巖土工程不確定性系統研究及其工程應用

朱耀東

摘要：隨著經濟的快速發展，基礎建設的腳步也在逐步加快，出現了巖土工程問題。工程應用中使用的巖土材料的隨機性、模糊性和不確定性使得巖土工程問題增加了幾個領域（溫度場、荷載場、浸泡場）和多態（氣態、固態、液態）的復雜性。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查和討論巖土工程的不確定性的原因所在。

關鍵詞：巖土工程；不確定系統；研究

引言

由于巖土特性的模糊性和地質勘探技術的局限性，施工過程中的巖土工程問題更加復雜，當與外部因素相結合時，巖土模型的選擇和機械分析的難度更加困難。為了實現城市現代化和生態和諧發展，必須在系統研究中納入新思路、新技術和新方法。

1國內外的研究狀況

隨著社會現代化進程的加快和交通的不斷發展，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，在技術安全和可持續發展方面仍存在許多未解決的科學技術問題。

根據目前的研究狀況，人們已經開始研究自20世紀初以來的不確定性系統。在探索這些問題時，人們使用反向分析的方法，即反向分析出現的問題，基于現場測量信息的參數計算。經過專業人士30多年的研究和開發，重新分析問題的研究逐漸從線性開始，研究非線性的發展，研究材料從同質到異質的轉變，以及確定性反分析的研究方法也發展成為非確定性的反分析研究。

根據目前的分析和研究結果，巖土工程的研究現狀和發展時期分為以下三個時期：

（1）從20世紀70年代初到80年代初期反分析發展的早期階段。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在巖土技術討論中使用的測量變形分析。

（2）從20世紀80年代初到90年代初的反分析的進一步發展階段。同時，逐步引入了基于不同本構關系和算法的反分析方法，考慮了測量條件和現場應用，使得此時開發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力場，利用概率統計分析巖土參數，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行了研究，對這些分析方法的研究已經納入了系統理論和信息理論。因此，在此期間提出的遺傳算法和神經網絡已經成為具體技術被考慮在內。主要代表是開發的四合一優化算法對彈性橫向同態進行了最優反演分析，利用系統辨識理論和力學原理提出了巖石模型。

2不確定性系統研究

這項工作的重點是人體和支撐結構的復雜性，被認為是一個復雜的動態分析系統。基于巖土測量數據，使用前向和后向組合的分析方法。該過程的進度被傳遞給決策者，以便決策者能夠理解構造。本文的重點是分析巖土模糊系統的特點，建立智能專家系統。以下是專家系統的結構和系統實現。

2.1基本結構

專家系統本質上是智能計算機程序系統。實施主要基于研究專家的知識和經驗，解決問題由專家完成。原則上，應建立一個程序系統，其中包括基于專業知識和經驗的程序管理系統。然后進行判斷，模擬專家決策過程。

完整的專家系統需要幾個特征：推理、透明度、靈活性和靈感，并包括以下部分：知識庫、數據庫、推理引擎、上下文、錯誤提取器、學習系統和解釋部分。設備知識庫主要用于存儲專家的經驗和知識，知識庫的結構主要由知識的表示決定。知識的具體一般形式是邏輯表示、規則表示、語義網絡表示、框架表示和子表示。程序中數據庫主要用于存儲反應系統數據的當前狀態，通常分為靜態數據庫和動態數據庫，其中靜態數據是指相對穩定的數據。動態數據主要涉及設計過程中產生的參數推理引擎，由一系列主要用于控制和協調的軟件程序組成，服務于整個專家系統，如測量數據、施工進度等。上下文的主要作用是保存中間結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。參數計算是學習系統主要從專家大腦和線聚合過程中提取知識，然后構建知識庫編程知識的知識。口譯員的主要任務是在相應基礎上得出結論，而不是直接回答客戶的問題。

2.2系統實施

目前，專家系統仍存在不足之處：知識獲取能力不強、思維能力差、智力低、系統水平低。為了應對上述缺點，神經網絡和專家系統被分組為神經網絡專家系統。

（1）知識表示。知識表示旨在將知識轉化為機器可以理解的形式，以便傳統計算機具有人類智能、人類知識和工作能力。神經網絡的知識庫主要使用自己的分布式連接機制來表達知識。知識不再以孤立的規則表達，而是以相互關聯的權重和閾值表達。

（2）知識獲取。在神經網絡專家系統中，獲取知識意味著獲取和選擇訓練模式。然后，系統通過特定算法進行學習，然后在內部算法被集成和修改之后，將專家的啟發式知識集成并修改為網絡連接。每個知識點由幾個連接的神經元的權重和輸入信息組成。

（3）思維機制。它主要分為三種機制：前向決策機制：后向決策機制和混合決策機制。最常用的機制是混合決策機制，即神經網絡系統基于一些已知信息的輸入提出最高概率事件。基于相關知識，該假設得到驗證。如果假設被放置，則證明結束，否則建立新假設并且驗證繼續直到假設建立。

（4）解釋機制。解釋機制的實現主要是結合輸入層神經元的物理意義和輸出層的神經元，以及相應的連接強度來形成規則，然后利用這些形成的規則來實現解釋功能機制。

3結論

總之，本文討論的智能專家系統結合了專家經驗、設計經驗、數值理論分析和現場勘探技術，完成改造和改進傳統的巖土工程技術并將它們結合起來，實際情況使其在應用中更加科學合理。然而，巖土本身屬于自然地質范疇，具有獨特的結構特性和可變性，難以分析其物理性質和力學性質。因此，巖土工程問題的分析應以工程地質為基礎。結合相關勘探建設的特點，有必要遵循環境保護和當地條件，合理利用每一寸土地，運用更先進科學的技術解決巖土工程問題。

參考文獻

[1] 賀鋼，蔣楚生.邊坡巖土工程不確定性及對策分析[J].鐵道工程學報，2010，4：19-22，34.

[2] 趙彥斌.邊坡巖土工程不確定性及對策分析[J].技術與市場，2012，3：42，44.

（作者單位：中交二航局第四工程有限公司）