授課內(nèi)容Page:12026/1/71授課內(nèi)容第一章：緒論土木工程科學(xué)數(shù)據(jù)

？

用來記錄、描述和識(shí)別土工建/構(gòu)筑物工作行為的按一定規(guī)律排列組合的物理符號(hào)，是一組表示數(shù)量、行動(dòng)和目標(biāo)的非隨機(jī)的可鑒別的符號(hào)，是客觀事物的屬性、數(shù)量、位置及其相互關(guān)系等的抽象表示，以適合用人工或自然的方式進(jìn)行保存、傳遞和處理。它既可以是數(shù)字、文字、圖形、圖像、聲音或者味道，也可以是計(jì)算機(jī)代碼。

土木工程科學(xué)數(shù)據(jù)用屬性描述，屬性也稱變量、特征、維等。人們經(jīng)過對(duì)土木工程科學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)地收集、整理、提煉、加工、管理和分析，可以從土木工程科學(xué)數(shù)據(jù)中提取信息，可以從信息中挖掘、認(rèn)識(shí)土工建/構(gòu)筑物的物理規(guī)律，進(jìn)而對(duì)土木工程生產(chǎn)實(shí)踐進(jìn)行有效干預(yù)。時(shí)間/s授課內(nèi)容2026/1/71授課內(nèi)容第一章：緒論土木工程科學(xué)數(shù)據(jù)的分類（1）按照結(jié)構(gòu)構(gòu)造對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類

尺寸參數(shù)、約束條件、材料性質(zhì)、質(zhì)量分布（2）按照結(jié)構(gòu)系統(tǒng)輸入對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類永久荷載、可變荷載、偶然荷載、地震作用（3）按照結(jié)構(gòu)系統(tǒng)輸出對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類1）內(nèi)力，軸力、彎矩、剪力、扭矩等；2）變形，撓度、轉(zhuǎn)角、側(cè)移、裂縫等授課內(nèi)容2026/1/71授課內(nèi)容第一章：緒論數(shù)據(jù)分析的作用?

在土木工程領(lǐng)域，數(shù)據(jù)分析是指用適當(dāng)?shù)姆治龇椒▽?duì)收集來的大量原始的土木工程科學(xué)數(shù)據(jù)（結(jié)構(gòu)構(gòu)造數(shù)據(jù)、輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)）進(jìn)行分析，提取有用信息（如截面尺寸、荷載特征值、梁的跨中最大撓度等），形成結(jié)論（如50年一遇基本雪壓、結(jié)構(gòu)/構(gòu)件輕微損傷等）并對(duì)數(shù)據(jù)加以詳細(xì)研究和概括總結(jié)的過程。數(shù)據(jù)分析可以幫助土木工程師作出判斷，以便采取適當(dāng)?shù)男袆?dòng)（如調(diào)整截面尺寸、對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固等）。

土木工程科學(xué)數(shù)據(jù)分析的目的其實(shí)就是把隱藏在土工結(jié)構(gòu)相關(guān)領(lǐng)域背后大批雜亂無章的有工程意義的數(shù)據(jù)中進(jìn)行信息的集中、萃取和提煉出來，以便找出所研究對(duì)象的內(nèi)在規(guī)律，能夠達(dá)到對(duì)土工結(jié)構(gòu)相關(guān)工作性能進(jìn)行模式分類（又叫模式識(shí)別）、預(yù)測、查找原因等目的。本門課程的重點(diǎn)授課內(nèi)容2026/1/71授課內(nèi)容第一章：緒論數(shù)據(jù)分析的作用（1）模式分類

模式分類又叫模式識(shí)別，主要利用一定的數(shù)學(xué)算法對(duì)所采集的數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行分析，并根據(jù)數(shù)據(jù)樣本特征將數(shù)據(jù)樣本劃分到一定的類別中去，如結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的失效和可靠分類等。

一個(gè)完整的模式分類系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)獲取、預(yù)處理、特征提取或特征選擇、分類決策等幾部分或環(huán)節(jié)組成，圖1.2-1給出了它們之間的聯(lián)系和先后順序。圖1.2-1模式識(shí)別系統(tǒng)組成授課內(nèi)容2026/1/71授課內(nèi)容第一章：緒論數(shù)據(jù)分析的作用（2）預(yù)測

利用不同的數(shù)據(jù)分析方法可以對(duì)采集設(shè)備或測量設(shè)備所收集到的大量土工數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而預(yù)測土工結(jié)構(gòu)的工作行為。如在巖土工程方面，支持向量機(jī)方法可以對(duì)巖土結(jié)構(gòu)位移進(jìn)行預(yù)測；采用決策樹算法預(yù)測隧道掘進(jìn)速度、巖爆烈度等；在建筑結(jié)構(gòu)工程方面，采用細(xì)胞自動(dòng)機(jī)方法可以預(yù)測單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)和砌體墻板的破壞模式和失效荷載。（3）原因分析

利用不同的數(shù)據(jù)分析方法可以對(duì)采集設(shè)備或測量設(shè)備所收集或監(jiān)測到的大量土工數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，之后采用數(shù)值模擬或試驗(yàn)的方法可以對(duì)土工結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異?，F(xiàn)象的原因進(jìn)行分析。如貴州某隧道穿越高水壓煤系地層時(shí)，多處出現(xiàn)仰拱隆起問題。通過現(xiàn)場觀察和襯砌結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測，并采用數(shù)值模擬方法對(duì)隧道仰拱隆起的原因進(jìn)行分析。結(jié)果表明，基底圍巖軟化和高水壓力是隧道仰拱隆起的兩大因素，且圍巖軟化對(duì)仰拱結(jié)構(gòu)安全的影響更大。授課內(nèi)容2026/1/71授課內(nèi)容第一章：緒論常用的數(shù)據(jù)分析方法

數(shù)據(jù)分析的基本方法非常多，對(duì)于具體的問題，數(shù)據(jù)分析不存在固定的解決方案。目前，常用的數(shù)據(jù)分析方法有線性回歸分析、假設(shè)檢驗(yàn)、方差分析、動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、支持向量機(jī)、聚類分析、主成分分析、因子分析、判別分析、遺傳算法、決策樹算法、關(guān)聯(lián)分析算法、貝葉斯分類算法等。因本教材主要針對(duì)土木工程方向本科生學(xué)習(xí)，故重點(diǎn)講解了線性回歸分析、假設(shè)檢驗(yàn)、方差分析及動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法部分，而將其它算法合并到第8章進(jìn)行概述講解，供學(xué)生了解。另外，數(shù)據(jù)分析工作離不開統(tǒng)計(jì)軟件，本教材的第2章重點(diǎn)描述了數(shù)