanatory variables is learned. The objective variables of the slice corresponding to the identified portion to be excavated and the explanatory variables of the slice corresponding to the unexcavated portion are predicted using the estimation model. The observed values of the slice corresponding to the unexcavated portion are predicted using the observation equation, thereby making it possible to accurately predict the observed values of the slice corresponding to the unexcavated portion of the natural ground.
本発明に係る前記推定モデルは、前記説明変数を入力とし、前記目的変数を出力するニューラルネットワークモデルである。 The estimation model according to the present invention is a neural network model that receives the explanatory variables as input and outputs the objective variables.
本発明に係る前記学習部は、前記学習した推定モデルを用いて、前記地層区分間の前記目的変数の比率を求め、前記観測値予測部は、前記同定された前記掘削対象部分に対応する前記スライスの前記目的変数と、前記掘削対象部分より前記掘削方向の奥側である未掘削部分に対応する前記スライスの前記説明変数と、前記地層区分間の前記目的変数の比率とを用いて、前記未掘削部分に対応する前記スライスの前記目的変数を予測する。 The learning unit according to the present invention uses the learned estimation model to determine the ratio of the objective variables between the stratum divisions, and the observed value prediction unit predicts the objective variable of the slice corresponding to the unexcavated portion using the objective variable of the slice corresponding to the identified portion to be excavated, the explanatory variables of the slice corresponding to the unexcavated portion that is further in the excavation direction than the portion to be excavated, and the ratio of the objective variables between the stratum divisions.
本発明に係る前記目的変数予測部は、カルマンフィルタの時間更新により、各スライスの前記目的変数を、前記カルマンフィルタの各時刻の状態量として、前記掘削済み部分に対応する前記スライスの前記目的変数に基づいて、前記掘削対象部分に対応する前記スライスの前記目的変数を予測し、前記同定部は、前記カルマンフィルタの観測更新により、前記目的変数予測部によって推定された前記目的変数と、前記掘削対象部分に対応する前記スライスの前記観測値と、前記観測値と前記目的変数との関係を表す観測方程式とに基づいて、前記掘削対象部分に対応する前記スライスの前記目的変数を同定する。 The objective variable prediction unit according to the present invention predicts the objective variable of the slice corresponding to the portion to be excavated based on the objective variable of the slice corresponding to the excavated portion by time updating the Kalman filter, with the objective variable of each slice being the state quantity at each time of the Kalman filter, and the identification unit identifies the objective variable of the slice corresponding to the portion to be excavated based on the objective variable estimated by the objective variable prediction unit by observation updating of the Kalman filter, the observed value of the slice corresponding to the portion to be excavated, and an observation equation expressing the relationship between the observed value and the objective variable.
本発明に係る解析装置は、前記掘削対象部分を掘削した後に、未掘削部分に対応する前記スライスの前記説明変数を更新する説明変数更新部を更に含む。 The analysis device according to the present invention further includes an explanatory variable update unit that updates the explanatory variables of the slice corresponding to the unexcavated portion after the excavation target portion is excavated.
本発明に係る解析プログラムは、コンピュータを、掘削対象となる地山をモデル化した地山モデルを、掘削方向に分割したスライス毎に、予め求められた前記スライスの地層区分を含む物理量である説明変数を設定する設定部、掘削対象部分より前記掘削方向の手前側である掘削済み部分に対応する前記スライスの、前記説明変数と相関がある物理量である目的変数に基づいて、前記掘削対象部分に対応する前記スライスの前記目的変数を予測する目的変数予測部、前記掘削済み部分に対応する前記スライスの、前記説明変数及び前記目的変数を学習データとして、前記説明変数から前記目的変数を推定するための推定モデルを学習する学習部、前記掘削対象部分を掘削した後に、前記掘削対象部分に対応する前記スライスの、前記目的変数と関連する物理量である観測値を取得する観測部、前記掘削対象部分に対応する前記スライスの前記観測値から、前記観測値と前記目的変数との関係を表す観測方程式を用いて、前記掘削対象部分に対応する前記スライスの前記目的変数を同定する同定部、及び前記同定された前記掘削対象部分に対応する前記スライスの前記目的変数と、前記掘削対象部分より前記掘削方向の奥側である未掘削部分に対応する前記スライスの前記説明変数と、前記推定モデルとを用いて、前記未掘削部分に対応する前記スライスの前記目的変数を予測し、前記未掘削部分に対応する前記スライスの前記目的変数と、前記観測方程式とを用いて、前記未掘削部分に対応する前記スライスの前記観測値を予測する観測値予測部として機能させるための解析プログラムである。 The analysis program of the present invention includes a computer, a setting unit that sets explanatory variables, which are physical quantities including the stratum division of the slice, obtained in advance for each slice obtained by dividing a rock mass model that models the rock mass to be excavated in the excavation direction, a response variable prediction unit that predicts the response variable of the slice corresponding to the portion to be excavated based on a response variable, which is a physical quantity correlated with the explanatory variable, of the slice corresponding to the excavated portion that is on the front side of the portion to be excavated in the excavation direction, a learning unit that uses the explanatory variables and the response variable of the slice corresponding to the excavated portion as learning data to learn an estimation model for estimating the response variable from the explanatory variables, and after excavating the portion to be excavated, a response variable prediction unit that predicts the response variable of the slice corresponding to the portion to be excavated based on a response variable, which is a physical quantity correlated with the explanatory variable, of the slice corresponding to the portion to be excavated The analysis program functions as an observation unit that acquires observed values, which are physical quantities corresponding to the excavation target portion, an identification unit that identifies the objective variable of the slice corresponding to the excavation target portion from the observed values of the slice corresponding to the excavation target portion using an observation equation that represents the relationship between the observed values and the objective variable, and an observation value prediction unit that predicts the objective variable of the slice corresponding to the unexcavated portion using the objective variable of the slice corresponding to the identified excavation target portion, the explanatory variable of the slice corresponding to the unexcavated portion that is further in the excavation direction than the excavation target portion, and the estimation model, and predicts the observed value of the slice corresponding to the unexcavated portion using the objective variable of the slice corresponding to the unexcavated portion and the observation equation.
以上説明したように、本発明の解析装置及び解析プログラムによれば、地山の未掘削部分に対応するスライスの観測値を精度よく予測することができる、という効果が得られる。 As described above, the analysis device and analysis program of the present invention have the effect of being able to accurately predict the observed values of slices that correspond to unexcavated parts of the ground.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。 The following describes in detail an embodiment of the present invention with reference to the drawings.
<本発明の実施の形態の原理>
(従来技術およびその問題点)
<Principle of the embodiment of the present invention>
(Prior art and its problems)
近年、トンネル掘削シミュレーションにおいて、その予測精度を高めるために逆計算(データ同化等)や深層学習といった手法を取り入れる取り組みが各所でなされている。ここではそれぞれの手法が持つ問題点を述べる。 In recent years, efforts have been made in various places to incorporate methods such as inverse calculation (data assimilation, etc.) and deep learning in tunnel excavation simulations to improve the prediction accuracy. Here, we will discuss the problems associated with each method.
(逆計算/順計算(データ同化))
一般的なシミュレーション問題においては、観測値yと状態量xとの間をy=h(x)という数式で置き換える。状態量xはシミュレーションモデルを構成する主たるパラメータだが、直接観測するのは難しく、観測値yから推定するのが一般的である。例えば、状態量xが、土質定数であり、観測値yが、掘削に伴う地盤変形・水位低下量などである。
(Inverse calculation/forward calculation (data assimilation))
In a typical simulation problem, the relationship between the observed value y and the state quantity x is replaced by the formula y = h(x). The state quantity x is the main parameter that constitutes the simulation model, but it is difficult to observe directly, so it is generally estimated from the observed value y. For example, the state quantity x is a soil constant, and the observed value y is the amount of ground deformation and water level drop caused by excavation.
逆計算問題においては、観測値yが適合するような状態量xを計算により求める。この解は決定論的に定まり、一つの観測値yに対して状態量xはただ一つのみ存在する。 In an inverse calculation problem, the state quantity x that matches the observed value y is calculated. The solution is determined deterministically, and there is only one state quantity x for one observed value y.
今、観測値が得られる前の状態の状態量をxt-1、得られた後の状態量をxt、観測値をyt、xtの時間変化をft(x)、数式をht(x)とすると、逆解析における操作は図10のように表現される。 Now, if the state quantity before the observed value is obtained is x t-1 , the state quantity after the observed value is obtained is x t , the observed value is y t , the change in time of x t is f t (x), and the formula is h t (x), the operations in inverse analysis can be expressed as shown in FIG. 10.
データ同化においては、状態量xtと観測値ytにはそれぞれの特性に起因した既知のガウスノイズが乗るものと仮定し、それぞれの分布におけるノイズをυtおよびωtと設定する。このとき、逆解析において観測値は図11で示されるように確率分布で表示される。 In data assimilation, it is assumed that the state quantity xt and the observation value yt are affected by known Gaussian noise due to their respective characteristics, and the noise in the respective distributions is set as υt and ωt . In this case, in the inverse analysis, the observation value is displayed as a probability distribution as shown in Figure 11.
今、数式y=h(x)は不変であり、状態変数であるxのみ時間更新していくと考える。f(x)、h(x)ともに線形であり、なおかつυ、ωともにガウスノイズという条件の下で、観測値を反映したxtの確率分布は数式で求めることができる。 Now, consider that the formula y = h(x) is constant and only the state variable x is updated over time. Under the conditions that f(x) and h(x) are both linear and both υ and ω are Gaussian noise, the probability distribution of xt reflecting the observed value can be obtained by a formula.
xt=F・xt-1+υ υ~N(0,Q):この状態空間モデルは、分散値Qの正規分布で表される。 x t =F·x t−1 +υ υ∼N(0,Q): This state space model is represented by a normal distribution with variance value Q.
yt=H・xt+ω ω~N(0,R):この観測モデルは、分散値Rの正規分布で表される。 y t =H·x t +ω ω∼N(0,R): This observation model is represented by a normal distribution with variance R.
ある時刻t-1における分布xt-1は以下に示すように平均値xt-1、分散値Vt-1の正規分布に従うとする。 It is assumed that the distribution x t-1 at a certain time t-1 follows a normal distribution with a mean value x t-1 and a variance value V t-1 as shown below.
xt-1~N(xt-1,Vt-1) x t-1 ~N(x t-1 , V t-1 )
観測値ytが与えられた場合、状態量xtは以下の通り計算できる。この操作をフィルタリングと呼ぶ(図12参照)。 When an observation value yt is given, the state quantity xt can be calculated as follows: This operation is called filtering (see FIG. 12).
Kt=Vt-1・H’/(H・Vt-1・H’+Rt)
xt=xt-1+Kt・(yt-H・xt-1)
Vt=Vt-1・(1-Kt・H)
K t =V t-1・H'/(H・V t-1・H'+R t )
x t =x t-1 +K t・(y t -H・x t-1 )
V t =V t-1・(1-K t・H)
ytとxtとの関係が係数H(観測方程式)の線形写像であり、これを利用して事後分布xt・分散値Vtと事前分布xt-1・Vt-1の更新係数であるKtを算出している。KtはVt-1とRtとの比率である。これは、事前分布xt-1および観測分布ytにおける分散値Vt-1,Rtの比率Ktで事後分布の平均値xtおよび分散値Vtを算出しているに過ぎない。このKtをカルマンゲインという。 The relationship between yt and xt is a linear mapping of the coefficient H (observation equation), and this is used to calculate Kt, which is the update coefficient for the posterior distribution xt ·variance value Vt and the prior distribution xt -1 · Vt-1 . Kt is the ratio of Vt -1 to Rt . This simply calculates the mean value xt and variance value Vt of the posterior distribution using the ratio Kt of the variance values Vt -1 and Rt in the prior distribution xt- 1 and the observation distribution yt . This Kt is called the Kalman gain.
事後分布xtが算出されたら、その時点からの一期先およびそれ以降の状態予測を状態方程式および観測方程式を用いて行うことができる。一期先予測の式は以下の通りである。 Once the posterior distribution xt is calculated, state predictions for one period ahead and beyond from that point in time can be performed using the state equation and the observation equation. The equation for one period ahead prediction is as follows:
xt=F・xt-1
Vt=F・Vt-1・F’+Qt
x t =F・x t−1
V t =F・V t−1・F'+Q t
Vtの計算においては、状態方程式Fが線形であることが前提条件となっている。 In the calculation of Vt , it is a prerequisite that the state equation F is linear.
これ以降、観測データが得られる度にこの操作を繰り返すことにより、事後分布の精度を上げていく。 From then on, this process is repeated each time observational data is obtained to improve the accuracy of the posterior distribution.
逆計算をトンネル掘削シミュレーションに適用した場合の最大の問題点としては、この手法はあくまでも観測値に影響を及ぼす領域においてのみ目的変数を同定するものであり、特に施工延長の長いトンネル掘削においては、影響範囲外の未施工区間については目的変数の同定が出来ず、順計算(将来予測)の結果が更新されないことである(図13参照)。 The biggest problem with applying inverse calculation to tunnel excavation simulation is that this method only identifies the objective variables in the areas that affect the observed values. In particular, in tunnel excavation with a long construction length, it is not possible to identify the objective variables for unconstructed sections outside the affected area, and the results of the forward calculation (future prediction) are not updated (see Figure 13).
また、影響範囲内に複数の地層区分が存在する場合(図3参照)、目的変数も複数となるので、逆計算には目的変数の数と同じだけの観測値が必要であるが、トンネル掘削において得られる観測値は大抵の場合切羽位置における一つだけのものであり、切羽前方で別途観測値を求める必要がある(図14参照)。例えば、y=ax1+bx2 という方程式を解くには、yの値が二つ必要となる。 In addition, if there are multiple stratum divisions within the affected area (see Figure 3), there will also be multiple objective variables, and so the inverse calculation requires the same number of observations as the objective variables. However, in most cases, only one observation is obtained at the tunnel face position during tunnel excavation, and a separate observation must be obtained ahead of the face (see Figure 14). For example, to solve the equation y = ax1 + bx2, two values of y are required.
更に、通常の逆計算/順計算の処理においては、目的変数xは観測値yのみを用いて値の同定を行っており、説明変数zについては触れられていないのが現状である。例えば亀裂の密度と透水係数との関係のように、説明変数zと目的変数xの間には明確な相関が存在するが、その関係を方程式で実証するのは難しく、亀裂だけではなく弾性波速度や一軸圧縮強度など説明変数の次元が増えた場合、関係式を導くのはより困難となる。 Furthermore, in normal inverse/forward calculation processing, the value of the objective variable x is identified using only the observed value y, and the explanatory variable z is not currently mentioned. For example, there is a clear correlation between the explanatory variable z and the objective variable x, such as the relationship between crack density and permeability coefficient, but it is difficult to prove this relationship with an equation, and when the dimensions of the explanatory variables increase, such as elastic wave velocity and uniaxial compressive strength in addition to cracks, it becomes even more difficult to derive a relational equation.
従って、明確にその関連性を示されている観測方程式を利用して、観測値のみを用いて目的変数を逆算する手順が一般的となっている。 Therefore, it is common to use an observation equation whose relationship is clearly shown, and then use only the observed values to back-calculate the dependent variable.
(SWING法(井戸公式)における透水係数と土被りとの相関について)
SWING法においては、Dupuitの準一様流に降雨浸透を組み合わせたBearの式によりスライス断面におけるトンネル湧水量を求めている。この式は井戸公式の一種であり、トンネル直上の水位は掘削直後にトンネル掘削深度まで低下すると仮定した上で経過時間に応じて定常状態の水位低下範囲まで徐々に広がっていくモデルである。山岳トンネルを対象としているので、掘削前の地下水位はGLもしくはGL-5m程度と仮定している。
(Correlation between hydraulic conductivity and soil overburden in the SWING method (well formula))
In the SWING method, the tunnel spring water volume at the slice cross section is calculated by Bear's formula, which combines rainfall infiltration with Dupuit's quasi-uniform flow. This formula is a type of well formula, and assumes that the water level directly above the tunnel drops to the tunnel excavation depth immediately after excavation, and then gradually expands to the steady-state water level drop range over time. Since the target is a mountain tunnel, the groundwater level before excavation is assumed to be about GL or GL-5m.
この式においては、湧水量qtと透水係数kがqt=α√kという対数透水係数に関する比例関係で表される。 In this formula, the spring water volume qt and the hydraulic conductivity k are expressed by a proportional relationship related to the logarithmic hydraulic conductivity, qt = α√k.
浸透理論における水の流れを考えた場合、トンネル直上の水位は掘削直後は変化せずに、時間経過に応じて徐々に低下していく。従って、SWING法において算出される流量qtは、このモデル化による誤差を含んだ値となる。土被りが小さい場合、定常状態の水位はトンネル位置まで低下すると予想されるので、この誤差は小さくなる。この時、湧水量(=SWING法で同定した透水係数)は土被りの2乗に比例する。ただし、土被りが大きい場合、定常状態でも地下水位はトンネル位置まで低下せず、誤差は大きくなる。この時、湧水量に対する土被りの影響は小さくなると予想される。 When considering the water flow in the infiltration theory, the water level directly above the tunnel does not change immediately after excavation, but gradually drops over time. Therefore, the flow rate qt calculated by the SWING method is a value that includes an error due to this modeling. When the soil overburden is small, the steady-state water level is expected to drop to the tunnel position, so this error is small. At this time, the spring water volume (= permeability coefficient identified by the SWING method) is proportional to the square of the soil overburden. However, when the soil overburden is large, the groundwater level does not drop to the tunnel position even in the steady state, and the error becomes large. At this time, the effect of the soil overburden on the spring water volume is expected to be small.
従って、地山の透水係数が一定と仮定して将来予測を実施した場合、SWING法により算出される湧水量は土被りの二乗に比例して増加する。しかし、実際にはある一定以上の土被りになると湧水量の変化はほとんど無くなるので、土被りと湧水量との相関は対数比例に近くなる。このような湧水量に対してSWING法による同化を実施した場合、その透水係数はモデル化誤差により小さな値となる。従って、SWING法において一様な透水係数の地山に対する予測精度を向上させるには、設定した透水係数を土被りに応じて補正する必要がある。 Therefore, if future predictions are made assuming that the hydraulic conductivity of the natural ground is constant, the amount of spring water calculated by the SWING method increases in proportion to the square of the soil cover. However, in reality, once the soil cover exceeds a certain level, there is almost no change in the amount of spring water, so the correlation between the soil cover and the amount of spring water approaches logarithmic proportion. If assimilation is performed using the SWING method for such a spring water volume, the hydraulic conductivity will be a small value due to modeling errors. Therefore, to improve the prediction accuracy of the SWING method for natural ground with a uniform hydraulic conductivity, it is necessary to correct the set hydraulic conductivity according to the soil cover.
そこで、本実施の形態では、機械学習において説明変数に土被りを入れることにより、この相関を内部計算し、透水係数を自動的に補正する。これにより、観測方程式に誤差が存在したとしても、機械学習を組み込むことで精度の高い予測が可能となる。 In this embodiment, this correlation is calculated internally by including soil cover as an explanatory variable in machine learning, and the hydraulic conductivity is automatically corrected. As a result, even if there is an error in the observation equation, highly accurate predictions are possible by incorporating machine learning.
(機械学習)
上述したように、説明変数zと目的変数xとの間には明確な相関が存在するが、その関係を方程式で実証するのは難しい。ただし、説明変数zに対応する目的変数xの組み合わせが複数存在する場合、そこから方程式を推定することは回帰分析等の手法を用いることで実施可能である。
(Machine Learning)
As described above, a clear correlation exists between explanatory variable z and objective variable x, but it is difficult to prove this relationship with an equation. However, if there are multiple combinations of objective variable x corresponding to explanatory variable z, it is possible to estimate an equation from them using a method such as regression analysis.
説明変数zが高次元の場合、回帰分析等の実施も難しいが、近年計算機の性能が向上したことにより、機械学習を用いることで複雑な定式化作業を行うことなく、比較的簡易にこの相関性を算出することが可能になった。 When the explanatory variable z is high-dimensional, it is difficult to carry out regression analysis, etc., but with the recent improvements in computer performance, it is now possible to use machine learning to calculate this correlation relatively easily without performing complex formulation work.
本実施の形態では、この機械学習処理を逆計算・順計算のフローに組み込むことで、観測値yだけでなく、説明変数zが更新された場合、その結果より未施工区間の目的変数xを予測することが可能である。 In this embodiment, by incorporating this machine learning process into the flow of reverse and forward calculations, when the explanatory variable z is updated in addition to the observed value y, it is possible to predict the objective variable x of the unconstructed section from the results.
また、説明変数zは観測方程式の影響範囲とは無関係であり、範囲外の未施工区間における目的変数の更新が可能となる。更に、逆計算とは独立して実施するので、複数の岩種に対してそれぞれ目的変数が算出され、その比率を一定と仮定することで目的変数xの次元は一つとなり、単一の観測値yに対する同定が可能となる。 In addition, the explanatory variable z is unrelated to the range of influence of the observation equation, making it possible to update the objective variable in unconstructed sections outside that range. Furthermore, since it is performed independently of the inverse calculation, objective variables are calculated for multiple rock types, and by assuming that their ratio is constant, the objective variable x has a single dimension, making it possible to identify a single observed value y.
逆計算と併用することなく、機械学習単独で観測値yと説明変数zとを直接関連付けることも可能であるが、一般的に一つの観測方程式を通して複数の観測項目(例えば変形量・部材応力・湧水量・影響範囲など)と目的変数とを関連付けすることができるので、効率的な計算が可能となる。 It is possible to directly associate the observed value y with the explanatory variable z using machine learning alone without using inverse calculation, but it is generally possible to associate multiple observed items (e.g. deformation amount, component stress, amount of well water, range of influence, etc.) with the objective variable through one observation equation, allowing for efficient calculations.
<本発明の実施の形態の解析装置の構成>
図1に示すように、本発明の実施の形態に係る解析装置100は、CPU12、グラフィックカード13、GPU14、RAM16、HDD18、通信インタフェース21、及びこれらを相互に接続するためのバス23を備えている。
<Configuration of the analysis device according to the embodiment of the present invention>
As shown in FIG. 1, an analysis device 100 according to an embodiment of the present invention includes a CPU 12, a graphics card 13, a GPU 14, a RAM 16, a HDD 18, a communication interface 21, and a bus 23 for interconnecting these components.
CPU12、GPU14は、各種プログラムを実行する。RAM16は、CPU12による各種プログラムの実行時におけるワークエリア等として用いられる。記録媒体としてのHDD18には、後述する解析処理ルーチンを実行するためのプログラムを含む各種プログラムや各種データが記憶されている。 The CPU 12 and GPU 14 execute various programs. The RAM 16 is used as a work area when the CPU 12 executes the various programs. The HDD 18, which serves as a recording medium, stores various programs and data, including a program for executing the analysis processing routine described below.
本実施の形態における解析装置100を、解析処理ルーチンを実行するためのプログラムに沿って、機能ブロックで表すと、図2に示すようになる。解析装置100は、入力部10、演算部20、及び出力部50を備えている。 When the analysis device 100 in this embodiment is represented by functional blocks along with a program for executing an analysis processing routine, it becomes as shown in FIG. 2. The analysis device 100 has an input unit 10, a calculation unit 20, and an output unit 50.
入力部10は、掘削対象となる地山をモデル化した地山モデルを、掘削方向に分割した各スライスを表すデータと、スライス毎に予め求められた地層区分を含む物理量である説明変数とを入力として受け付ける(図3参照)。 The input unit 10 receives as input data representing each slice obtained by dividing a natural ground model, which is a model of the natural ground to be excavated, in the excavation direction, and explanatory variables, which are physical quantities including the stratum divisions determined in advance for each slice (see Figure 3).
説明変数zは、トンネル掘削が該当スライスに到達する前に設計条件や事前調査(前方探査など)、過去実績等により取得することが可能であり、目的変数と関連があると予想されるものの定式化が難しい値とする。 The explanatory variable z can be obtained before the tunnel excavation reaches the relevant slice based on design conditions, preliminary surveys (forward exploration, etc.), past performance, etc., and is a value that is expected to be related to the objective variable but is difficult to formulate.
説明変数の一例としては、地層区分である岩種の他、土被り、トンネル断面寸法、亀裂密度、地山弾性波速度、一軸圧縮強度、降雨強度などを含む。 Examples of explanatory variables include rock type, which is a geological layer classification, as well as soil cover, tunnel cross-sectional dimensions, crack density, natural ground elastic wave velocity, uniaxial compressive strength, and rainfall intensity.
また、入力部10は、他の掘削工事実績より得られた説明変数と目的変数の相関性を表すデータを入力として受け付ける。 The input unit 10 also accepts as input data representing the correlation between explanatory variables and objective variables obtained from other excavation work results.
ここで、目的変数は、観測方程式を通して各種観測値に変換可能な値とする。この値は、説明変数zのうち地層区分毎にそれぞれ対応する値を定めるものとする。例えば、目的変数は、地山変形係数、透水係数、又は降雨浸透率などを含む。 The objective variables are values that can be converted into various observed values through the observation equation. These values are determined by determining the explanatory variable z that corresponds to each stratum classification. For example, objective variables include the rock mass deformation coefficient, hydraulic conductivity, or rainfall infiltration rate.
また、入力部10は、掘削対象部分を掘削した後に、当該掘削対象部分に対応するスライスの、目的変数と関連する物理量である観測値を入力として受け付ける。 In addition, after the excavation target portion is excavated, the input unit 10 receives as input the observed value of the slice corresponding to the excavation target portion, which is a physical quantity related to the objective variable.
ここで、各種観測値yは、トンネル進捗が各スライスに到達した段階でトンネルに発生する各種挙動より得られる値であり、事前測定が不可能なものである。例えば、観測値は、支保工変位、切羽押出し量、適正装薬量、切羽画像(特徴量)、又は湧水量を含む。 Here, the various observed values y are values obtained from various behaviors that occur in the tunnel when the tunnel progress reaches each slice, and cannot be measured in advance. For example, the observed values include support displacement, face extrusion amount, appropriate charge amount, face image (feature value), or well water amount.
また、入力部10は、掘削対象部分を掘削した後に、未掘削部分に対応するスライスの更新すべき説明変数がある場合に、当該未掘削部分に対応するスライスの説明変数を入力として受け付ける。 In addition, after the portion to be excavated is excavated, if there are explanatory variables to be updated for a slice corresponding to an unexcavated portion, the input unit 10 accepts as input the explanatory variables of the slice corresponding to the unexcavated portion.
演算部20は、設定部22、目的変数予測部24、学習部26、説明変数更新部28、観測部30、同定部32、及び観測値予測部34を備えている。 The calculation unit 20 includes a setting unit 22, a target variable prediction unit 24, a learning unit 26, an explanatory variable update unit 28, an observation unit 30, an identification unit 32, and an observed value prediction unit 34.
設定部22は、掘削対象となる地山をモデル化した地山モデルのスライス毎に、説明変数を設定する。 The setting unit 22 sets explanatory variables for each slice of the ground model that models the ground to be excavated.
また、設定部22は、他の掘削工事の実績より得られた地層区分と目的変数との相関性を基に、スライス毎に、説明変数に含まれる地層区分に対応する初期の目的変数xを設定する。 The setting unit 22 also sets an initial objective variable x for each slice that corresponds to the stratum classification included in the explanatory variables, based on the correlation between the objective variable and the stratum classification obtained from the results of other excavation works.
目的変数予測部24は、掘削対象部分より掘削方向の手前側である掘削済み部分に対応するスライスの目的変数に基づいて、掘削対象部分に対応するスライスの目的変数を予測する。 The objective variable prediction unit 24 predicts the objective variables of the slice corresponding to the portion to be excavated based on the objective variables of the slice corresponding to the excavated portion that is on the near side of the portion to be excavated in the excavation direction.
具体的には、目的変数予測部24は、カルマンフィルタの時間更新により、各スライスの目的変数を、カルマンフィルタの各時刻の状態量として、掘削済み部分に対応するスライスの目的変数に基づいて、掘削対象部分に対応するスライスの目的変数を予測する。ここで、地山モデルの掘削方向の各スライスが、カルマンフィルタの各時間ステップに相当するものとして、カルマンフィルタの時間更新を行っている。すなわち、目的変数の時間変化を予測しているわけではない。 Specifically, the objective variable prediction unit 24 predicts the objective variable of the slice corresponding to the portion to be excavated based on the objective variable of the slice corresponding to the excavated portion by updating the Kalman filter over time, with the objective variable of each slice being the state quantity of the Kalman filter at each time. Here, the Kalman filter is updated over time with each slice in the excavation direction of the natural ground model corresponding to each time step of the Kalman filter. In other words, the time change of the objective variable is not predicted.
学習部26は、掘削済み部分に対応する各スライスの説明変数及び目的変数を学習データとして生成し、学習データに基づいて、説明変数から目的変数を推定するためのニューラルネットワークモデルを学習する(図4参照)。 The learning unit 26 generates explanatory variables and objective variables for each slice corresponding to the excavated portion as learning data, and learns a neural network model for estimating the objective variable from the explanatory variables based on the learning data (see Figure 4).
このように、トンネル掘削が進むにつれて、既施工区間においては各スライスにおいて同定後の目的変数xとそれに対応する説明変数zが求められるため、各スライスの説明変数及び同定後の目的変数を学習データとして生成し、この学習データを機械学習にかけてニューラルネットワークモデルを学習する。 In this way, as tunnel excavation progresses, the identified objective variable x and the corresponding explanatory variable z are obtained for each slice in the already constructed section, and the explanatory variables and identified objective variables of each slice are generated as learning data, and this learning data is subjected to machine learning to train the neural network model.
また、学習部26は、学習したニューラルネットワークモデルを用いて、地層区分間の目的変数の比率を求める。具体的には、学習したニューラルネットワークモデルを用いて、各地層区分に対応した目的変数x1’,x2’を求め、掘削対象部分における地層区分に対応した目的変数x1’と、他の地層区分に対応した目的変数x2’とから、x2’=α2×x1’となる比率α2を求める。この比率を、全ての地層区分について求める。 The learning unit 26 also uses the trained neural network model to determine the ratio of objective variables between stratum divisions. Specifically, the trained neural network model is used to determine objective variables x1', x2' corresponding to each stratum division, and a ratio α2 is determined such that x2' = α2 x x1' from objective variable x1' corresponding to the stratum division in the portion to be excavated and objective variable x2' corresponding to another stratum division. This ratio is determined for all stratum divisions.
説明変数更新部28は、掘削対象部分を掘削した後に、前方探査実施により、未掘削部分に対応するスライスの更新すべき説明変数があれば、当該スライスの説明変数を更新する。 After the excavation target portion is excavated, if there are explanatory variables to be updated for a slice corresponding to an unexcavated portion by performing forward exploration, the explanatory variable update unit 28 updates the explanatory variables of that slice.
観測部30は、掘削対象部分を掘削した後に、入力された掘削対象部分に対応するスライスの観測値を取得する。 After the observation unit 30 excavates the excavation target portion, it obtains the observation values of the slice corresponding to the input excavation target portion.
同定部32は、掘削対象部分に対応するスライスの観測値yから、観測値yと目的変数xとの関係を表す観測方程式fを用いて、逆計算x=f’(y)により、掘削対象部分に対応するスライスの目的変数を同定する。 The identification unit 32 identifies the objective variable of the slice corresponding to the portion to be excavated by inverse calculation x = f'(y) using the observation equation f that expresses the relationship between the observation value y of the slice corresponding to the portion to be excavated and the objective variable x.
具体的には、同定部32は、カルマンフィルタの観測更新により、目的変数予測部24によって推定された目的変数と、掘削対象部分に対応するスライスの観測値と、観測方程式とに基づいて、掘削対象部分に対応するスライスの目的変数を同定する。 Specifically, the identification unit 32 identifies the objective variable of the slice corresponding to the portion to be excavated based on the objective variable estimated by the objective variable prediction unit 24 through observation updates of the Kalman filter, the observed values of the slice corresponding to the portion to be excavated, and the observation equation.
ここで、観測方程式fは、目的変数x、説明変数zの一部と各種観測値yとの関係を説明するy=f(x)もしくはy=f(x,z)に相当するシミュレーションモデルであり、モデル化に伴う誤差を内在している。 Here, the observation equation f is a simulation model equivalent to y = f(x) or y = f(x, z) that explains the relationship between the objective variable x, some of the explanatory variables z, and various observed values y, and contains errors associated with modeling.
例えば、観測方程式fは、変形量及び湧水量を観測値とする3次元FEMモデル、変形量及び湧水量を観測値とする2次元FEMモデル、変形量を観測値とする弾性支承梁モデル、又は図5に示す湧水量を観測値とする井戸公式である。 For example, the observation equation f is a three-dimensional FEM model in which the deformation amount and the spring water amount are the observed values, a two-dimensional FEM model in which the deformation amount and the spring water amount are the observed values, an elastic support beam model in which the deformation amount is the observed value, or a well formula in which the spring water amount shown in Figure 5 is the observed value.
観測値予測部34は、同定された掘削対象部分に対応するスライスの目的変数と、掘削対象部分より掘削方向の奥側である未掘削部分に対応するスライスの説明変数と、ニューラルネットワークモデルの学習結果とを用いて、未掘削部分に対応するスライスの目的変数を予測し、未掘削部分に対応するスライスの目的変数と、観測方程式とを用いて、未掘削部分に対応するスライスの観測値を予測する。 The observation value prediction unit 34 predicts the objective variables of the slices corresponding to the identified excavation target portion, the explanatory variables of the slices corresponding to the unexcavated portion that is further in the excavation direction than the excavation target portion, and the learning results of the neural network model, and predicts the observation value of the slice corresponding to the unexcavated portion using the objective variables of the slices corresponding to the unexcavated portion and the observation equation.
具体的には、観測値予測部34は、同定された掘削対象部分に対応するスライスの目的変数と、掘削対象部分より掘削方向の奥側である未掘削部分に対応するスライスの説明変数と、地層区分間の目的変数の比率とを用いて、未掘削部分に対応するスライスの目的変数を予測する。 Specifically, the observation value prediction unit 34 predicts the objective variables of the slice corresponding to the undrilled portion using the objective variables of the slice corresponding to the identified portion to be excavated, the explanatory variables of the slice corresponding to the undrilled portion that is further in the excavation direction than the portion to be excavated, and the ratio of objective variables between the stratum divisions.
例えば、掘削対象部分のスライスの地層区分1とそれに対応する岩種の目的変数x1を基準値とし、他の地層区分2,3,4・・・に対する目的変数x2,x3,x4・・・を、x1の倍数としてx2=α2×x1,x3=α3×x1,x4=α4×x1,…と設定し、未施工区間に存在する各スライスの目的変数xを求める。 For example, the objective variable x1 for the stratum division 1 of the slice in the excavation target area and the corresponding rock type is set as the reference value, and the objective variables x2, x3, x4... for the other stratum divisions 2, 3, 4... are set as multiples of x1, as x2 = α2 x x1, x3 = α3 x x1, x4 = α4 x x1,... to find the objective variable x for each slice in the unconstructed section.
そして、観測値予測部34は、未施工区間に存在する各スライスの観測値yを、観測方程式y=f(x)に当てはめた順計算により予測し、出力部50により出力する。 Then, the observation value prediction unit 34 predicts the observation value y of each slice in the unconstructed section by forward calculation using the observation equation y = f(x), and outputs it via the output unit 50.
<解析装置の動作>
次に、本発明の実施の形態に係る解析装置100の動作について説明する。
<Operation of the analysis device>
Next, the operation of analysis device 100 according to the embodiment of the present invention will be described.
掘削対象となる地山に対する掘削作業を行う際に、入力部10によって、掘削対象となる地山をモデル化した地山モデルを、掘削方向に分割した各スライスを表すデータと、スライス毎に予め求められた地層区分を含む物理量である説明変数と、他の掘削工事実績より得られた説明変数と目的変数の相関性を表すデータとを、入力として受け付けると、解析装置100によって、図6に示す解析処理ルーチンが実行される。 When performing excavation work on the ground to be excavated, the input unit 10 receives as input data representing each slice obtained by dividing the ground model, which is a model of the ground to be excavated, in the excavation direction, explanatory variables, which are physical quantities including the stratum divisions determined in advance for each slice, and data representing the correlation between the explanatory variables and the objective variables obtained from the results of other excavation work, and the analysis device 100 executes the analysis processing routine shown in FIG. 6.
まず、ステップS100において、設定部22は、掘削対象となる地山をモデル化した地山モデルのスライス毎に、入力された説明変数を設定する。 First, in step S100, the setting unit 22 sets the input explanatory variables for each slice of the ground model that models the ground to be excavated.
そして、ステップS102において、設定部22は、他の掘削工事の実績より得られた地層区分と目的変数との相関性を基に、スライス毎に、説明変数の地層区分に対応する初期の目的変数xを設定する。 Then, in step S102, the setting unit 22 sets an initial objective variable x corresponding to the stratum classification of the explanatory variable for each slice, based on the correlation between the stratum classification and the objective variable obtained from the results of other excavation work.
ステップS104において、目的変数予測部24は、掘削対象部分より掘削方向の手前側である掘削済み部分に対応するスライスの目的変数に基づいて、掘削対象部分に対応するスライスの目的変数を予測する。 In step S104, the objective variable prediction unit 24 predicts the objective variable of the slice corresponding to the portion to be excavated based on the objective variable of the slice corresponding to the excavated portion that is on the near side of the portion to be excavated in the excavation direction.
ステップS106において、学習部26は、掘削済み部分に対応する各スライスの説明変数及び目的変数を学習データとして生成し、学習データに基づいて、説明変数から目的変数を推定するためのニューラルネットワークモデルを学習する。 In step S106, the learning unit 26 generates explanatory variables and objective variables for each slice corresponding to the excavated portion as learning data, and learns a neural network model for estimating the objective variable from the explanatory variables based on the learning data.
ステップS108において、学習部26は、学習したニューラルネットワークモデルを用いて、地層区分間の目的変数の比率を求める。 In step S108, the learning unit 26 uses the trained neural network model to determine the ratio of the objective variables between the strata sections.
ステップS110において、説明変数更新部28は、掘削対象部分を掘削した後に、前方探査実施により、未掘削部分に対応するスライスの更新すべき説明変数が入力されれば、当該スライスの説明変数を更新する。 In step S110, after the excavation target portion is excavated, if the explanatory variables to be updated for the slice corresponding to the undrilled portion are input by performing forward exploration, the explanatory variable update unit 28 updates the explanatory variables of that slice.
ステップS112において、観測部30は、掘削対象部分を掘削した後に、掘削対象部分に対応するスライスの観測値を取得する。 In step S112, the observation unit 30 obtains the observation values of the slice corresponding to the excavation target portion after excavating the excavation target portion.
ステップS114において、同定部32は、掘削対象部分に対応するスライスの観測値yから、観測値yと目的変数xとの関係を表す観測方程式fを用いて、逆計算x=f’(y)により、掘削対象部分に対応するスライスの目的変数を同定する。 In step S114, the identification unit 32 identifies the objective variable of the slice corresponding to the portion to be excavated by inverse calculation x = f'(y) using the observation equation f that expresses the relationship between the observation value y of the slice corresponding to the portion to be excavated and the objective variable x.
ステップS116において、観測値予測部34は、同定された掘削対象部分に対応するスライスの目的変数と、掘削対象部分より掘削方向の奥側である未掘削部分に対応するスライスの説明変数と、ニューラルネットワークモデルの学習結果とを用いて、未掘削部分に対応するスライスの目的変数を予測し、未掘削部分に対応するスライスの目的変数と、観測方程式とを用いて、未掘削部分に対応するスライスの観測値を予測する。そして、予測結果を出力部50により出力する。 In step S116, the observation value prediction unit 34 predicts the objective variable of the slice corresponding to the identified excavation target portion, the explanatory variables of the slice corresponding to the unexcavated portion that is further in the excavation direction than the excavation target portion, and the learning results of the neural network model, and predicts the observation value of the slice corresponding to the unexcavated portion using the objective variable of the slice corresponding to the unexcavated portion and the observation equation. The prediction result is then output by the output unit 50.
ステップS118において、掘削作業を終了したか否かを判定する。掘削作業を終了しない場合には、掘削対象部分のスライスを、更に掘削方向の奥側のものに変更して、上記ステップS104へ戻る。一方、掘削作業を終了した場合には、解析処理ルーチンを終了する。 In step S118, it is determined whether the excavation work has been completed. If the excavation work has not been completed, the slice of the portion to be excavated is changed to one further in the excavation direction, and the process returns to step S104. On the other hand, if the excavation work has been completed, the analysis processing routine is terminated.
<実施例>
本実施例では、地層区分である岩種の他、図7に示すような、土被り、間隙率、弾性波速度、トンネル切羽用の装薬のための削孔をドリルにより行う際の穿孔エネルギーを説明変数とし、透水係数を、目的変数とする。説明変数は、設計条件や各種調査により決定し、目的変数は、掘削作業時の観測値より、観測方程式を用いた逆計算にて決定する。
<Example>
In this embodiment, in addition to rock type, which is a geological layer classification, the explanatory variables are earth covering, porosity, elastic wave velocity, and drilling energy when drilling holes for charging the tunnel face, as shown in Fig. 7, and the permeability coefficient is the objective variable. The explanatory variables are determined based on design conditions and various surveys, and the objective variable is determined by inverse calculation using an observation equation from observed values during excavation work.
学習するニューラルネットワークモデルには、図8に示すような各Node数100個の7層パーセプトロン構造を用いる。 The neural network model used for training uses a seven-layer perceptron structure with 100 nodes, as shown in Figure 8.
SWING法による計測結果と、掘削作業を300m行った時点での、未施工区間の透水係数の予測結果とを比較したものを図9(A)に示す。また、SWING法による計測結果と、掘削作業を700m行った時点での、未施工区間の透水係数の予測結果とを比較したものを図9(B)に示す。また、SWING法による計測結果と、掘削作業を1000m行った時点での、未施工区間の透水係数の予測結果とを比較したものを図9(C)に示す。 Figure 9 (A) shows a comparison between the measurement results using the SWING method and the predicted permeability coefficient of the unconstructed section when excavation work has been performed 300 m. Figure 9 (B) shows a comparison between the measurement results using the SWING method and the predicted permeability coefficient of the unconstructed section when excavation work has been performed 700 m. Figure 9 (C) shows a comparison between the measurement results using the SWING method and the predicted permeability coefficient of the unconstructed section when excavation work has been performed 1000 m.
このように、掘削作業が進むにつれて、ニューラルネットワークモデルの学習が進み、未施工区間の透水係数の予測精度が向上していくことが確認できた。 In this way, it was confirmed that as the excavation work progressed, the neural network model's learning progressed and the prediction accuracy of the permeability coefficient in unconstructed sections improved.
以上説明したように、本発明の実施の形態に係る解析装置によれば、掘削済み部分に対応するスライスの、説明変数及び目的変数を学習データとして、説明変数から目的変数を推定するためのニューラルネットワークモデルを学習し、同定された掘削対象部分に対応するスライスの目的変数と、未掘削部分に対応するスライスの説明変数と、ニューラルネットワークモデルから得られる地層区分間の目的変数の比率とを用いて、未掘削部分に対応するスライスの目的変数を予測し、観測方程式を用いて、未掘削部分に対応するスライスの観測値を予測することにより、地山の未掘削部分に対応するスライスの観測値を精度よく予測することができる。 As described above, the analysis device according to the embodiment of the present invention uses the explanatory variables and objective variables of the slice corresponding to the excavated portion as learning data to learn a neural network model for estimating the objective variables from the explanatory variables, predicts the objective variables of the slice corresponding to the unexcavated portion using the objective variables of the slice corresponding to the identified portion to be excavated, the explanatory variables of the slice corresponding to the unexcavated portion, and the ratio of the objective variables between the stratum divisions obtained from the neural network model, and predicts the observed values of the slice corresponding to the unexcavated portion using an observation equation, thereby making it possible to accurately predict the observed values of the slice corresponding to the unexcavated portion of the natural ground.
また、通常の逆計算/順計算では不可能である、観測方程式の影響範囲外における目的変数xの同定が可能となる。 In addition, it is possible to identify the objective variable x outside the range of influence of the observation equation, which is not possible with normal inverse/forward calculations.
また、観測方程式の影響範囲内に複数の地層区分が存在する場合でも、単一の観測値を用いて逆解析より目的変数を同定することが可能である。 In addition, even if there are multiple geological layers within the range of influence of the observation equation, it is possible to identify the objective variable through inverse analysis using a single observed value.
また、観測方程式にモデル化誤差を含んでいたとしても、その誤差を考慮した目的変数を同定することが可能であり、地山の未掘削部分に対応するスライスの観測値を精度よく予測することができる。 In addition, even if the observation equation contains modeling errors, it is possible to identify a target variable that takes those errors into account, and to accurately predict the observed values of slices that correspond to unexcavated parts of the ground.
また、掘削の進捗に応じて目的変数の予測精度は向上していくが、掘削前の事前予測においても過去実績を用いることで目的変数の予測精度の向上が見込まれる。 In addition, the accuracy of the prediction of the objective variable will improve as the excavation progresses, but it is also expected that the accuracy of the prediction of the objective variable will improve by using past performance data in advance predictions before excavation.
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications and applications are possible without departing from the spirit of the invention.
例えば、上記の解析処理ルーチンにおいて、ステップS102における、他の掘削工事の実績より得られた地層区分と目的変数との相関性を基にした初期の目的変数xの設定や、ステップS110におけるスライスの説明変数の更新を省略してもよい。この場合に、入力部10による、他の掘削工事実績より得られた説明変数と目的変数の相関性を表すデータの入力や、未掘削部分に対応するスライスの更新すべき説明変数の入力を省略することができる。 For example, in the above analysis processing routine, the setting of the initial objective variable x based on the correlation between the stratum classification and the objective variable obtained from the results of other excavation works in step S102 and the updating of the explanatory variables of the slice in step S110 may be omitted. In this case, the input of data representing the correlation between the explanatory variables and the objective variable obtained from the results of other excavation works by the input unit 10 and the input of the explanatory variables to be updated for the slice corresponding to the unexcavated portion may be omitted.
また、上記の実施の形態では、水平掘削のトンネルを想定しているが、立坑や山留掘削などの鉛直方向の掘削作業においても、本発明を適用してもよい。 In addition, while the above embodiment assumes a horizontally excavated tunnel, the present invention may also be applied to vertical excavation work such as shaft and retaining wall excavation.
また、本発明のプログラムは、記憶媒体に格納して提供するようにしてもよい。 The program of the present invention may also be provided by storing it on a storage medium.
10 入力部
20 演算部
22 設定部
24 目的変数予測部
26 学習部
28 説明変数更新部
30 観測部
32 同定部
34 観測値予測部
50 出力部
100 解析装置
REFERENCE SIGNS LIST 10 Input unit 20 Calculation unit 22 Setting unit 24 Objective variable prediction unit 26 Learning unit 28 Explanatory variable update unit 30 Observation unit 32 Identification unit 34 Observation value prediction unit 50 Output unit 100 Analysis device
Claims (6)
掘削対象部分より前記掘削方向の手前側である掘削済み部分に対応する前記スライスの、前記説明変数と相関がある物理量である目的変数に基づいて、前記掘削対象部分に対応する前記スライスの前記目的変数を予測する目的変数予測部と、
前記掘削済み部分に対応する前記スライスの、前記説明変数及び前記目的変数を学習データとして、前記説明変数から前記目的変数を推定するための推定モデルを学習する学習部と、
前記掘削対象部分を掘削した後に、前記掘削対象部分に対応する前記スライスの、前記目的変数と関連する物理量である観測値を取得する観測部と、
前記掘削対象部分に対応する前記スライスの前記観測値から、前記観測値と前記目的変数との関係を表す観測方程式を用いて、前記掘削対象部分に対応する前記スライスの前記目的変数を同定する同定部と、
前記同定された前記掘削対象部分に対応する前記スライスの前記目的変数と、前記掘削対象部分より前記掘削方向の奥側である未掘削部分に対応する前記スライスの前記説明変数と、前記推定モデルとを用いて、前記未掘削部分に対応する前記スライスの前記目的変数を予測し、前記未掘削部分に対応する前記スライスの前記目的変数と、前記観測方程式とを用いて、前記未掘削部分に対応する前記スライスの前記観測値を予測する観測値予測部と、
を含む解析装置。 a setting unit that sets explanatory variables, which are physical quantities including a stratum classification of a slice obtained in advance, for each slice obtained by dividing a rock mass model that is a model of a rock mass to be excavated in the excavation direction;
a response variable prediction unit that predicts the response variable of the slice corresponding to the excavation target portion based on a response variable that is a physical quantity correlated with the explanatory variable of the slice corresponding to the excavated portion that is on the front side of the excavation target portion in the excavation direction;
a learning unit that learns an estimation model for estimating the objective variable from the explanatory variables by using the explanatory variables and the objective variable of the slice corresponding to the excavated portion as learning data;
an observation unit that acquires an observation value, which is a physical quantity associated with the objective variable, of the slice corresponding to the excavation target portion after the excavation target portion is excavated;
an identification unit that identifies the objective variable of the slice corresponding to the excavation target portion from the observation value of the slice corresponding to the excavation target portion by using an observation equation that represents a relationship between the observation value and the objective variable;
an observation value prediction unit that predicts the objective variable of the slice corresponding to the identified excavation target portion, the explanatory variables of the slice corresponding to an unexcavated portion that is further in the excavation direction than the excavation target portion, and the estimation model, and predicts the observation value of the slice corresponding to the unexcavated portion using the objective variable of the slice corresponding to the unexcavated portion and the observation equation;
An analysis device comprising:
前記観測値予測部は、前記同定された前記掘削対象部分に対応する前記スライスの前記目的変数と、前記掘削対象部分より前記掘削方向の奥側である未掘削部分に対応する前記スライスの前記説明変数と、前記地層区分間の前記目的変数の比率とを用いて、前記未掘削部分に対応する前記スライスの前記目的変数を予測する請求項1又は2記載の解析装置。 The learning unit calculates a ratio of the objective variable between the stratum divisions using the learned estimation model,
The analysis device described in claim 1 or 2, wherein the observation value prediction unit predicts the dependent variable of the slice corresponding to the identified portion to be excavated, the explanatory variables of the slice corresponding to the unexcavated portion that is further in the excavation direction than the portion to be excavated, and the ratio of the dependent variables between the stratum divisions.
前記同定部は、前記カルマンフィルタの観測更新により、前記目的変数予測部によって推定された前記目的変数と、前記掘削対象部分に対応する前記スライスの前記観測値と、前記観測値と前記目的変数との関係を表す観測方程式とに基づいて、前記掘削対象部分に対応する前記スライスの前記目的変数を同定する請求項1~請求項3の何れか1項記載の解析装置。 The objective variable prediction unit predicts the objective variable of the slice corresponding to the portion to be excavated based on the objective variable of the slice corresponding to the already excavated portion by updating the objective variable of each slice as a state quantity of the Kalman filter at each time point, by time updating the Kalman filter;
The analysis device according to any one of claims 1 to 3, wherein the identification unit identifies the dependent variable of the slice corresponding to the portion to be excavated based on the dependent variable estimated by the dependent variable prediction unit through observation updates of the Kalman filter, the observed values of the slice corresponding to the portion to be excavated, and an observation equation representing the relationship between the observed values and the dependent variable.
掘削対象となる地山をモデル化した地山モデルを、掘削方向に分割したスライス毎に、予め求められた前記スライスの地層区分を含む物理量である説明変数を設定する設定部、
掘削対象部分より前記掘削方向の手前側である掘削済み部分に対応する前記スライスの、前記説明変数と相関がある物理量である目的変数に基づいて、前記掘削対象部分に対応する前記スライスの前記目的変数を予測する目的変数予測部、
前記掘削済み部分に対応する前記スライスの、前記説明変数及び前記目的変数を学習データとして、前記説明変数から前記目的変数を推定するための推定モデルを学習する学習部、
前記掘削対象部分を掘削した後に、前記掘削対象部分に対応する前記スライスの、前記目的変数と関連する物理量である観測値を取得する観測部、
前記掘削対象部分に対応する前記スライスの前記観測値から、前記観測値と前記目的変数との関係を表す観測方程式を用いて、前記掘削対象部分に対応する前記スライスの前記目的変数を同定する同定部、及び
前記同定された前記掘削対象部分に対応する前記スライスの前記目的変数と、前記掘削対象部分より前記掘削方向の奥側である未掘削部分に対応する前記スライスの前記説明変数と、前記推定モデルとを用いて、前記未掘削部分に対応する前記スライスの前記目的変数を予測し、前記未掘削部分に対応する前記スライスの前記目的変数と、前記観測方程式とを用いて、前記未掘削部分に対応する前記スライスの前記観測値を予測する観測値予測部
として機能させるための解析プログラム。 Computer,
a setting unit for setting explanatory variables, which are physical quantities including a stratum classification of a slice obtained in advance, for each slice obtained by dividing a rock mass model, which is a model of a rock mass to be excavated, in an excavation direction;
an objective variable prediction unit for predicting the objective variable of the slice corresponding to the excavation target portion based on an objective variable which is a physical quantity correlated with the explanatory variable of the slice corresponding to the excavated portion which is on the front side of the excavation target portion in the excavation direction;
a learning unit that learns an estimation model for estimating the objective variable from the explanatory variables by using the explanatory variables and the objective variable of the slice corresponding to the excavated portion as learning data;
an observation unit that acquires an observation value, which is a physical quantity associated with the objective variable, of the slice corresponding to the excavation target portion after the excavation target portion is excavated;
an identification unit that identifies the objective variable of the slice corresponding to the portion to be excavated from the observation values of the slice corresponding to the portion to be excavated, using an observation equation that represents the relationship between the observation values and the objective variable; and an observation value prediction unit that predicts the objective variable of the slice corresponding to the unexcavated portion using the objective variable of the slice corresponding to the identified portion to be excavated, the explanatory variables of the slice corresponding to an unexcavated portion that is further back in the excavation direction than the portion to be excavated, and the estimation model, and predicts the observation value of the slice corresponding to the unexcavated portion using the objective variable of the slice corresponding to the unexcavated portion and the observation equation.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021037734A JP7576491B2 (en) | 2021-03-09 | 2021-03-09 | Analysis device and analysis program |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021037734A JP7576491B2 (en) | 2021-03-09 | 2021-03-09 | Analysis device and analysis program |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2022137980A JP2022137980A (en) | 2022-09-22 |
| JP7576491B2 true JP7576491B2 (en) | 2024-10-31 |
Family
ID=83319475
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2021037734A Active JP7576491B2 (en) | 2021-03-09 | 2021-03-09 | Analysis device and analysis program |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP7576491B2 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002236122A (en) | 2001-02-08 | 2002-08-23 | Shimizu Corp | Estimation method of permeability and soundness evaluation method for soil and rock |
| JP2020100949A (en) | 2018-12-20 | 2020-07-02 | 五洋建設株式会社 | Method for estimating N value and fine particle content, ground improvement body, and information processing apparatus |
| JP2021014727A (en) | 2019-07-12 | 2021-02-12 | 株式会社奥村組 | Construction management method of shield boring machine |
-
2021
- 2021-03-09 JP JP2021037734A patent/JP7576491B2/en active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002236122A (en) | 2001-02-08 | 2002-08-23 | Shimizu Corp | Estimation method of permeability and soundness evaluation method for soil and rock |
| JP2020100949A (en) | 2018-12-20 | 2020-07-02 | 五洋建設株式会社 | Method for estimating N value and fine particle content, ground improvement body, and information processing apparatus |
| JP2021014727A (en) | 2019-07-12 | 2021-02-12 | 株式会社奥村組 | Construction management method of shield boring machine |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 土谷 陽太郎 他4名,教師データが山岳トンネル地山評価のためのニューラルネットワークの精度に及ぼす影響,土木学会論文集,vol. 75,no.1,日本,2019年,130-142 |
| 小木曽 淳弥 他4名,逐次型データ同化手法を用いた地下水情報化施工簡易システム(SWING)の開発,土木学会論文集,vol. 66 no.1,日本,2010年11月,9-15 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2022137980A (en) | 2022-09-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Goh et al. | Determination of earth pressure balance tunnel-related maximum surface settlement: a multivariate adaptive regression splines approach | |
| Goh et al. | Numerical study of the effects of groundwater drawdown on ground settlement for excavation in residual soils | |
| Mollon et al. | Probabilistic analyses of tunneling-induced ground movements | |
| EP2629123B1 (en) | Simulation model optimization | |
| CA2690991C (en) | Method for multi-scale geomechanical model analysis by computer simulation | |
| US8265915B2 (en) | Method for predicting well reliability by computer simulation | |
| US8548782B2 (en) | Method for modeling deformation in subsurface strata | |
| JP5516211B2 (en) | Ground estimation method and ground estimation system | |
| WO2010047859A1 (en) | Method for modeling deformation in subsurface strata | |
| Wang et al. | Spatial random fields-based Bayesian method for calibrating geotechnical parameters with ground surface settlements induced by shield tunneling | |
| Tian et al. | Efficient and flexible Bayesian updating of embankment settlement on soft soils based on different monitoring datasets | |
| Liu et al. | Development and application of a novel probabilistic back-analysis framework for geotechnical parameters in shield tunneling based on the surrogate model and Bayesian theory | |
| Wang et al. | Evaluation of ground settlement in response to shield penetration using numerical and statistical methods: a metro tunnel construction case | |
| Lu et al. | Evaluating the exceedance probability of the runout distance of rainfall-induced landslides using a two-stage FEM-MPM approach | |
| Kim et al. | Optimizing material parameters to best capture deformation responses in supported bottom-up excavation: Field monitoring and inverse analysis | |
| Qin et al. | Analysis of spatiotemporal variations of excess pore water pressure during mechanized tunneling using genetic programming | |
| Anh et al. | Enhancing vertical displacement prediction of soil during deep excavation using artificial neural networks | |
| JP7576491B2 (en) | Analysis device and analysis program | |
| Mahdavirad et al. | Development of a novel equation for estimating the average volume of rock blocks in a rock mass with non-persistent joints | |
| Kovacevic et al. | The use of neural networks to develop CPT correlations for soils in northern Croatia | |
| JP2024170152A (en) | Underground structure prediction system and underground structure prediction method | |
| Sainea-Vargas et al. | Assessing and updating damage probabilities for a deep excavation in Mexico City soft soils | |
| JP2005273218A (en) | Apparatus and method for evaluating behavior of groundwater in bedrock drilling, computer program, and recording medium | |
| Jongejan et al. | Probabilistic assessments of flood defence performance subject to induced seismicity | |
| Minini et al. | Prediction of diaphragm wall displacements using Bayesian model calibration |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20240308 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20240913 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20240924 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20241021 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7576491 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |