巖土工程不確定性系統(tǒng)研究及其工程應(yīng)用

于天順++耿春雨

摘 要：在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)，巖土問題也隨之暴露出來。在地下工程使用的巖土材料本身的隨機(jī)性、模糊性和不確定性使得巖土問題更增加了多場(chǎng)（溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)）、多態(tài)（氣態(tài)、固態(tài)、液態(tài)）的復(fù)雜耦合問題，給具體的施工帶來了許多困難，因此，本文就針對(duì)巖土工程中的不確定性進(jìn)行了研究和探討。

關(guān)鍵詞：巖土工程 不確定性系統(tǒng) 專家系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TU311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）05（a）-0059-01

由于巖土自身性質(zhì)的模糊性和地質(zhì)勘探技術(shù)的局限性使得在施工過程中的巖土問題更加復(fù)雜，再加上外界因素的影響，巖土模型的選取和力學(xué)分析的難度就更大。為了實(shí)現(xiàn)城市現(xiàn)代化和生態(tài)和諧發(fā)展，要充分將新理念、新技術(shù)、新方法應(yīng)用到系統(tǒng)研究上來。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著社會(huì)現(xiàn)代化的發(fā)展，交通運(yùn)輸不斷發(fā)達(dá)，人們對(duì)空間的需求越來越大，尤其是地下空間的利用，包括地鐵、邊坡工程、隧道等在內(nèi)的巖土工程，不斷的用來改善急劇增加的人口密度問題。但是，由于在巖土工程中存在許多不確定性，使得在工程安全和可持續(xù)發(fā)展等方面還有許多尚未解決的科技問題。

從目前的研究現(xiàn)狀來看，自從20世紀(jì)初人們就已經(jīng)開始著手研究不確定性系統(tǒng)。在此類問題的研究上人們使用的是反分析的方法，即經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量信息確定計(jì)算參數(shù)的反分析問題研究，經(jīng)過專業(yè)人員三十多年的研究發(fā)展，反分析問題研究逐漸由開始的線性發(fā)展到非線性，研究的材料也由均質(zhì)過渡到非均質(zhì)，而確定性反分析的研究方式也發(fā)展成了非確定性的反分析研究。

經(jīng)過目前分析研究成果，將巖土工程的研究現(xiàn)狀和發(fā)展時(shí)期分為以下三個(gè)時(shí)期：

（1）70年代初到80年代初為反分析發(fā)展的初期。在這個(gè)時(shí)期主要使用基于線性問題的逆分析方法進(jìn)行算法建立和反分析理論的研究，并且在水電工程中廣泛應(yīng)用。其中主要代表人有Kazanagh等人提出的基于反演彈性固體的彈性模量的有限元法；Kirsten在巖土工程勘測(cè)討論會(huì)上使用的量測(cè)變形分析方法等。

（2）80年代初到90年代初為反分析的進(jìn)一步發(fā)展時(shí)期。在這個(gè)時(shí)期逐漸出現(xiàn)了基于不同本構(gòu)關(guān)系和算法的反分析法，并且將現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)條件和實(shí)際應(yīng)用等情況考慮在內(nèi)，因此，這個(gè)時(shí)期發(fā)展的反分析法更為成熟。其中代表人主要有Gioda G等人提出的使用概率統(tǒng)計(jì)來分析巖土參數(shù)的算法；郭懷志等人提出的基于回歸分析的模擬巖體的應(yīng)力場(chǎng)等。

（3）90年代初到今天。在這個(gè)階段進(jìn)行了巖土模型的識(shí)別問題的研究，這些分析法研究中更是加入了系統(tǒng)性和信息論的理論，因此這個(gè)時(shí)期提出的遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等都將對(duì)施工的影響和動(dòng)態(tài)施工的具體技術(shù)考慮在內(nèi)。主要代表人有李素華等人提出的使用四中優(yōu)化算法對(duì)彈性橫向觀同性的優(yōu)化反演分析；袁勇等人提出的使用系統(tǒng)辨識(shí)理論和力學(xué)原理研究的巖體本構(gòu)模型。

2 不確定性系統(tǒng)的研究

本文的研究對(duì)象是沿途體與支護(hù)結(jié)構(gòu)復(fù)合體，并將其看作是復(fù)雜的動(dòng)力系統(tǒng)來分析，在巖土工程測(cè)量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上采用正演和反演相結(jié)合的分析方法，將施工過程的進(jìn)展情況反饋給決策者，以便決策者及時(shí)掌握施工情況。而本文研究的重點(diǎn)就是根據(jù)巖土工程不確定性系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行分析，建立智能專家系統(tǒng)。以下就是專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

2.1 基本結(jié)構(gòu)

專家系統(tǒng)從本質(zhì)上來說就是一個(gè)智能的計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)。它的實(shí)現(xiàn)主要是建立在研究專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)上，利用專家解決問題的方法來處理問題，主要原理是建立一個(gè)囊括了專門的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的程序系統(tǒng)，以專家的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)進(jìn)行推理和判斷，進(jìn)而模擬出專家的決策過程。

一個(gè)完整的專家系統(tǒng)需有幾點(diǎn)特征：推理性、透明性、靈活性和啟發(fā)性，主要有以下幾個(gè)部分組成：知識(shí)庫、數(shù)據(jù)庫、推理機(jī)、上下文、癥兆提取器、學(xué)習(xí)系統(tǒng)、解釋器。知識(shí)庫主要是用來存放專家的經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)，在這里，知識(shí)庫的結(jié)構(gòu)形式主要由知識(shí)的表示方式來決定，具體常見的知識(shí)形式有邏輯表示、規(guī)則表示、語義網(wǎng)絡(luò)表示、框架表示、子程序等；數(shù)據(jù)庫主要是用來存放反應(yīng)系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)的數(shù)據(jù)，通常分為靜態(tài)數(shù)據(jù)庫和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫，在這里，靜態(tài)數(shù)據(jù)是指相對(duì)穩(wěn)定地?cái)?shù)據(jù)，例如圍巖的參數(shù)、支護(hù)結(jié)構(gòu)的尺寸等，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)主要指的是施工過程中產(chǎn)生的參數(shù)，例如測(cè)量數(shù)據(jù)、施工進(jìn)度等；推理機(jī)是一組軟件程序，主要用來控制和協(xié)調(diào)整個(gè)專家系統(tǒng)；上下文主要作用是存放中間結(jié)果，用來輔助推理機(jī)的工作，和記事文檔作用一樣，可以擦除和重寫；癥兆提取器主要是用來消除由于操作水平的差異性而導(dǎo)致的誤差，在這里，提取征兆簡(jiǎn)單而有效的方法就是特征參數(shù)計(jì)算；學(xué)習(xí)系統(tǒng)主要是將專家腦中的知識(shí)提取出來并進(jìn)行總結(jié)處理，再將歸納的知識(shí)進(jìn)行程序化，以建立知識(shí)庫；解釋器主要作用是根據(jù)什么而得出結(jié)論，并可以回答客戶提出的任何問題。

2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

目前專家系統(tǒng)仍存在不足之處：獲取知識(shí)能力不夠；推理能力差；智能化水平較低；系統(tǒng)的層次較少。針對(duì)上述缺點(diǎn)，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與專家系統(tǒng)結(jié)合起來形成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)，以下為具體實(shí)現(xiàn)方式：

（1）知識(shí)表示。知識(shí)表示就是將知識(shí)轉(zhuǎn)化成機(jī)器可以理解的形式，使傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)具有人的智能，具備人的知識(shí)及工作能力，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)庫主要是利用自身的分布式連接機(jī)制來表示知識(shí)，在這里，知識(shí)不再以孤立的規(guī)則表示出來，而是以相互關(guān)聯(lián)的權(quán)值和臨界值表現(xiàn)出來。

（2）知識(shí)獲取。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)中，獲取知識(shí)也就是獲取和選擇訓(xùn)練樣本，然后系統(tǒng)通過特定的算法進(jìn)行學(xué)習(xí)，再經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的自適應(yīng)算法整合修改之后，將專家的啟發(fā)式知識(shí)分布到網(wǎng)絡(luò)的互連上，在這個(gè)過程中，每個(gè)知識(shí)點(diǎn)的都是由若干個(gè)與之相連接的神經(jīng)元的權(quán)值和輸入信息組成。

（3）推理機(jī)制。主要分為三種機(jī)制：正向推理機(jī)制、反向推理機(jī)制、混合推理機(jī)制，其中用的最廣泛的是混合推理機(jī)制，即神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)根據(jù)輸入的部分已知信息提出發(fā)生概率最大的事件，然后根據(jù)相關(guān)知識(shí)驗(yàn)證這種假設(shè)，若假設(shè)成立，則推理結(jié)束；反之，再做出新的假設(shè)，繼續(xù)驗(yàn)證，直到假設(shè)成立之后結(jié)束。

（4）解釋機(jī)制。解釋機(jī)制的實(shí)現(xiàn)主要是將蘊(yùn)含于輸入層的神經(jīng)元和輸出層的神經(jīng)元的物理含義以及對(duì)應(yīng)的連接強(qiáng)度結(jié)合起來形成規(guī)則，進(jìn)而利用這些形成的規(guī)則實(shí)現(xiàn)機(jī)制的解釋功能。

3 結(jié)語

綜上所述，本文研究的智能專家系統(tǒng)將專家經(jīng)驗(yàn)、工程施工經(jīng)驗(yàn)、數(shù)值理論分析、現(xiàn)場(chǎng)勘探等技術(shù)融合在了一起，充分的對(duì)傳統(tǒng)的巖土工程技術(shù)進(jìn)行了改造和提高，并結(jié)合了實(shí)際情況，使得在應(yīng)用中更加科學(xué)、合理。然而，巖土體本身屬于自然地質(zhì)范疇，在構(gòu)造上具有其特有獨(dú)特性和變異性，使得難以分析其物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)，因此，對(duì)于巖土問題的分析要從工程地質(zhì)的觀點(diǎn)出發(fā)，并與施工特點(diǎn)相結(jié)合來進(jìn)行相關(guān)的勘探，更要遵循環(huán)保節(jié)約、因地制宜的原則，充分的利用好每一寸土地，并將更先進(jìn)更科學(xué)的技術(shù)應(yīng)用到解決巖土問題中來。

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