1

授課內容

第

一

章：緒

論土木工程科學數(shù)據(jù)用來記錄、描述和識別土工建/構筑物工作行為的按一定規(guī)律排列組合的物理符號，是一組表示數(shù)量、行動和目標的非隨機的可鑒別的符號，是客觀事物的屬性、數(shù)量、位置及其相互關系等的抽象表示，以適合用人工或自然的方式進行保存、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，也可以是計算機代碼。土木工程科學數(shù)據(jù)用屬性描述，屬性也稱變量、特征、維等。人們經(jīng)過對土木工程科學數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)地收集、整理、提煉、加工、管理和分析，可以從土木工程科學數(shù)據(jù)中提取信息，可以從信息中挖掘、認識土工建/構筑物的物理規(guī)律，進而對土木工程生產(chǎn)實踐進行有效干預。0時間/s授課內容水平位移/mm水平荷載/N■土木工程科學數(shù)據(jù)的分類(1)按照結構構造對數(shù)據(jù)進行分類尺寸參數(shù)、約束條件、材料性質、質量分布(2)按照結構系統(tǒng)輸入對數(shù)據(jù)進行分類永久荷載、可變荷載、偶然荷載、地震作用(3)按照結構系統(tǒng)輸出對數(shù)據(jù)進行分類1)內力，軸力、彎矩、剪力、扭矩等；2)變形，撓度、轉角、側移、裂縫等2026/1/7授課內容1

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第一章：緒

論1

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第一章：緒

論

本門課程的

重

點數(shù)據(jù)分析的作用在土木工程領域，數(shù)據(jù)分析是指用適當?shù)姆治龇椒▽κ占瘉淼拇罅?/p>

原始的土木工程科學數(shù)據(jù)(結構構造數(shù)據(jù)、輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù))

進

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

),形成結論

(如50年一遇基本雪壓、結構/構件輕微損傷等)并對數(shù)據(jù)加以詳細研究和概括總結的過程。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?shù)男袆?/p>

(如調整截面尺寸、對結構進行加固等)。土木工程科學數(shù)據(jù)分析的目的其實就是把隱藏在土工結構相關領域背后大批雜亂無章的有工程意義的數(shù)據(jù)中進行信息的集中、萃取和提煉出來

,以便找出所研究對象的內在規(guī)律，能夠達到對土工結構相關工作性能進行模式分類

(

又叫模式識別)、

預測、查找原因等目的。授課內容2026/1/7■數(shù)據(jù)分析的作用(1)模式分類模式分類又叫模式識別，主要利用一定的數(shù)學算法對所采集的數(shù)據(jù)樣本進行分析，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，如結構或構件的失效和可靠分類等。一個完整的模式分類系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)獲取、預處理、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。輸出模式信息獲取一

預處理

→特征提取/選擇

分類識別分類器設計圖1.2-1模式識別系統(tǒng)組成分類決策

2026/1/7授課內容1

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第一章：緒

論數(shù)據(jù)分析的作用(2)預測利用不同的數(shù)據(jù)分析方法可以對采集設備或測量設備所收集到的大量土

工數(shù)據(jù)進行分析，從而預測土工結構的工作行為。如在巖土工程方面，支持向量機方法可以對巖土結構位移進行預測；采用決策樹算法預測隧道掘進速

度、巖爆烈度等；在建筑結構工程方面，采用細胞自動機方法可以預測單層網(wǎng)殼結構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)分析方法可以對采集設備或測量設備所收集或監(jiān)測到的

大量土工數(shù)據(jù)進行分析，之后采用數(shù)值模擬或試驗的方法可以對土工結構出現(xiàn)異?，F(xiàn)象的原因進行分析。如貴州某隧道穿越高水壓煤系地層時，多處出現(xiàn)仰拱隆起問題。通過現(xiàn)場觀察和襯砌結構變形監(jiān)測，并采用數(shù)值模擬方法

對隧道仰拱隆起的原因進行分析。結果表明，基底圍巖軟化和高水壓力是隧

道仰拱隆起的兩大因素，且圍巖軟化對仰拱結構安全的影響更大。2026/1/7授課內容1

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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、假設檢驗、方差分析、動態(tài)規(guī)劃算法、神經(jīng)網(wǎng)絡算法、支持向量機、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、關聯(lián)分析算法、貝

葉斯分類算法等。因本教材主要針對土木工程方向本科生學習，故重點講解了線性回歸分析、假設檢驗、方差分析及動態(tài)規(guī)劃算法部分，而將其它

算法合并到第8章進行概述講解，供學生了解。另外，數(shù)據(jù)分析工作離不開統(tǒng)計軟件，本教材的第2章重點描述了數(shù)據(jù)分析常用的軟件工具。授課內容1

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第一章：緒

論2026