Proceedings of the Korean Institute of Information and Commucation Sciences Conference
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2022.10a
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pp.457-458
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2022
The dissolved oxygen (DO) is one of the factors of ecosystem that affects survival of aquatic life. Artificial neural network - XGboost (ANN-XGB), which was trained by water quality and weather data obtained at Anyang-streamto, was employed to forecast DO after 1 hours. We document the perforamnce of ANN-XGB.
Cheon, S.;Yu, J.;Kim, J.G.;Oh, J.S.;Nam, T.H.;Lee, T.
Transactions of Materials Processing
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v.31
no.4
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pp.173-178
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2022
The present study employed two different machine-learning approaches, the extreme gradient boosting (XGB) and light gradient boosting machine (LGBM), to predict a compressive deformation behavior of additively manufactured Ti-6Al-4V. Such approaches have rarely been verified in the field of metallurgy in contrast to artificial neural network and its variants. XGB and LGBM provided a good prediction for elongation to failure under an extrapolated condition of processing parameters. The predicting accuracy of these methods was better than that of response surface method. Furthermore, XGB and LGBM with optimum hyperparameters well predicted a deformation behavior of Ti-6Al-4V additively manufactured under the extrapolated condition. Although the predicting capability of two methods was comparable, LGBM was superior to XGB in light of six-fold higher rate of machine learning. It is also noted this work has verified the LGBM approach in solving the metallurgical problem for the first time.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.26
no.5
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pp.519-532
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2024
Anomaly detection for the penetration rate of tunnel boring machines (TBMs) is crucial for effective risk management in TBM tunnel projects. However, previous machine learning models for predicting the penetration rate have struggled with imbalanced data between normal and abnormal penetration rates. This study aims to enhance the performance of machine learning-based anomaly detection for the penetration rate by utilizing a data augmentation technique to address this data imbalance. Initially, six input features were selected through correlation analysis. The lowest and highest 10% of the penetration rates were designated as abnormal classes, while the remaining penetration rates were categorized as a normal class. Two prediction models were developed, each trained on an original training set and an oversampled training set constructed using SMOTE (synthetic minority oversampling technique): an XGB (extreme gradient boosting) model and an XGB-SMOTE model. The prediction results showed that the XGB model performed poorly for the abnormal classes, despite performing well for the normal class. In contrast, the XGB-SMOTE model consistently exhibited superior performance across all classes. These findings can be attributed to the data augmentation for the abnormal penetration rates using SMOTE, which enhances the model's ability to learn patterns between geological and operational factors that contribute to abnormal penetration rates. Consequently, this study demonstrates the effectiveness of employing data augmentation to manage imbalanced data in anomaly detection for TBM penetration rates.
We describe a new deep learning model - Convolutional eXtreme Gradient Boosting (ConvXGB) for classification problems based on convolutional neural nets and Chen et al.'s XGBoost. As well as image data, ConvXGB also supports the general classification problems, with a data preprocessing module. ConvXGB consists of several stacked convolutional layers to learn the features of the input and is able to learn features automatically, followed by XGBoost in the last layer for predicting the class labels. The ConvXGB model is simplified by reducing the number of parameters under appropriate conditions, since it is not necessary re-adjust the weight values in a back propagation cycle. Experiments on several data sets from UCL Repository, including images and general data sets, showed that our model handled the classification problems, for all the tested data sets, slightly better than CNN and XGBoost alone and was sometimes significantly better.
Particulate matter(PM) among air pollutants with complex and widespread causes is classified according to particle size. Among them, PM2.5 is very small in size and can cause diseases in the human respiratory tract or cardiovascular system if inhaled by humans. In order to prepare for these risks, state-centered management and preventable monitoring and forecasting are important. This study tried to predict PM2.5 in Seoul, where high concentrations of fine dust occur frequently, using two ensemble models, random forest (RF) and extreme gradient boosting (XGB) using 15 local data assimilation and prediction system (LDAPS) weather-related factors, aerosol optical depth (AOD) and 4 chemical factors as independent variables. Performance evaluation and factor importance evaluation of the two models used for prediction were performed, and seasonal model analysis was also performed. As a result of prediction accuracy, RF showed high prediction accuracy of R2 = 0.85 and XGB R2 = 0.91, and it was confirmed that XGB was a more suitable model for PM2.5 prediction than RF. As a result of the seasonal model analysis, it can be said that the prediction performance was good compared to the observed values with high concentrations in spring. In this study, PM2.5 of Seoul was predicted using various factors, and an ensemble-based PM2.5 prediction model showing good performance was constructed.
Due to the steadily declining supply of natural coarse aggregates, the concrete industry has shifted to substituting coarse aggregates generated from byproducts and industrial waste. Oil palm shell is a substantial waste product created during the production of palm oil (OPS). When considering the usage of OPSC, building engineers must consider its uniaxial compressive strength (UCS). Obtaining UCS is expensive and time-consuming, machine learning may help. This research established five innovative hybrid AI algorithms to predict UCS. Aquila optimizer (AO) is used with methods to discover optimum model parameters. Considered models are artificial neural network (AO - ANN), adaptive neuro-fuzzy inference system (AO - ANFIS), support vector regression (AO - SVR), random forest (AO - RF), and extreme gradient boosting (AO - XGB). To achieve this goal, a dataset of OPS-produced concrete specimens was compiled. The outputs depict that all five developed models have justifiable accuracy in UCS estimation process, showing the remarkable correlation between measured and estimated UCS and models' usefulness. All in all, findings depict that the proposed AO - XGB model performed more suitable than others in predicting UCS of OPSC (with R2, RMSE, MAE, VAF and A15-index at 0.9678, 1.4595, 1.1527, 97.6469, and 0.9077). The proposed model could be utilized in construction engineering to ensure enough mechanical workability of lightweight concrete and permit its safe usage for construction aims.
The resilient modulus (MR) of various pavement materials plays a significant role in the pavement design by a mechanistic-empirical method. The MR determination is done by experimental tests that need time and money, along with special experimental tools. The present paper suggested a novel hybridized extreme gradient boosting (XGB) structure for forecasting the MR of modified base materials subject to wet-dry cycles. The models were created by various combinations of input variables called deep learning. Input variables consist of the number of W-D cycles (WDC), the ratio of free lime to SAF (CSAFR), the ratio of maximum dry density to the optimum moisture content (DMR), confining pressure (σ3), and deviatoric stress (σd). Two XGB structures were produced for the estimation aims, where determinative variables were optimized by particle swarm optimization (PSO) and black widow optimization algorithm (BWOA). According to the results' description and outputs of Taylor diagram, M1 model with the combination of WDC, CSAFR, DMR, σ3, and σd is recognized as the most suitable model, with R2 and RMSE values of BWOA-XGB for model M1 equal to 0.9991 and 55.19 MPa, respectively. Interestingly, the lowest value of RMSE for literature was at 116.94 MPa, while this study could gain the extremely lower RMSE owned by BWOA-XGB model at 55.198 MPa. At last, the explanations indicate the BWO algorithm's capability in determining the optimal value of XGB determinative parameters in MR prediction procedure.
Journal of information and communication convergence engineering
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v.22
no.2
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pp.133-138
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2024
Dissolved oxygen (DO) is an important factor in ecosystems. However, the analysis of DO is frequently rather complicated because of the nonlinear phenomenon of the river system. Therefore, a convenient model-free algorithm for DO variable is required. In this study, a data-driven algorithm for predicting DO was developed by combining XGBoost and an artificial neural network (ANN), called ANN-XGB. To train the model, two years of ecosystem data were collected in Anyang, Seoul using the Troll 9500 model. One advantage of the proposed algorithm is its ability to capture abrupt changes in climate-related features that arise from sudden events. Moreover, our algorithm can provide a feature importance analysis owing to the use of XGBoost. The results obtained using the ANN-XGB algorithm were compared with those obtained using the ANN algorithm in the Results Section. The predictions made by ANN-XGB were mostly in closer agreement with the measured DO values in the river than those made by the ANN.
Suspension bridges are critical to urban transportation, but those in earthquake-prone areas face unique challenges. In the event of a moderate or strong earthquake, conventional linear theory-based approaches for detecting bridge damage become inadequate. This study presents an efficient method for identifying damage in suspension bridges using time history nonlinear inelastic analysis. A practical advanced analysis program is employed to model cable-supported bridges with low computational cost, generating a dataset for four hybrid models: PSO-DT, PSO-RF, PSO-XGB, and PSO-CGB. These models combine decision tree (DT), random forest (RF), extreme gradient boosting (XGB), and categorical gradient boosting (CGB) with particle swarm optimization (PSO) to capture nonlinear correlations between displacement response and damage. Principal component analysis reduces dataset dimensions, and PSO selects the optimal model. A numerical case study of a suspension bridge under simulated earthquake conditions identifies PSO-XGB as the best model for predicting stiffness reduction. The results demonstrate the method's robustness for nonlinear damage detection in suspension bridges under earthquake excitation.
The prediction of algal bloom is an important field of study in algal bloom management, and chlorophyll-a concentration(Chl-a) is commonly used to represent the status of algal bloom. In, recent years advanced machine learning algorithms are increasingly used for the prediction of algal bloom. In this study, XGBoost(XGB), an ensemble machine learning algorithm, was used to develop a model to predict Chl-a in a reservoir. The daily observation of water quality data and climate data was used for the training and testing of the model. In the first step of the study, the input variables were clustered into two groups(low and high value groups) based on the observed value of water temperature(TEMP), total organic carbon concentration(TOC), total nitrogen concentration(TN) and total phosphorus concentration(TP). For each of the four water quality items, two XGB models were developed using only the data in each clustered group(Model 1). The results were compared to the prediction of an XGB model developed by using the entire data before clustering(Model 2). The model performance was evaluated using three indices including root mean squared error-observation standard deviation ratio(RSR). The model performance was improved using Model 1 for TEMP, TN, TP as the RSR of each model was 0.503, 0.477 and 0.493, respectively, while the RSR of Model 2 was 0.521. On the other hand, Model 2 shows better performance than Model 1 for TOC, where the RSR was 0.532. Explainable artificial intelligence(XAI) is an ongoing field of research in machine learning study. Shapley value analysis, a novel XAI algorithm, was also used for the quantitative interpretation of the XGB model performance developed in this study.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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