基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的振動(dòng)壓路機(jī)土壤壓實(shí)度數(shù)據(jù)處理

向 亮，曹源文，易 飛

(重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車(chē)工程學(xué)院，重慶400074)

在土壤壓實(shí)度連續(xù)檢測(cè)中，首先利用安裝在振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)輪上的加速度傳感器測(cè)量振動(dòng)輪振動(dòng)加速度，然后建立振動(dòng)加速度與土壤壓實(shí)度之間的關(guān)系，間接反應(yīng)振動(dòng)壓實(shí)情況［1］。這種實(shí)時(shí)檢測(cè)的方法大大提高了振動(dòng)壓路機(jī)的工作效率，縮短了工程進(jìn)度。不同的土壤，其壓實(shí)性質(zhì)也不相同。因此，相同大小的振動(dòng)加速度，在不同性質(zhì)的土壤上進(jìn)行振動(dòng)壓實(shí)時(shí)，土壤的壓實(shí)度是不同的，壓實(shí)效果也不一樣。同時(shí)，同一種性質(zhì)的土壤，其含水量不同，土壤的壓實(shí)度也不一樣。也就是說(shuō)，很難用一種確定的函數(shù)關(guān)系式來(lái)反映振動(dòng)加速度和土壤壓實(shí)度之間的關(guān)系。筆者在重慶交通大學(xué)道路實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試槽試驗(yàn)，采集了振動(dòng)輪振動(dòng)加速度和對(duì)應(yīng)的土壤壓實(shí)度數(shù)據(jù)，從中選取一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖1。

從圖1可以看出，雖然振動(dòng)加速度和土壤壓實(shí)度之間是正相關(guān)的，但兩者之間的線性關(guān)系并不是很好的。為了達(dá)到連續(xù)實(shí)時(shí)檢測(cè)的目的，必須在兩者之間建立橋梁。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在處理非線性映射方面的能力可以解決這個(gè)問(wèn)題，即通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的處理記憶來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)加速度反應(yīng)一個(gè)壓實(shí)度的可能性。

圖1 壓實(shí)度值與振動(dòng)加速度的關(guān)系Fig.1 Relationship between the compaction and the acceleration of vibration

1 影響土壤壓實(shí)度的因素

影響土壤壓實(shí)度的因素很多，其中最主要的是如下幾個(gè)方面［2－4］。

1.1 土壤材料及其級(jí)配情況的影響

不同類(lèi)型的土壤，其壓實(shí)性能是不一樣的。粗粒料易于壓實(shí)，而且有足夠的穩(wěn)定性。粉砂的壓實(shí)性能差些，但比黏土要好，只是水穩(wěn)定性較差。最難于壓實(shí)的土壤是黏土，它有高的黏聚性和不透水性。含有大量有機(jī)物的腐殖土，彈性很強(qiáng)，無(wú)法壓實(shí)，不宜作為工程建筑材料使用。

集料的級(jí)配對(duì)碾壓后所能達(dá)到的密實(shí)度有著明顯的影響。為了提高工程結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和路面結(jié)構(gòu)層的強(qiáng)度和減少空隙率，增加其在使用過(guò)程中的穩(wěn)定性，則要求材料具有好的級(jí)配。特別是對(duì)作基礎(chǔ)層的集料，常規(guī)定有嚴(yán)格的級(jí)配范圍。

另外，對(duì)路面各結(jié)構(gòu)層的集料成分要求有足夠的強(qiáng)度和硬度，以使能夠抵抗碾壓施工和行車(chē)載荷的破壞，要防止集料中的粗骨料被細(xì)化而導(dǎo)致路面變形。

1.2 含水量

以相同的壓實(shí)方法，壓實(shí)不同含水量的同一種土壤，會(huì)得到不同的壓實(shí)效果。壓實(shí)機(jī)械的施力，需要克服土顆粒間的內(nèi)摩擦力和黏聚力，才能使其產(chǎn)生位移及相互靠近，而這種內(nèi)摩擦力和黏聚力往往是隨著密實(shí)度的提高而增加的。

土壤的含水量小時(shí)，土顆粒間的內(nèi)摩擦阻力就大。當(dāng)壓實(shí)到一定程度后，此壓實(shí)功便不能繼續(xù)克服土壤的變形抗力，壓實(shí)所得的密實(shí)度是有限的。若增加含水量時(shí)，由于水在顆粒間起到的潤(rùn)滑作用而使土壤的內(nèi)摩擦阻力下降，因此會(huì)以同樣的壓實(shí)功而得到較大的密實(shí)度。當(dāng)含水量增加到超過(guò)某一界限后，雖然土壤的內(nèi)摩擦阻力還會(huì)下降，但土壤中水的體積卻在增加。由于水的不可壓縮性，致使土壤的密實(shí)度反而下降了。

各種不同土壤的最佳含水量和最大干密度是不同的，通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)，對(duì)各種天然土壤、級(jí)配土壤及無(wú)極黏結(jié)材料穩(wěn)定土，都能找到一個(gè)與擊實(shí)曲線上最大干密度想對(duì)應(yīng)的最佳含水量值。

1.3 壓實(shí)設(shè)備的影響

壓實(shí)設(shè)備的影響主要包括壓實(shí)力的作用方式、壓實(shí)功的大小、碾輪的狀態(tài)、以及壓實(shí)的工藝。其中壓實(shí)工藝對(duì)土壤壓實(shí)的影響是比較大的，比如本文研究的振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)壓實(shí)，壓路機(jī)振動(dòng)參數(shù)的選擇(振動(dòng)頻率、振幅)、碾壓速度和碾壓次數(shù)都影響著土壤的壓實(shí)度。

在振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)壓實(shí)的過(guò)程中，合理的選擇振動(dòng)輪振動(dòng)頻率和振幅對(duì)壓實(shí)效果和壓實(shí)效率有著很大的影響。

2 壓實(shí)度實(shí)時(shí)檢測(cè)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)

由于土壤壓實(shí)度受到各種因素的綜合影響，在試驗(yàn)的初期主要關(guān)心振動(dòng)加速度大小和壓實(shí)度的直接關(guān)系。因此試驗(yàn)中使用一種振動(dòng)頻率和振幅測(cè)量了多種數(shù)據(jù)。在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入向量中暫不考慮振頻和振幅的變換因素。從上面各個(gè)因素中選出幾個(gè)主要因素作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練參數(shù)，分別為:土壤級(jí)配(這里用通過(guò)0.074 mm顆粒百分比)、土壤含水量、振動(dòng)加速度和土壤最大干密度。選用土壤壓實(shí)度作為網(wǎng)絡(luò)的輸出。網(wǎng)路的傳遞函數(shù)選用S型函數(shù)，輸出函數(shù)選用線性函數(shù)。一般情況下BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)均選為3層，隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)沒(méi)有確定的規(guī)則，只能根據(jù)訓(xùn)練的結(jié)果來(lái)增減［5－6］。

3 網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練

學(xué)習(xí)樣本的選取在BP網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練中是非常重要的，在振動(dòng)壓路機(jī)實(shí)時(shí)檢測(cè)中，學(xué)習(xí)樣本數(shù)據(jù)應(yīng)該能表示全部的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，即選取數(shù)據(jù)前根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的加速度數(shù)據(jù)的取值范圍來(lái)選取，試驗(yàn)一共選取了3段不同級(jí)配的土壤，每段土壤均壓實(shí)7遍以上，同時(shí)記錄相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的土壤壓實(shí)度值。表1給出了部分學(xué)習(xí)樣本的數(shù)據(jù)。訓(xùn)練函數(shù)的選取也要根據(jù)選取訓(xùn)練結(jié)果的好壞來(lái)判斷［7－8］。

表1 學(xué)習(xí)樣本Table 1 Learning samples

網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練誤差應(yīng)根據(jù)壓實(shí)度實(shí)際需要的精確度來(lái)衡量，根據(jù)實(shí)際需要把誤差限定在5%，將學(xué)習(xí)樣本帶入建立好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中訓(xùn)練，經(jīng)過(guò)不斷的更改隱層神經(jīng)元數(shù)目和訓(xùn)練函數(shù)后，在隱層神經(jīng)元數(shù)目達(dá)到45個(gè)，采用自適應(yīng)性lr度下降訓(xùn)練函數(shù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練達(dá)到規(guī)定的訓(xùn)練誤差［8－9］，如圖2。

圖2 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過(guò)程Fig.2 The process of network training

4 土壤壓實(shí)度數(shù)據(jù)檢驗(yàn)及預(yù)測(cè)

為了驗(yàn)證訓(xùn)練后的網(wǎng)絡(luò)可行性，可將其它測(cè)量數(shù)據(jù)帶入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行檢驗(yàn)，表2給出了一組驗(yàn)證樣本。

通過(guò)計(jì)算，仿真結(jié)果最大誤差為3.775%，最小誤差為1.018%。數(shù)據(jù)對(duì)比如圖3。

5 結(jié)語(yǔ)

從仿真結(jié)果來(lái)看，初步達(dá)到了加速度和壓實(shí)度的映射關(guān)系，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)運(yùn)用到振動(dòng)壓路機(jī)在線檢測(cè)上面來(lái)是可行的。通過(guò)加速度傳感器檢測(cè)的加速度數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)預(yù)處理之后，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的識(shí)別可以很好的映射了振動(dòng)加速度和土壤壓實(shí)度之間的關(guān)系。

表2 驗(yàn)證樣本Table 2 The validation of sample

圖3 驗(yàn)證數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.3 The comparison of data

［1］曹源文.振動(dòng)壓路機(jī)壓實(shí)度實(shí)時(shí)連續(xù)檢測(cè)技術(shù)研究報(bào)告［R］.重慶:重慶交通大學(xué)，2008.

［2］秦四成.振動(dòng)壓路機(jī)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［3］李冰，焦生杰.振動(dòng)壓路機(jī)與振動(dòng)壓實(shí)技術(shù)［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［4］邱聲，曹源文.非線性有限元在振動(dòng)壓實(shí)中的應(yīng)用［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，30(2):270 －272.Qiu Sheng，Cao Yuanwen.Analysis and application of nonlinear finite element on vibration compaction［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science，2011，30(2):270 －272.

［5］董長(zhǎng)虹.MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2007.

［6］張德豐.MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真與應(yīng)用［M］.上海:電子工業(yè)出版社，2009.

［7］胡伍生.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論及其工程應(yīng)用［M］.北京:測(cè)繪出版社，2006.

［8］張德豐.MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［9］周開(kāi)利，康耀紅.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型及其MATLAB仿真程序設(shè)計(jì)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2001.