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首页MATLAB下灰色线性回归在建筑沉降预测中的综合应用研究
该论文主要探讨了基于MATLAB实现的灰色线性回归模型在建筑物沉降预测中的应用,针对建筑物沉降这一关键的工程问题,研究者利用MATLAB这一强大的数学软件平台,对沉降监测的数据进行深度分析和预测。论文首先介绍了沉降监测的重要性和当前研究现状,强调了监测技术和预测模型的发展趋势。 在理论部分,论文详细阐述了灰色系统模型和线性回归分析的基础理论。灰色预测模型,尤其是GM(1,1)模型,被重点讨论,包括其理论基础、MATLAB编程实现方法以及适用范围。灰色系统理论引入了对不确定和模糊信息处理的能力,而GM(1,1)模型作为其核心,用于序列数据的短期预测。此外,还探讨了回归分析模型,包括一元线性回归、多元线性回归及其统计检验和残差分析,为预测提供了多种可能性。 在实践应用部分,论文通过具体的工程实例展示了MATLAB在单一的灰色系统模型和线性回归模型在建筑物沉降预测中的应用。对数据的预处理如序列准光滑比和准指数规律检验,以及单点和多点预测的比较,都展现了MATLAB工具的实用性。同时,通过模型的优化和参数调整,提高了预测精度。 最后,论文深入探讨了多变量灰色线性回归混合模型和灰色多元线性回归结合模型,这些复杂模型结合了灰色系统的时变性和线性回归的预测能力,通过MATLAB的实现,实现了更精确的沉降预测,并在实际工程项目中得到了应用。论文还引入了熵值法动态定权,进一步提升了模型的适应性和预测效果。 总结来说,这篇毕业论文提供了一种基于MATLAB的综合预测方法,为建筑物沉降的长期监测和预测提供了科学依据和技术支持,对于提高工程安全性和决策制定具有重要意义。
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1 绪论
7
图 1.1 MATLAB R2012a 开发工作界面
Fig.1.1 Work interface of MATLAB R2012a
MATLAB 的基本数据单位是矩阵,它的指令表达式与数学、工程中常用的形式
十分相似,故用 MATLAB 来解算问题要比用 C,FORTRAN 等语言完成相同的事情
简捷得多,并且 MATLAB 也吸收了像 Maple 等软件的优点,使 MATLAB 成为一个
强大的数学软件。所以本文利用 MATLAB 的这些优点,对预测模型快速实现和解
算。用户可以直接调用 MATLAB 函数库中的函数,也可以将自己编写的实用程序
导入到 MATLAB 函数库中方便自己以后调用,此外许多的 MATLAB 爱好者都编写
了一些经典的程序,用户可以直接进行下载就可以用。
1.4 论文的研究内容
本文主要将灰色系统模型和线性回归分析模型应用于本文某住宿高楼沉降预测
中,并对单一模型进行优化和拓展;重点研究了灰色系统模型和线性回归分析模型
之间的组合方式,建立了三类组合模型,并在工程实例中得到了应用,其应用效果
总体不错。论文分为五部分,前两部分为概述和理论部分,中间两部分为应用部分,
最后为全文的总结和展望部分,具体内容如下:
第一章:介绍了建筑物沉降监测的内容和重要性,并介绍了监测的计算手段和
过程,然后简要阐述了变形数据处理的方法和模型,例如:线性回归模型、时间序
列分析发、灰色系统模型、卡尔曼滤波法、小波理论分析法、人工神经网络模型、
混合模型等,最后简要介绍了本文模型的实现工具软件 MATLAB。
第二章:介绍了灰色系统模型的基本理论,建模过程与 MATLAB 实现,分析
了其使用范围和优化改进方法;然后介绍了一元线性回归模型和多元线性回归模型
的基本原理,并阐述了其统计检验和预测过程。
东华理工大学硕士学位论文
8
第三章:本章首先介绍本文的工程实例数据来源,然后探讨了单一模型在具体
的工程实例的沉降监测数据处理中应用的可行性。对数据可否进行灰色模型预测进
行了检验,分别使用单点灰色系统模型及其优化模型对各监测点进行建模预测,之
后将单点灰色模型扩展成多点灰色系统模型,再次建模和预测;最后使用另一单一
模型一元线性回归模型及其优化模型对各点进行建模预测。
第四章:本章给出了三种改进的灰色线性回归组合模型的建模原理和实现过程,
然后使用这三类组合模型主要对第三章的工程实例中的三号监测点 F3 进行建模和预
测,最后对三个组合模型进行简要评价。
第五章:本章重点总结灰色系统模型、线性回归分析模型和二者混合模型的特
点,并对三类灰色线性回归组合模型今后的研究方向提出一些想法和展望。
2 灰色系统模型与线性回归分析法的基本原理
9
2 灰色系统模型与线性回归分析法的基本理论
2.1 灰色预测模型
2.1.1 灰色系统理论介绍
在对各种系统体的研究过程中,由于人们对系统体认识的局限性和系统体内外
存在的扰动性,这使得获取的信息中存在着某种不确定性。随着人类社会的进步和
科技的发展,科学家们逐步深入的认识和研究各类系统中的不确定性。上世纪 50 年
代以来,系统科学与工程领域,不断涌现出了各种不确定性系统理论和方法。其中
的代表是:60 年代,美国控制论学着扎德(L.A.Zadeh 教授)创立了模糊数学理论;
80 年代,中国华中理工大学邓聚龙教授创立了灰色系统理论,波兰科学家 Z.Pawlak
创立了粗糙集理论;90 年代,王光远教授创立了未确知数学等。这些不确定性系统
理论和方法,从不同角度、不同系统论述了不确定性的描述和处理方法。
1982 年,中国华中科技大学邓聚龙教授创立的灰色系统理论
[13]
,是一种使用少
数据、贫信息研究系统的不确定性问题的新方法。该理论以“少部分信息已知,大
部分信息未知”的“小样本”、“贫信息”的不确定性系统为研究对象,主要通过
对少部分已知的信息进行生成、开发,提取有价值的信息,实现对系统运行行为、
演化规律的正确描述和有效监控。现实世界中普遍存在的“小样本”、“贫信息”
不确定性系统,为灰色系统理论的应用和研究提供了十分丰富的资源。
在变形监测领域,变形体的变形过程复杂,具有不确定性以及较少的观测数据,
使得研究小样本数据的灰色系统理论取得了显著的应用效果
[14-16]
。
从应用上看,灰色模型作为灰色系统理论在变形预测的主体部分。对于其建模
的思想,邓聚龙教授总结为五步建模思想:思想开发得到概念模型,因素关系分析
得到网络模型,量化关系得到量化模型,数据动态化构建动态模型和优化各环节机
理得到最终的优化模型。其数学上的具体建模过程将在 2.1.2 节做详细介绍。
2.1.2 灰色模型 GM(1,1)的建模原理与检验
GM(1,1)模型的三种状态形式如下:
原始形式
基本形式
白化方程
(2.1)
公式(2.1)中,已知的原始序列 X
(0)
={x
(0)
(1),x
(0)
(2),,x
(0)
(n)},对初始序列进行一
次累加生成 X
(1)
序列,即 x
(1)
(k)=x
(0)
(1)+x
(0)
(2)+,,x
(0)
(k),称 X
(1)
序列为 X
(0)
的 1-
AGO 序列;对累加序列 X
(1)
进行紧邻均值处理生成新的序列 Z
(1)
,称之为背景值,
Z
(1)
={z
(1)
(2),z
(1)
(3),,z
(1)
(n)};z
(1)
(k)=(x
(1)
(k)+x
(1)
(k-1))/2,k=2,3,4,,n。
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