Explainable AutoML models for predicting the strength of high-performance concrete using Optuna, SHAP and ensemble learning
Notice bibliographique
Résumé
Accurately predicting key engineering properties, such as compressive and tensile strength, remains a significant challenge in high-performance concrete (HPC) due to its complex and heterogeneous composition. Early selection of optimal components and the development of reliable machine learning (ML) models can significantly reduce the time and cost associated with extensive experimentation. This study introduces four explainable Automated Machine Learning (AutoML) models that integrate Optuna for hyperparameter optimization, SHapley Additive exPlanations (SHAP) for interpretability, and ensemble learning algorithms such as Random Forest (RF), Extreme Gradient Boosting (XGB), Light Gradient Boosting Machine (LGB), and Categorical Gradient Boosting (CB). The resulting interpretable AutoML models O-RF, O-XGB, O-LGB, and O-CB are applied to predict the compressive and tensile strengths of HPC. Compared to a baseline model from the literature, O-LGB achieved significant improvements in predictive performance. For compressive strength, it reduced the Mean Absolute Error (MAE) by 87.69% and the Root Mean Squared Error (RMSE) by 71.93%. For tensile strength, it achieved a 99.41% improvement in MAE and a 96.67% reduction in RMSE, along with increases in R 2 . Furthermore, SHAP analysis identified critical factors influencing strength, such as cement content, water, and age for compressive strength, and curing age, water-binder ratio, and water-cement ratio for tensile strength. This approach provides civil engineers with a robust and interpretable tool for optimizing HPC properties, reducing experimentation costs, and supporting enhanced decision-making in structural design, risk assessment, and other applications.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,001 | 0,002 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».