基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的邊坡穩(wěn)定性評價研究

李鵬飛

摘 要：隨著我國科學(xué)技術(shù)的進步與飛速發(fā)展，越來越多的新技術(shù)利用到邊坡工程中，邊坡穩(wěn)定性評價對工程的建設(shè)和地質(zhì)災(zāi)害的治理具有重要的作用，本文主要介紹了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的理論基礎(chǔ)以及其在邊坡穩(wěn)定性評價的簡單應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；邊坡穩(wěn)定性；評價

0 引言

對于地質(zhì)工程來說邊坡的穩(wěn)定性評價是一項重要的研究任務(wù)，尤其是在巖土工程中。近年來，邊坡穩(wěn)定性的相關(guān)研究向著多元的方向發(fā)展，因此許多研究方法應(yīng)運而生，但是總體歸納起來，目前邊坡穩(wěn)定性的研究常用的方法有定性分析法、定量分析法、不確定性分析法。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價法就是定量分析法當(dāng)中的一種，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的引入，為邊坡工程的穩(wěn)定性研究提供了重要的手段。

1 邊坡評價方法簡介

邊坡穩(wěn)定性的評價方法主要有三種，即定性、定量、不確定分析三種。定性分析法是勘察結(jié)束后，根據(jù)影響邊坡的因素、邊坡破壞的機制和可能產(chǎn)生的失穩(wěn)變形模式對已經(jīng)產(chǎn)生破壞的巖土體的形成原因和機制進行評價，在此基礎(chǔ)上對邊坡穩(wěn)定性進行評價，并對其的發(fā)展趨勢做出定性分析和評價。這種方法不僅能對邊坡穩(wěn)定性的影響因素全面分析，還可以對邊坡的發(fā)展趨勢做出評價，具有一定的優(yōu)越性。定量分析方法目前不能實現(xiàn)完全定量，只能達到半定量分析，目前常用的方法是有限單元法、流形元法等。非確定性分析方法相對于上述兩種方法來說更接近實際情況，主要方法包括有可靠度評價、灰色系統(tǒng)評價等。

2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)理論基礎(chǔ)

2.1 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)概述

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是以人腦的思維方式研究為基礎(chǔ)，利用數(shù)學(xué)方法抽象模擬人腦的基本功能的一種連接網(wǎng)絡(luò)，是由大量的并且簡單的處理單元組成的神經(jīng)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)不僅能夠反映出人腦的一些功能，能做出某種簡化、抽象和模擬，其行為是豐富多彩的。

2.2 神經(jīng)元模型與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

一種簡化的神經(jīng)元模型是一種多輸入單輸出的非線性的模型，如圖1所示。

對于傳統(tǒng)的神經(jīng)元模型來說，通常采用同一非線性的映射，使得每個神經(jīng)元都產(chǎn)生興奮，僅僅通過細胞之間的權(quán)值變化表示，這種情況導(dǎo)致學(xué)習(xí)算法比較繁瑣，收斂較慢。

因為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對生物系統(tǒng)模擬的組織和抽象層次的不同，可以將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型分為以下幾個類型：①神經(jīng)元層次模型，將研究工作集中在某個神經(jīng)元的動態(tài)特征，對輸入信息的選擇性響應(yīng)進行探究；②網(wǎng)絡(luò)層次模型，其自身包含不同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，主要用來模擬生物神經(jīng)的復(fù)雜性和抽象性；③組合式模型，它的神經(jīng)元相互補充和作用，主要用來完成固定的任務(wù)，可以用于機器人的控制；④神經(jīng)系統(tǒng)層次模型，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有多種性質(zhì)，可以模擬動物更抽象化的功能；⑤智能型模型，這種形式最抽象，主要通過語言的形式來模擬人腦的思維過程。

2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)及工作方式

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有收斂性、容錯性以及推廣性等基本特性，其中收斂性是指在使用有限元法迭代時可以得到收斂的結(jié)果；容錯性是指神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自動修復(fù)功能，將不完整的、破碎的信息恢復(fù)成完整的形式；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的推廣性一般指已經(jīng)訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以對不屬于訓(xùn)練范圍的樣本進行分類，具有推廣性。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工作過程主要分為兩個階段，第一個階段是工作期，此階段的主要目的是改變計算機的狀態(tài)，以達到穩(wěn)定的狀態(tài)；第二個階段是學(xué)習(xí)期，在此期間計算機的狀態(tài)保持不變，通過連接權(quán)值的變化調(diào)整。前一階段時間較短，容易進行，為短期記憶，后一階段時間較長，為長期記憶。

2.4 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

在邊坡穩(wěn)定性評價中，有一些模糊概念如巖性較差、地形較陡等，因此在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用當(dāng)中我們也引入模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論。由于模糊網(wǎng)絡(luò)理論本身具有模糊性，因此在處理一些精度要求高的問題上，模糊網(wǎng)絡(luò)的使用應(yīng)該受到限制。模糊理論主要用來模仿人類在模糊情況下的思維方式，相對于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理過程簡單，對專家的知識利用率較高，并且樣品的要求較低，但是會存在一些人為因素的影響，如果將兩者結(jié)合，便可以起到很好的效果。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)造方法一是通過兩個或者更多的模糊神經(jīng)元經(jīng)過層狀的結(jié)構(gòu)連接在一起形成，其基本單元是模糊神經(jīng)元（圖2）；二是通過輸入層的模糊化處理，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)只完成非線性映射功能，該系統(tǒng)的組成元素包括：模糊化層、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層以及反射模糊化層，在處理過程中，通過對輸入知識的處理和輸出知識的后處理，將模糊概念成功的融入到表達式中。

3 邊坡穩(wěn)定性的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價

3.1 邊坡穩(wěn)定的評價的輸入知識主要包括兩大類，分別是對數(shù)值變量的描述和對知識變量的描述。根據(jù)前面所說的模糊理論知識對函數(shù)進行選擇，包括正態(tài)分布函數(shù)、三角函數(shù)等。其中對于定性指標(biāo)來說，需要將數(shù)據(jù)進行量化處理，從而評定其模糊矩陣。在實際情況中，常常需要根據(jù)實際情況由專家決定其隸屬度，才會帶來使得評價更為方便。

3.2 網(wǎng)絡(luò)的輸入層和輸出層的神經(jīng)元的個數(shù)是由使用者根據(jù)實際情況來定的，在實際設(shè)計過程中，可以通過要求解的問題和數(shù)據(jù)的多少來決定輸入的神經(jīng)元，并且在設(shè)計時要控制整個系統(tǒng)的規(guī)模，規(guī)模越小，越利于學(xué)習(xí)和使用，復(fù)雜性也會降低。

4 結(jié)論

邊坡穩(wěn)定性評價自身存在多樣性、復(fù)雜性廣泛性，因此在實際評價過程中，仍然有一些不成熟的地方需要改進。我們應(yīng)該充分利用當(dāng)今飛速發(fā)展的科技進步，將最好的、最有效的方法引入到邊坡工程評價當(dāng)中，不斷的提高自身的實力，將知識轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)生產(chǎn)力，只要我們不斷努力，必然會總結(jié)出更合適的評價方法。

參考文獻：

[1]蔣裕豐，婁一青，趙二峰.基于二進制蟻群神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的邊坡穩(wěn)定分析[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009，03：346-351+370.

[2]周寧，傅鶴林，袁勇.基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的邊坡穩(wěn)定性評價方法[J].地下空間與工程學(xué)報，2009，S2：1826-1832.

[3]李元松，陳文峰，李新平，田昌貴，夏進，郭運華.基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的邊坡穩(wěn)定性評價方法[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2013，01：113-118.

[4]張萬亮，許晨，張丁，郝玉成.基于T-S模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的邊坡穩(wěn)定性分析[J].露天采礦技術(shù)，2013，04：20-22.

[5]馮敏杰.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的邊坡穩(wěn)定可靠度分析方法研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2008.

[6]申君.基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的核應(yīng)急決策系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].南華大學(xué)，2012.