BIM建筑模型與BP人工智能在應(yīng)急救援中應(yīng)用

張 兆 宏

(神東煤炭集團(tuán)救護(hù)消防大隊(duì),內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

0 引言

在計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展的今天，人工智能已經(jīng)逐漸成為人們?nèi)粘Ｉ钪械囊徊糠郑⑶胰斯ぶ悄芤呀?jīng)在各個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮了不可替代的作用。隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，人工智能已經(jīng)可以進(jìn)行較為精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)工作，從而對(duì)工作的進(jìn)一步開(kāi)展方向提供一定的數(shù)據(jù)支持。在應(yīng)急救援的工作之中，礦山應(yīng)急救援工作占有了很大的比例，而對(duì)于每一次的礦山救援工作，救援人員所面臨的狀況都是有所差別的。如果將人工智能的手段引入到礦山救援的工作中來(lái)，為應(yīng)急救援提供一定預(yù)測(cè)性的判斷，一定會(huì)為救援工作的效率帶來(lái)較大的提升。

本文簡(jiǎn)述了建筑信息模型(Building Information Modeling)與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工作的定義，組成部分，工作原理等方面，并以礦山應(yīng)急救援作為應(yīng)用基礎(chǔ)，討論了人工智能以及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在礦山應(yīng)急救援中的應(yīng)用。

1 BIM建筑信息模型

無(wú)論是地面建筑還是井下的施工中，所使用的大多都是二維平面圖紙。在使用的過(guò)程中，缺乏一定程度上的直觀性，并且在信息化上較為困難。為了更好的對(duì)建筑信息進(jìn)行管理，使建筑的生命周期得到更好的體現(xiàn)，在2002年提出了建筑信息模型(Building Information Modeling)這一概念。BIM建筑信息模型是一種工程數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，與二維平面圖紙不同之處是BIM不僅包含了建筑結(jié)構(gòu)之間的幾何信息，還包括了建筑材料的屬性等信息。從使用周期來(lái)看，BIM數(shù)據(jù)庫(kù)的使用并不限于建筑的施工階段，在建筑的前期設(shè)計(jì)與后期的使用運(yùn)營(yíng)階段中，設(shè)計(jì)者、管理人員與使用者可以快速有效的提取所需要的信息(見(jiàn)圖1)。

對(duì)比不同的信息數(shù)據(jù)，BIM模型主要的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是信息的可視化；二是信息的提取與共享；三是基于現(xiàn)實(shí)情況的模擬。可視化主要應(yīng)用于建筑的設(shè)計(jì)與施工，可以有效的提高設(shè)計(jì)與施工的速度。BIM模型的模擬性主要是用于建筑相關(guān)的模擬，比如日照模擬、消防模擬、緊急疏散模擬。

由于BIM建筑信息模型帶有十分詳細(xì)的建筑信息，并且具有較強(qiáng)的規(guī)范性，可以作為人工智能的訓(xùn)練數(shù)據(jù)。通過(guò)具有針對(duì)性的信息，人工智能可以較為快速的訓(xùn)練，對(duì)現(xiàn)實(shí)的情況進(jìn)行高效的模擬。

2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

2.1 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是指將現(xiàn)有的數(shù)據(jù)通過(guò)類(lèi)似于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)進(jìn)行處理，得到所研究方向的數(shù)學(xué)模型。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論是基于生物神經(jīng)元系統(tǒng)的處理信息的方式而產(chǎn)生的一種模型，從結(jié)構(gòu)上看，兩種之間有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，神經(jīng)元是生物神經(jīng)系統(tǒng)的重要組成單元，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也是通過(guò)一個(gè)個(gè)相對(duì)獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)所組成的，進(jìn)行一些較為復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理以及分析，單個(gè)的神經(jīng)元處理方式如圖2所示。

神經(jīng)節(jié)點(diǎn)所包含的算法當(dāng)中，包括兩個(gè)關(guān)于輸入輸出端的函數(shù)，一是線性組合函數(shù)，二是傳遞函數(shù)。線性組合函數(shù)主要的功能是將要在計(jì)算之前對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，對(duì)應(yīng)到所輸出的數(shù)據(jù)。傳遞函數(shù)是輸入量與輸出量之間的關(guān)系，主要適用于兩者之間具有線性關(guān)系，在計(jì)算的過(guò)程之中，不隨著輸入輸出量的改變而發(fā)生變化。傳遞函數(shù)形式有很多種，但最基本、最實(shí)用的是閾值函數(shù)、線性函數(shù)、S形函數(shù),公式如式(1)～式(3)。

(1)

f(x)=ax

(2)

(3)

2.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種通過(guò)誤差反饋機(jī)制來(lái)進(jìn)行算法訓(xùn)練的多層前饋網(wǎng)絡(luò)，是目前在人工智能領(lǐng)域較為常見(jiàn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是通過(guò)預(yù)期的輸出值與實(shí)際得到的輸出值進(jìn)行比較得到兩者的誤差，進(jìn)而進(jìn)行校正與改變，這種算法被叫做反向傳播學(xué)習(xí)算法(Back-Propagation)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用的場(chǎng)景是函數(shù)的逼近與對(duì)象識(shí)別等方面。BP神經(jīng)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)組成主要是三個(gè)部分：輸入層、隱含層、輸出層。由于隱含層的數(shù)目并不是確定的，有可能是一層或者同時(shí)存在多層，到這里BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)不等。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涫疽鈭D如圖3所示。

對(duì)于隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)的確定，并沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的說(shuō)法，僅僅有一些學(xué)者給出的經(jīng)驗(yàn)公式，見(jiàn)式(4)。

(4)

其中，n1為中間層層數(shù);m為輸出單元數(shù);n為輸入單元數(shù);a為常數(shù)。

對(duì)于BP算法的訓(xùn)練而言，其訓(xùn)練速度以及質(zhì)量所涉及的參數(shù)包括三個(gè)。學(xué)習(xí)率主要決定的是系統(tǒng)的穩(wěn)定性，學(xué)習(xí)率需要穩(wěn)定在一個(gè)區(qū)間內(nèi)，過(guò)大或者是過(guò)小都會(huì)影響系統(tǒng)所得到的結(jié)果。動(dòng)量因子的選取一般大于學(xué)習(xí)率，其選取一般與修正量有關(guān)。收斂誤差界值需要以訓(xùn)練當(dāng)中的實(shí)際情況而定，訓(xùn)練次數(shù)的增加帶來(lái)了收斂誤差界值的增加。

3 BIM與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在礦山應(yīng)急救援中的應(yīng)用

利用BIM建筑信息模型與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解決在礦山應(yīng)急救援過(guò)程中所遇到的非線性問(wèn)題，對(duì)于救援工作來(lái)說(shuō)是一種新方式，并可在實(shí)際的救援過(guò)程中提供一定的理論支持。

在井下災(zāi)害發(fā)生時(shí)，通過(guò)BIM建筑信息模型可以快速的定位災(zāi)害出現(xiàn)的位置，災(zāi)害波及的范圍以及災(zāi)害的嚴(yán)重程度。在獲取這些信息的基礎(chǔ)上，可以更加準(zhǔn)確的進(jìn)行救援方案的制定。而且在救援的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)意想不到的狀況。在這些突發(fā)狀況來(lái)臨時(shí)，BIM建筑信息模型可以有效的進(jìn)行模擬，進(jìn)而為救援方案的改變提供理論支持。

在礦山救護(hù)隊(duì)訓(xùn)練方面，往往對(duì)于每一個(gè)救護(hù)隊(duì)隊(duì)員的數(shù)據(jù)都需要分析，找到不同隊(duì)員所出現(xiàn)的錯(cuò)誤以及自身的不足。對(duì)于隊(duì)員的評(píng)價(jià)，往往會(huì)存在著一定的個(gè)人因素在其中，不能完整的反映每一個(gè)隊(duì)員真正的自身狀態(tài)。通過(guò)將之前隊(duì)員的訓(xùn)練數(shù)據(jù)用于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練中，得到完整的訓(xùn)練評(píng)價(jià)體系，可以更加精確的定位每一個(gè)隊(duì)員所存在的優(yōu)勢(shì)和不足，形成更加好的反饋，有利于加強(qiáng)救護(hù)隊(duì)員的訓(xùn)練針對(duì)性。

在救災(zāi)的過(guò)程中，人工網(wǎng)絡(luò)可以將BIM建筑信息模型中之前的災(zāi)害數(shù)據(jù)以及情況進(jìn)行類(lèi)比，并對(duì)當(dāng)下的事故進(jìn)行預(yù)測(cè)，所得到的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)可以作為救援開(kāi)展的數(shù)據(jù)支持，幫助指揮系統(tǒng)做出合理的判斷，保障救援工作的進(jìn)行，使井下的被困人員可以快速的被營(yíng)救出來(lái)。

礦山災(zāi)害的認(rèn)定方面，都需要許多人力和物力進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的工作，而且會(huì)出現(xiàn)一定的疑難復(fù)雜的問(wèn)題，需要組織所對(duì)應(yīng)的專(zhuān)家進(jìn)行論證工作。這樣一來(lái)，認(rèn)定方面所需要的人力、物力、時(shí)間成本都會(huì)上升，并有可能處于一個(gè)較高的位置。如果將BIM建筑信息模型與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入到實(shí)際的災(zāi)害認(rèn)定中來(lái)，通過(guò)已有的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，就可以在認(rèn)定的過(guò)程中減少繁瑣復(fù)雜的人力工作。從而使得整體的認(rèn)定工作更加的有效率，節(jié)省各項(xiàng)成本。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于礦山應(yīng)急救援工作來(lái)講，BIM建筑信息模型與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)都是一種新穎的技術(shù)。新技術(shù)的引進(jìn)往往帶來(lái)了不同的改變，并從很大程度來(lái)說(shuō)，可能會(huì)帶來(lái)巨大的提升。應(yīng)急救援工作的改善是對(duì)井下工作人員安全的保證，使他們可以不用為自己的安全擔(dān)驚受怕，從而提高其工作的積極性，為我國(guó)煤礦事業(yè)做出更大的貢獻(xiàn)。