基于改進(jìn)BP算法的巖土地質(zhì)勘察質(zhì)量控制技術(shù)研究

左亞淮

（江蘇省地質(zhì)工程勘察院）

巖土地質(zhì)勘察是建筑行業(yè)的基石，在建筑地基施工之前，需對(duì)其施工區(qū)域地質(zhì)進(jìn)行勘察，為建筑工程設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支持［1-2］，同時(shí)也可保障建筑工程施工質(zhì)量，受到建設(shè)施工單位重視。但在巖土地質(zhì)勘察過(guò)程中，受復(fù)雜地質(zhì)條件影響，導(dǎo)致巖土地質(zhì)勘察結(jié)果不利于建筑工程質(zhì)量控制［3-4］。目前也有很多學(xué)者研究巖土地質(zhì)勘察質(zhì)量控制方法，如劉黨衛(wèi)等［5］提出的勘探導(dǎo)航定位質(zhì)量控制方法，該方法以三點(diǎn)定位方式得到地質(zhì)作業(yè)關(guān)鍵點(diǎn)位置，依據(jù)該位置實(shí)現(xiàn)地質(zhì)勘察定位質(zhì)量控制；雷華等［6］提出地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法，該方法通過(guò)收集地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)后，使用ArcGIS 軟件實(shí)現(xiàn)地質(zhì)勘探質(zhì)量控制。雖然上述2種方法均可實(shí)現(xiàn)地質(zhì)勘察質(zhì)量控制，但前者在使用三點(diǎn)定位方式獲取地質(zhì)作業(yè)關(guān)鍵點(diǎn)位置時(shí)，受相關(guān)參數(shù)影響，其得到的地質(zhì)作業(yè)關(guān)鍵點(diǎn)位置存在偏差；后者則受地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)內(nèi)存在冗余數(shù)據(jù)影響，導(dǎo)致其最終控制效果不佳。面對(duì)上述情況，本文提出基于改進(jìn)BP 算法的巖土地質(zhì)勘察質(zhì)量控制技術(shù)，以期為建筑行業(yè)地質(zhì)勘察作業(yè)提供指導(dǎo)性意見(jiàn)。

1 巖土地質(zhì)勘察質(zhì)量控制技術(shù)

1.1 基于BIM技術(shù)的地質(zhì)體模型構(gòu)建

BIM 技術(shù)是以建筑工程項(xiàng)目相關(guān)數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，建立具有真實(shí)性的建筑模型，其具備信息完整性、信息關(guān)聯(lián)性以及可視化等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)［7-8］。在此以BIM 技術(shù)作為基礎(chǔ)，建立地質(zhì)勘察三維模型，利用該模型輸出地質(zhì)勘察孔平面布置圖、地質(zhì)剖面圖等，詳細(xì)過(guò)程如圖1所示。

在使用BIM 技術(shù)建立地質(zhì)體模型時(shí)，首先在BIM軟件內(nèi)加載地質(zhì)勘察鉆孔族和鉆孔數(shù)據(jù)后，依據(jù)鉆孔生成鉆孔族模型，然后使用克里金插值法依據(jù)鉆孔族模型，獲取地質(zhì)勘察樣本點(diǎn)，依據(jù)該樣本點(diǎn)建立地質(zhì)勘察的地質(zhì)界層模型，將不同樣本點(diǎn)的地質(zhì)界層模型組合后，生成地質(zhì)體BIM 模型，利用該模型可得到地質(zhì)勘察區(qū)域剖面圖、鉆孔分布等數(shù)據(jù)，建筑施工方依據(jù)地質(zhì)勘察區(qū)域剖面圖和鉆孔分布位置等數(shù)據(jù)對(duì)其建筑工程質(zhì)量進(jìn)行控制。

建立鉆孔族模型是建立地質(zhì)體模型的基礎(chǔ)，建立鉆孔族模型過(guò)程：先分析地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)，依據(jù)不同地質(zhì)巖性鉆孔高程，提取鉆孔位置地質(zhì)巖層，再按照地質(zhì)巖層厚度確定每個(gè)鉆孔族的總長(zhǎng)［9-11］，然后將鉆孔數(shù)據(jù)線性連接后，得到鉆孔族BIM模型。

建立完鉆孔族BIM 模型后，使用克里金插值方法獲取地質(zhì)勘察樣本點(diǎn)?？死锝鸩钪捣椒榫€性最優(yōu)統(tǒng)計(jì)方法，設(shè)置其約束條件如下：

式中，x表示量測(cè)點(diǎn)位置坐標(biāo)；h表示量測(cè)點(diǎn)距離；Q(x)、Q(x+h)表示位置x和x+h的實(shí)際量測(cè)值；γ表示變異函數(shù)；E表示線性函數(shù)；var 表示聲明變量函數(shù)。

令x0表示需要測(cè)量的樣本點(diǎn)，Q(xi)表示依據(jù)多個(gè)樣本點(diǎn)實(shí)際測(cè)量得到的實(shí)際值，則依據(jù)Q(xi)進(jìn)一步量測(cè)點(diǎn)的估計(jì)值Q*(xi)表達(dá)式如下：

式中，λi表示第i個(gè)權(quán)重系數(shù)，n表示量測(cè)點(diǎn)總量。

依據(jù)式（3）計(jì)算量測(cè)樣本點(diǎn)方差，其表達(dá)式如下：

式中，S表示量測(cè)樣本點(diǎn)方差；L表示拉格朗日乘子；hi表示從點(diǎn)x0到xi之間的距離；Q(x0)表示初始量測(cè)點(diǎn)的估計(jì)值。

當(dāng)需要量測(cè)的點(diǎn)數(shù)量較多時(shí)［12］，利用估值方差的均值來(lái)描述克里金插值效果，則估值方差均值表達(dá)式如下：

經(jīng)過(guò)上述步驟，完成巖土地質(zhì)勘察時(shí)地質(zhì)體模型構(gòu)建過(guò)程，通過(guò)該地質(zhì)體模型，可輸出地形剖面圖、地形等高線、地質(zhì)勘察量測(cè)點(diǎn)位置等信息［13-14］，為地質(zhì)勘察質(zhì)量控制提供數(shù)據(jù)支持。

1.2 基于改進(jìn)BP算法的地質(zhì)雷達(dá)勘察成像方法

由于地質(zhì)體模型不可獲取地質(zhì)內(nèi)部數(shù)據(jù)，為更加充分地展現(xiàn)地質(zhì)勘察結(jié)果，提升質(zhì)量控制效果，使用改進(jìn)BP算法地質(zhì)雷達(dá)勘察成像方法得到地質(zhì)內(nèi)部形態(tài)信息。

BP 算法（Back Propagation）是一種常見(jiàn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練算法，但是它也存在一些問(wèn)題，例如易陷入局部最優(yōu)解、學(xué)習(xí)速率難以確定等。為了克服這些問(wèn)題，研究者們對(duì)BP算法進(jìn)行了改進(jìn)，優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的收斂速度更快。傳統(tǒng)的BP 算法在進(jìn)行反向傳播的時(shí)候，容易出現(xiàn)梯度消失或者梯度爆炸的問(wèn)題，導(dǎo)致神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)收斂速度變慢。而改進(jìn)的BP 算法能更好地避免這些問(wèn)題，從而加快神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的收斂速度。

（2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確性更高。改進(jìn)的BP 算法通過(guò)引入動(dòng)量項(xiàng)、自適應(yīng)學(xué)習(xí)率等技術(shù)，能更好地優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重和偏置，從而提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確性。

（3）提高了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的BP 算法容易受到噪聲、異常值等因素的影響，導(dǎo)致神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的性能波動(dòng)。而改進(jìn)的BP算法能更好地處理這些問(wèn)題，提高了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

（4）減少了訓(xùn)練時(shí)間和訓(xùn)練成本。由于改進(jìn)的BP 算法具有更快的收斂速度和更高的準(zhǔn)確性，因此可以減少神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練時(shí)間和訓(xùn)練成本，提高了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的效率和經(jīng)濟(jì)性。

使用地質(zhì)雷達(dá)向地面發(fā)射高頻電磁波，電磁波穿過(guò)地層后受到阻礙會(huì)向地面返回反射波，地質(zhì)雷達(dá)利用接收天線接收地層內(nèi)的反射波后［15］，生成地質(zhì)雷達(dá)勘察圖像，但由于地層內(nèi)異常體反射波存在雙程時(shí)間差情況，導(dǎo)致其生成的地質(zhì)雷達(dá)勘察圖像內(nèi)異常體存在偏差，為此使用改進(jìn)BP 算法對(duì)其進(jìn)行歸位處理，以此獲取地質(zhì)內(nèi)部形態(tài)信息，確保地質(zhì)內(nèi)部信息獲取的精度與效率。其詳細(xì)過(guò)程如下。

地質(zhì)雷達(dá)在進(jìn)行勘察時(shí)，其發(fā)射與接收天線均貼近地面，則雷達(dá)天線和地面之間的距離為0，假設(shè)地質(zhì)雷達(dá)x軸下方被測(cè)物質(zhì)為均勻物質(zhì)，在x軸上方為空氣，地質(zhì)雷達(dá)天線沿著x軸移動(dòng)，則第k個(gè)天線位置坐標(biāo)由(xk,0)表示，將雷達(dá)天線接收區(qū)域看作一個(gè)矩形，則在該矩形區(qū)域內(nèi)，任意點(diǎn)A的坐標(biāo)由(xA,zA)表示，則任意點(diǎn)A到第k個(gè)天線位置的電磁波反射時(shí)延計(jì)算公式如下：

式中，tA,k表示任意點(diǎn)A到第k個(gè)天線位置的電磁波反射時(shí)延；c表示電磁波傳播速度；εr表示電磁波反射時(shí)延估計(jì)誤差系數(shù)。

令vA,k表示任意點(diǎn)A在第k個(gè)雷達(dá)接收天線上的響應(yīng)值，其計(jì)算公式如下：

式中，sk表示第k個(gè)天線上雷達(dá)響應(yīng)數(shù)據(jù)集合；t表示電磁波反射時(shí)延平均值。

令V={vA,1,…,vA,k,…,vA,n}表示任意點(diǎn)A在1～n個(gè)天線上雷達(dá)響應(yīng)集合，對(duì)該集合內(nèi)n個(gè)元素進(jìn)行疊加處理，則任意點(diǎn)A的成像表達(dá)公式如下：

式中，UA表示任意點(diǎn)A的成像。

通過(guò)遍歷雷達(dá)天線接收區(qū)域內(nèi)所有點(diǎn)，即可得到該區(qū)域的地質(zhì)成像結(jié)果，但在雷達(dá)響應(yīng)數(shù)據(jù)內(nèi)每一個(gè)時(shí)刻接收到的雷達(dá)響應(yīng)值均存在時(shí)延，導(dǎo)致式（8）結(jié)果不夠準(zhǔn)確。在此利用任意點(diǎn)A在每個(gè)地質(zhì)雷達(dá)接收天線上，雷達(dá)響應(yīng)值之間存在關(guān)聯(lián)性的特點(diǎn)，將集合V={vA,1,…,vA,k,…,vA,n}內(nèi)所有元素進(jìn)行2 次互相關(guān)操作，再?gòu)幕ハ嚓P(guān)操作后的元素內(nèi)選取3個(gè)元素相乘，將其乘積疊加后，作為任意點(diǎn)A的成像值，則式（8）可改寫(xiě)為

經(jīng)過(guò)上述步驟，利用式（9）可得到地質(zhì)勘察溶洞、地下裂紋等圖像，為后續(xù)工程施工質(zhì)量控制提供影像數(shù)據(jù)支持。

2 試驗(yàn)分析

以江蘇省淮安市一變電站工程項(xiàng)目作為試驗(yàn)對(duì)象，變電站工程項(xiàng)目數(shù)據(jù)來(lái)源包括以下內(nèi)容。

（1）工程地質(zhì)勘探報(bào)告：主要包括地質(zhì)構(gòu)造、地下水、巖溶地質(zhì)、地基承載力等。

（2）施工設(shè)計(jì)文件：包括建筑及構(gòu)造圖紙、機(jī)電一體化設(shè)計(jì)圖紙、土建工程施工圖、設(shè)備和儀表圖等。

（3）現(xiàn)場(chǎng)勘察報(bào)告：包括工程現(xiàn)場(chǎng)交通、水文地質(zhì)條件、地形地貌、交通流等。

（4）現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)數(shù)據(jù)：包括變電站場(chǎng)地大小、地貌地形、地基情況、工程地理環(huán)境等。

（5）監(jiān)理報(bào)告：包括施工過(guò)程中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)、工期安排等信息。

除此之外，通過(guò)歷史項(xiàng)目數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、勞動(dòng)力和物資數(shù)據(jù)、工程成本數(shù)據(jù)等方面來(lái)獲取變電站工程項(xiàng)目的數(shù)據(jù)。

該變電站工程占地面積較大，其占地長(zhǎng)度和寬度分別為34 和75 m 左右，總占地面積約為2 550 m2，其中內(nèi)室占地面積約為2 200 m2。在該變電站工程開(kāi)工之前，使用本文方法對(duì)其進(jìn)行巖土地質(zhì)勘察和質(zhì)量控制，并分析本文方法應(yīng)用效果。給出該變電站工程地質(zhì)勘察測(cè)點(diǎn)分布，如圖2所示。

驗(yàn)證本文技術(shù)獲取地質(zhì)勘察量測(cè)點(diǎn)能力，以工程地質(zhì)勘察測(cè)點(diǎn)的鑒別孔作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，利用克里金差值法得到鑒別孔位置，并利用BIM 模型輸出該鑒別孔位置，結(jié)果如圖3所示。

分析圖3可知，使用本文技術(shù)獲取地質(zhì)勘察量測(cè)點(diǎn)分布與實(shí)際工程地質(zhì)勘察測(cè)點(diǎn)分布大體一致，且本文技術(shù)在獲取地質(zhì)勘察量測(cè)點(diǎn)時(shí)，還可呈現(xiàn)該量測(cè)點(diǎn)位置地形起伏狀態(tài)。上述結(jié)果說(shuō)明：本文方法可有效獲取地質(zhì)勘察量測(cè)點(diǎn)，且獲取精度較好。

進(jìn)一步驗(yàn)證反復(fù)獲取地質(zhì)勘察量測(cè)點(diǎn)能力。利用估值方差均值作為衡量本文技術(shù)提取地質(zhì)勘察量測(cè)點(diǎn)能力指標(biāo)，測(cè)試在量測(cè)點(diǎn)數(shù)量較多時(shí)，其估值方差均值變化情況，同時(shí)設(shè)置量測(cè)點(diǎn)估計(jì)方差均值閾值為1.0，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

分析圖4 可知，獲取地質(zhì)勘察量測(cè)點(diǎn)時(shí)，量測(cè)點(diǎn)估計(jì)方差均值隨著量測(cè)點(diǎn)數(shù)量的增加而增加。但在量測(cè)點(diǎn)數(shù)量為225 個(gè)之前時(shí)，本文技術(shù)獲取地質(zhì)勘察量測(cè)點(diǎn)時(shí)的估計(jì)方差均值數(shù)值始終為0，該結(jié)果說(shuō)明在量測(cè)點(diǎn)數(shù)量為225 個(gè)之前時(shí)獲取地質(zhì)勘察量測(cè)點(diǎn)的精度極高。但當(dāng)量測(cè)點(diǎn)數(shù)量超過(guò)225 個(gè)之后時(shí)，獲取地質(zhì)勘察量測(cè)點(diǎn)時(shí)的估計(jì)方差均值呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但上升幅度極小。在量測(cè)點(diǎn)數(shù)量為500個(gè)時(shí)，獲取地質(zhì)勘察量測(cè)點(diǎn)估計(jì)方差均值為0.25 左右，該數(shù)值遠(yuǎn)低于預(yù)設(shè)閾值。上述結(jié)果說(shuō)明：技術(shù)獲取地質(zhì)勘察量測(cè)點(diǎn)精度高，也從側(cè)面說(shuō)明應(yīng)用該技術(shù)對(duì)工程施工質(zhì)量控制能力較好。

利用地質(zhì)雷達(dá)勘察該工程某區(qū)域地下裂隙，利用共軛裂隙模型方式描述該裂隙，如圖5（a）所示。再用時(shí)域差分方法（FDTD）對(duì)地質(zhì)雷達(dá)電磁波進(jìn)行正演，正演結(jié)果如圖5（b）所示，同時(shí)使用本文技術(shù)對(duì)該地質(zhì)雷達(dá)勘察電磁波信號(hào)轉(zhuǎn)換為圖像，結(jié)果如圖5（c）所示。綜合分析對(duì)比圖像結(jié)果，分析該技術(shù)獲取地質(zhì)內(nèi)部裂隙能力。

綜合分析圖5 可知，在使用域差分方法（FDTD）對(duì)地質(zhì)雷達(dá)電磁波進(jìn)行正演后，其得到地質(zhì)裂隙分布形態(tài)圖像內(nèi)存在較多裂隙雜波，雖然得到的地質(zhì)裂隙整體形態(tài)與裂縫共軛裂隙模型結(jié)果一致，但其無(wú)法精準(zhǔn)呈現(xiàn)地質(zhì)裂隙狀態(tài)。而使用本文技術(shù)對(duì)地質(zhì)裂隙勘察圖像進(jìn)行歸位后，可有效去除雷達(dá)電磁波內(nèi)存在的雜波，得到更加精準(zhǔn)的地質(zhì)裂隙分布形態(tài)，為后續(xù)工程質(zhì)量控制提供較為準(zhǔn)確的地質(zhì)裂縫分布結(jié)果。

以生成的地質(zhì)勘察圖像清晰度作為衡量指標(biāo)，在干擾噪聲強(qiáng)度為50 dB 情況下，測(cè)試本文技術(shù)生成地質(zhì)勘察圖像能力。為突出本文技術(shù)效果，同時(shí)使用文獻(xiàn)［5］和文獻(xiàn)［6］技術(shù)展開(kāi)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

分析圖6可知，在地質(zhì)裂隙電磁波存在干擾噪聲時(shí)，3 種技術(shù)均可有效生成地質(zhì)裂隙圖像，但本文技術(shù)生成的地質(zhì)裂隙圖像最為清晰，可向用戶清楚呈現(xiàn)當(dāng)前地質(zhì)內(nèi)裂隙走向和分布形態(tài)。而文獻(xiàn)［5］和文獻(xiàn)［6］技術(shù)生成的地質(zhì)裂隙圖像并不完整，無(wú)法為用戶呈現(xiàn)更多裂隙細(xì)節(jié)信息。綜上結(jié)果，本文技術(shù)在電磁波存在噪聲干擾時(shí)，也可清楚地生成地質(zhì)裂隙圖像，具備較為顯著的應(yīng)用效果。

從應(yīng)用角度對(duì)本文技術(shù)展開(kāi)驗(yàn)證，對(duì)應(yīng)工程來(lái)說(shuō)，巖土地質(zhì)勘察極其重要，通過(guò)勘察地質(zhì)內(nèi)裂隙、量測(cè)點(diǎn)位置，制定工程施工計(jì)劃和位置。以該水電站工程作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，利用軟件模擬形式驗(yàn)證本文技術(shù)應(yīng)用前后該變電站工程地基隨著施工時(shí)間的增加，其綜合沉降值變化情況，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

分析表1可知，該變電站地基工程隨著施工天數(shù)的增加，其地基綜合沉降數(shù)值也呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。但本文技術(shù)應(yīng)用前，該變電站地基工程綜合沉降值在施工4 d 之前為0 m，說(shuō)明此時(shí)該地基并未出現(xiàn)沉降狀況。但隨著施工天數(shù)逐漸增加，地質(zhì)結(jié)構(gòu)受到的壓力越來(lái)越大，地質(zhì)內(nèi)巖石和裂隙不穩(wěn)定，變電站地基工程逐漸出現(xiàn)沉降現(xiàn)象。本文技術(shù)應(yīng)用后，該地基出現(xiàn)沉降時(shí)施工天數(shù)為12 d，說(shuō)明應(yīng)用該技術(shù)可在地基施工前期保障其不會(huì)出現(xiàn)沉降情況。隨著施工天數(shù)繼續(xù)增加，該變電站地基工程開(kāi)始出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，但在相同施工天數(shù)下，應(yīng)用本文技術(shù)，該變電站地基工程沉降減小。綜上結(jié)果：本文技術(shù)應(yīng)用后，可有效控制變電站地基工程施工質(zhì)量，使其出現(xiàn)沉降數(shù)值較小，具備較為顯著的應(yīng)用效果。

3 結(jié)論

基于改進(jìn)BP算法的巖土地質(zhì)勘察質(zhì)量控制技術(shù)應(yīng)用到了BIM 技術(shù)和電磁波成像技術(shù)，構(gòu)建地質(zhì)體模型，利用該模型輸出工程建設(shè)區(qū)域地質(zhì)體相關(guān)信息，再通過(guò)電磁波成像方式得到地質(zhì)內(nèi)溶洞、裂隙等數(shù)據(jù)，為工程質(zhì)量控制提供詳細(xì)的地質(zhì)信息，建設(shè)施工方依據(jù)該信息對(duì)工程位置、相關(guān)參數(shù)等進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)工程質(zhì)量控制。經(jīng)過(guò)多角度驗(yàn)證，該技術(shù)在獲取地質(zhì)信息以及生成地質(zhì)裂隙圖像方面均具備較為優(yōu)秀的能力。