人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在海洋工程中的應(yīng)用研究
——以海洋工程地質(zhì)研究為例

劉程程 LIU Cheng-cheng

（青島海洋工程水下設(shè)備檢測(cè)有限公司，青島 266000）

0 引言

在海洋工程相關(guān)研究中，海洋工程地質(zhì)研究是一個(gè)十分重要的領(lǐng)域。在該領(lǐng)域的研究中，經(jīng)常需要對(duì)海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，并開(kāi)展各種復(fù)雜的研究工作。這一過(guò)程中，對(duì)各種計(jì)算技術(shù)和處理工具等有著很高的需求。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種新型、智能的計(jì)算技術(shù)，具有強(qiáng)大的計(jì)算功能和較強(qiáng)的實(shí)用性。在海洋工程地質(zhì)研究相關(guān)工作的開(kāi)展過(guò)程中，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始受到人們的日益關(guān)注，關(guān)于其應(yīng)用以及相關(guān)研究也呈現(xiàn)出不斷深入和廣泛的發(fā)展趨勢(shì)。

1 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與海洋工程地質(zhì)研究

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是若干類似神經(jīng)元的處理單元相互連接而構(gòu)成的龐大信息處理系統(tǒng)，是對(duì)人腦組織結(jié)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)制的抽象、簡(jiǎn)化和模擬。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍十分廣泛，應(yīng)用領(lǐng)域涉及到多個(gè)不同的方面。在海洋工程相關(guān)研究中，海洋工程地質(zhì)研究是十分重要的組成部分，海洋工程地質(zhì)研究是研究與人類工程建筑活動(dòng)有關(guān)的地質(zhì)問(wèn)題的學(xué)科，具體內(nèi)容是研究海洋工程建筑物所處海域的海洋工程地質(zhì)條件及其海底地基的土、巖體穩(wěn)定性的工程地質(zhì)問(wèn)題。其中，對(duì)海洋沉積物進(jìn)行工程分類定名是基礎(chǔ)所在，無(wú)論對(duì)海洋工程設(shè)施的建設(shè)還是科研領(lǐng)域的研究都有著重要作用。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)十分重要的計(jì)算模型，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，可以作為一種重要的工具，以更好的開(kāi)展海洋工程地質(zhì)研究。在海洋工程地質(zhì)領(lǐng)域，經(jīng)常需要通過(guò)對(duì)沉積物的定名來(lái)對(duì)其所具備的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行初步判斷，之后，通過(guò)開(kāi)展地球物理調(diào)查以及鉆探等方式，對(duì)巖土體情況實(shí)施全面科學(xué)的評(píng)價(jià)與分析，并得出一定的研究結(jié)果。相應(yīng)的研究結(jié)果具有很高的參考價(jià)值與應(yīng)用價(jià)值，可以為多種海洋工程設(shè)施的選址、設(shè)計(jì)以及實(shí)際施工等提供重要的基礎(chǔ)支撐以及保障。因此，海洋沉積物工程定名對(duì)于開(kāi)展海洋工程建設(shè)具有重要作用。但是，在對(duì)海底粉土以及黏性土進(jìn)行定名的時(shí)候，往往會(huì)受到多種人為因素的影響，導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生。這一情況下，為了獲得理想的分類效果，可以積極的應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在海底細(xì)粒土工程分類中的應(yīng)用

2.1 含黏粒沉積物工程分類網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

目前，人們對(duì)海洋的研究以及開(kāi)發(fā)日益廣泛和復(fù)雜，大量的海洋相關(guān)工程不斷的涌現(xiàn)出來(lái)，在我國(guó)眾多海域正在如火如荼的進(jìn)行建設(shè)。在設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、建設(shè)多種海洋工程項(xiàng)目的時(shí)候，經(jīng)常會(huì)涉及到海底細(xì)粒土工程分類問(wèn)題。例如，在建設(shè)一些海底工程時(shí)，海底細(xì)粒土的特點(diǎn)以及特性會(huì)對(duì)整個(gè)工程的建設(shè)與施工情況產(chǎn)生極為深遠(yuǎn)的影響。因此，目前在海洋工程地質(zhì)研究方面，對(duì)海底細(xì)粒土分類問(wèn)題的研究也越來(lái)越多。在海洋工程地質(zhì)研究方面，在對(duì)各種海域的細(xì)粒土進(jìn)行分析，以準(zhǔn)確分類的時(shí)候，工作人員通過(guò)廣泛收集與實(shí)地考察，往往會(huì)收集到大量的相關(guān)數(shù)據(jù)信息。對(duì)于這些數(shù)據(jù)信息，還需要工作人員進(jìn)行細(xì)致的分析和處理，方可獲得可靠的研究結(jié)果，并依據(jù)研究結(jié)果進(jìn)行分類定名。但是，這一過(guò)程中涉及到的數(shù)據(jù)分析與處理工作量極大，常規(guī)的分析與處理技術(shù)應(yīng)用時(shí)存在效率較低，準(zhǔn)確度不足等問(wèn)題。為妥善解決上述難題，工作人員可以積極的從人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中尋求思路。在以往的數(shù)據(jù)分析和處理，研究等工作中，在開(kāi)展海洋沉積物工程定名精度分析的時(shí)候，工作人員應(yīng)用較多的方法是基于黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分類方法。此種方法存在工作量較大，分析過(guò)程較為復(fù)雜等問(wèn)題，整體效果不夠理想。

在本文的研究中，則選擇立足人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)特點(diǎn)及其在海洋工程中的應(yīng)用情況，應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對(duì)某海域的部分細(xì)粒土數(shù)據(jù)實(shí)施訓(xùn)練以及學(xué)習(xí)。最終，獲得只利用沉積物粒徑質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行定名的方法。在具體的研究過(guò)程中，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分。具體的劃分過(guò)程中，設(shè)定的劃分方式為檢驗(yàn)數(shù)據(jù)15%、驗(yàn)證數(shù)據(jù)15%、訓(xùn)練數(shù)據(jù)70%，所采用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為5-x-3模式。訓(xùn)練函數(shù)將分別 對(duì)Levenberg-Marquardt，Bayesian regularization，Scaled conjugate gradient進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)最終檢驗(yàn)對(duì)準(zhǔn)確率選擇最佳函數(shù)。在試驗(yàn)過(guò)程中，輸入一定的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，包括沉積物在不同粒徑大小下的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，相應(yīng)的粒徑大小包括粒徑<0.005mm、0.005mm≤粒徑<0.075mm、0.075mm≤粒徑<0.25mm，以及0.5mm≤粒徑<2mm，0.25mm≤粒徑<0.5mm。這一過(guò)程中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的設(shè)置情況如表1所示。

表1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

其中，在第1組試驗(yàn)中，借助Scaled conj ugate gradient訓(xùn)練函數(shù)，對(duì)最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)隱藏層節(jié)點(diǎn)具體數(shù)目予以明確。在第2、3、4組試驗(yàn)中，將網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)定為5-10-3。在具體的試驗(yàn)中，對(duì)訓(xùn)練函數(shù)的類型進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而對(duì)最優(yōu)的傳遞函數(shù)予以確定。在不同的試驗(yàn)過(guò)程中，首先對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)施隨機(jī)狀態(tài)下的劃分，將數(shù)據(jù)分為3種類型。同時(shí)，在每個(gè)隱藏層，均涉及到若干數(shù)目的節(jié)點(diǎn)，對(duì)于這些不同的節(jié)點(diǎn)，均實(shí)施細(xì)致的運(yùn)算，運(yùn)算總次數(shù)均為5次。通過(guò)實(shí)施不同的運(yùn)算，可以獲得一定的準(zhǔn)確率。這一準(zhǔn)確率結(jié)果之間會(huì)存在一些差異，有高低之分。對(duì)于每次運(yùn)算的結(jié)果需要進(jìn)行收集和整理，并對(duì)不同的準(zhǔn)確率進(jìn)行比較，得出其中最高的準(zhǔn)確率。對(duì)于篩選得到的最高準(zhǔn)確率，可以將其設(shè)定為在該節(jié)點(diǎn)條件下，網(wǎng)絡(luò)模型的最終準(zhǔn)確率。在1次訓(xùn)練完畢，完成驗(yàn)證操作之后，需要再次實(shí)施隨機(jī)數(shù)據(jù)劃分。按照上述范式，一共開(kāi)展10次隨機(jī)數(shù)據(jù)劃分。在對(duì)準(zhǔn)確率結(jié)果予以統(tǒng)計(jì)之后，最終可以獲得最優(yōu)節(jié)點(diǎn)數(shù)。通過(guò)上述操作，最終可以獲得研究所需的最佳訓(xùn)練函數(shù)以及隱藏層最佳節(jié)點(diǎn)數(shù)，借助這些結(jié)果，在開(kāi)展海洋沉積物工程定名精度分析的時(shí)候，便可以構(gòu)建起分析所需的具體神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

在本次研究中，進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)分析的時(shí)候，選擇建立對(duì)照試驗(yàn)，觀察基于黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分類方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，計(jì)算的效果，以及應(yīng)用本次研究所構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和計(jì)算的結(jié)果。對(duì)不同方法下的最終結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，找出不同方法在分類定名方面的準(zhǔn)確性與差異情況，以驗(yàn)證人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

在研究過(guò)程中，在相關(guān)數(shù)據(jù)方面，研究數(shù)據(jù)來(lái)源于某海域鉆探獲取的柱狀樣品測(cè)試結(jié)果。該結(jié)果中一共包含了284組數(shù)據(jù)，在相關(guān)沉積物類型方面，涉及到黏土和粉質(zhì)黏土以及粉土，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)組數(shù)分別為44組、42組、198組。通過(guò)對(duì)相關(guān)資料進(jìn)行查詢和分析了解到，該海域的沉積物類型中，粉土為主要的類型。同時(shí)，在海域的不同區(qū)域，沉積物粒徑也呈現(xiàn)出一定的改變，從近岸至遠(yuǎn)岸端，沉積物粒徑呈現(xiàn)出逐漸變小的變化趨勢(shì)。在水深達(dá)到15m以上的海域，沉積物的類型開(kāi)始發(fā)生變化，逐漸從粉土過(guò)渡為粉質(zhì)黏土以及黏土。在上述284組數(shù)據(jù)中，每組數(shù)據(jù)中均涉及到沉積物不同粒徑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。這一情況下，便可以借助對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的分析，使用海洋工程分類方法的沉積物定名名稱。

2.3 結(jié)果與討論

在研究中，對(duì)隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)4~20的不同網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，完成驗(yàn)證之后，可以獲得關(guān)于準(zhǔn)確率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，具體結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同隱藏層節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)確率統(tǒng)計(jì)結(jié)果

本文的研究中，在驗(yàn)證隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)準(zhǔn)確率的過(guò)程中，選擇對(duì)全部數(shù)據(jù)進(jìn)行隨機(jī)數(shù)據(jù)分割，一共進(jìn)行10次隨機(jī)數(shù)據(jù)分割，分割方式均為70%-15%-15%數(shù)據(jù)分割。在完成每次的數(shù)據(jù)分割之后，對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)均實(shí)施5次訓(xùn)練以及驗(yàn)證，最終獲得準(zhǔn)確率的最大值。如果僅僅對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行1次分割，則極易出現(xiàn)數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)不充分的問(wèn)題，影響最終的數(shù)據(jù)分析結(jié)果。而通過(guò)上述驗(yàn)證方式，一共進(jìn)行10次隨機(jī)數(shù)據(jù)分割，可以對(duì)數(shù)據(jù)信息予以充分的分析和挖掘，最終得到的研究結(jié)果也較為準(zhǔn)確與科學(xué)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)一定時(shí)，分別使用3個(gè)不同訓(xùn)練函數(shù)進(jìn)行了20次訓(xùn)練并使用測(cè)試集進(jìn)行了驗(yàn)證，最終可以得到不同訓(xùn)練函數(shù)下的多個(gè)準(zhǔn)確率，包括最低準(zhǔn)確率、最低準(zhǔn)確率、中位準(zhǔn)確率、平均準(zhǔn)確率，具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 不同訓(xùn)練函數(shù)準(zhǔn)確率（最低準(zhǔn)確率、最低準(zhǔn)確率、中位準(zhǔn)確率、平均準(zhǔn)確率）統(tǒng)計(jì)結(jié)果

綜合分析以上結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，如果訓(xùn)練函數(shù)為Scaled conj ugate gradient，隱藏層的節(jié)點(diǎn)數(shù)為9。通過(guò)應(yīng)用最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)施訓(xùn)練和預(yù)測(cè)，可以獲得到一定的結(jié)果，具體的結(jié)果如圖2所示。最終得到的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)測(cè)試集預(yù)測(cè)的總準(zhǔn)確率為97.7%。分別使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法和海洋沉積物工程分類黏粒界限法對(duì)測(cè)試集進(jìn)行預(yù)測(cè)，最終的預(yù)測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖2 訓(xùn)練過(guò)程

圖3 沉積物工程分類預(yù)測(cè)結(jié)果

海洋沉積物工程分類黏粒界限法的應(yīng)用過(guò)程中，通過(guò)對(duì)大量數(shù)據(jù)的分析，可以對(duì)黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)與定名之間的關(guān)系進(jìn)行總結(jié)歸納。在具體的預(yù)測(cè)過(guò)程中，在對(duì)43組數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)的時(shí)候，應(yīng)用海洋沉積物工程分類黏粒界限法的過(guò)程中，正確預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)數(shù)量一共為40個(gè)，最終的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率為93%。在使用本文所提出的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)的時(shí)候，43組數(shù)據(jù)中，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)一共有42個(gè)，數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到97.7%。比較海洋沉積物工程分類黏粒界限法與本文所提出的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法在數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)方面的效果以差異，不難發(fā)現(xiàn)，本文所提出的預(yù)測(cè)方法具備明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率更高。與原有海洋沉積物工程分類黏粒界限法相比較，應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)方法準(zhǔn)確率更高，預(yù)測(cè)效果更好。海洋沉積物工程分類黏粒界限法的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率雖然達(dá)到了90%以上，但應(yīng)用該方法的過(guò)程中，仍然存在十分明顯的局限性。本次研究中所提出的方法能夠建立粒徑質(zhì)量分?jǐn)?shù)和沉積物定名之間的非線性耦合關(guān)系，更加接近原有分類方法的本質(zhì)，更為科學(xué)地對(duì)含黏粒細(xì)粒沉積物進(jìn)行分類。隨著海洋工程地質(zhì)數(shù)據(jù)的增加、工程地質(zhì)調(diào)查設(shè)備的升級(jí)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的不斷創(chuàng)新，應(yīng)將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)更多地應(yīng)用在海洋工程地質(zhì)領(lǐng)域。

3 總結(jié)

在本文的研究過(guò)程中，使用了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)手段，通過(guò)對(duì)某海域284組海底粉土、黏性土沉積物顆粒級(jí)配數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，建立了只需使用沉積物粒徑質(zhì)量分?jǐn)?shù)就可以進(jìn)行沉積物工程分類的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)本文的研究可以發(fā)現(xiàn)，使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠?qū)Ｑ蠹?xì)粒含黏粒沉積物進(jìn)行準(zhǔn)確的分類，依靠沉積物粒徑質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以較為準(zhǔn)確地對(duì)某海域海底沉積物進(jìn)行工程定名，定名結(jié)果與使用塑性指數(shù)的規(guī)范定名方法高度一致。總體來(lái)看，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與海洋工程地質(zhì)之間存在著十分密切的聯(lián)系。在開(kāi)展海洋工程地質(zhì)相關(guān)研究的時(shí)候，可以積極的應(yīng)用這一技術(shù)。