摘 要：在經(jīng)濟快速發(fā)展的同時，巖土問題也隨之暴露出來。在地下工程使用的巖土材料本身的隨機性、模糊性和不確定性使得巖土問題更增加了多場（溫度場、應(yīng)力場、滲流場）、多態(tài)（氣態(tài)、固態(tài)、液態(tài)）的復雜耦合問題，給具體的施工帶來了許多困難，因此，本文就針對巖土工程中的不確定性進行了研究和探討。
關(guān)鍵詞：巖土工程 不確定性系統(tǒng) 專家系統(tǒng)
由于巖土自身性質(zhì)的模糊性和地質(zhì)勘探技術(shù)的局限性使得在施工過程中的巖土問題更加復雜，再加上外界因素的影響，巖土模型的選取和力學分析的難度就更大。為了實現(xiàn)城市現(xiàn)代化和生態(tài)和諧發(fā)展，要充分將新理念、新技術(shù)、新方法應(yīng)用到系統(tǒng)研究上來。
1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
隨著社會現(xiàn)代化的發(fā)展，交通運輸不斷發(fā)達，人們對空間的需求越來越大，尤其是地下空間的利用，包括地鐵、邊坡工程、隧道等在內(nèi)的巖土工程，不斷的用來改善急劇增加的人口密度問題。但是，由于在巖土工程中存在許多不確定性，使得在工程安全和可持續(xù)發(fā)展等方面還有許多尚未解決的科技問題。
從目前的研究現(xiàn)狀來看，自從20世紀初人們就已經(jīng)開始著手研究不確定性系統(tǒng)。在此類問題的研究上人們使用的是反分析的方法，即經(jīng)過現(xiàn)場測量信息確定計算參數(shù)的反分析問題研究，經(jīng)過專業(yè)人員三十多年的研究發(fā)展，反分析問題研究逐漸由開始的線性發(fā)展到非線性，研究的材料也由均質(zhì)過渡到非均質(zhì)，而確定性反分析的研究方式也發(fā)展成了非確定性的反分析研究。
經(jīng)過目前分析研究成果，將巖土工程的研究現(xiàn)狀和發(fā)展時期分為以下三個時期：
�。�1）70年代初到80年代初為反分析發(fā)展的初期。在這個時期主要使用基于線性問題的逆分析方法進行算法建立和反分析理論的研究，并且在水電工程中廣泛應(yīng)用。其中主要代表人有Kazanagh等人提出的基于反演彈性固體的彈性模量的有限元法；Kirsten在巖土工程勘測討論會上使用的量測變形分析方法等。
�。�2）80年代初到90年代初為反分析的進一步發(fā)展時期。在這個時期逐漸出現(xiàn)了基于不同本構(gòu)關(guān)系和算法的反分析法，并且將現(xiàn)場的實測條件和實際應(yīng)用等情況考慮在內(nèi)，因此，這個時期發(fā)展的反分析法更為成熟。其中代表人主要有Gioda G等人提出的使用概率統(tǒng)計來分析巖土參數(shù)的算法；郭懷志等人提出的基于回歸分析的模擬巖體的應(yīng)力場等。
�。�3）90年代初到今天。在這個階段進行了巖土模型的識別問題的研究，這些分析法研究中更是加入了系統(tǒng)性和信息論的理論，因此這個時期提出的遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等都將對施工的影響和動態(tài)施工的具體技術(shù)考慮在內(nèi)。主要代表人有李素華等人提出的使用四中優(yōu)化算法對彈性橫向觀同性的優(yōu)化反演分析；袁勇等人提出的使用系統(tǒng)辨識理論和力學原理研究的巖體本構(gòu)模型。
2 不確定性系統(tǒng)的研究
本文的研究對象是沿途體與支護結(jié)構(gòu)復合體，并將其看作是復雜的動力系統(tǒng)來分析，在巖土工程測量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上采用正演和反演相結(jié)合的分析方法，將施工過程的進展情況反饋給決策者，以便決策者及時掌握施工情況。而本文研究的重點就是根據(jù)巖土工程不確定性系統(tǒng)的特點進行分析，建立智能專家系統(tǒng)。以下就是專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)實現(xiàn)。
2.1 基本結(jié)構(gòu)
專家系統(tǒng)從本質(zhì)上來說就是一個智能的計算機程序系統(tǒng)。它的實現(xiàn)主要是建立在研究專家的知識和經(jīng)驗上，利用專家解決問題的方法來處理問題，主要原理是建立一個囊括了專門的知識和經(jīng)驗的程序系統(tǒng)，以專家的知識經(jīng)驗為依據(jù)進行推理和判斷，進而模擬出專家的決策過程。
一個完整的專家系統(tǒng)需有幾點特征：推理性、透明性、靈活性和啟發(fā)性，主要有以下幾個部分組成：知識庫、數(shù)據(jù)庫、推理機、上下文、癥兆提取器、學習系統(tǒng)、解釋器。知識庫主要是用來存放專家的經(jīng)驗、知識，在這里，知識庫的結(jié)構(gòu)形式主要由知識的表示方式來決定，具體常見的知識形式有邏輯表示、規(guī)則表示、語義網(wǎng)絡(luò)表示、框架表示、子程序等；數(shù)據(jù)庫主要是用來存放反應(yīng)系統(tǒng)當前狀態(tài)的數(shù)據(jù)，通常分為靜態(tài)數(shù)據(jù)庫和動態(tài)數(shù)據(jù)庫，在這里，靜態(tài)數(shù)據(jù)是指相對穩(wěn)定地數(shù)據(jù)，例如圍巖的參數(shù)、支護結(jié)構(gòu)的尺寸等，動態(tài)數(shù)據(jù)主要指的是施工過程中產(chǎn)生的參數(shù)，例如測量數(shù)據(jù)、施工進度等；推理機是一組軟件程序，主要用來控制和協(xié)調(diào)整個專家系統(tǒng)；上下文主要作用是存放中間結(jié)果，用來輔助推理機的工作，和記事文檔作用一樣，可以擦除和重寫；癥兆提取器主要是用來消除由于操作水平的差異性而導致的誤差，在這里，提取征兆簡單而有效的方法就是特征參數(shù)計算；學習系統(tǒng)主要是將專家腦中的知識提取出來并進行總結(jié)處理，再將歸納的知識進行程序化，以建立知識庫；解釋器主要作用是根據(jù)什么而得出結(jié)論，并可以回答客戶提出的任何問題。
2.2 系統(tǒng)實現(xiàn)
目前專家系統(tǒng)仍存在不足之處：獲取知識能力不夠；推理能力差；智能化水平較低；系統(tǒng)的層次較少。針對上述缺點，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與專家系統(tǒng)結(jié)合起來形成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)，以下為具體實現(xiàn)方式：
�。�1）知識表示。知識表示就是將知識轉(zhuǎn)化成機器可以理解的形式，使傳統(tǒng)的計算機具有人的智能，具備人的知識及工作能力，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)知識庫主要是利用自身的分布式連接機制來表示知識，在這里，知識不再以孤立的規(guī)則表示出來，而是以相互關(guān)聯(lián)的權(quán)值和臨界值表現(xiàn)出來。
�。�2）知識獲取。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)中，獲取知識也就是獲取和選擇訓練樣本，然后系統(tǒng)通過特定的算法進行學習，再經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的自適應(yīng)算法整合修改之后，將專家的啟發(fā)式知識分布到網(wǎng)絡(luò)的互連上，在這個過程中，每個知識點的都是由若干個與之相連接的神經(jīng)元的權(quán)值和輸入信息組成。
�。�3）推理機制。主要分為三種機制：正向推理機制、反向推理機制、混合推理機制，其中用的最廣泛的是混合推理機制，即神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)根據(jù)輸入的部分已知信息提出發(fā)生概率最大的事件，然后根據(jù)相關(guān)知識驗證這種假設(shè)，若假設(shè)成立，則推理結(jié)束；反之，再做出新的假設(shè)，繼續(xù)驗證，直到假設(shè)成立之后結(jié)束。
�。�4）解釋機制。解釋機制的實現(xiàn)主要是將蘊含于輸入層的神經(jīng)元和輸出層的神經(jīng)元的物理含義以及對應(yīng)的連接強度結(jié)合起來形成規(guī)則，進而利用這些形成的規(guī)則實現(xiàn)機制的解釋功能。
3 結(jié)語
綜上所述，本文研究的智能專家系統(tǒng)將專家經(jīng)驗、工程施工經(jīng)驗、數(shù)值理論分析、現(xiàn)場勘探等技術(shù)融合在了一起，充分的對傳統(tǒng)的巖土工程技術(shù)進行了改造和提高，并結(jié)合了實際情況，使得在應(yīng)用中更加科學、合理。然而，巖土體本身屬于自然地質(zhì)范疇，在構(gòu)造上具有其特有獨特性和變異性，使得難以分析其物理性質(zhì)和力學性質(zhì)，因此，對于巖土問題的分析要從工程地質(zhì)的觀點出發(fā)，并與施工特點相結(jié)合來進行相關(guān)的勘探，更要遵循環(huán)保節(jié)約、因地制宜的原則，充分的利用好每一寸土地，并將更先進更科學的技術(shù)應(yīng)用到解決巖土問題中來。
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(shù)與市場，2012，3：42，44.
關(guān)鍵詞：巖土工程 不確定性系統(tǒng) 專家系統(tǒng)
由于巖土自身性質(zhì)的模糊性和地質(zhì)勘探技術(shù)的局限性使得在施工過程中的巖土問題更加復雜，再加上外界因素的影響，巖土模型的選取和力學分析的難度就更大。為了實現(xiàn)城市現(xiàn)代化和生態(tài)和諧發(fā)展，要充分將新理念、新技術(shù)、新方法應(yīng)用到系統(tǒng)研究上來。
1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
隨著社會現(xiàn)代化的發(fā)展，交通運輸不斷發(fā)達，人們對空間的需求越來越大，尤其是地下空間的利用，包括地鐵、邊坡工程、隧道等在內(nèi)的巖土工程，不斷的用來改善急劇增加的人口密度問題。但是，由于在巖土工程中存在許多不確定性，使得在工程安全和可持續(xù)發(fā)展等方面還有許多尚未解決的科技問題。
從目前的研究現(xiàn)狀來看，自從20世紀初人們就已經(jīng)開始著手研究不確定性系統(tǒng)。在此類問題的研究上人們使用的是反分析的方法，即經(jīng)過現(xiàn)場測量信息確定計算參數(shù)的反分析問題研究，經(jīng)過專業(yè)人員三十多年的研究發(fā)展，反分析問題研究逐漸由開始的線性發(fā)展到非線性，研究的材料也由均質(zhì)過渡到非均質(zhì)，而確定性反分析的研究方式也發(fā)展成了非確定性的反分析研究。
經(jīng)過目前分析研究成果，將巖土工程的研究現(xiàn)狀和發(fā)展時期分為以下三個時期：
�。�1）70年代初到80年代初為反分析發(fā)展的初期。在這個時期主要使用基于線性問題的逆分析方法進行算法建立和反分析理論的研究，并且在水電工程中廣泛應(yīng)用。其中主要代表人有Kazanagh等人提出的基于反演彈性固體的彈性模量的有限元法；Kirsten在巖土工程勘測討論會上使用的量測變形分析方法等。
�。�2）80年代初到90年代初為反分析的進一步發(fā)展時期。在這個時期逐漸出現(xiàn)了基于不同本構(gòu)關(guān)系和算法的反分析法，并且將現(xiàn)場的實測條件和實際應(yīng)用等情況考慮在內(nèi)，因此，這個時期發(fā)展的反分析法更為成熟。其中代表人主要有Gioda G等人提出的使用概率統(tǒng)計來分析巖土參數(shù)的算法；郭懷志等人提出的基于回歸分析的模擬巖體的應(yīng)力場等。
�。�3）90年代初到今天。在這個階段進行了巖土模型的識別問題的研究，這些分析法研究中更是加入了系統(tǒng)性和信息論的理論，因此這個時期提出的遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等都將對施工的影響和動態(tài)施工的具體技術(shù)考慮在內(nèi)。主要代表人有李素華等人提出的使用四中優(yōu)化算法對彈性橫向觀同性的優(yōu)化反演分析；袁勇等人提出的使用系統(tǒng)辨識理論和力學原理研究的巖體本構(gòu)模型。
2 不確定性系統(tǒng)的研究
本文的研究對象是沿途體與支護結(jié)構(gòu)復合體，并將其看作是復雜的動力系統(tǒng)來分析，在巖土工程測量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上采用正演和反演相結(jié)合的分析方法，將施工過程的進展情況反饋給決策者，以便決策者及時掌握施工情況。而本文研究的重點就是根據(jù)巖土工程不確定性系統(tǒng)的特點進行分析，建立智能專家系統(tǒng)。以下就是專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)實現(xiàn)。
2.1 基本結(jié)構(gòu)
專家系統(tǒng)從本質(zhì)上來說就是一個智能的計算機程序系統(tǒng)。它的實現(xiàn)主要是建立在研究專家的知識和經(jīng)驗上，利用專家解決問題的方法來處理問題，主要原理是建立一個囊括了專門的知識和經(jīng)驗的程序系統(tǒng)，以專家的知識經(jīng)驗為依據(jù)進行推理和判斷，進而模擬出專家的決策過程。
一個完整的專家系統(tǒng)需有幾點特征：推理性、透明性、靈活性和啟發(fā)性，主要有以下幾個部分組成：知識庫、數(shù)據(jù)庫、推理機、上下文、癥兆提取器、學習系統(tǒng)、解釋器。知識庫主要是用來存放專家的經(jīng)驗、知識，在這里，知識庫的結(jié)構(gòu)形式主要由知識的表示方式來決定，具體常見的知識形式有邏輯表示、規(guī)則表示、語義網(wǎng)絡(luò)表示、框架表示、子程序等；數(shù)據(jù)庫主要是用來存放反應(yīng)系統(tǒng)當前狀態(tài)的數(shù)據(jù)，通常分為靜態(tài)數(shù)據(jù)庫和動態(tài)數(shù)據(jù)庫，在這里，靜態(tài)數(shù)據(jù)是指相對穩(wěn)定地數(shù)據(jù)，例如圍巖的參數(shù)、支護結(jié)構(gòu)的尺寸等，動態(tài)數(shù)據(jù)主要指的是施工過程中產(chǎn)生的參數(shù)，例如測量數(shù)據(jù)、施工進度等；推理機是一組軟件程序，主要用來控制和協(xié)調(diào)整個專家系統(tǒng)；上下文主要作用是存放中間結(jié)果，用來輔助推理機的工作，和記事文檔作用一樣，可以擦除和重寫；癥兆提取器主要是用來消除由于操作水平的差異性而導致的誤差，在這里，提取征兆簡單而有效的方法就是特征參數(shù)計算；學習系統(tǒng)主要是將專家腦中的知識提取出來并進行總結(jié)處理，再將歸納的知識進行程序化，以建立知識庫；解釋器主要作用是根據(jù)什么而得出結(jié)論，并可以回答客戶提出的任何問題。
2.2 系統(tǒng)實現(xiàn)
目前專家系統(tǒng)仍存在不足之處：獲取知識能力不夠；推理能力差；智能化水平較低；系統(tǒng)的層次較少。針對上述缺點，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與專家系統(tǒng)結(jié)合起來形成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)，以下為具體實現(xiàn)方式：
�。�1）知識表示。知識表示就是將知識轉(zhuǎn)化成機器可以理解的形式，使傳統(tǒng)的計算機具有人的智能，具備人的知識及工作能力，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)知識庫主要是利用自身的分布式連接機制來表示知識，在這里，知識不再以孤立的規(guī)則表示出來，而是以相互關(guān)聯(lián)的權(quán)值和臨界值表現(xiàn)出來。
�。�2）知識獲取。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)中，獲取知識也就是獲取和選擇訓練樣本，然后系統(tǒng)通過特定的算法進行學習，再經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的自適應(yīng)算法整合修改之后，將專家的啟發(fā)式知識分布到網(wǎng)絡(luò)的互連上，在這個過程中，每個知識點的都是由若干個與之相連接的神經(jīng)元的權(quán)值和輸入信息組成。
�。�3）推理機制。主要分為三種機制：正向推理機制、反向推理機制、混合推理機制，其中用的最廣泛的是混合推理機制，即神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)根據(jù)輸入的部分已知信息提出發(fā)生概率最大的事件，然后根據(jù)相關(guān)知識驗證這種假設(shè)，若假設(shè)成立，則推理結(jié)束；反之，再做出新的假設(shè)，繼續(xù)驗證，直到假設(shè)成立之后結(jié)束。
�。�4）解釋機制。解釋機制的實現(xiàn)主要是將蘊含于輸入層的神經(jīng)元和輸出層的神經(jīng)元的物理含義以及對應(yīng)的連接強度結(jié)合起來形成規(guī)則，進而利用這些形成的規(guī)則實現(xiàn)機制的解釋功能。
3 結(jié)語
綜上所述，本文研究的智能專家系統(tǒng)將專家經(jīng)驗、工程施工經(jīng)驗、數(shù)值理論分析、現(xiàn)場勘探等技術(shù)融合在了一起，充分的對傳統(tǒng)的巖土工程技術(shù)進行了改造和提高，并結(jié)合了實際情況，使得在應(yīng)用中更加科學、合理。然而，巖土體本身屬于自然地質(zhì)范疇，在構(gòu)造上具有其特有獨特性和變異性，使得難以分析其物理性質(zhì)和力學性質(zhì)，因此，對于巖土問題的分析要從工程地質(zhì)的觀點出發(fā)，并與施工特點相結(jié)合來進行相關(guān)的勘探，更要遵循環(huán)保節(jié)約、因地制宜的原則，充分的利用好每一寸土地，并將更先進更科學的技術(shù)應(yīng)用到解決巖土問題中來。
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(shù)與市場，2012，3：42，44.
