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基于BP神经网络的坝基岩体分类方法

来源:中国高新科技网 时间:2019-01-14

1 将人工神经网络应用于工程岩体分类

坝基岩体工程地质分类是水电工程基础工作中的必要环节,其目的是根据坝基岩体质量的差异,赋予相应的物理力学参数,为大坝的设计和基础处理提供依据。

工程岩体分类由最初的单一因素向多因素方向发展,其评价方式也由定性逐步向定性与定量结合过度。岩体质量取决于岩石的物理力学性质、赋存环境、工程条件等,但由于岩体本身的随机性及模糊性,很难用显示函数或微分方程表征各因素与岩体质量的关系。对于这类不确定性问题,人工神经网络能很好地学习、记忆和归纳变量与因变量的隐含关系。

人工神经网络是人工智能技术的一种,其在岩土工程领域得到广泛应用,对于非线性问题的预测取得了良好的效果,例如,岩体力学参数反演、地下工程围岩分类、岩土体变形预测、岩爆判别等。

2 基本原理

对于坝基岩体类别,文章只考虑地质因素对其的影响,未考虑工程因素的作用,即岩体类别与各地质因素存在一定的映射关系,可用式(1)表示:

3 坝基岩体分类网络

3.1 网络结构

BP神经网络结构包括输入输出层单元数、隐含层数、隐含层单元数和隐含层、输出层神经元特性函数。

输入层单元数取决于变量个数。在水电领域,不同工程部位岩体分类方法存在一定差异,影响因素并不完全相同。根据水力发电工程地质勘察规范和水利发电工程地质手册,并结合数个工程实例,针对坝基岩体分类,考虑了岩石性质、风化程度、岩体完整性、结构面特征等因素,选取了岩石抗压强度、岩体纵波速度、体积节理密度、节理张开度、节理粗糙度、节理充填特征6个参数。人工神经网络的输入参数为定量参数,而上述的后3项指标因素皆为定性参数,需对定性参数采用评分进行半定量化评价,评分标准及定性描述见表1。

表1 定性参数及评分表

张开度/mm

粗糙度

节理充填特征

闭合<0.5

明显台阶状

无充填

25

20

30

稍张0.5~5.0

起伏粗糙

无泥充填

50

40

60

张开5.0~50

起伏光滑

有泥充填

75

60

90

宽张>50

平直粗糙

 

100

80

 

 

平直光滑

 

 

100

 

输出层单元数取决于因变量。岩体类别有5个,分别用一个5维向量对应,即5个输出单元:取值[1 0 0 0 0]对应Ⅰ类岩体;取值[0 1 0 0 0]对应Ⅱ类岩体;取值[0 0 1 0 0]对应Ⅲ类岩体;取值[0 0 0 1 0]对应Ⅳ类岩体;取值[0 0 0 0 1]对应Ⅴ类岩体。

隐含层的层数尚无统一规定,但单隐层的BP网络能逼近任何在闭区间的一个连续函数,因此,文章选择1个隐含层。隐含层单元数非常重要,文章采用试凑法,确定为13个节点。输入层与隐层间激活传递函数采用tansig,输出层的激活传递函数采用logsig对数S型传递函数。

3.2 网络训练及测试结果分析

网络的有效性建立在合理的网络结构和样本库的好坏,文章共收集到31个样本,其中前27个为学习样本,后4个为检验样本。

训练函数采用traingdx,学习函数采用learngdm,设定误差为0.000001,最大循环步数10000步。隐层单元个数从6开始,逐渐增加,观察网络性能,最后得出隐层单元数取13较合适。输入前27个学习样本,经过1382次学习,网络模型收敛,达到精度要求。

输入后4个检验样本,对网络模型进行仿真测试,测试结果见表2。从结果看,对Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类岩体,网络模型的辨识率较高。

表2 神经网络检验结果

样本序号

期望输出

辨识类别

实际类别

28

0.0003

0.9996

0.0011

0.0003

0.0000

Ⅱ

Ⅱ

29

0.0001

0.0000

1.0000

0.0003

0.0000

Ⅲ

Ⅲ

30

0.0004

0.0000

0.0003

0.9995

0.0001

Ⅳ

Ⅳ

31

0.0002

0.0000

0.1944

0.9126

0.0001

Ⅳ偏好

Ⅳ

由于资料的局限,文章样本库存在一定的不均衡性,未包括Ⅰ类岩体样本,且Ⅴ类岩体样本仅有一个。因此,对Ⅰ、Ⅴ类岩体的识别可能会存在相对较大的偏差。

总体而言,定性因素和定量因素相结合考虑的BP网络模型具有高度的非线性映射能力,对坝基岩体类别的辨识能力较强,特别是Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类岩体。

4 结语

综上所述,得出以下结论:

(1)对于岩土工程领域普遍存在的非线性、不确定性、模糊性问题,人工神经网络是一个很好的解决工具。

(2)岩土工程问题一般受多个因素影响,包括定性因素和定量因素。人工神经网络是对数值的处理,包含定性因素的地质资料容易被忽视,可对其进行定量或半定量评价,从而加以利用。

(3)一个好的网络取决于合理的网络结构和好的样本库,网络结构有较成熟的理论支撑,选择足够、全面、典型的样本就成为一大难点,同时还需考虑网络的收敛问题。另外,在岩土工程中,不同个体对同一现象的认识不同,获取的样本存在差异,也会导致网络仿真的失真。为克服主观性和片面性,可采取专家评议法进行决策。

(4)本文针对坝基岩体分类,确定6个影响因素,并对其中3个定性因素进行半定量化评价,对27个学习样本进行训练,进而建立起BP人工神经网络。由于原始资料的限制,该网络能较准确地识别Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类岩体,对Ⅰ、Ⅴ类岩体的识别存在一定误差。

参考文献

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[2]唐胜传,黄润秋.岩体质量分类[J].西南工学院学报,2001(4):40-43.

[3]徐建闽,王昊,王祖国,等.坝基岩体质量分级影响因素及分级标准[J].水利水电技术,2017(10):87-92.

[4]何翔,李守巨,刘迎曦,等.基于遗传神经网络的坝基岩体渗透系数识别[J].岩石力学与工程学报,2004(5):751-757.

[5]赵红亮,陈剑平.人工神经网络在澜沧江某电站坝基右岸复杂岩体分类中的应用[J].煤田地质与勘探,2003(1):31-33.


收稿日期:2018-09-16

作者简介:崔怀树(1983-),男,四川射洪人,中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司工程师,研究方向:工程地质专业勘察设计。

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