混凝土配比過程的專家系統(tǒng)設(shè)計①

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(佳木斯大學(xué)建筑工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引 言

當(dāng)前混凝土配合比設(shè)計主要采用依據(jù)水灰比的經(jīng)驗公式為基礎(chǔ)，再通過查閱相關(guān)圖表來確定配比過程中的參數(shù)值，屬于半定量計算方法。其配合比設(shè)計方法[1]很大程度要依賴設(shè)計者的經(jīng)驗，因此設(shè)計周期長，不利于計算機控制實現(xiàn)。隨著計算機科學(xué)、材料科學(xué)，混凝土配比技術(shù)已逐步走上從經(jīng)驗到理論、從定性到定量的發(fā)展道路[2]。近些年，許多科研工作者逐漸將遺傳算法[3]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[4]等人工智能技術(shù)應(yīng)用到混凝土配合比設(shè)計當(dāng)中，已取得了一系列的科研成果。季韜提出基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計方法[5]；王繼宗將遺傳算法應(yīng)用于混凝土配合比的優(yōu)化設(shè)計中[6]。

傳統(tǒng)配比設(shè)計變量少、周期長、不易計算機實現(xiàn)，而其它的智能配比算法實現(xiàn)步驟復(fù)雜，不利系統(tǒng)維護與開發(fā)。為此，將專家系統(tǒng)應(yīng)用于混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計方法過程中，由于混凝土配比尚處于半定量設(shè)計階段，配比人員的經(jīng)驗在整個過程起到重要的作用，而專家系統(tǒng)的優(yōu)勢就在于將實際工作中的專家經(jīng)驗進(jìn)行分析，進(jìn)而設(shè)計出方便快捷符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的配比系統(tǒng)。所采用的專家系統(tǒng)是在傳統(tǒng)配比方法的基礎(chǔ)上加上專家控制理論，而提出的“二步法”專家控制配比理論[7]，并通過反復(fù)學(xué)習(xí)算法實現(xiàn)自動調(diào)整專家系統(tǒng)中的控制參數(shù)。經(jīng)過多批次幾百組的試驗數(shù)據(jù)生成混凝土配合比的知識庫，實現(xiàn)混凝土智能配比。

1 涉及到的定義和原理

專家系統(tǒng)作為智能系統(tǒng)中第一個被廣泛應(yīng)用的方法，專家控制系統(tǒng)則是一個應(yīng)用專家系統(tǒng)技術(shù)的控制系統(tǒng)，也是一個典型的、廣泛應(yīng)用知識的控制系統(tǒng)。專家控制系統(tǒng)的所有行為全被自適應(yīng)所支配，因此控制系統(tǒng)必須能夠解釋當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)，預(yù)判將要發(fā)生的行為，診斷問題產(chǎn)生的原因，做出相應(yīng)的補救方案，并監(jiān)控方案的執(zhí)行并確保成功。專家控制系統(tǒng)分為間接專家控制系統(tǒng)和直接專家控制系統(tǒng)，間接專家控制系統(tǒng)控制器間接地作用于受控制過程，又稱為參數(shù)自適應(yīng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用間接專家控制方式。

定義1：專家系統(tǒng)是一個智能計算機程序系統(tǒng)，其內(nèi)部含有大量的某個領(lǐng)域?qū)＜宜降闹R和經(jīng)驗，能夠利用人類專家的知識和解決問題的方法處理該領(lǐng)域的問題。

定義2：知識庫用于存儲某領(lǐng)域?qū)＜蚁到y(tǒng)的專門知識，包括事實可行操作與規(guī)則。

定義3：反復(fù)學(xué)習(xí)控制是一種學(xué)習(xí)控制策略，它反復(fù)用先前試驗得到的信息(而不是系統(tǒng)參數(shù)模型)，已獲得能夠產(chǎn)生期望輸出軌跡的控制輸入改善控制質(zhì)量。

2 傳統(tǒng)的混凝土配合比方法

目前常規(guī)的普通混凝土配合比的方法，首先依據(jù)原始資料進(jìn)行初步配比的計算，獲得“理論配合比”；之后經(jīng)過試驗室試配、調(diào)整和確定滿足施工過程中的和易性要求的“基準(zhǔn)配合比”；然后依據(jù)基準(zhǔn)配合比進(jìn)行強度和表觀密度的調(diào)整，指定滿足設(shè)計與施工要求的“實驗室配合比”；最后依據(jù)實際砂石含水率將實驗室配合比換算成“生產(chǎn)配合比”[8,9]。實際混凝土試配工作中操作比較復(fù)雜，應(yīng)用計算機實現(xiàn)程序設(shè)計不易。因此目前主要的配比方法都是在人工監(jiān)測下配置，目前常規(guī)的混凝土配制過程具體描述如下。

步驟1 確定配制強度fcu,0，若設(shè)計強度大于C60時，fcu,0>=fcu,k+1.645σ，否則fcu,0>=1.15fcu,k步驟2 計算水膠比W/B?；炷翉姸鹊燃壭∮贑60時W/B=(αafb)/(fcu,0+αaαbfb)。

步驟3 依據(jù)施工拌合物稠度要求確定用水量mw0，再結(jié)合步驟2獲得的水膠比W/B求出水泥用量mc0。

步驟4 根據(jù)骨料技術(shù)指標(biāo)、塌落度和施工要求確定沙率βs，應(yīng)用質(zhì)量法計算粗細(xì)骨料用量。

步驟5 混凝土試件經(jīng)28d養(yǎng)護后，測定其強度fce，若fce

步驟6 混凝土表觀密度校正確定實驗室配合比。

步驟7 依據(jù)施工現(xiàn)場砂和碎石的含水率計算施工配合比，至此混凝土配比結(jié)束。

上述的配比過程中，所有步驟完全符合設(shè)計規(guī)范要求，為何經(jīng)28d養(yǎng)護后混凝土強度時常不符合施工要求？原因在于傳統(tǒng)的配合比方法是一種計算試配法，其計算準(zhǔn)則是采用逐級填充的原理，即水和水泥組成水泥漿，用水泥漿填充砂的空隙形成砂漿，再用砂漿填充石子空隙形成混凝土；并且配合比計算為粗略計算誤差較大，以此計算結(jié)果作為配比材料用量很難滿足使用要求[10]。傳統(tǒng)的配合比方法以經(jīng)驗為基礎(chǔ)的半定量方法，按照計算所得材料用量制備混凝土試件，若是測試的強度結(jié)果滿足要求，則采用此配合比；若是不滿足，需要進(jìn)一步調(diào)整配合比，直到滿足性能要求為止。

3 智能配比系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

3.1 系統(tǒng)分析

混凝土的性能指標(biāo)主要有：28d抗壓強度、坍落度與混凝土造價?；炷林饕M成材料為：水泥、水、砂子、石子、粉煤灰、硅灰，依據(jù)國內(nèi)外研究水膠比是影響混凝土的主要因素，上述人工配比方法操作對水膠比獲得比較簡便易于實現(xiàn)，但很難在步驟2給定恰當(dāng)?shù)呐浔戎?，以滿足步驟5養(yǎng)護后混凝土強度的要求。并且在強度低于標(biāo)準(zhǔn)范圍時，很難給出下一步的水膠比的量度標(biāo)準(zhǔn)。為了實現(xiàn)精確快速的混凝土水膠比控制，根據(jù)被控對象的特性建立專家控制系統(tǒng)方式，控制流程見圖1。

圖1 混凝土配比系統(tǒng)控制流程圖

3.2 “二步法”專家控制算法

為獲得全計算配比方法操作在步驟2確定恰當(dāng)?shù)乃z比W/B，采用專家系統(tǒng)配比方式。將水膠比獲取過程分成計算、精調(diào)兩步。計算過程采用傳統(tǒng)全計算配比方法確定水膠比W/B。28d養(yǎng)護后測出混凝土強度值fce，再根據(jù)三組配合比試件獲得基于水膠比的混凝土強度變化率K。然后將實測強度與混凝土立方體抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值fcu，k比較得到強度偏差e(n)，若強度偏差小于零，則依據(jù)專家系統(tǒng)調(diào)整水膠比值W/B(n)，進(jìn)行精調(diào)向混凝土中補充指定量的水泥或水，并再次試配養(yǎng)護測出混凝土強度值fce，直到強度符合要求結(jié)束混凝土試配過程。

4 結(jié) 語

伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步與建筑業(yè)的發(fā)展，土木工程領(lǐng)域?qū)炷敛牧系男阅芤笤絹碓礁摺ζ胀ɑ炷僚浔仍囼灥乃z比部分進(jìn)行改進(jìn)，提出了擬人的二步法專家配比理論，同時應(yīng)用反復(fù)學(xué)習(xí)算法來自動調(diào)整專家系統(tǒng)中控制參數(shù)。經(jīng)過大量的實驗證明本控制方法有效、穩(wěn)定、混凝土配比符合JGJ55-2011國家標(biāo)準(zhǔn)?；炷僚浔刃矢哂谄渌麄鹘y(tǒng)方法，并經(jīng)過多次實驗驗證其工作效率為傳統(tǒng)人工操作的4～5倍，同時算法原理簡便，易于編程實現(xiàn)有很好的應(yīng)用推廣價值。

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