用于填石路堤密實(shí)度檢測(cè)的專家系統(tǒng)研發(fā)

劉忠元

摘要：隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)工程施工的要求越來越嚴(yán)格，填石路堤的無損檢測(cè)也隨之被提上日程，以往在檢測(cè)的時(shí)候方法陳舊既費(fèi)時(shí)間又費(fèi)人力。基于以上問題，發(fā)明了一種以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的填石路堤檢測(cè)專家系統(tǒng)。通過對(duì)專家系統(tǒng)（基本結(jié)構(gòu)、知識(shí)獲取、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）的基本原理及推理機(jī)等的工作原理進(jìn)行研究，并根據(jù)研究作出一系列的開發(fā)工作。

關(guān)鍵詞：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；填石路堤；密實(shí)度檢測(cè)；專家系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：U416文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2012）03-0052-02

一、概況

近十年來，雖然我國公路交通得到了很大程度的發(fā)展?？墒瞧浒l(fā)展范圍并不是很全面，主要還是集中分布在比較發(fā)達(dá)的地區(qū)。這就出現(xiàn)了交通網(wǎng)結(jié)構(gòu)不合理、不科學(xué)的狀況。比較落后的中西部地區(qū)交通狀況仍然得不到根本的轉(zhuǎn)變。作為“西部大開發(fā)戰(zhàn)略”的一部分，我國將在西部地區(qū)修筑公路35萬km。然而由于我國地勢(shì)分布不均，呈現(xiàn)西高東低，中部丘陵，西部海拔較高，山勢(shì)險(xiǎn)峻，石崖密布的形勢(shì)，石料成為西部山區(qū)高等級(jí)公路修筑的最佳選擇。

針對(duì)西部地區(qū)丘陵、山地的狀況，在高等級(jí)公路修建的時(shí)候必須使用開方石料或其它棄石料填筑路堤，這樣做的出發(fā)點(diǎn)是：（1）有利于就地取材，少占耕地，便于提高社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益；（2）石料具有透水性強(qiáng)、抗剪強(qiáng)度高、壓實(shí)密度大、沉陷量小等工程特性。但是在使用過程中也會(huì)出現(xiàn)缺點(diǎn)：例如，填石路堤由粒度成分不同的塊石組成，孔隙率大，且不同巖石的物理力學(xué)性能不同，在路基和路面的重力及行車荷載作用下，加上自然環(huán)境等因素的影響，使填石路堤的石料有可能被壓碎、重新排列、擠密，產(chǎn)生沉降、收縮等不均勻變形，很易造成局部或大面積滑坍。

以往，公路部門所制定的規(guī)則如：填方材料的壓實(shí)特性、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)等都是以細(xì)粒為依據(jù)的，有關(guān)填石路堤的壓實(shí)特性和檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)方面的試驗(yàn)和研究非常微弱。正因?yàn)樘钍返痰倪@種特質(zhì)，使施工人員在設(shè)計(jì)、施工、檢測(cè)的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)很多困難，最終致使石質(zhì)填料在使用時(shí)造成不便。因?yàn)槟壳霸谔钍返堂軐?shí)度的檢測(cè)方面，還未找到科學(xué)合理的方法，所以在公路的工程質(zhì)量上，就要求施工人員必須成分認(rèn)識(shí)和了解填料的工程性質(zhì)，只有這樣才能把損失縮減到最小。

二、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)的基本原理

近年來，一種新的方法——人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)法的出現(xiàn)為填石路堤的檢測(cè)做出了很大貢獻(xiàn)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在成分研究經(jīng)驗(yàn)樣本的基礎(chǔ)上，并對(duì)其以權(quán)值和閾值的形式進(jìn)行儲(chǔ)存。所謂網(wǎng)絡(luò)輸入通常是指被診斷對(duì)象的特征，而輸出則是指檢測(cè)結(jié)果。專家系統(tǒng)是以符號(hào)為前提的推理系統(tǒng)，其不足之處是知識(shí)獲取麻煩，優(yōu)點(diǎn)是擁有解釋功能。所以，應(yīng)用研發(fā)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的填石路堤壓實(shí)度檢測(cè)的專家系統(tǒng)，在檢測(cè)方面既科學(xué)又有效。

（一）檢測(cè)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的填石路堤檢測(cè)專家系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。使用VB6.0制作人機(jī)界面，利用其優(yōu)質(zhì)的窗口功能來完成用戶輸入、輸出。

（二）知識(shí)的獲取

此系統(tǒng)分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種。所謂靜態(tài)知識(shí)是知識(shí)工程師通過對(duì)領(lǐng)域?qū)＜业脑\斷知識(shí)做產(chǎn)生式輸入，其中主要包括網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、樣本集知識(shí)和專家診斷知識(shí)。動(dòng)態(tài)知識(shí)則是運(yùn)用樣本學(xué)習(xí)來取得權(quán)值和閾值知識(shí)、節(jié)點(diǎn)值和誤差等知識(shí)。因?yàn)橄到y(tǒng)具有記憶的功能，它在完成一個(gè)診斷后，能夠自動(dòng)記憶，總結(jié)出新的診斷方法，是知識(shí)庫的內(nèi)容可以不停的得到優(yōu)化和豐富。

（三）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本原理

三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。其組成成分主要是輸入層、隱含層和輸出層。（1）輸入層，以接收信息為主，即為經(jīng)過歸一化處理計(jì)算出的檢測(cè)特征值。Z=（Z1，Z2，…，Zn）。（2）隱含層，把接收到的信息進(jìn)一步進(jìn)行學(xué)習(xí)和處理，再以權(quán)值和閾值的方式分別接入輸入層、輸出層。選用S型函數(shù)Sigmoid函數(shù)，以完成輸入模式到輸出模式的非線性映射。（3）輸出層，其節(jié)點(diǎn)數(shù)字為m，也就是檢測(cè)對(duì)象模式的總數(shù)，如圖：如果第j個(gè)模式的輸出為Oj=[00...010...00]，那么表明第j個(gè)節(jié)點(diǎn)輸出值應(yīng)為1，其他的都記為0，結(jié)論是第j個(gè)檢測(cè)對(duì)象是切實(shí)存在的。反之，如果輸出全為0就證明無檢測(cè)對(duì)象

出現(xiàn)。

（四）推理機(jī)

系統(tǒng)在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的時(shí)候使用的是正向推理方法，通過輸入檢測(cè)對(duì)象的特征值，從而得出隱含層神經(jīng)元的輸出，并以此作為輸出層的輸入，再得出輸出層神經(jīng)元的輸出，根據(jù)閾值函數(shù)來證明輸出層神經(jīng)元的最后結(jié)果。如果閾值為Φ，那么輸出神經(jīng)元yj>Φ（j=1，2，…，m），證明被檢測(cè)對(duì)象的特征與專家系統(tǒng)是相符合的。相反，如果若輸出神經(jīng)元接近于0，就證明專家系統(tǒng)與被檢測(cè)對(duì)象是不相符的。

三、專家系統(tǒng)的研發(fā)

（一）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

填石路堤檢測(cè)專家系統(tǒng)是以自行檢測(cè)“虛擬樣機(jī)”為基礎(chǔ)，在已有的檢測(cè)辦法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析研究借助專家經(jīng)驗(yàn)建立動(dòng)態(tài)運(yùn)算，以模糊推理機(jī)為基準(zhǔn)進(jìn)行運(yùn)算，最終完成檢測(cè)隊(duì)形特征，接下來把仿真結(jié)果依據(jù)已經(jīng)存在的數(shù)據(jù)作出診斷，最后定結(jié)果。其設(shè)計(jì)原理需依照以下原則：

1．人機(jī)界面友好。調(diào)出人機(jī)界面，用戶在界面上輸入想要解決的問題，由預(yù)測(cè)系統(tǒng)一一作出解答。另外，此系統(tǒng)還可以通過界面把系統(tǒng)預(yù)測(cè)的結(jié)果展示給用戶。其操作的整個(gè)過程都有提示方案，使用戶可以邊解決問題便學(xué)習(xí)。

2．充分利用好知識(shí)。檢測(cè)結(jié)果是否準(zhǔn)確？最主要還是要看樣品的知識(shí)來源及系統(tǒng)的正確推理，就本系統(tǒng)而言，其決定因素主要是指每個(gè)部分的影響因子中的隸屬度和權(quán)重系數(shù)。

3．系統(tǒng)應(yīng)具有可擴(kuò)展性。系統(tǒng)的報(bào)警、對(duì)象檢測(cè)，每一步都是要通過仿真平臺(tái)的仿真數(shù)據(jù)來驗(yàn)證的，所以在進(jìn)行系操作時(shí)，處理好仿真平臺(tái)的接口尤為重要。

（二）專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫開發(fā)

專家系統(tǒng)初期開發(fā)需要極大的工作量和周期來完成。在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)要使用沉降差法等傳統(tǒng)的方式與無損檢測(cè)方式配合使用，需要在數(shù)據(jù)庫中輸入被檢測(cè)對(duì)象的物理力學(xué)參數(shù)，接下來對(duì)樣品進(jìn)行全方位檢驗(yàn)，盡量使用一樣品多方位檢測(cè)的方法，然后經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間研究得出最接近樣品本身性質(zhì)的策略。近年來，因?yàn)闄z測(cè)對(duì)象數(shù)量的增加，其樣品也在不斷完善，為以后的檢測(cè)道路提供方便與方法。

四、結(jié)論及建議

專家系統(tǒng)檢測(cè)主要是將傳統(tǒng)的檢測(cè)方法與瑞雷波法相協(xié)調(diào)，豐富數(shù)據(jù)庫，使瑞雷波無損檢測(cè)的準(zhǔn)確性進(jìn)一步得到提高，有效的杜絕了當(dāng)前局部和小區(qū)域異常問題等的出現(xiàn)幾率，為瑞雷波進(jìn)一步創(chuàng)新打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。臨近道瑞雷波法一方面可以正確無誤的得出路基密實(shí)度和其各自分布規(guī)律；準(zhǔn)確地分析出路基中不良體的埋深及分布范圍；另一方面還可以以速度作為參數(shù)完成碎石層的力學(xué)及物性參數(shù)分析。由此得之，臨近道瑞雷波法是一種高效率、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的測(cè)量方法，有很大的發(fā)展前途。

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（責(zé)任編輯：趙秀娟）