MATLAB在公路巖土工程勘察中的應(yīng)用研究

陳釗

（廣西翔路建設(shè)有限責(zé)任公司，南寧530029）

1 MATLAB技術(shù)綜合闡述

1.1 MATLAB技術(shù)的發(fā)展歷史

MATLAB是一項源于美國MathWorks公司，基于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化研發(fā)的數(shù)學(xué)軟件。數(shù)學(xué)軟件即處理數(shù)學(xué)問題的應(yīng)用軟件，它為計算機解決現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)各領(lǐng)域中所提出的數(shù)學(xué)問題提供求解手段，數(shù)學(xué)軟件又是組成許多應(yīng)用軟件的基本構(gòu)件，它包括數(shù)學(xué)運算、數(shù)學(xué)規(guī)劃、統(tǒng)計運算、工程運算、繪制數(shù)學(xué)圖形或制作數(shù)學(xué)動畫等多種類型的軟件，應(yīng)用廣泛。MATLAB一詞是MATRIX和LABORATORY的結(jié)合縮寫，簡意為矩陣工廠，由美國人Cleve Moler及其同事于1967年合力研發(fā)的一款比較超前的矩陣計算軟件或者說是科學(xué)計算語言。MATLAB從研發(fā)到投入市場期間，歷經(jīng)數(shù)次實驗論證和技術(shù)升級，集眾多實用性工具和極高通用性，在國際社會中被廣為接受和認(rèn)可，現(xiàn)在重點運用于科學(xué)研究與工程運算。

1.2 MATLAB的功能介紹及具體應(yīng)用

文字處理功能：使用MATLAB軟件所創(chuàng)建的腳本不僅可以捕獲代碼，自動化的上下文提示功能同時能夠推進編程創(chuàng)作，且結(jié)果、可視化內(nèi)容和代碼可以同步顯示。

App Designer：軟件開發(fā)人員無需高水平的專業(yè)能力即可創(chuàng)建專業(yè)的應(yīng)用程序。通過拖放可視化組件來安排應(yīng)用程序布局，并使用集成編輯器快速編寫應(yīng)用程序的行為。可以使用MATLAB Compiler創(chuàng)建獨立桌面或Web應(yīng)用程序共享應(yīng)用程序。

數(shù)據(jù)分析：MATLAB軟件或技術(shù)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息的多元、自動化分析，使用MATLAB中的工具和功能來導(dǎo)入、清理、篩選和分組數(shù)據(jù)，經(jīng)過系統(tǒng)的多維分析，即可把數(shù)據(jù)分析結(jié)果以圖形或表格的形式表達(dá)出來。

大數(shù)據(jù)：無需強硬的大數(shù)據(jù)編程技術(shù)基礎(chǔ)，MATLAB中的tall數(shù)組的強大功能能夠?qū)崿F(xiàn)慣用代碼和語法的鏈接，即使獨立的數(shù)據(jù)集無法裝入內(nèi)存，但MATLAB可以支持已在使用的存儲系統(tǒng)，包括傳統(tǒng)文件系統(tǒng)、SQL和NoSQL數(shù)據(jù)庫以及Hadoop/HDFS。

協(xié)作開發(fā)能力：隨著項目規(guī)模和復(fù)雜程度的增長，MATLAB提供了支持協(xié)作軟件開發(fā)實踐的能力。

硬件支持：MATLAB可以控制諸如Arduino和Raspberry Pi這樣的流行微控制器，采集網(wǎng)絡(luò)攝像頭中的圖像，甚至可以收集智能手機內(nèi)置傳感器中的數(shù)據(jù)。

深度學(xué)習(xí)：MATLAB使每個人都能進行深度學(xué)習(xí)，即使非專業(yè)人士也不例外。設(shè)計自己的模型、訪問最新模型或?qū)雭碜訡affe的預(yù)訓(xùn)練模型。使用NVIDIA GPU訓(xùn)練模型。自動生成嵌入式部署的CUDA代碼。

MATLAB具有數(shù)據(jù)處理、信號處理、圖形處理、小波分析、數(shù)理統(tǒng)計等30多種功能的操作工具，工具箱內(nèi)的函數(shù)可以鏈狀也可以由用戶更改，經(jīng)過數(shù)十年的演化發(fā)展，專家在MATLAB軟件技術(shù)中融入多樣化的工具和開發(fā)不同學(xué)科的應(yīng)用程序，在國際范圍內(nèi)得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。

2 MATLAB在公路巖土工程勘察中的應(yīng)用

MATLAB在公路巖土工程中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在土工試驗數(shù)據(jù)分析處理、巖土工程勘察可視化和工程評價等方面，基于MATLAB的數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理、數(shù)值計算、符號計算、數(shù)理統(tǒng)計、圖像處理和動態(tài)模擬等功能來分析其在公路巖土工程中的多維應(yīng)用。

2.1 公路巖土工程中實驗數(shù)據(jù)的分析處理

對公路巖土工程實驗中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行科學(xué)嚴(yán)密的分析處理是巖土工程推進的重要任務(wù)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，實驗數(shù)據(jù)的分析處理關(guān)系著工程的質(zhì)量和未來發(fā)展趨向。基于2019年公布的國標(biāo)GB 50021—2019《巖土工程勘察規(guī)范》中對巖土工程建設(shè)做的局部修改調(diào)整，其中明確指出巖土的鑒定應(yīng)基于現(xiàn)場描述情況，并結(jié)合實驗開圖記錄和實驗結(jié)果。對巖土的顆粒級配、形狀、顏色、成分布局、填充情況、密實度、濕度、均勻性和夾層厚度做了明確的規(guī)定和修改，精密性增強，實驗測驗量增加，致使需處理的數(shù)據(jù)量遞增，工作量繁重，利用MATLAB中的數(shù)據(jù)分析處理工具，通過科學(xué)算法對土工試驗中的數(shù)據(jù)進行收集、分析、繪圖或濾波，檢驗實驗數(shù)據(jù)的可靠性和真實性，為公路巖土工程建設(shè)提供基礎(chǔ)實驗數(shù)據(jù)支撐【1】。

2.2 公路巖土工程勘察的可視化分析

可視化是一種將抽象符號轉(zhuǎn)化為幾何圖形的計算方法，它主要研究人和計算機怎樣協(xié)調(diào)一致地接收、使用和交流視覺信息。隨著現(xiàn)代工程施工技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代化公路巖土工程勘察對信息處理提出了更高的要求和嚴(yán)格的規(guī)范。準(zhǔn)確、直觀、快捷、可交互、分布式等多樣化、綜合化信息處理、反饋需求，傳統(tǒng)的信息計量和處理工具已難以滿足信息一體化建設(shè)的需要，對公路巖土工程的一體化建設(shè)形成了嚴(yán)重制約。現(xiàn)代化公路巖土工程信息獲取的數(shù)據(jù)量愈來愈大，對信息的處理、計算、模式和圖形呈現(xiàn)要求愈發(fā)精密嚴(yán)格，及時的信息反饋對現(xiàn)場工作的優(yōu)化和控制愈發(fā)重要，故數(shù)據(jù)信息的收集與定量處理、智能處理對工程建設(shè)的開展難以或缺。基于傳統(tǒng)計算工具對現(xiàn)代巖土工程信息處理的可操作性不高和公路路基地質(zhì)情況的復(fù)雜變化，建立空間三維模型對工程地基的數(shù)據(jù)信息進行可視化模擬存在諸多的不便和難度挑戰(zhàn)，如多維數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的整合、數(shù)據(jù)的符號表達(dá)、算法的優(yōu)化等，但運用MATLAB計算軟件或技術(shù)，在公路巖土工程勘測的可視化呈現(xiàn)中解決了諸多傳統(tǒng)計算工具難以應(yīng)對的問題，且許多的技術(shù)性問題在MATLAB應(yīng)用下迎刃而解【2】。我國在公路巖土勘察可視化方面的研究雖取得了一定的進展，但還處于起步階段，許多的技術(shù)還不成熟，還無法實現(xiàn)與地質(zhì)工程土建勘測的完美契合。但MATLAB軟件技術(shù)中蘊含二維、三維甚至四維的圖形函數(shù)，在多維圖形繪制中具有充分的優(yōu)勢，且其中的圖形繪制工具能夠基于建設(shè)需要突出強調(diào)模擬圖形的不同部分。

2.3 公路巖土工程勘察評價

巖土工程勘察評價是公路工程的重要部分，基于巖土工程勘察數(shù)據(jù)的規(guī)模化、不完整性和非線性變化，巖土工程勘察評價的內(nèi)容多、涉及面廣、任務(wù)重，且很難獨立化完成對公路巖土工程勘察的全面評價。但MATLAB技術(shù)因其內(nèi)置的多工具和強大功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對巖土工程勘察的獨立全面評價。以實證來驗證MATLAB對巖土工程勘察的評價效果，如在重要的公路巖土砂土液化災(zāi)害中，因砂土液化的形成、制約因素多樣，且具有不確定性和不規(guī)則性變化，但利用MATLAB的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具，此種問題的評價便會迎刃而解。

3 結(jié)語

綜上所述，MATLAB軟件技術(shù)具有數(shù)據(jù)處理、計算、動態(tài)模擬和圖形表達(dá)等多樣性、綜合化的強大運維功能，應(yīng)用于公路巖土工程勘察資料的分析是巖土工程發(fā)展的必然趨勢。實踐證明，應(yīng)基于現(xiàn)代工程條件和科學(xué)技術(shù)水平優(yōu)化發(fā)展MATLAB技術(shù)，強化其在巖土工程勘察數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用，使MATLAB技術(shù)得到廣泛的推廣。