兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (8): 240987-.doi: 10.12382/bgxb.2024.0987
黄沛吉1, 彭卫文1, 冷春江1, 张情2, 钟巍2,*()
收稿日期:
2024-10-24
上线日期:
2025-08-28
通讯作者:
HUANG Peiji1, PENG Weiwen1, LENG Chunjiang1, ZHANG Qing2, ZHONG Wei2,*()
Received:
2024-10-24
Online:
2025-08-28
摘要:
城市建筑的交错布局提高了爆炸冲击波传播路径的复杂性,从而增加了对毁伤效应进行全面准确评估的难度。基于计算流体动力学的数值模拟方法虽然能够精确模拟爆炸产生的冲击载荷,但所需的计算量大且计算时间长。为实现在密集城市建筑群场景下爆炸冲击波载荷的快速预测,提出基于神经网络的快速预测方法。分析训练样本数量对模型预测精度的影响,研究区域划分对模型预测性能的作用。为满足神经网络模型训练的数据需求,使用爆炸模拟软件在一个典型密集城市建筑群场景下进行网格敏感性分析,在兼顾模拟速度和精度情况下产生了80组爆炸情况的数据;为确定合适的模型结构,构建不同层数的全连接神经网络进行对比实验与分析;通过对比实验,分析训练样本数量、区域划分以及构建双模型对模型预测精度的影响。实验结果表明:新方法在训练数据以外未见过的16组测试数据上预测误差达到10%以内,推理时间只需2s,为实现城市建筑群爆炸载荷快速预测提供了一种新的途径和视角。
黄沛吉, 彭卫文, 冷春江, 张情, 钟巍. 基于神经网络的密集城市建筑群爆炸载荷快速预测[J]. 兵工学报, 2025, 46(8): 240987-.
HUANG Peiji, PENG Weiwen, LENG Chunjiang, ZHANG Qing, ZHONG Wei. Rapid Prediction of Blast Loading in Dense Urban Building Complex Based on Neural Networks[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(8): 240987-.
测点编号 | x | y | z |
---|---|---|---|
T1 | 0.30 | 1.1 | 0.105 |
T11 | -0.30 | 1.0 | 0.075 |
T12 | 1.26 | 1.0 | 0.075 |
表1 3个兴趣测点的位置
Table 1 Coordinates of three measuring points of interest m
测点编号 | x | y | z |
---|---|---|---|
T1 | 0.30 | 1.1 | 0.105 |
T11 | -0.30 | 1.0 | 0.075 |
T12 | 1.26 | 1.0 | 0.075 |
A/kPa | B/kPa | R1 | R2 |
---|---|---|---|
3.737×108 | 3.737×106 | 4.15 | 0.9 |
λ | E/(kJ·m-3) | ρ0/(kg·m-3) | |
0.35 | 6.0×106 | 1 630 |
表2 经验常数
Table 2 Values of empirical constants
A/kPa | B/kPa | R1 | R2 |
---|---|---|---|
3.737×108 | 3.737×106 | 4.15 | 0.9 |
λ | E/(kJ·m-3) | ρ0/(kg·m-3) | |
0.35 | 6.0×106 | 1 630 |
参数 | 数值 |
---|---|
TNT爆源尺寸/g | 4,8,12,16,20,24,28,32 |
爆源位置/m | 爆源1(0.478,0.35),爆源2(0.678,0.35),爆源3(0.878,0.35),爆源4(0.478,0.75),爆源5 (0.278,0.75),爆源6 (0.078,0.75),爆源7(0.180,0.10),爆源8(0.800,1.10),爆源9(-0.150,1.10),爆源10(-0.150,0.30) |
表3 爆源尺寸和位置选项
Table 3 Options for coordinates of explosion sources and measuring points
参数 | 数值 |
---|---|
TNT爆源尺寸/g | 4,8,12,16,20,24,28,32 |
爆源位置/m | 爆源1(0.478,0.35),爆源2(0.678,0.35),爆源3(0.878,0.35),爆源4(0.478,0.75),爆源5 (0.278,0.75),爆源6 (0.078,0.75),爆源7(0.180,0.10),爆源8(0.800,1.10),爆源9(-0.150,1.10),爆源10(-0.150,0.30) |
参数 | 数值 |
---|---|
隐藏层层数 | [2,3,4,5] |
隐藏层神经元个数 | [500,1000] |
激活函数 | ReLU(输出层为Linear) |
损失函数 | MAE |
优化器 | AdaGrad |
学习率 | 0.1 (每训练200次,衰减1/2) |
训练迭代次数 | 1000 |
批量大小 | 100 |
Dropout率 | 0.3 |
表4 模型参数选项总结
Table 4 Summary of model parameter options
参数 | 数值 |
---|---|
隐藏层层数 | [2,3,4,5] |
隐藏层神经元个数 | [500,1000] |
激活函数 | ReLU(输出层为Linear) |
损失函数 | MAE |
优化器 | AdaGrad |
学习率 | 0.1 (每训练200次,衰减1/2) |
训练迭代次数 | 1000 |
批量大小 | 100 |
Dropout率 | 0.3 |
隐藏层结构 | 训练 pMAE/kPa | 验证 pMAE/kPa | 验证 e/% | 验证 R2 |
---|---|---|---|---|
500-500 | 781.408 | 767.054 | 49.04 | 0.001 9 |
500-1000-500 | 672.423 | 683.698 | 27.09 | 0.0910 |
500-1000-1000-500 | 12.722 | 33.215 | 19.11 | 0.9977 |
500-1000-1000-1000-500 | 11.623 | 27.682 | 15.62 | 0.9996 |
表5 不同隐藏层架构的评估指标结果对比
Table 5 Comparison of evaluation metrics for different hidden layer architectures
隐藏层结构 | 训练 pMAE/kPa | 验证 pMAE/kPa | 验证 e/% | 验证 R2 |
---|---|---|---|---|
500-500 | 781.408 | 767.054 | 49.04 | 0.001 9 |
500-1000-500 | 672.423 | 683.698 | 27.09 | 0.0910 |
500-1000-1000-500 | 12.722 | 33.215 | 19.11 | 0.9977 |
500-1000-1000-1000-500 | 11.623 | 27.682 | 15.62 | 0.9996 |
是否对超压峰值 取对数 | 训练 pMAE/kPa | 验证 pMAE/kPa | 验证 e/% | 验证 R2 |
---|---|---|---|---|
否 | 12.722 | 33.215 | 19.11 | 0.9977 |
是 | 371.964 | 413.306 | 7.10 | 0.5387 |
表6 超压峰值是否取对数处理模型效果对比
Table 6 Comparison of evaluation metrics for logarithmic processing of peak overpressure
是否对超压峰值 取对数 | 训练 pMAE/kPa | 验证 pMAE/kPa | 验证 e/% | 验证 R2 |
---|---|---|---|---|
否 | 12.722 | 33.215 | 19.11 | 0.9977 |
是 | 371.964 | 413.306 | 7.10 | 0.5387 |
单个算例 训练测点数量 | 训练 pMAE/kPa | 验证 pMAE/kPa | 验证 e/% | 验证 R2 |
---|---|---|---|---|
300 | 739.596 | 746.616 | 12.79 | 0.0046 |
500 | 760.850 | 731.538 | 10.61 | 0.0100 |
800 | 647.787 | 696.221 | 8.95 | 0.0451 |
1000 | 644.602 | 638.197 | 8.18 | 0.1647 |
1587 | 371.964 | 413.306 | 7.10 | 0.5387 |
表7 单个算例不同训练测点数量模型预测效果对比
Table 7 Comparison of evaluation metrics for different numbers of training points in an example
单个算例 训练测点数量 | 训练 pMAE/kPa | 验证 pMAE/kPa | 验证 e/% | 验证 R2 |
---|---|---|---|---|
300 | 739.596 | 746.616 | 12.79 | 0.0046 |
500 | 760.850 | 731.538 | 10.61 | 0.0100 |
800 | 647.787 | 696.221 | 8.95 | 0.0451 |
1000 | 644.602 | 638.197 | 8.18 | 0.1647 |
1587 | 371.964 | 413.306 | 7.10 | 0.5387 |
训练数据集 | 验证数据集 | pMAE/kPa | e/% | R2 |
---|---|---|---|---|
全部测点 | 全部测点 | 413.306 | 7.10 | 0.5387 |
禁区外测点 | 3.638 | 6.95 | 0.9897 | |
禁区内测点 | 4746.238 | 8.77 | 0.5373 | |
禁区外测点 | 禁区外测点 | 4.530 | 7.82 | 0.9803 |
禁区内测点 | 禁区内测点 | 2846.708 | 9.92 | 0.8213 |
表8 禁区划分对模型预测效果的影响
Table 8 The impact of exclusion zone division on model prediction effect
训练数据集 | 验证数据集 | pMAE/kPa | e/% | R2 |
---|---|---|---|---|
全部测点 | 全部测点 | 413.306 | 7.10 | 0.5387 |
禁区外测点 | 3.638 | 6.95 | 0.9897 | |
禁区内测点 | 4746.238 | 8.77 | 0.5373 | |
禁区外测点 | 禁区外测点 | 4.530 | 7.82 | 0.9803 |
禁区内测点 | 禁区内测点 | 2846.708 | 9.92 | 0.8213 |
训练测点数据 | 测试测点数据 | pMAE/kPa | e/% | R2 |
---|---|---|---|---|
禁区外 | 禁区外 | 4.101 | 4.14 | 0.9842 |
禁区内 | 禁区内 | 1498.396 | 8.02 | 0.9450 |
全部测点数据 | 全部测点数据 | 154.166 | 4.53 | 0.9452 |
表9 测试性能评估指标结果
Table 9 Test performance evaluation metrics results
训练测点数据 | 测试测点数据 | pMAE/kPa | e/% | R2 |
---|---|---|---|---|
禁区外 | 禁区外 | 4.101 | 4.14 | 0.9842 |
禁区内 | 禁区内 | 1498.396 | 8.02 | 0.9450 |
全部测点数据 | 全部测点数据 | 154.166 | 4.53 | 0.9452 |
超压峰值 幅度范 围/kPa | 样本 数量 | 位于相应误差e范围的样本百分比/% | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
[0,5) | [5,10) | [10,30) | [30,∞) | [0,10] | ||
[0,25) | 9 724 | 75.85 | 18.05 | 5.70 | 0.40 | 93.90 |
[25,50) | 5647 | 78.57 | 15.99 | 4.82 | 0.62 | 94.56 |
[50,100) | 3 671 | 76.14 | 16.44 | 6.59 | 0.63 | 92.58 |
[100,200) | 2 157 | 66.11 | 23.55 | 9.36 | 0.97 | 89.66 |
[200,∞) | 4 193 | 48.82 | 29.12 | 19.94 | 2.12 | 77.94 |
表10 模型在不同超压峰值幅度范围内的误差分布
Table 10 Error distributions in different overpressure ranges
超压峰值 幅度范 围/kPa | 样本 数量 | 位于相应误差e范围的样本百分比/% | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
[0,5) | [5,10) | [10,30) | [30,∞) | [0,10] | ||
[0,25) | 9 724 | 75.85 | 18.05 | 5.70 | 0.40 | 93.90 |
[25,50) | 5647 | 78.57 | 15.99 | 4.82 | 0.62 | 94.56 |
[50,100) | 3 671 | 76.14 | 16.44 | 6.59 | 0.63 | 92.58 |
[100,200) | 2 157 | 66.11 | 23.55 | 9.36 | 0.97 | 89.66 |
[200,∞) | 4 193 | 48.82 | 29.12 | 19.94 | 2.12 | 77.94 |
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