用于填石路堤密實度檢測的專家系統研發

劉忠元

摘要：隨著社會的發展，人們對工程施工的要求越來越嚴格，填石路堤的無損檢測也隨之被提上日程，以往在檢測的時候方法陳舊既費時間又費人力。基于以上問題，發明了一種以神經網絡為基礎的填石路堤檢測專家系統。通過對專家系統（基本結構、知識獲取、神經網絡）的基本原理及推理機等的工作原理進行研究，并根據研究作出一系列的開發工作。

關鍵詞：神經網絡；填石路堤；密實度檢測；專家系統

中圖分類號：U416文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）03-0052-02

一、概況

近十年來，雖然我國公路交通得到了很大程度的發展。可是其發展范圍并不是很全面，主要還是集中分布在比較發達的地區。這就出現了交通網結構不合理、不科學的狀況。比較落后的中西部地區交通狀況仍然得不到根本的轉變。作為“西部大開發戰略”的一部分，我國將在西部地區修筑公路35萬km。然而由于我國地勢分布不均，呈現西高東低，中部丘陵，西部海拔較高，山勢險峻，石崖密布的形勢，石料成為西部山區高等級公路修筑的最佳選擇。

針對西部地區丘陵、山地的狀況，在高等級公路修建的時候必須使用開方石料或其它棄石料填筑路堤，這樣做的出發點是：（1）有利于就地取材，少占耕地，便于提高社會經濟效益；（2）石料具有透水性強、抗剪強度高、壓實密度大、沉陷量小等工程特性。但是在使用過程中也會出現缺點：例如，填石路堤由粒度成分不同的塊石組成，孔隙率大，且不同巖石的物理力學性能不同，在路基和路面的重力及行車荷載作用下，加上自然環境等因素的影響，使填石路堤的石料有可能被壓碎、重新排列、擠密，產生沉降、收縮等不均勻變形，很易造成局部或大面積滑坍。

以往，公路部門所制定的規則如：填方材料的壓實特性、檢測標準等都是以細粒為依據的，有關填石路堤的壓實特性和檢測標準方面的試驗和研究非常微弱。正因為填石路堤的這種特質，使施工人員在設計、施工、檢測的時候會出現很多困難，最終致使石質填料在使用時造成不便。因為目前在填石路堤密實度的檢測方面，還未找到科學合理的方法，所以在公路的工程質量上，就要求施工人員必須成分認識和了解填料的工程性質，只有這樣才能把損失縮減到最小。

二、神經網絡專家系統的基本原理

近年來，一種新的方法——人工神經網絡檢測法的出現為填石路堤的檢測做出了很大貢獻。神經網絡在成分研究經驗樣本的基礎上，并對其以權值和閾值的形式進行儲存。所謂網絡輸入通常是指被診斷對象的特征，而輸出則是指檢測結果。專家系統是以符號為前提的推理系統，其不足之處是知識獲取麻煩，優點是擁有解釋功能。所以，應用研發基于神經網絡的填石路堤壓實度檢測的專家系統，在檢測方面既科學又有效。

（一）檢測系統的基本結構

基于神經網絡的填石路堤檢測專家系統基本結構如圖1所示。使用VB6.0制作人機界面，利用其優質的窗口功能來完成用戶輸入、輸出。

（二）知識的獲取

此系統分為靜態和動態兩種。所謂靜態知識是知識工程師通過對領域專家的診斷知識做產生式輸入，其中主要包括網絡結構、樣本集知識和專家診斷知識。動態知識則是運用樣本學習來取得權值和閾值知識、節點值和誤差等知識。因為系統具有記憶的功能，它在完成一個診斷后，能夠自動記憶，總結出新的診斷方法，是知識庫的內容可以不停的得到優化和豐富。

（三）神經網絡的基本原理

三層網絡結構模型如圖2所示。其組成成分主要是輸入層、隱含層和輸出層。（1）輸入層，以接收信息為主，即為經過歸一化處理計算出的檢測特征值。Z=（Z1，Z2，…，Zn）。（2）隱含層，把接收到的信息進一步進行學習和處理，再以權值和閾值的方式分別接入輸入層、輸出層。選用S型函數Sigmoid函數，以完成輸入模式到輸出模式的非線性映射。（3）輸出層，其節點數字為m，也就是檢測對象模式的總數，如圖：如果第j個模式的輸出為Oj=[00...010...00]，那么表明第j個節點輸出值應為1，其他的都記為0，結論是第j個檢測對象是切實存在的。反之，如果輸出全為0就證明無檢測對象

出現。

（四）推理機

系統在進行數據處理的時候使用的是正向推理方法，通過輸入檢測對象的特征值，從而得出隱含層神經元的輸出，并以此作為輸出層的輸入，再得出輸出層神經元的輸出，根據閾值函數來證明輸出層神經元的最后結果。如果閾值為Φ，那么輸出神經元yj>Φ（j=1，2，…，m），證明被檢測對象的特征與專家系統是相符合的。相反，如果若輸出神經元接近于0，就證明專家系統與被檢測對象是不相符的。

三、專家系統的研發

（一）系統的設計原則

填石路堤檢測專家系統是以自行檢測“虛擬樣機”為基礎，在已有的檢測辦法的基礎上進一步分析研究借助專家經驗建立動態運算，以模糊推理機為基準進行運算，最終完成檢測隊形特征，接下來把仿真結果依據已經存在的數據作出診斷，最后定結果。其設計原理需依照以下原則：

1．人機界面友好。調出人機界面，用戶在界面上輸入想要解決的問題，由預測系統一一作出解答。另外，此系統還可以通過界面把系統預測的結果展示給用戶。其操作的整個過程都有提示方案，使用戶可以邊解決問題便學習。

2．充分利用好知識。檢測結果是否準確？最主要還是要看樣品的知識來源及系統的正確推理，就本系統而言，其決定因素主要是指每個部分的影響因子中的隸屬度和權重系數。

3．系統應具有可擴展性。系統的報警、對象檢測，每一步都是要通過仿真平臺的仿真數據來驗證的，所以在進行系操作時，處理好仿真平臺的接口尤為重要。

（二）專家系統數據庫開發

專家系統初期開發需要極大的工作量和周期來完成。在進行檢測時要使用沉降差法等傳統的方式與無損檢測方式配合使用，需要在數據庫中輸入被檢測對象的物理力學參數，接下來對樣品進行全方位檢驗，盡量使用一樣品多方位檢測的方法，然后經過長時間研究得出最接近樣品本身性質的策略。近年來，因為檢測對象數量的增加，其樣品也在不斷完善，為以后的檢測道路提供方便與方法。

四、結論及建議

專家系統檢測主要是將傳統的檢測方法與瑞雷波法相協調，豐富數據庫，使瑞雷波無損檢測的準確性進一步得到提高，有效的杜絕了當前局部和小區域異常問題等的出現幾率，為瑞雷波進一步創新打下堅實的基礎。臨近道瑞雷波法一方面可以正確無誤的得出路基密實度和其各自分布規律；準確地分析出路基中不良體的埋深及分布范圍；另一方面還可以以速度作為參數完成碎石層的力學及物性參數分析。由此得之，臨近道瑞雷波法是一種高效率、經濟實惠的測量方法，有很大的發展前途。

參考文獻

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（責任編輯：趙秀娟）