論人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在巖土工程中應(yīng)用

文/高維澤 遼寧省冶金地質(zhì)勘查局四〇二隊(duì) 遼寧鞍山 114038

1、引言

近些年來(lái)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)迅速發(fā)展，已經(jīng)成為了前沿學(xué)科的研究“熱點(diǎn)”。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)非線性的系統(tǒng)，能夠在研究復(fù)雜的巖石工程問(wèn)題中提供一些新的思維與方法。本文將簡(jiǎn)明闡述人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的歷史，與其在巖土工程中的應(yīng)用、存在的問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì),希望能夠起到拋磚引玉的作用，進(jìn)一步促進(jìn)這一方面的相關(guān)研究。

2、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的研究歷史

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從1943年首次被提出到如今已經(jīng)有了70多年的歷史，其主要的特點(diǎn)在于模擬人腦的構(gòu)造。在過(guò)去的70多年里，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)歷了多次的修正與發(fā)展，尤其是在信息技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)期，人工智能取得了顯著性的成就，使得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究一度陷入低谷；隨著人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的不斷發(fā)展，尤其是定量化的方法與計(jì)算出現(xiàn)后，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論又重新喚起了生計(jì)，尤其是在BP算法的出現(xiàn)成為了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究中一個(gè)突出的成果，為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)成為當(dāng)今最流行的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)；1987年，在美國(guó)召開(kāi)的第一屆國(guó)際神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會(huì)議標(biāo)志著國(guó)際神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)會(huì)成立，這就為今后神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展提供了保證，使得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)成為世界各國(guó)發(fā)展高性能混合計(jì)算機(jī)的契機(jī)。

同時(shí)我們應(yīng)該清楚的認(rèn)識(shí)到，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不是萬(wàn)能的。但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的一些領(lǐng)域，例如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性映射、分類系統(tǒng)等基本特征已經(jīng)成為了一種關(guān)鍵的信息處理方式。因此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在一些傳統(tǒng)方法無(wú)法解決的問(wèn)題中仍能起到很好的作用，能夠普遍應(yīng)用于工程和部分學(xué)科的研究領(lǐng)域。

3、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在巖土工程中的應(yīng)用

在土木工程中引入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)要追述到上個(gè)世紀(jì)八十年代末，最早是用來(lái)解決工程施工程序的問(wèn)題。后來(lái)隨著研究領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所使用的領(lǐng)域越來(lái)越寬廣，已經(jīng)涉及到很多工程領(lǐng)域之中。在巖土工程領(lǐng)域，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過(guò)程，首先可以解決樣本的問(wèn)題，同時(shí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算結(jié)果具有較高的精確度。因此，從上世紀(jì)九十年代至今，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在巖土工程中適用的領(lǐng)域越來(lái)越寬廣，可以解決的問(wèn)題越來(lái)越來(lái)，效果越來(lái)越明顯，已經(jīng)成為了巖土工程的一個(gè)重要研究方法。目前，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在巖土工程中的應(yīng)用具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

3.1 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在樁基工程中的應(yīng)用

樁基工程是巖土工程最基礎(chǔ)的一項(xiàng)工程，巖土工程在樁基工程中,一個(gè)穩(wěn)定扎實(shí)的樁基工程能夠決定巖土工程是否能達(dá)到相關(guān)的要求。由于樁基工程中預(yù)測(cè)樁的極限承載力、判定樁身完整性等方面是一個(gè)及其復(fù)雜的模型，使用傳統(tǒng)的方法與模型已經(jīng)無(wú)法高度擬合。而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以從多個(gè)方面與角度解決這一難題，在具體的施工過(guò)程中一方面可以利用樁的長(zhǎng)徑比建立一個(gè)測(cè)樁的極限承載力的模型；另一方面可以利用應(yīng)力波反射波法的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析方法解決樁身的完整性問(wèn)題。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入到樁基工程的中，能夠綜合考慮到樁基工程的各個(gè)方面，從而提高工程的質(zhì)量，這就使得人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)成為巖土工程應(yīng)用的一個(gè)典例。

3.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在基坑工程中的應(yīng)用

土木工程中最復(fù)雜的技術(shù)領(lǐng)域就是深基坑工程，因?yàn)槠渚哂须[秘性、復(fù)雜性的特點(diǎn)。目前在深基坑工程中存在的最主要的問(wèn)題就是在于理論和方法不能與實(shí)際施工過(guò)程完美結(jié)合而導(dǎo)致的較為嚴(yán)重的偏差。因此，在基坑工程的各個(gè)環(huán)節(jié)中進(jìn)行動(dòng)態(tài)的設(shè)計(jì)與開(kāi)展信息化的施工是十分必要的。例如，在基坑工程早起開(kāi)挖的過(guò)程中應(yīng)該進(jìn)行變形預(yù)測(cè)，了解所施工地段的環(huán)境以及巖土構(gòu)成，掌握其內(nèi)在的規(guī)律性，從而促進(jìn)工程的安全開(kāi)展。另一方面，由于基坑在施工過(guò)程中可能存在著很多的不確定因素，其出現(xiàn)的變形觀測(cè)值就可能出現(xiàn)很大波動(dòng)以及不確定性?；谶@種背景之下，就可以引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理來(lái)解決在施工過(guò)程中可能遇到的問(wèn)題。具體的做法就是建立影響基坑變形的各因素與位移之間的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型.其二,可以將變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)用一個(gè)時(shí)間序列來(lái)代替，根據(jù)已經(jīng)出現(xiàn)的數(shù)據(jù)尋找出相對(duì)應(yīng)的函數(shù)規(guī)律，從而對(duì)系統(tǒng)未來(lái)的演變與發(fā)展進(jìn)行預(yù)測(cè)，提前預(yù)防基坑不合理變形帶來(lái)的危害。

3.3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在邊坡工程中的應(yīng)用

邊坡工程具有高度的復(fù)雜性和非線性工程，同樣被視作土木工程中一個(gè)復(fù)雜性的工程，其本身可以被看作是一個(gè)開(kāi)放式的工程體系。影響邊坡工程的因素是多方面的，最主要表現(xiàn)在地形地質(zhì)因素、巖體因素、人為因素等多個(gè)方面，而這些主要的因素都是無(wú)法用線性解釋的。這就使得傳統(tǒng)的線性模型與邊坡工程的特征與其影響因素存在著較大的差異，因此使用傳統(tǒng)的線性模型是無(wú)法正確模擬出邊坡工程模型的。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有非線性的特點(diǎn)，而且還能把影響邊坡工程的要素例如地形因素、巖體因素和外在影響因素等建立了邊坡穩(wěn)定性研究分析的BP模型，這就對(duì)于研究邊坡工程具有了一種普遍的實(shí)用方法。

除上述之外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)還能運(yùn)用在土的動(dòng)力學(xué)研究、巖體爆破研究、地基承載力計(jì)算等多個(gè)方面。

結(jié)語(yǔ)：

巖土工程在各已知量和未知量之間有著很強(qiáng)的非線性關(guān)系，我們可以把巖土工程看作是一個(gè)復(fù)雜的高難度的非線性模型。在傳統(tǒng)研究方法無(wú)法正確模擬巖土工程模型或者無(wú)法提供高精度的計(jì)算時(shí)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)因其是具有模仿生物大腦結(jié)構(gòu)和功能的一種系統(tǒng),能夠較好的反映巖土工程的相關(guān)問(wèn)題。但是，我們?cè)谘芯咳斯ど窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)在巖土工程中的應(yīng)用時(shí)應(yīng)該掌握好一個(gè)尺度，能從客觀上認(rèn)識(shí)到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的作用以及它所存在的局限性，不能夸大或者埋沒(méi)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在巖土工程研究中的作用導(dǎo)致神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這些技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用出現(xiàn)誤區(qū)?？傊?，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在巖土工程的研究已經(jīng)設(shè)計(jì)到多個(gè)領(lǐng)域，但是在使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時(shí)仍存在一些問(wèn)題需要工程界關(guān)注并能尋找出最優(yōu)的解決方案。

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