岩土力学 ›› 2026, Vol. 47 ›› Issue (2): 674-690.doi: 10.16285/j.rsm.2025.0099CSTR: 32223.14.j.rsm.2025.0099
王琼1, 2,田升奎1,刘观仕3,苏薇1,刘宜春1,叶为民1
WANG Qiong1, 2, TIAN Sheng-kui1, LIU Guan-shi3, SU Wei1, LIU Yi-chun1, YE Wei-min1
摘要: 水热参数本构关系的精确获取是多场耦合研究的核心前提。然而,由于其多尺度的影响因素和高度非线性的响应模式,模型难以准确刻画因素间耦合效应、传热路径和传输机制,建立可靠的参数模型面临着诸多挑战。提出了一种融合先验物理知识与可解性分析的水热参数集成学习模型(physics-informed ensemble learning,简称PIEL)。以土体导热系数为范例,综合评估PIEL模型输出结果的精度、鲁棒性和物理一致性,并结合沙普利加性解释(Shapley additive explanations,简称SHAP)与部分依赖图(partial dependence plots,简称PDPs)可视化PIEL模型决策过程的敏感性、响应模式和耦合效应。结果表明:集成学习模型精确捕捉了导热系数复杂的非线性耦合关系,预测精度较传统模型提升至3~6倍;融合先验传热知识的PIEL模型有效避免了纯数据驱动模型违背物理规律的输出,决策结果的物理一致性显著提升。采用麻雀搜索算法优化的融合知识的极端梯度提升模型(physics-informed extreme gradient boosting,简称PXGBoost),展现出最佳的精度和鲁棒性;SHAP和PDPs可视化的敏感性、响应模式和耦合效应与先验传热知识基本吻合,验证了PIEL决策过程的物理一致性。基于累计SHAP值识别的最优预测因子显著优于传统参数分析,构建的简化模型的计算效率和精度更高。融合先验物理知识和可解性分析的PIEL模型可为岩土参数预测提供一种有效途径,也为人工智能赋能的水热模拟提供支持。
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