具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，种岩石单轴抗压强度的预测方法，包括以下步骤：

步骤一：收集岩石L型施密特锤回弹值及岩石相应的单轴抗压强度，收集相应的数据为后续的模型建立提供数据基础。

步骤二：基于已收集的L型施密特锤回弹值与相应岩石单轴抗压强度的数据，建立随机森林预测模型，计算根据L型施密特锤回弹值预测岩石单轴抗压强度的预测精度。

步骤二具体步骤为：

步骤1：确定随机森林预测模型的超参数：数据需要分隔的点个数、树的深度、树的个数、用于训练的数据、用于验证的数据。

步骤2：在训练数据中随机选取N组数据建立一棵提升树。

所述步骤2中提升树的建立过程为：

步骤2-1：先基于获得L型施密特锤回弹值与岩石单轴抗压强度数据集合T＝{(R₁,UCS₁),(R₂,UCS₂),......,(R_N,UCS_N)}，其中R_i表示第i个岩石L型施密特锤回弹值，UCS_i表示第i个岩石的单轴抗压强度，N表示用于建立提升树所有数据的个数，最初始的提升树模型表示为f₀(R)＝0。

步骤2-2：设定树的深度为m＝1，计算树的深度为m时提升树预测模型的残差r_mi：

r_mi＝UCS_i-f_m-1(R_i)

f_m-1(R_i)为树的深度为树的深度为m-1时的提升树；

确定最佳的分隔点s，根据分隔点s得到决策树T(x；Θ_m)；

树的深度为m时的提升树表示为：

f_m(R)＝f_m-1(R)+T(x；Θ_m)

Θ_m表示决策树的参数；T(x；Θ_m)为决策树；f_m(R)是下式中取得最优值得表达式：

式中L(UCS,f(R)＝[r-T(x；Θ_m)]²表示损失函数；实现求得一个提升树使得预测值与真实值之间的损失值要最小；

步骤2-3：令树的深度m＝m+1，将步骤2-2重复M次，获得树的深度为M的提升树模型；

步骤2-4：停止。

步骤3：重复步骤2P次，形成P棵提升树，P棵提升树构成随机森林模型。

步骤4：基于P棵提升树预测结果的平均值作为最终的结果。

步骤5：结束。

采用相关系数R²计算得到模型的预测精度：

式中UCS_mean为岩石单轴抗压强度实测值的平均值，f(R_i)为随机森林预测模型单轴抗压强度预测值。

步骤三：通过采用L型施密特锤回弹仪测试岩石回弹值，基于已建立的随机森林预测模型，将测试的L型施密特锤回弹值代入预测模型，计算岩石的岩石单轴抗压强度。

实施例

首先，收集相关L型施密特锤回弹值与岩石单轴抗压强度的相关实验数据，并将文献中的实验数据整理好，为后期模型建立提供数据基础。通过数据收集，总共收集了716组数据，其中66.7％的实验数据(477组数据)用于模型的建立，而剩余的数据(239组数据)用于模型的验证。

然后基于已有的实验数据，建立随机森林预测模型，步骤如下：

步骤1：确定数据的分隔点为50个，数的深度为20，由25棵树组成随机森林模型。根据收集的数据，根据L型回弹值的最大值和最小值，将最大值与最小值之间均匀阐释50个点：5.17、6.53、7.89、9.26、.......、72.00，需要注意的是相邻两点之间的间距是相同的。

步骤2：从716组数据中随机选取477组数据(R,UCS)用于建立提升数模型，随机选取的数据如表1。

表1随机选取的477组实验数据

现将基于表1中的数据建立一棵提升树，首先初始提升树可表示为f₀(R)＝0，因此预测模型与实际的差值(残差)可表示为：

r_i＝UCS_i-f₀(R_i)

由于初始提升树为f₀(R)＝0，因此，此时r_i＝UCS_i，然后根据下式的最优值，确定最佳的分隔点s：

式中R₁、R₂、c₁、、均为中间变量，R₁＝{R|R≤s}，R₂＝{R|R>s}， N₁为属于R₁集合的元素数量，N₂为属于R₂集合元素数量，根据上式，可确定最佳的分隔点s为59.92，此时决策树模型T₁(R)可表示为：

此时提升树模型可以表示为：

f₁(R)＝f₀(R)+T₁(R)

由于f₀(R)＝0，因此，提升树模型可以表示为：

根据提升树f₁(R)，可计算得到残差，如表2。

表2提升树f₁(R)的残差计算结果

根据表2中的残差值，再次计算得到最优的分隔点s，如此循环20次，得到一棵深度为20的树模型，如下：

此时根据提升树模型，可快速计算得到岩石的单轴抗压强度，如测试岩石的L型施密特锤回弹值为18时，则预测该岩石的单轴抗压强度为12.72MPa。

步骤3：重复步骤2共25次，形成25棵提升树组成的随机森林预测模型，并将25棵树预测值的平均值作为预测值。

步骤4：结束。

同时根据建立的预测模型，采用相关系数R²计算得到该模型的预测精度

式中UCS_i为岩石单轴抗压强度实测值,UCS_mean为岩石单轴抗压强度实测值的平均值,f(R_i)为随机森林预测模型单轴抗压强度预测值。

本发明操作简便，充分利用已有的实验数据，实验成本较小，无需制备完整岩石试验及开展单轴压缩实验，适用于岩石单轴抗压强度测试领域。