改進BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的再生粗骨料混凝土強度預(yù)測*

閆春嶺，劉德龍，閆世龍，王振豪

（1.安陽工學(xué)院,河南 安陽 455000;2.鄭州大學(xué)，河南 鄭州 450002）

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化水平的不斷推進，全國各地的混凝土用量每年都在增加，同時，伴隨著大量的廢舊建筑的拆除，產(chǎn)生建筑垃圾逐年增多。傳統(tǒng)處理建筑廢棄物的方式多采用填埋或露天堆放，這樣，無形之中造成了環(huán)境的污染和浪費大量的田地[1]。因此，科學(xué)提倡廢棄建筑物資源化不僅可以解決砂石骨料短缺的危機，同樣，對環(huán)境保護起了重要作用。

國內(nèi)外許多學(xué)者對于再生混凝土性能進行了大量的研究，并取得了大量的研究成果。Gluzhge[2]、Evangelista[3]對再生混凝土和普通混凝土抗壓強度和抗拉強度對比研究，得到了再生混凝土抗壓強度略高于普通混凝土抗壓強度，抗拉強度略低于普通混凝土的結(jié)論。肖建莊[4]等基于大量的室內(nèi)試驗，得出了當(dāng)再生骨料取代率為50%時，混凝土強度達到最大值。閆春嶺[5]等對實驗室廢棄的C30試塊加工處理后制作的混凝土試塊進行了抗壓強度試驗，結(jié)合方差分析對影響混凝土抗壓強度的主要因素進行了研究。文獻[6-8]對再生混凝土力學(xué)性能進行了相差的研究，并探討了今后再生混凝土力學(xué)性能的研究方向。文獻[9-10]研究了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的再生混凝土強度預(yù)測中的應(yīng)用。

作為評價再生混凝土主要性能指標(biāo)之一——抗壓強度，它與再生骨料的摻入率、水灰比及齡期等影響因素有關(guān)。況且混凝土的抗壓強度屬于破壞性、不可重復(fù)的試驗，每個強度的測試至少需要相同的試樣3塊，這樣費力又耗時，若能建立一個混凝土抗壓強度虛擬仿真試驗，同時建立一個穩(wěn)定可靠的預(yù)測模型，則可避免破壞性試驗。若采用解析法建立一個多因素的再生混凝土抗壓強度方程較為困難和復(fù)雜，因此，考慮采用改進的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立再生混凝土抗壓強度模型，以期為再生混凝土的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的缺陷

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種單向傳播的多層前向網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示[11]，由于篇幅所限，網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)規(guī)則不再贅述，相關(guān)知識請參見文獻[12]。雖然BP網(wǎng)絡(luò)在各行各業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，但其自身也存在一些明顯缺陷，如學(xué)習(xí)速率是固定、訓(xùn)練速度慢、容易陷入局部極小值及網(wǎng)絡(luò)隱含層確定無理論指導(dǎo)等，因此有必要在對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行改進。

圖1 多層前向BP網(wǎng)絡(luò)

2 改進BP網(wǎng)絡(luò)的的訓(xùn)練和預(yù)測

為了達到較快的收斂速度及計算精度，本文反復(fù)試驗，最終采用雙隱含層的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來建立再生混凝土抗壓強度的計算模型。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。本文根據(jù)文獻[5,13-15]收集到的再生混凝土的水灰比、不同齡期、再生骨料取代率及再生混凝土的抗壓強度數(shù)據(jù)，從中選取了38組數(shù)據(jù)作為學(xué)習(xí)樣本，另選取5組作為預(yù)測樣本以檢驗學(xué)習(xí)效果。為了加快網(wǎng)絡(luò)的收斂速度，在訓(xùn)練之前將各輸入物理量化為0.2～0.8歸一化區(qū)間，預(yù)測樣本中網(wǎng)絡(luò)的抗壓強度反歸一化后得到預(yù)測值。歸一化后的學(xué)習(xí)樣本數(shù)據(jù)見表1。

圖2 四層BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

在改進的BP網(wǎng)絡(luò)中，將目標(biāo)誤差為0.01，初始學(xué)習(xí)速率通過LP.Ir設(shè)置為0.15，動量因子net.train?Param.Ir=0.9，遞增因子Ir_inr=1.05，遞減因子Ir_dec=0.7，網(wǎng)絡(luò)只學(xué)習(xí)了404次以后，學(xué)習(xí)誤差就達4.15×10-3。網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程見圖3，訓(xùn)練誤差見圖4，回歸曲線見圖5，可以看出回歸系數(shù)大于0.9，訓(xùn)練效果較好，利用訓(xùn)練好的BP網(wǎng)絡(luò)，預(yù)測5組再生混凝土抗壓強度試驗，計算結(jié)果見表2。由表2可以看出，相對誤差均小于8%，進一步說明該模型能夠有效地進行再生混凝土的抗壓強度預(yù)測，并能滿足工程需要，該模型可以推廣應(yīng)用。

表1 BP網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)樣本

3 結(jié)論

本研究將傳統(tǒng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行了改進，建立了雙隱含層的4層改進的BP網(wǎng)絡(luò)，并應(yīng)用于再生粗骨料混凝土抗壓強度的預(yù)測，建立了混凝土抗壓強度隨再生粗骨料的取代率、水灰比及齡期的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。該模型經(jīng)過訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，經(jīng)測試樣本的檢驗，訓(xùn)練效率大大提高，且誤差較小，結(jié)合回歸擬合系數(shù)，進一步表明該模型能夠有效的的預(yù)測再生混凝土抗壓強度值，能滿足工程需要，該模型可以進行推廣應(yīng)用。

圖3 改進BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過程

圖5 回歸擬合結(jié)果

表2 BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)測樣本