基于知識系統(tǒng)的巖土工程勘察參數(shù)預(yù)測

王維重

（沈陽建材地質(zhì)工程勘察院有限公司，遼寧沈陽）

引言

巖土工程勘察是巖土工程設(shè)計(jì)和施工的重要組成部分[1]?？辈觳蛔憧赡軐?dǎo)致設(shè)計(jì)不當(dāng)、施工進(jìn)度延遲、場地環(huán)境破壞等問題[2]。因此，進(jìn)行更多數(shù)量的勘察可以降低風(fēng)險(xiǎn)；然而當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)足夠低時(shí)，更多數(shù)量的勘察不會顯著降低風(fēng)險(xiǎn)[3-4]。確定一個(gè)項(xiàng)目的初步現(xiàn)場測試數(shù)量取決于許多因素，例如項(xiàng)目區(qū)域、結(jié)構(gòu)的荷載和敏感性、地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及初步布局和總體布局之間的相似性等[5]。

本文的目的是評估在項(xiàng)目開始之前所需的巖土工程勘察的最佳值。巖土工程勘察的最佳值是指能夠充分描述建筑工地的最佳勘察點(diǎn)、現(xiàn)場測試和實(shí)驗(yàn)室測試的最佳數(shù)量[6]。因此基于自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊推理系統(tǒng)開發(fā)一個(gè)模型，用于確定在項(xiàng)目開始之前所需的最佳測試次數(shù)。最后通過一個(gè)數(shù)值示例介紹了模型的使用結(jié)果，可以將它用于規(guī)劃巖土工程勘察。

1 巖土工程勘察規(guī)劃數(shù)量概念

為了獲得有關(guān)項(xiàng)目結(jié)構(gòu)、地基類型、地基深度、地下水位和地面分層的信息，需要進(jìn)行巖土工程勘察，工程師必須決定某個(gè)項(xiàng)目需要進(jìn)行多少次數(shù)量的巖土工程勘察[7-8]。

每個(gè)地層的最佳現(xiàn)場和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)次數(shù)（NT，i，l，opt）由等效勘察比率（rEQ）定義?？辈斓淖罴褦?shù)量在最小數(shù)量之間（NT，i，l，min）和最大數(shù)量（NT，i，l，max）：

工程師對項(xiàng)目所需的現(xiàn)場和實(shí)驗(yàn)室測試數(shù)量的判斷是基于幾個(gè)影響參數(shù)的[9-10]。當(dāng)這些參數(shù)有利時(shí)，工程師可以相對容易地決定現(xiàn)場和實(shí)驗(yàn)室測試的數(shù)量（rEQ=0）。當(dāng)參數(shù)不利時(shí)，應(yīng)進(jìn)行更多的現(xiàn)場和實(shí)驗(yàn)室測試。對于極端不利的條件，需要進(jìn)行最大數(shù)量的現(xiàn)場和實(shí)驗(yàn)室測試（rEQ=1）：

為了正確描述勘察點(diǎn)的最佳數(shù)量（NIP，opt），可以通過等效勘察比率來定義：

2 建筑工地的ANIS 勘察模型

2.1 輸入因子

合適的勘察數(shù)量取決于許多因素，包括結(jié)構(gòu)類型、項(xiàng)目面積、布局幾何形狀、結(jié)構(gòu)的荷載/敏感性、場地地質(zhì)、地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、土層的可變性以及初步環(huán)境與現(xiàn)有周圍環(huán)境的相似性等。本文提出了ANIS輸入因子系統(tǒng)，等效勘察比率（rEQ）表示為輸入因子的函數(shù)。開發(fā)ANIS 模型是為了預(yù)測項(xiàng)目所需的現(xiàn)場和實(shí)驗(yàn)室的最佳勘察數(shù)量。首先，確定輸入空間由四個(gè)參數(shù)組成，間隔從1 到10，在該模型中，針對各種現(xiàn)場條件定義了m 個(gè)評估參數(shù)，訓(xùn)練數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 訓(xùn)練數(shù)據(jù)空間

2.2 ANIS 勘察模型的結(jié)構(gòu)

ANIS 模型使用“If-then”的規(guī)則進(jìn)行描述：

規(guī)則1：

If IP1=A1并且IP2=B1并且IPk=K1并且IPm=M1then rEQ，1=a1，

規(guī)則2：

If IP1=Ai 并且IP2=Bi并且IPk=Ki并且IPm=Mithen rEQ，i=ai，

規(guī)則3：

If IP1=An并且IP2=Bn并且IPk=Kn并且IPm=Mn then rEQ，n=an，

其中a1、ai、an是后續(xù)參數(shù)和IP1、IP2、IPk，和IPm是輸入變量。每個(gè)規(guī)則的輸出等于常數(shù)，最終輸出是每個(gè)規(guī)則輸出的加權(quán)平均值：

權(quán)重由高斯激活函數(shù)獲得：

其中c 是標(biāo)準(zhǔn)差，σ 表示正態(tài)分布值。（Ai，Bi，Ki，Mi）的第一激活等級使用以下公式計(jì)算：

其中IP1、IP2、IPk，和IPm是高斯函數(shù)的輸入。接下來計(jì)算每個(gè)規(guī)則的激活函數(shù)的乘積：

其中wi表示模糊權(quán)重值：

3 應(yīng)用示例

示例項(xiàng)目是一個(gè)酒店綜合體，由一棟五層酒店建筑和相關(guān)的停車場以及服務(wù)區(qū)組成。建筑面積為80 m×60 m。該地區(qū)的一般地質(zhì)情況表明，沉積物由積土和砂礫組成，其中沉積物的深度最大達(dá)15 m。項(xiàng)目初期根據(jù)工程師的建議，最大和最小勘察數(shù)量分別為NIP，min7 和NIP，max=18。

3.1 ANIS 輸入因子

對于這個(gè)項(xiàng)目示例，提出了一個(gè)由四個(gè)輸入因素組成的系統(tǒng)：布局幾何圖形LG=IP1，項(xiàng)目條件PC=IP2，地質(zhì)GEO=IP3，以及相似性SIM=IP4。表2 顯示了對這些因素的評估值。

表2 輸入因素的評估值

使用該系統(tǒng)，等效勘察比率表示為四個(gè)項(xiàng)目因素的函數(shù)：

3.2 決策條件

決策條件是根據(jù)過去的經(jīng)驗(yàn)和工程判斷制定的。根據(jù)上述計(jì)算得表3，包括建筑場地的每個(gè)參數(shù)的從1 到10 的勘察比率的值。

表3 勘察比率值

ANIS 模型的輸入值是根據(jù)表2 中所示的標(biāo)準(zhǔn)值確定的，即布局幾何（LG）、項(xiàng)目條件（PC）、地質(zhì)（GEO）和相似性（SIM）都被視為輸入?yún)?shù)，等效勘察比率被認(rèn)為是一個(gè)輸出參數(shù)如表4 所示。在該模型中，針對各種建筑場地條件定義了16 個(gè)評估結(jié)果值。在勘察最有利的情況下，所有參數(shù)的值都等于1，并且等效勘察比率的最小數(shù)量rEQ為0。

表4 訓(xùn)練數(shù)據(jù)

然后，使用模糊權(quán)重值和隨后的參數(shù)來確定每個(gè)規(guī)則的輸出。最終輸出是每個(gè)規(guī)則輸出的加權(quán)平均值，計(jì)算的數(shù)值如表3 所示。因此從表5 的結(jié)果中可以得到當(dāng)rEQ=0.472 時(shí)，可以得到最佳的勘察點(diǎn)數(shù)量。

表5 ANIS 不同規(guī)則組合下輸出的相關(guān)參數(shù)

使用rEQ=0.472 可得出勘察點(diǎn)的最佳數(shù)量NIP，opt計(jì)算如下：

4 結(jié)論

本文研究了確定建設(shè)項(xiàng)目所需的巖土工程勘察的最佳數(shù)量，用等效勘察比率描述了最佳勘察次數(shù)，為了促進(jìn)多個(gè)勘察點(diǎn)的決策過程，提出了一種自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模糊推理系統(tǒng)（ANIS）。該系統(tǒng)旨在確定幾個(gè)輸入?yún)?shù)的影響并計(jì)算等效勘察比率。開發(fā)的可以模型用于表征任何建筑工地，可用作工程師的系統(tǒng)決策支持工具，為巖土工程勘察提供更優(yōu)的方案。