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 میزان خسارت ساختمان‌ها بلافاصله پس از وقوع انفجار، نقش مهمی در اولویت‌بندی بازرسی‌ها و تصمیم‌گیری‌های اضطراری دارد. در این پژوهش، یک چارچوب یادگیری ماشین فیزیک‌راهنما با ساختار سوئیچ‌رژیمی توسعه داده شد تا درصد خسارت و تاب‌آوری لحظه‌ای ساختمان‌ها پس از انفجار برآورد شود. مجموعه‌داده شامل ۴۳۲ نمونه و ۱۱ متغیر مرتبط با شدت انفجار، شرایط مواجهه، ویژگی‌های معماری و سازه‌ای و وضعیت حفاظتی ساختمان بود. برای بازنمایی بهتر تفاوت میان سازوکارهای خسارت، سناریوهای برخورد مستقیم در یک شاخه تخصصی و سایر سناریوها در شاخه عمومی مدل‌سازی شدند. همچنین، برای افزایش قابلیت تعمیم و کاهش سوگیری پیش‌بینی، تقسیم گروه‌آگاه داده‌ها، تصحیح خطای باقیمانده و کالیبراسیون خروجی در فرایند توسعه مدل به‌کار گرفته شد. نتایج ارزیابی روی مجموعه آزمون مستقل داخلی نشان داد مدل پیشنهادی با میانگین قدر مطلق خطای ۷٫۱۳، ریشه دوم میانگین مربعات خطای ۱۰٫۰۷ و ضریب تعیین ۰٫۸۷۲، توان مناسبی در پیش‌بینی خسارت دارد. اگرچه مدل تقویت گرادیانی شدید در ارزیابی کلی، میانگین قدر مطلق خطای اندکی کمتر برابر با ۷٫۰۰ به دست آورد، اختلاف دو مدل از نظر آماری معنادار نبود. در مقابل، در سناریوهای برخورد مستقیم، مدل پیشنهادی عملکرد بهتری نشان داد و میانگین قدر مطلق خطا را از ۱۱٫۲۱ به ۸٫۱۹ کاهش داد. تحلیل‌های تفسیرپذیری نیز نشان دادند که فاصله مقیاس‌شده، فاصله از مرکز انفجار، شرایط حفاظتی پیرامونی و شدت انفجار از مهم‌ترین عوامل مؤثر بر پیش‌بینی خسارت هستند. همچنین، بازه عدم‌قطعیت ایمنی‌محور با پوشش ۹۳ درصدی، ضرورت همراه‌کردن پیش‌بینی نقطه‌ای با بیان عدم‌قطعیت را تأیید کرد. در مجموع، چارچوب پیشنهادی می‌تواند به‌عنوان ابزاری برای ارزیابی تاب آوری لحظه‌ای ساختمان‌های آسیب‌دیده و برآورد عملکرد باقیمانده پس از انفجار به‌کار رود.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Physics-Guided Regime-Switching CatBoost for Blast Damage and Instantaneous Building Resilience Assessment

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 estimation of building damage immediately after an explosion is essential for prioritizing inspections and supporting emergency decisions. This study develops a physics-guided, regime-switching machine-learning framework to predict building-level blast damage and derive an instantaneous resilience measure from the predicted residual performance. The dataset contains 432 building records described by 11 predictors representing blast intensity, exposure, attack regime, surrounding protection, and architectural and structural characteristics. To reduce optimistic validation caused by repeated or highly similar building profiles, the data were split at the profile-group level, producing a locked internal holdout that remained untouched during feature selection and model development. Hopkins-Cranz scaled distance was introduced as a physics-guided feature, while direct impacts were routed to a specialized CatBoost branch and all other cases to a general branch. Out-of-fold residual correction, constrained affine calibration, SHAP/ALE interpretation, and group-aware conformal prediction were incorporated into the final pipeline. On the locked holdout, the proposed model achieved MAE = 7.13, RMSE = 10.07, and R² = 0.872. Although XGBoost obtained a slightly lower overall MAE of 7.00, the difference was not statistically significant. In direct-impact cases, the regime-switching model reduced MAE from 11.21 to 8.19, indicating a clearer benefit in the safety-critical regime for which it was designed. Scaled distance, actual standoff distance, surrounding barriers, window-to-wall ratio, and TNT-equivalent mass were consistently influential. A safety-oriented conformal interval achieved 93% empirical coverage. The framework is therefore intended as a rapid screening and decision-support tool rather than a substitute for detailed structural analysis or field inspection.

کلیدواژه‌ها English

Blast damage, Instantaneous resilience, Physics-guided machine learning, Regime switching
SHAP