Explainable Ensemble Learning and Multilayer Perceptron Modeling for Compressive Strength Prediction of Ultra-High-Performance Concrete

抗压强度 随机森林 Boosting(机器学习) 集成学习 多层感知器 梯度升压 估计员 计算机科学 人工智能 机器学习 试验装置 高效减水剂 硅粉 模式识别(心理学) 数学 人工神经网络 材料科学 统计 复合材料
作者
Yaren Aydın,Celal Çakıroğlu,Gebrai̇l Bekdaş,Zong Woo Geem
出处
期刊:Biomimetics [Multidisciplinary Digital Publishing Institute]
卷期号:9 (9): 544-544 被引量:24
标识
DOI:10.3390/biomimetics9090544
摘要

The performance of ultra-high-performance concrete (UHPC) allows for the design and creation of thinner elements with superior overall durability. The compressive strength of UHPC is a value that can be reached after a certain period of time through a series of tests and cures. However, this value can be estimated by machine-learning methods. In this study, multilayer perceptron (MLP) and Stacking Regressor, an ensemble machine-learning models, is used to predict the compressive strength of high-performance concrete. Then, the ML model’s performance is explained with a feature importance analysis and Shapley additive explanations (SHAPs), and the developed models are interpreted. The effect of using different random splits for the training and test sets has been investigated. It was observed that the stacking regressor, which combined the outputs of Extreme Gradient Boosting (XGBoost), Category Boosting (CatBoost), Light Gradient Boosting Machine (LightGBM), and Extra Trees regressors using random forest as the final estimator, performed significantly better than the MLP regressor. It was shown that the compressive strength was predicted by the stacking regressor with an average R2 score of 0.971 on the test set. On the other hand, the average R2 score of the MLP model was 0.909. The results of the SHAP analysis showed that the age of concrete and the amounts of silica fume, fiber, superplasticizer, cement, aggregate, and water have the greatest impact on the model predictions.
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