基于極限學(xué)習(xí)機(jī)的新型建筑材料力學(xué)性能預(yù)測(cè)方法

張勇

（青島酒店管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院 酒店工程學(xué)院，山東 青島 266100）

如新型水泥基復(fù)合材料，高強(qiáng)、高性能混凝土材料，新型墻體材料，新型建筑隔熱和吸聲材料等都屬于當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛并且關(guān)注度較高的新型建筑材料，如果能夠妥善地對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用不但可以達(dá)到最初的建筑目的，還可以在完成相關(guān)設(shè)計(jì)的同時(shí)滿足其他的需求，因此如何能夠良好的應(yīng)用這些新型建筑材料是目前國(guó)內(nèi)外較為關(guān)注的焦點(diǎn)之一[1]。據(jù)資料顯示，投入應(yīng)用的新型建筑材料普遍都是在滿足最初的本質(zhì)要求標(biāo)準(zhǔn)上增添了其他的些許功能，從而達(dá)到包容性更高、應(yīng)用層次更廣的目的[2]。而要達(dá)到這一目的，就要使建筑材料的自身結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，在這一過(guò)程中它的力學(xué)性能也會(huì)隨之發(fā)生改變，經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外科學(xué)家與相關(guān)工作人員長(zhǎng)時(shí)間的觀察與總結(jié)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前能否良好應(yīng)用好新型建筑材料的主要要素就是能否精確的對(duì)新型建筑材料的力學(xué)性能進(jìn)行預(yù)測(cè)[3]。目前國(guó)內(nèi)外預(yù)測(cè)新型建筑材料力學(xué)性能的主要手段都是采用模擬環(huán)境抽樣觀察的方式來(lái)進(jìn)行，就是在特定的環(huán)境下加快新型建筑材料的應(yīng)用進(jìn)程并在該過(guò)程中記錄新型建筑材料的力學(xué)性能各項(xiàng)指標(biāo)，以達(dá)到預(yù)測(cè)的目的。然而該手段不但資金要求過(guò)高且耗時(shí)長(zhǎng)，而且得到的預(yù)測(cè)結(jié)果也可能并不具有普遍性，因此這仍是該領(lǐng)域的一大難題[4]。本文通過(guò)極限學(xué)習(xí)機(jī)設(shè)計(jì)了一種新的新型建筑材料力學(xué)性能預(yù)測(cè)方法，該方法可以應(yīng)用極限學(xué)習(xí)機(jī)理念將新型建筑材料的各項(xiàng)力學(xué)性能因子化并相對(duì)應(yīng)地進(jìn)行提取分析，最終達(dá)到預(yù)測(cè)的目的，不但準(zhǔn)確而且高效。

1 基于極限學(xué)習(xí)機(jī)的新型建筑材料力學(xué)性能因子提取

目前所需要預(yù)測(cè)的新型建筑材料的力學(xué)性能主要包括彈性極限、強(qiáng)度極限、斷裂韌性、抗沖擊性、疲勞度等，本文通過(guò)極限學(xué)習(xí)機(jī)的算法理念設(shè)計(jì)出來(lái)一種雙隱層的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[5]。

本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以通過(guò)極限學(xué)習(xí)機(jī)的相關(guān)公式(1)來(lái)對(duì)它們整體的溫度、濕度、密度以及材料混合比例進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算，通過(guò)相關(guān)的計(jì)算可以達(dá)到提取彈性極限因子、強(qiáng)度極限因子、斷裂韌性因子、抗沖擊性因子、疲勞因子的目的[6]。其中，T, W, M, K 分別為這類(lèi)復(fù)合類(lèi)建筑材料的整體的溫度、濕度、密度以及材料混合比例，a, b, c, d, e分別為該雙隱層的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)公式計(jì)算所提取的彈性極限因子、強(qiáng)度極限因子、斷裂韌性因子、抗沖擊性因子、疲勞因子，它們構(gòu)成了接下來(lái)需要進(jìn)行分析的力學(xué)性能因子分析組A, B, C, D, E，但是各因子組中只有一個(gè)因子是最接近該類(lèi)新型建筑材料力學(xué)性能的表達(dá)因子[7]。

而針對(duì)新型建筑隔熱和吸聲材料等這一類(lèi)高度成型的新型建筑材料，本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以通過(guò)極限學(xué)習(xí)機(jī)的相關(guān)公式(2)來(lái)對(duì)它們的面積、組成成分、高度成型率進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而得到所提取的彈性極限因子、強(qiáng)度極限因子、斷裂韌性因子、抗沖擊性因子、疲勞因子[8]。

其中，S, X, Y 分別為這一類(lèi)高度成型的新型建筑材料的面積、組成成分以及高度成型率，而由于新型建筑材料的力學(xué)性能本質(zhì)相同，所以該雙隱層的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)公式計(jì)算所提取的彈性極限因子、強(qiáng)度極限因子、斷裂韌性因子、抗沖擊性因子、疲勞因子也可以用a, b, c, d, e 來(lái)表示，得到的力學(xué)性能因子分析組也為A, B, C, D, E[9]。

2 基于極限學(xué)習(xí)機(jī)的新型建筑材料力學(xué)性能因子分析與預(yù)測(cè)

當(dāng)完成對(duì)新型建筑材料力學(xué)性能因子的提取后，本文會(huì)通過(guò)極限學(xué)習(xí)機(jī)理念創(chuàng)造的雙隱層的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分別對(duì)所提取的彈性極限因子、強(qiáng)度極限因子、斷裂韌性因子、抗沖擊性因子、疲勞因子分別進(jìn)行分析，從而得到各因子組中最為準(zhǔn)確的最終表達(dá)因子[10]。

彈性極限因子所構(gòu)成的因子組A 主要表示了相對(duì)應(yīng)的新型建筑材料在受到外力一段時(shí)間后并去掉外力，該新型建筑材料能夠恢復(fù)原狀的最大外力極限，本文的預(yù)測(cè)算法創(chuàng)造的雙隱層的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會(huì)對(duì)彈性極限因子組A 進(jìn)行觀察分析，最終因子組A 中波動(dòng)性最強(qiáng)的因子ax則為我們最終分析得到的彈性極限表達(dá)因子[11]。

強(qiáng)度極限因子所構(gòu)成的因子組B 主要表示了相對(duì)應(yīng)的新型建筑材料產(chǎn)生損毀時(shí)受到的外力極限，繼續(xù)采用上述方法對(duì)強(qiáng)度極限因子組B 進(jìn)行觀察分析時(shí)，其中穩(wěn)定時(shí)間最長(zhǎng)的因子bx即為分析得到的最終強(qiáng)度極限表達(dá)因子[12]。

斷裂韌性因子所構(gòu)成的因子組C主要表示了新型建筑材料在出現(xiàn)斷裂紋后抵抗裂紋能力擴(kuò)展的一種度量，本文在對(duì)斷裂韌性因子組C 進(jìn)行分析時(shí)需要通過(guò)公式(3)來(lái)進(jìn)行計(jì)算，最終得到斷裂韌性表達(dá)因子cx。

由于新型材料的斷裂韌性與其彈性極限以及強(qiáng)度極限有著直接的關(guān)系，因此在分析斷裂韌性表達(dá)因子cx時(shí)只有最符合上述關(guān)系式的c 才為最終得到斷裂韌性表達(dá)因子cx。彈性極限表達(dá)因子、強(qiáng)度極限表達(dá)因子斷裂韌性表達(dá)因子3 種因子的分析圖如圖1 所示。

抗沖擊性因子所構(gòu)成的因子組D主要表示了相對(duì)應(yīng)的新型建筑材料抗沖擊破壞的能力，仍然采用之前的方法沖擊因子組D 中的所有因子，得到最終抗沖擊性表達(dá)因子dx[13]。

疲勞因子組成的因子組E 主要表示了相對(duì)應(yīng)的新型建筑材料永久性損傷逐漸增加直至完全被破壞的一個(gè)過(guò)程，設(shè)計(jì)算法創(chuàng)造的雙隱層的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會(huì)對(duì)疲勞因子組E 分析時(shí)會(huì)通過(guò)公式(4)來(lái)進(jìn)行計(jì)算，最終得到疲勞表達(dá)因子。

圖1 3 種因子的具體分析圖

圖2 5 種表達(dá)因子的具體關(guān)系圖

因?yàn)樾滦徒ㄖ牧系钠诙扰c它的彈性極限、強(qiáng)度極限性、斷裂韌性、抗沖擊性都有著直接的關(guān)系，因此在計(jì)算得到最佳的疲勞表達(dá)因子時(shí)，需要將上述4 類(lèi)最佳表達(dá)因子都代入計(jì)算，從而得到最終的疲勞因子ex[14]。上述5 種表達(dá)因子的具體關(guān)系圖如圖2 所示。

在對(duì)提取的彈性極限因子、強(qiáng)度極限因子、斷裂韌性因子、抗沖擊性因子、疲勞因子進(jìn)行充分分析得到各自的表達(dá)因子后，通過(guò)本文預(yù)測(cè)算法創(chuàng)造的雙隱層的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)這些表達(dá)因子進(jìn)行預(yù)測(cè)，進(jìn)而達(dá)到對(duì)復(fù)合類(lèi)新型建筑材料與高度成型類(lèi)新型建筑材料分別進(jìn)行充分預(yù)測(cè)的目的[15]。

3 實(shí)驗(yàn)與研究

為準(zhǔn)確評(píng)估本文提出方法的效果，設(shè)置了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行效果檢測(cè)，將本文方法與傳統(tǒng)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比。

針對(duì)于新型建筑材料力學(xué)性能預(yù)測(cè)的復(fù)雜性，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選，本文為完善實(shí)驗(yàn)操作并準(zhǔn)確地比較本文研究方法與傳統(tǒng)方法的差異性，按照步驟劃分實(shí)驗(yàn)研究操作，如下：

（1）在實(shí)驗(yàn)環(huán)境內(nèi)安置多種兩大類(lèi)型的新型建筑材料即復(fù)合類(lèi)新型建筑材料與高度成型類(lèi)建筑材料，增強(qiáng)預(yù)測(cè)效果的普遍性以及說(shuō)服力，針對(duì)新型建筑材料中復(fù)合類(lèi)的建筑材料，利用雙隱層的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)彈性極限因子、強(qiáng)度極限因子、斷裂韌性因子、抗沖擊性表達(dá)因子構(gòu)建具體的虛擬預(yù)測(cè)概念圖如圖3 所示。

從該預(yù)測(cè)概念圖中可以看出復(fù)合類(lèi)新型建筑材料的彈性極限、斷裂韌性較差，趨于傳統(tǒng)建筑材料的恒定值，而強(qiáng)度極限、抗沖擊性以及疲勞度有著顯著的提升，其數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)建筑材料的恒定值且在一定的精確范圍內(nèi)。

（2）針對(duì)新型建筑材料中高度成型類(lèi)的建筑材料，本文依然通過(guò)雙隱層的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)5 種表達(dá)因子構(gòu)建了具體的虛擬預(yù)測(cè)概念圖如圖4 所示。

從該預(yù)測(cè)概念圖中可以看出高度成型類(lèi)新型建筑材料的彈性極限與斷裂韌性較于傳統(tǒng)的建筑材料的恒定值有著顯著提升，并且趨于一定的精確范圍內(nèi)，而強(qiáng)度極限與抗沖擊性較低于恒定值，而疲勞度卻與恒定值基本相同。由此構(gòu)建雙隱層的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行深度研究（圖5）。

圖3 復(fù)合類(lèi)新型建筑材料的預(yù)測(cè)概念圖

圖4 高度成型類(lèi)新型建筑材料的預(yù)測(cè)概念圖

圖5 雙隱層的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)圖

該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以根據(jù)新型建筑材料的不同種類(lèi)自覺(jué)地提取相關(guān)的力學(xué)性能因子，如針對(duì)復(fù)合類(lèi)材料如高強(qiáng)、高性能混凝土材料，新型墻體材料這類(lèi)復(fù)合類(lèi)建筑材料，為了增強(qiáng)預(yù)測(cè)結(jié)果的比較性，在應(yīng)用時(shí)，根據(jù)新型建筑材料的類(lèi)別不同，設(shè)置不同的傳統(tǒng)方法，分別為復(fù)合類(lèi)新型建筑材料力學(xué)性能預(yù)測(cè)方法與高度成型類(lèi)新型建筑材料力學(xué)性能預(yù)測(cè)方法（即文獻(xiàn)[5],[6]方法）。

（3）在完成上述操作后，提取新型建筑材料力學(xué)性能因子參數(shù)，并構(gòu)建提取圖示（圖6）。

由此獲取所需的參數(shù)數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)，在預(yù)測(cè)的過(guò)程中要實(shí)時(shí)記錄各自方法的預(yù)測(cè)效率以及預(yù)測(cè)時(shí)間，合理應(yīng)用各類(lèi)方法優(yōu)勢(shì)，最終綜合評(píng)估所有方法的預(yù)測(cè)結(jié)果。

在此實(shí)驗(yàn)中，為了進(jìn)一步提高整體的對(duì)比效果，可設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1 所示。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)參數(shù)可以得到本文方法與文獻(xiàn)[5]方法以及文獻(xiàn)[6]方法對(duì)新型建筑材料力學(xué)性能預(yù)測(cè)的預(yù)計(jì)整體成本投入對(duì)比以及預(yù)測(cè)效率對(duì)比，分別如圖7,8 所示，其中的預(yù)計(jì)整體成本包括材料原價(jià)、材料運(yùn)雜費(fèi)、運(yùn)輸損耗費(fèi)以及檢驗(yàn)試驗(yàn)費(fèi)等部分，投入成本由各部分的成本乘以相關(guān)系數(shù)得出。

圖6 新型建筑材料力學(xué)性能因子提取過(guò)程

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖8 新型建筑材料力學(xué)性能預(yù)測(cè)效率對(duì)比圖

圖7 新型建筑材料力學(xué)性能預(yù)測(cè)整體成本投入對(duì)比

根據(jù)圖7,8 可以看出，本文方法比文獻(xiàn)[5], [6]方法的預(yù)測(cè)投入成本都要低很多。在相同的時(shí)間內(nèi)本方法對(duì)新型建筑材料的力學(xué)性能預(yù)測(cè)效率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于另外兩種方法。造成上述結(jié)果是由于本文方法創(chuàng)造的雙隱層的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以完成對(duì)新型建筑材料力學(xué)性能因子化的處理和整體的因子提取、分析、預(yù)測(cè)，而因子化的處理大大減少了預(yù)測(cè)的操作步驟，在提高效率的同時(shí)大大減少了資金的投入。

綜上所述，本文方法能夠更好地預(yù)測(cè)新型建筑材料的力學(xué)性能，具有合理的操作技能，大幅度地降低了成本投入并提高了預(yù)測(cè)效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在傳統(tǒng)的新型建筑材料的力學(xué)性能預(yù)測(cè)方法的基礎(chǔ)上提出了因子化這一理念，實(shí)驗(yàn)研究表明，該方法的預(yù)測(cè)效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)方法。本文所提出的這一理念是從極限學(xué)習(xí)機(jī)的算法理念中得到了啟發(fā)并且整體的預(yù)測(cè)也以極限學(xué)習(xí)機(jī)作為基礎(chǔ)，為該預(yù)測(cè)領(lǐng)域開(kāi)辟了新的途徑，具有廣闊的發(fā)展空間，希望能夠?yàn)榻酉聛?lái)該領(lǐng)域的發(fā)展提供一定幫助和支持。