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)方法無法解決的問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，最早是用來解決工程施工程序的問題。后來隨著研究領(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)過程，首先可以解決樣本的問題，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)域越來越寬廣，可以解決的問題越來越來，效果越來越明顯，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題就是在于理論和方法不能與實(shí)際施工過程完美結(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)與開展信息化的施工是十分必要的。例如，在基坑工程早起開挖的過程中應(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)工程的安全開展。另一方面，由于基坑在施工過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。基于這種背景之下，就可以引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理來解決在施工過程中可能遇到的問題。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)研究方法無法正確模擬巖土工程模型或者無法提供高精度的計(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)帶來的作用以及它所存在的局限性，不能夸大或者埋沒神經(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)。總之，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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