論人工神經網絡在巖土工程中應用

文/高維澤 遼寧省冶金地質勘查局四〇二隊 遼寧鞍山 114038

1、引言

近些年來人工神經網絡迅速發展，已經成為了前沿學科的研究“熱點”。人工神經網絡作為一個非線性的系統，能夠在研究復雜的巖石工程問題中提供一些新的思維與方法。本文將簡明闡述人工神經網絡理論的歷史，與其在巖土工程中的應用、存在的問題及發展趨勢,希望能夠起到拋磚引玉的作用，進一步促進這一方面的相關研究。

2、人工神經網絡理論的研究歷史

人工神經網絡從1943年首次被提出到如今已經有了70多年的歷史，其主要的特點在于模擬人腦的構造。在過去的70多年里，人工神經網絡經歷了多次的修正與發展，尤其是在信息技術飛速發展的時期，人工智能取得了顯著性的成就，使得神經網絡的研究一度陷入低谷；隨著人工神經網絡理論的不斷發展，尤其是定量化的方法與計算出現后，人工神經網絡理論又重新喚起了生計，尤其是在BP算法的出現成為了神經網絡研究中一個突出的成果，為神經網絡成為當今最流行的網絡系統奠定了基礎；1987年，在美國召開的第一屆國際神經網絡會議標志著國際神經網絡協會成立，這就為今后神經網絡的快速發展提供了保證，使得神經網絡成為世界各國發展高性能混合計算機的契機。

同時我們應該清楚的認識到，神經網絡不是萬能的。但是神經網絡中的一些領域，例如人工神經網絡的非線性映射、分類系統等基本特征已經成為了一種關鍵的信息處理方式。因此神經網絡在一些傳統方法無法解決的問題中仍能起到很好的作用，能夠普遍應用于工程和部分學科的研究領域。

3、神經網絡在巖土工程中的應用

在土木工程中引入人工神經網絡要追述到上個世紀八十年代末，最早是用來解決工程施工程序的問題。后來隨著研究領域的不斷擴大，人工神經網絡所使用的領域越來越寬廣，已經涉及到很多工程領域之中。在巖土工程領域，基于神經網絡的學習過程，首先可以解決樣本的問題，同時神經網絡的計算結果具有較高的精確度。因此，從上世紀九十年代至今，神經網絡在巖土工程中適用的領域越來越寬廣，可以解決的問題越來越來，效果越來越明顯，已經成為了巖土工程的一個重要研究方法。目前，人工神經網絡在巖土工程中的應用具體表現在以下幾個方面：

3.1 人工神經網絡在樁基工程中的應用

樁基工程是巖土工程最基礎的一項工程，巖土工程在樁基工程中,一個穩定扎實的樁基工程能夠決定巖土工程是否能達到相關的要求。由于樁基工程中預測樁的極限承載力、判定樁身完整性等方面是一個及其復雜的模型，使用傳統的方法與模型已經無法高度擬合。而人工神經網絡可以從多個方面與角度解決這一難題，在具體的施工過程中一方面可以利用樁的長徑比建立一個測樁的極限承載力的模型；另一方面可以利用應力波反射波法的BP神經網絡分析方法解決樁身的完整性問題。人工神經網絡引入到樁基工程的中，能夠綜合考慮到樁基工程的各個方面，從而提高工程的質量，這就使得人工神經網絡成為巖土工程應用的一個典例。

3.2 人工神經網絡在基坑工程中的應用

土木工程中最復雜的技術領域就是深基坑工程，因為其具有隱秘性、復雜性的特點。目前在深基坑工程中存在的最主要的問題就是在于理論和方法不能與實際施工過程完美結合而導致的較為嚴重的偏差。因此，在基坑工程的各個環節中進行動態的設計與開展信息化的施工是十分必要的。例如，在基坑工程早起開挖的過程中應該進行變形預測，了解所施工地段的環境以及巖土構成，掌握其內在的規律性，從而促進工程的安全開展。另一方面，由于基坑在施工過程中可能存在著很多的不確定因素，其出現的變形觀測值就可能出現很大波動以及不確定性。基于這種背景之下，就可以引入神經網絡原理來解決在施工過程中可能遇到的問題。具體的做法就是建立影響基坑變形的各因素與位移之間的神經網絡模型.其二,可以將變形監測數據用一個時間序列來代替，根據已經出現的數據尋找出相對應的函數規律，從而對系統未來的演變與發展進行預測，提前預防基坑不合理變形帶來的危害。

3.3 人工神經網絡在邊坡工程中的應用

邊坡工程具有高度的復雜性和非線性工程，同樣被視作土木工程中一個復雜性的工程，其本身可以被看作是一個開放式的工程體系。影響邊坡工程的因素是多方面的，最主要表現在地形地質因素、巖體因素、人為因素等多個方面，而這些主要的因素都是無法用線性解釋的。這就使得傳統的線性模型與邊坡工程的特征與其影響因素存在著較大的差異，因此使用傳統的線性模型是無法正確模擬出邊坡工程模型的。人工神經網絡具有非線性的特點，而且還能把影響邊坡工程的要素例如地形因素、巖體因素和外在影響因素等建立了邊坡穩定性研究分析的BP模型，這就對于研究邊坡工程具有了一種普遍的實用方法。

除上述之外，神經網絡系統還能運用在土的動力學研究、巖體爆破研究、地基承載力計算等多個方面。

結語：

巖土工程在各已知量和未知量之間有著很強的非線性關系，我們可以把巖土工程看作是一個復雜的高難度的非線性模型。在傳統研究方法無法正確模擬巖土工程模型或者無法提供高精度的計算時，人工神經網絡因其是具有模仿生物大腦結構和功能的一種系統,能夠較好的反映巖土工程的相關問題。但是，我們在研究人工神經網絡在巖土工程中的應用時應該掌握好一個尺度，能從客觀上認識到神經網絡帶來的作用以及它所存在的局限性，不能夸大或者埋沒神經網絡在巖土工程研究中的作用導致神經網絡這些技術發展與應用出現誤區。總之，人工神經網絡在巖土工程的研究已經設計到多個領域，但是在使用人工神經網絡系統時仍存在一些問題需要工程界關注并能尋找出最優的解決方案。

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