巖土工程不確定性系統(tǒng)研究及其工程應(yīng)用

朱耀東

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，基礎(chǔ)建設(shè)的腳步也在逐步加快，出現(xiàn)了巖土工程問題。工程應(yīng)用中使用的巖土材料的隨機(jī)性、模糊性和不確定性使得巖土工程問題增加了幾個領(lǐng)域（溫度場、荷載場、浸泡場）和多態(tài)（氣態(tài)、固態(tài)、液態(tài)）的復(fù)雜性。耦合問題給混凝土施工帶來了許多困難，這就是為什么開始這項工作調(diào)查和討論巖土工程的不確定性的原因所在。

關(guān)鍵詞：巖土工程；不確定系統(tǒng)；研究

引言

由于巖土特性的模糊性和地質(zhì)勘探技術(shù)的局限性，施工過程中的巖土工程問題更加復(fù)雜，當(dāng)與外部因素相結(jié)合時，巖土模型的選擇和機(jī)械分析的難度更加困難。為了實現(xiàn)城市現(xiàn)代化和生態(tài)和諧發(fā)展，必須在系統(tǒng)研究中納入新思路、新技術(shù)和新方法。

1國內(nèi)外的研究狀況

隨著社會現(xiàn)代化進(jìn)程的加快和交通的不斷發(fā)展，人們對空間的需求越來越大，尤其是地下空間的使用。包括地鐵、跑道、隧道等巖土工程，這些都在不斷完善。然而，由于巖土工程中存在諸多不確定因素，在技術(shù)安全和可持續(xù)發(fā)展方面仍存在許多未解決的科學(xué)技術(shù)問題。

根據(jù)目前的研究狀況，人們已經(jīng)開始研究自20世紀(jì)初以來的不確定性系統(tǒng)。在探索這些問題時，人們使用反向分析的方法，即反向分析出現(xiàn)的問題，基于現(xiàn)場測量信息的參數(shù)計算。經(jīng)過專業(yè)人士30多年的研究和開發(fā)，重新分析問題的研究逐漸從線性開始，研究非線性的發(fā)展，研究材料從同質(zhì)到異質(zhì)的轉(zhuǎn)變，以及確定性反分析的研究方法也發(fā)展成為非確定性的反分析研究。

根據(jù)目前的分析和研究結(jié)果，巖土工程的研究現(xiàn)狀和發(fā)展時期分為以下三個時期：

（1）從20世紀(jì)70年代初到80年代初期反分析發(fā)展的早期階段。在此期間，基于線性問題的逆分析方法主要用于算法形成和反分析理論的研究，并廣泛應(yīng)用于水電工程。主要代表是有限元方法，它基于Kazanagh等人建立的彈性模量，提出的反演彈性體基于Kirsten在巖土技術(shù)討論中使用的測量變形分析。

（2）從20世紀(jì)80年代初到90年代初的反分析的進(jìn)一步發(fā)展階段。同時，逐步引入了基于不同本構(gòu)關(guān)系和算法的反分析方法，考慮了測量條件和現(xiàn)場應(yīng)用，使得此時開發(fā)的反分析方法更加成熟。其中，代表性主要采用Gioda G.提出的算法，并基于郭懷志等模擬巖體應(yīng)力場，利用概率統(tǒng)計分析巖土參數(shù)，建立回歸分析。

（3）從90年代初到今天。目前已對巖土工程模型的識別進(jìn)行了研究，對這些分析方法的研究已經(jīng)納入了系統(tǒng)理論和信息理論。因此，在此期間提出的遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為具體技術(shù)被考慮在內(nèi)。主要代表是開發(fā)的四合一優(yōu)化算法對彈性橫向同態(tài)進(jìn)行了最優(yōu)反演分析，利用系統(tǒng)辨識理論和力學(xué)原理提出了巖石模型。

2不確定性系統(tǒng)研究

這項工作的重點(diǎn)是人體和支撐結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，被認(rèn)為是一個復(fù)雜的動態(tài)分析系統(tǒng)?；趲r土測量數(shù)據(jù)，使用前向和后向組合的分析方法。該過程的進(jìn)度被傳遞給決策者，以便決策者能夠理解構(gòu)造。本文的重點(diǎn)是分析巖土模糊系統(tǒng)的特點(diǎn)，建立智能專家系統(tǒng)。以下是專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)實現(xiàn)。

2.1基本結(jié)構(gòu)

專家系統(tǒng)本質(zhì)上是智能計算機(jī)程序系統(tǒng)。實施主要基于研究專家的知識和經(jīng)驗，解決問題由專家完成。原則上，應(yīng)建立一個程序系統(tǒng)，其中包括基于專業(yè)知識和經(jīng)驗的程序管理系統(tǒng)。然后進(jìn)行判斷，模擬專家決策過程。

完整的專家系統(tǒng)需要幾個特征：推理、透明度、靈活性和靈感，并包括以下部分：知識庫、數(shù)據(jù)庫、推理引擎、上下文、錯誤提取器、學(xué)習(xí)系統(tǒng)和解釋部分。設(shè)備知識庫主要用于存儲專家的經(jīng)驗和知識，知識庫的結(jié)構(gòu)主要由知識的表示決定。知識的具體一般形式是邏輯表示、規(guī)則表示、語義網(wǎng)絡(luò)表示、框架表示和子表示。程序中數(shù)據(jù)庫主要用于存儲反應(yīng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的當(dāng)前狀態(tài)，通常分為靜態(tài)數(shù)據(jù)庫和動態(tài)數(shù)據(jù)庫，其中靜態(tài)數(shù)據(jù)是指相對穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。動態(tài)數(shù)據(jù)主要涉及設(shè)計過程中產(chǎn)生的參數(shù)推理引擎，由一系列主要用于控制和協(xié)調(diào)的軟件程序組成，服務(wù)于整個專家系統(tǒng)，如測量數(shù)據(jù)、施工進(jìn)度等。上下文的主要作用是保存中間結(jié)果以支持推理引擎的工作可以像備忘錄文檔一樣被刪除和重寫，錯誤提取器主要用于消除由操作階段的差異引起的錯誤。這是提取錯誤的簡單有效方法。參數(shù)計算是學(xué)習(xí)系統(tǒng)主要從專家大腦和線聚合過程中提取知識，然后構(gòu)建知識庫編程知識的知識?？谧g員的主要任務(wù)是在相應(yīng)基礎(chǔ)上得出結(jié)論，而不是直接回答客戶的問題。

2.2系統(tǒng)實施

目前，專家系統(tǒng)仍存在不足之處：知識獲取能力不強(qiáng)、思維能力差、智力低、系統(tǒng)水平低。為了應(yīng)對上述缺點(diǎn)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)被分組為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)。

（1）知識表示。知識表示旨在將知識轉(zhuǎn)化為機(jī)器可以理解的形式，以便傳統(tǒng)計算機(jī)具有人類智能、人類知識和工作能力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的知識庫主要使用自己的分布式連接機(jī)制來表達(dá)知識。知識不再以孤立的規(guī)則表達(dá)，而是以相互關(guān)聯(lián)的權(quán)重和閾值表達(dá)。

（2）知識獲取。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)中，獲取知識意味著獲取和選擇訓(xùn)練模式。然后，系統(tǒng)通過特定算法進(jìn)行學(xué)習(xí)，然后在內(nèi)部算法被集成和修改之后，將專家的啟發(fā)式知識集成并修改為網(wǎng)絡(luò)連接。每個知識點(diǎn)由幾個連接的神經(jīng)元的權(quán)重和輸入信息組成。

（3）思維機(jī)制。它主要分為三種機(jī)制：前向決策機(jī)制：后向決策機(jī)制和混合決策機(jī)制。最常用的機(jī)制是混合決策機(jī)制，即神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基于一些已知信息的輸入提出最高概率事件?；谙嚓P(guān)知識，該假設(shè)得到驗證。如果假設(shè)被放置，則證明結(jié)束，否則建立新假設(shè)并且驗證繼續(xù)直到假設(shè)建立。

（4）解釋機(jī)制。解釋機(jī)制的實現(xiàn)主要是結(jié)合輸入層神經(jīng)元的物理意義和輸出層的神經(jīng)元，以及相應(yīng)的連接強(qiáng)度來形成規(guī)則，然后利用這些形成的規(guī)則來實現(xiàn)解釋功能機(jī)制。

3結(jié)論

總之，本文討論的智能專家系統(tǒng)結(jié)合了專家經(jīng)驗、設(shè)計經(jīng)驗、數(shù)值理論分析和現(xiàn)場勘探技術(shù)，完成改造和改進(jìn)傳統(tǒng)的巖土工程技術(shù)并將它們結(jié)合起來，實際情況使其在應(yīng)用中更加科學(xué)合理。然而，巖土本身屬于自然地質(zhì)范疇，具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性和可變性，難以分析其物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)。因此，巖土工程問題的分析應(yīng)以工程地質(zhì)為基礎(chǔ)。結(jié)合相關(guān)勘探建設(shè)的特點(diǎn)，有必要遵循環(huán)境保護(hù)和當(dāng)?shù)貤l件，合理利用每一寸土地，運(yùn)用更先進(jìn)科學(xué)的技術(shù)解決巖土工程問題。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：中交二航局第四工程有限公司）