Accurately estimation of the geo-mechanical parameters in Artificial Ground Freezing (AGF) is a most important scientific topic in soil improvement and geotechnical engineering. In order for this, one way is using classical and conventional constitutive models based on different theories like critical state theory, Hooke's law, and so on, which are time-consuming, costly, and troublous. The others are the application of artificial intelligence (AI) techniques to predict considered parameters and behaviors accurately. This study presents a comprehensive data-mining-based model for predicting the Young's Modulus of frozen sand under the triaxial test. For this aim, several single and hybrid models were considered including additive regression, bagging, M5-Rules, M5P, random forests (RF), support vector regression (SVR), locally weighted linear (LWL), gaussian process regression (GPR), and multi-layered perceptron neural network (MLP). In the present study, cell pressure, strain rate, temperature, time, and strain were considered as the input variables, where the Young's Modulus was recognized as target. The results showed that all selected single and hybrid predicting models have acceptable agreement with measured experimental results. Especially, hybrid Additive Regression-Gaussian Process Regression and Bagging-Gaussian Process Regression have the best accuracy based on Model performance assessment criteria.
Jaeho Lee;Wongi Jeon;Juhyoung Sung;Kiwon Kwon;Yangseob Kim;Kyungwon Park;Jongho Paik;Sungyoon Cho
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.18
no.8
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pp.2431-2449
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2024
As problems such as water pollution and fish species depletion have become serious, a land-based fish farming is receiving a great attention for ensuring stable productivity. In the fish farming, it is important to determine the timing of shipments, as one of key factors to increase net profit on the aquaculture. In this paper, we propose a system for predicting net profit to support decision of timing of shipment using fish farming-related statistical data. The prediction system consists of growth and farm-gate price prediction models, a cost statistics table, and a net profit estimation algorithm. The Gaussian process regression (GPR) model is exploited for weight prediction based on the analysis that represents the characteristics of the weight data of cultured fish under the assumption of Gaussian probability processes. Moreover, the long short-term memory (LSTM) model is applied considering the simple time series characteristics of the farm-gate price data. In the case of GPR model, it allows to cope with data missing problem of the weight data collected from the fish farm in the time and temperature domains. To solve the problem that the data acquired from the fish farm is aperiodic and small in amount, we generate the corresponding data by adopting a data augmentation method based on the Gaussian model. Finally, the estimation method for net profit is proposed by concatenating weight, price, and cost predictions. The performance of the proposed system is analyzed by applying the system to the Korean flounder data.
Synchronous multi-pressure measurements were carried out with relatively long time duration for a double-layer reticulated shell roof model in the atmospheric boundary layer wind tunnel. Since the long roof is open at two ends for the storage of coal piles, three different testing cases were considered as the empty roof without coal piles (Case A), half coal piles inside (Case B) and full coal piles inside (Case C). Based on the wind tunnel test results, non-Gaussian time-dependent statistics of net wind pressure on the shell roof were quantified in terms of skewness and kurtosis. It was found that the direct statistical estimation of high-order moments and peak factors is quite sensitive to the duration of wind pressure time-history data. The maximum value of COVs (Coefficients of variations) of high-order moments is up to 1.05 for several measured pressure processes. The Mixture distribution models are proposed for better modeling the distribution of a parent pressure process. With the aid of mixture parent distribution models, the existing translated-peak-process (TPP) method has been revised and improved in the estimation of non-Gaussian peak factors. Finally, non-Gaussian peak factors of wind pressure, particularly for those observed hardening pressure process, were calculated by employing various state-of-the-art methods and compared to the direct statistical analysis of the measured long-duration wind pressure data. The estimated non-Gaussian peak factors for a hardening pressure process at the leading edge of the roof were varying from 3.6229, 3.3693 to 3.3416 corresponding to three different cases of A, B and C.
A moving average model, LMA(q) and an autoregressive-moving average model, NLARMA(p, q), with Laplacian marginal distribution are constructed and their properties are discussed; Their autocorrelation structures are completely analogus to those of Gaussian process and they are partially time reversible in the third order moments. Finally, we study the mixing property of NLARMA process.
Mirzaeiabdolyousefi, Majid;Mahmoodzadeh, Arsalan;Ibrahim, Hawkar Hashim;Rashidi, Shima;Majeed, Mohammed Kamal;Mohammed, Adil Hussein
Geomechanics and Engineering
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v.30
no.1
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pp.11-26
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2022
One of the most important issues in tunneling, is the squeezing phenomenon. Squeezing can occur during excavation or after the construction of tunnels, which in both cases could lead to significant damages. Therefore, it is important to predict the squeezing and consider it in the early design stage of tunnel construction. Different empirical, semi-empirical and theoretical-analytical methods have been presented to determine the squeezing. Therefore, it is necessary to examine the ability of each of these methods and identify the best method among them. In this study, squeezing in a part of the Alborz service tunnel in Iran was estimated through a number of empirical, semi- empirical and theoretical-analytical methods. Among these methods, the most robust model was used to obtain a database including 300 data for training and 33 data for testing in order to develop a machine learning (ML) method. To this end, three ML models of Gaussian process regression (GPR), artificial neural network (ANN) and support vector regression (SVR) were trained and tested to propose a robust model to predict the squeezing phenomenon. A comparative analysis between the conventional and the ML methods utilized in this study showed that, the GPR model is the most robust model in the prediction of squeezing phenomenon. The sensitivity analysis of the input parameters using the mutual information test (MIT) method showed that, the most sensitive parameter on the squeezing phenomenon is the tangential strain (ε_θ^α) parameter with a sensitivity score of 2.18. Finally, the GPR model was recommended to predict the squeezing phenomenon in tunneling projects. This work's significance is that it can provide a good estimation of the squeezing phenomenon in tunneling projects, based on which geotechnical engineers can take the necessary actions to deal with it in the pre-construction designs.
The Indian Buffet Process is a stochastic process on equivalence classes of binary matrices having finite rows and infinite columns. The Indian Buffet Process can be imposed as the prior distribution on the binary matrix in an infinite feature model. We describe the derivation of the Indian buffet process from a finite feature model, and briefly explain the relation between the Indian buffet process and the beta process. Using a Gaussian linear model, we describe three algorithms: Gibbs sampling algorithm, Stick-breaking algorithm and variational method, with application for finding features in image data. We also illustrate the use of the Indian Buffet Process in various type of analysis such as dyadic data analysis, network data analysis and independent component analysis.
In this paper, we proposed a new pattern classifier which can be incrementally learned, be added new class in learning time, and handle with analog data. Proposed pattern classifier has hierarchical structure and the classification rate is improved by using different metric for each levels. Proposed model is based on the Gaussian ARTMAP which is an artificial neural network model for the pattern classification. We hierarchically constructed the Gaussian ARTMAP and proposed the Principal Component Emphasis(P.C.E) method to be learned different features in each levels. And we defined new metric based on the P.C.E. P.C.E is a method that discards dimensions whose variation are small, that represents common attributes in the class. And remains dimensions whose variation are large. In the learning process, if input pattern is misclassified, P.C.E are performed and the modified pattern is learned in sub network. Experimental results indicate that Hierarchical Gaussian ARTMAP yield better classification result than the other pattern recognition algorithms on variable data set including real applicable problem.
Kim, Hyo Geon;Park, Eungyu;Jeong, Jina;Han, Weon Shik;Kim, Kue-Young
Journal of Soil and Groundwater Environment
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v.21
no.4
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pp.30-41
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2016
The amount of groundwater related data is drastically increasing domestically from various sources since 2000. To justify the more expansive continuation of the data acquisition and to derive valuable implications from the data, continued employments of sophisticated and state-of-the-arts statistical tools in the analyses and predictions are important issue. In the present study, we employed a well established machine learning technique of Gaussian Process Regression (GPR) model in the trend analyses of groundwater level for the long-term change. The major benefit of GPR model is that the model provide not only the future predictions but also the associated uncertainty. In the study, the long-term predictions of groundwater level from the stations of National Groundwater Monitoring Network located within Han River Basin were exemplified as prediction cases based on the GPR model. In addition, a few types of groundwater change patterns were delineated (i.e., increasing, decreasing, and no trend) on the basis of the statistics acquired from GPR analyses. From the study, it was found that the majority of the monitoring stations has decreasing trend while small portion shows increasing or no trend. To further analyze the causes of the trend, the corresponding precipitation data were jointly analyzed by the same method (i.e., GPR). Based on the analyses, the major cause of decreasing trend of groundwater level is attributed to reduction of precipitation rate whereas a few of the stations show weak relationship between the pattern of groundwater level changes and precipitation.
Gaussian process regression (GPR) is proposed as a tool of long-term groundwater quality predictions. The major advantage of GPR is that both prediction and the prediction related uncertainty are provided simultaneously. To demonstrate the applicability of the proposed tool, GPR and a conventional non-parametric trend analysis tool are comparatively applied to synthetic examples. From the application, it has been found that GPR shows better performance compared to the conventional method, especially when the groundwater quality data shows typical non-linear trend. The GPR model is further employed to the long-term groundwater quality predictions based on the data from two domestically operated groundwater monitoring stations. From the applications, it has been shown that the model can make reasonable predictions for the majority of the linear trend cases with a few exceptions of severely non-Gaussian data. Furthermore, for the data shows non-linear trend, GPR with mean of second order equation is successfully applied.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.10
no.4
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pp.64-72
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1993
Analytical models for the prediction of the size of hardened zone in laser surface hardening are presented. The models are based on the solutions to the problem of three-dimensional heat flow in plates with infinite thickness. The validity of the model was tested on medium carbon steel for Gaussian mode of beam. Then the model for rectagular beam was used for the predicition of the size of hardened zone on various hardening process parameters. From the calculation results it appeared that the size and shape of the hardened zone are strongly dependent on process parameters such as beam mode, beam size, and traverse speed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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