نشریه مهندسی عمران امیرکبیر

نشریه مهندسی عمران امیرکبیر

ارزیابی خسارت ناشی از انفجار و تاب‌آوری لحظه‌ای ساختمان‌ها با روش CatBoost فیزیک‌راهنمای سوئیچ‌رژیمی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 پژوهشکده سازه، پژوهشگاه بین المللی زلزله شناسی و مهندسی زلزله، تهران، ایران
2 گروه مهندسی عمران، مجتمع آموزش عالی فنی و مهندسی اسفراین، اسفراین، ایران
3 پژوهشگر پژوهشگاه بین المللی زلزله شناسی و مهندسی زلزله، تهران، ایران
چکیده
ارزیابی سریع آسیب‌پذیری ساختمان‌ها پس از رخداد انفجار، پیش‌نیاز اصلی مدیریت بحران و تصمیم‌گیری‌های اضطراری است. در این تحقیق، چارچوبی با رویکرد فیزیک‌راهنما (Physics-guided) و مبتنی بر الگوریتم تقویت گرادیان دسته‌ای (CatBoost) با استراتژی سوئیچ‌رژیمی (Regime-Switching) طراحی شد تا بتوان درصد خسارت و تاب‌آوری لحظه‌ای سازه‌ها را برآورد کرد. مجموعه‌ داده‌ها شامل ۴۳۲ نمونه و ۱۱ متغیر کلیدی (شامل پارامترهای انفجار، هندسه سازه، و شرایط حفاظتی) بود. روش پیشنهادی، رکوردها را در دو شاخه عمومی و تخصصی تفکیک کرده و خروجی نهایی را با تلفیق تصحیح باقیمانده ریج(Ridge Residual Correction) و کالیبراسیون آفین (Affine Calibration) به‌دست می‌دهد. نتایج نشان داد که مدل پیشنهادی به دقت بالایی با میانگین قدرمطلق خطا (MAE) برابر با ۷٫۱۳، ریشه دوم میانگین مربع خطا (RMSE) برابر با 07/10 و ضریب (R^2) معادل ۰٫۸۷۲ دست یافته است. اگرچه الگوریتم تقویت گرادیان شدید (XGBoost) در بررسی کلیِ میانگین قدرمطلق خطا با مقدار ۷٫۰۰ اندکی برتری داشت، اما تحلیل مقایسه‌ای زوجی نشان داد این اختلاف از نظر آماری معنادار نیست؛ در حالی که در سناریوهای برخورد مستقیم، مدل پیشنهادی عملکرد به‌مراتب بهتری ارائه داد و میانگین قدرمطلق خطا را از ۱۱٫۲۱ به ۸٫۱۹ کاهش داد. در نهایت، با استفاده از تحلیل‌های تفسیرپذیر ارزش‌های شپلی (SHAP) و اثرات محلی انباشته (ALE)، پارامترهایی چون فاصله مقیاس‌شده به‌عنوان یکی از محرک‌های اصلی خسارت شناسایی شدند و بازه موندریان ایمنی‌محور (Mondrian Safety) با پوشش ۹۳ درصدی، اعتبار سنجش عدم‌قطعیت مدل را تأیید کرد. این یافته‌ها، کارایی مدل را به‌عنوان ابزاری مطمئن برای ارزیابی تاب‌آوری لحظه‌ای شرایط بحرانی تثبیت می‌کند.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

A Physics-Guided Regime-Switching CatBoost Framework for Assessing Blast-Induced Building Damage and Instantaneous Resilience

نویسندگان English

Mahdi Bitarafan 1
Shahin Lale Arefi 2
Fatemeh Shahbazpour 3
1 International Institute of Earthquake Engineering and Seismology (IIEES), Tehran, Iran
2 Department of Civil Engineering, Esfarayen University of Technology, Esfarayen, Iran
3 International Institute of Earthquake Engineering and Seismology (IIEES), Tehran, Iran
چکیده English

Rapid assessment of building vulnerability following an explosion is a prerequisite for crisis management and emergency decision-making. In this study, we developed a physics-guided, CatBoost-based framework with a regime-switching strategy to estimate damage percentage and instantaneous structural resilience. The dataset comprised 432 samples and 11 key variables, including blast parameters, structural geometry, and shielding conditions. The proposed method partitions records into general and specialized branches and produces the final output by integrating Ridge Residual Correction and Affine Calibration. The results showed that the proposed model achieved high predictive accuracy, with a mean absolute error (MAE) of 7.13, a root mean square error (RMSE) of 10.07, and an R^2of 0.872. Although XGBoost exhibited a marginally lower overall MAE of 7.00, paired comparative analysis indicated that this difference was not statistically significant; meanwhile, in direct-impact scenarios, the proposed model performed substantially better, reducing MAE from 11.21 to 8.19. Finally, SHAP and Accumulated Local Effects (ALE) analyses identified scaled distance as one of the main damage drivers, and the safety-oriented Mondrian interval achieved 93% coverage, supporting the model’s uncertainty quantification. These findings confirm the model’s utility as a reliable tool for rapid assessment of instantaneous resilience under critical conditions.

کلیدواژه‌ها English

Blast-induced damage
Instantaneous resilience
CatBoost
Physics-guided machine learning
SHAP analysis