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机器学习在智能水泥基复合材料中的应用与实践

“机器学习在智能水泥基复合材料中的应用与实践”

课程

内容

机器学习基础模型与复合材料研究融合

  1. 机器学习在复合材料中的应用概述
  2. 机器学习用于复合材料研究的流程
  3. 复合材料数据收集与数据预处理

实例:数据的收集和预处理

  1. 复合材料机器学习特征工程与选择

实例:以纳米材料增强复合材料为例,讨论特征选择、特征工程在提高模型性能中的作用。

  1. 线性回归用于复合材料研究

实例:线性回归和多项式回归在处理复合材料数据中的应用

  1. 多项式回归用于复合材料研究

实例:多项式回归在处理复合材料数据中的非线性关系时的应用

  1. 决策树用于复合材料研究

实例:决策树回归在预测水泥基复合材料强度中的应用

复合材料研究中应用集成学习与支持向量模型

  1. 随机森林用于复合材料研究

实例:随机森林在预测复合材料性能中的应用

  1. Boosting算法用于复合材料研究

实例:Catboost在预测复合材料强度中的应用

  1. XGBoost和LightGBM用于复合材料研究
    1. XGBoost
    2. LightGBM
    3. 模型解释性技术

实例:XGBoost和LightGBM在水泥基复合材料性能预测中的应用,模型比较

  1. 支持向量机 (SVM) 用于复合材料研究
    1. 核函数
    2. SVM用于回归(SVR)

实例:SVR在预测复合材料的力学性能中的应用

  1. 模型调参与优化工具包
    1. 网格搜索、随机搜索的原理与应用
    2. 工具包Optuna

实例:超参数调整方法,模型调参与优化工具包的应用

  1. 机器学习模型评估
    1. 回归模型中的评估指标(MSE, R2, MAE等)
    2. 交叉验证技术

实例:比较不同模型的性能并选择最佳模型

复合材料研究中应用神经网络

  1. 神经网络基础
    1. 激活函数
    2. 前向传播过程
    3. 损失函数

实例:手动实现前向传播

  1. 神经网络反向传播与优化
    1. 梯度下降法原理
    2. 反向传播算法
    3. 随机梯度下降(SGD)

实例:实现梯度下降算法

  1. 复合材料研究中的多层感知机(MLP)
    1. MLP架构设计
    2. MLP的训练过程
    3. MLP在回归和分类中的应用

实例:构建简单的MLP解决复合材料中的回归问题

  1. PINNs
    1. PINN基本原理
    2. 弹簧振动正问题中的PINNs
    3. 弹簧振动逆问题中的PINNs

实例:使用PyTorch构建PINNs

  1. GAN
    1. GAN基本原理
    2. 针对表格数据的GAN
    3. 增强数据的评估指标

实例:构建GAN生成水泥基复合材料数据

  1. 可解释性机器学习方法-SHAP
    1. SHAP理论基础
    2. 计算和解释SHAP值

实例:复合材料中应用SHAP进行模型解释和特征理解

论文复现机器学习综合应用以及SCI文章写作

论文实例解读与复现:选择两篇应用机器学习研究水泥基复合材料的SCI论文

1. Comparison of traditional and automated machine learning approaches in predicting the compressive strength of graphene oxide/cement composites. Construction and Building Materials, 2023, 394: 132179.

2. Machine learning aided uncertainty analysis on nonlinear vibration of cracked FG-GNPRC dielectric beam. Structures, 2023, 58: 105456.

  • 论文中使用的复合材料数据集介绍
  • 论文中的复合材料特征选择与数据预处理方法
  • 论文中使用的模型结构与构建
  • 机器学习研究复合材料的超参数调整
  • 复合材料研究中机器学习模型性能评估
  • 复合材料机器学习研究结果可视化

课程总结与未来展望

  • 课程重点回顾
  • 机器学习在复合材料中的未来发展方向
  • 如何继续学习和深入研究
  • Q&A环节

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