專利名稱：基于靜力觸探和bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的路基沉降快速預(yù)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及土木工程中地基沉降變形研究，特別是涉及基于靜力觸探和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的預(yù)測路基沉降變形的方法。
背景技術(shù)：
路基沉降變形預(yù)測是巖土工程設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容?，F(xiàn)有路基沉降預(yù)測主要是利用以分層總和法為代表的工程實(shí)用計(jì)算方法和考慮土體復(fù)雜本構(gòu)模型的有限元數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行路基沉降量預(yù)測計(jì)算。實(shí)用計(jì)算方法具有簡便實(shí)用的特點(diǎn)，是目前工程設(shè)計(jì)中的主流方法，該方法的不足是計(jì)算參數(shù)主要是根據(jù)壓縮試驗(yàn)等室內(nèi)試驗(yàn)確定的，室內(nèi)試驗(yàn)確定參數(shù)的主要缺點(diǎn)是不能很好地考慮地層應(yīng)力狀態(tài)的影響，同時(shí)鉆探取樣擾動(dòng)對其影響也很大，尤其對于結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)的土體。數(shù)值計(jì)算方法理論上較為完善，可以考慮土體非線性、彈塑性、非均質(zhì)和應(yīng)力狀態(tài)等，但其最大的困難在于土體本構(gòu)模型的合理建立，其計(jì)算參數(shù)同樣來源于室內(nèi)試驗(yàn)，難以克服取樣擾動(dòng)等的影響，同時(shí)由于本構(gòu)模型和參數(shù)誤差較大，最終預(yù)測結(jié)果也難以準(zhǔn)確。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有路基沉降預(yù)測計(jì)算技術(shù)所存在的問題，本發(fā)明推出一種基于靜力觸探和 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的路基沉降快速預(yù)測方法，其目的在于，以現(xiàn)場靜力觸探測試所得土體物理力學(xué)性質(zhì)隨深度連續(xù)變化結(jié)果為依據(jù)，結(jié)合地基土體上部附加荷載，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)預(yù)測路基沉降變形。靜力觸探是巖土工程勘測中廣泛采用的一種原位測試方法，具有高效、連續(xù)、重現(xiàn)性好的特點(diǎn)，并且不會(huì)產(chǎn)生漏層。靜力觸探結(jié)果能綜合反應(yīng)地層土體物理力學(xué)性質(zhì)隨土層深度連續(xù)變化情況，可作為預(yù)測路基沉降變形的重要參數(shù)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Back Propagation Neural Network)是由許多神經(jīng)元相互連接組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，主要用于體現(xiàn)學(xué)習(xí)和信息處理的一種計(jì)算模型。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是目前應(yīng)用最廣泛也是發(fā)展最成熟的一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過學(xué)習(xí)樣本的相互作用等信息，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和連接權(quán)值的訓(xùn)練修正，從而從大量數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)到復(fù)雜的非線性關(guān)系，以達(dá)到預(yù)測輸出結(jié)果的能力。通過調(diào)整網(wǎng)絡(luò)中的連接權(quán)值、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)任意精度逼近任何非線性函數(shù)。本發(fā)明所涉及的基于靜力觸探和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的路基沉降快速預(yù)測方法，技術(shù)步驟包括si-獲取預(yù)測場地?cái)?shù)據(jù)樣本、S2-收集類似場地?cái)?shù)據(jù)樣本、S3-建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、S4-對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練和測試、S5-預(yù)測路基沉降量。Sl-獲取預(yù)測場地?cái)?shù)據(jù)樣本獲取預(yù)測場地靜力觸探測試結(jié)果及場地附加應(yīng)力數(shù)據(jù)。S2-收集類似場地?cái)?shù)據(jù)樣本收集整理類似場地靜力觸探測試結(jié)果、場地附加應(yīng)力大小及路基沉降量觀測數(shù)據(jù)。
3
S3-建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立基于誤差反向傳播的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。所述的 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型包括輸入層神經(jīng)元、中間層神經(jīng)元和網(wǎng)絡(luò)輸出層神經(jīng)元。中間層神經(jīng)元的傳遞函數(shù)采用雙曲正切Sigmoid函數(shù)，輸出層神經(jīng)元的傳遞函數(shù)采用線性函數(shù)。S4-對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練和測試將獲取的類似場地?cái)?shù)據(jù)樣本作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練與測試數(shù)據(jù)樣本；將獲取的數(shù)據(jù)樣本分為兩部分，前75%作為訓(xùn)練樣本用于訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，后25%作為測試樣本用于測試網(wǎng)絡(luò)。對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練，當(dāng)預(yù)測值與實(shí)測數(shù)據(jù)間誤差低于規(guī)定水平時(shí)停止訓(xùn)練。所述的對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練采用貝葉斯正則化方法。S5-預(yù)測路基沉降量利用通過訓(xùn)練和測試的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測路基沉降量。將獲取的預(yù)測場地?cái)?shù)據(jù)樣本輸入到通過測試的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行路基沉降預(yù)測，得到路基沉降量預(yù)測值。本發(fā)明以現(xiàn)場靜力觸探測試所得土體物理力學(xué)性質(zhì)隨深度連續(xù)變化結(jié)果為依據(jù)， 結(jié)合地基土體上部附加荷載，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)預(yù)測路基沉降變形。通過現(xiàn)場靜力觸探測試及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)良好的自學(xué)習(xí)能力，能科學(xué)快速地預(yù)測路基沉降變形。該預(yù)測方法簡單易行、省時(shí)高效，預(yù)測效果良好，可以避免傳統(tǒng)鉆探取樣對地基土體的擾動(dòng)及測試結(jié)果不準(zhǔn)的影響。而且，該方法不需對地基土體進(jìn)行分層，可以避免傳統(tǒng)分層總和法分層過粗的影響，可廣泛應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域各類地基基礎(chǔ)沉降變形預(yù)測。采用本發(fā)明方法進(jìn)行路基沉降預(yù)測，預(yù)測參數(shù)僅需來自現(xiàn)場靜力觸探試驗(yàn)，無需鉆探取樣進(jìn)行室內(nèi)各種土工試驗(yàn)，大大簡化了勘察手段，并能大量節(jié)省勘察時(shí)間和勘察費(fèi)用，具有廣闊的應(yīng)用前景。


圖1是基于靜力觸探和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的路基沉降快速預(yù)測方法技術(shù)流程圖； 圖2是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)示意圖。圖中標(biāo)記說明
S2、收集類似場地?cái)?shù)據(jù)樣本 S4、對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練和測試 a、輸入層 C、輸出層。
Si、獲取預(yù)測場地?cái)?shù)據(jù)樣本 S3、建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型 S5、預(yù)測路基沉降量 b、中間層
具體實(shí)施例方式結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說明。圖1顯示基于靜力觸探和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的路基沉降快速預(yù)測方法的基本流程，圖2 顯示BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的基本結(jié)構(gòu)。如圖所示，本發(fā)明所涉及的基于靜力觸探和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的路基沉降快速預(yù)測方法包括如下步驟獲取預(yù)測場地?cái)?shù)據(jù)樣本Si、收集類似場地?cái)?shù)據(jù)樣本S2、建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型S3、對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練和測試S4、預(yù)測路基沉降量S5。Sl-獲取預(yù)測場地?cái)?shù)據(jù)樣本獲取預(yù)測場地靜力觸探測試結(jié)果及場地附加應(yīng)力大小，并按規(guī)定的數(shù)據(jù)格式對數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行整理。對需預(yù)測場地開展雙橋靜力觸探測試，測試結(jié)果按每隔0. Im取值，數(shù)據(jù)格式按每隔0. Im取隨深度連續(xù)變化的錐尖阻力、每隔0. Im取隨深度連續(xù)變化的摩阻比、場地附加應(yīng)力順序依次排列。S2-收集類似場地?cái)?shù)據(jù)樣本收集整理與需預(yù)測場地具有相同路基處理方式的類似場地雙橋靜力觸探測試結(jié)果、場地附加應(yīng)力大小及路基沉降量觀測數(shù)據(jù)作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練與測試數(shù)據(jù)樣本，并按規(guī)定的數(shù)據(jù)格式對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。輸入樣本數(shù)據(jù)格式按每隔 0. Im取隨深度連續(xù)變化的錐尖阻力、每隔0. Im取隨深度連續(xù)變化的摩阻比、場地附加應(yīng)力順序依次排列；輸出樣本數(shù)據(jù)為場地實(shí)測沉降量。S3-建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立基于誤差反向傳播的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。所述的 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型包括輸入層神經(jīng)元、中間層神經(jīng)元和網(wǎng)絡(luò)輸出層神經(jīng)元。其中，輸入層有 20L+1 (L為場地靜力觸探測試深度，單位為米)個(gè)神經(jīng)元，分別對應(yīng)每隔0. Im隨深度連續(xù)變化的錐尖阻力值、每隔0. Im隨深度連續(xù)變化的摩阻比、場地附加應(yīng)力；中間層神經(jīng)元數(shù)為10 ；網(wǎng)絡(luò)輸出層有一個(gè)神經(jīng)元，為場地沉降量。所述的中間層神經(jīng)元的傳遞函數(shù)采用雙曲正切Sigmoid函數(shù)，輸出層神經(jīng)元的傳遞函數(shù)采用線性函數(shù)。S4-對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練和測試將獲取的類似場地?cái)?shù)據(jù)樣本作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練與測試數(shù)據(jù)樣本；將獲取的數(shù)據(jù)樣本分為兩部分，前75%作為訓(xùn)練樣本用于訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，后25%作為測試樣本用于測試網(wǎng)絡(luò)。對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練，當(dāng)預(yù)測值與實(shí)測數(shù)據(jù)間誤差低于規(guī)定水平時(shí)停止訓(xùn)練。建立學(xué)習(xí)機(jī)制，將獲取的類似場地?cái)?shù)據(jù)前75%作為訓(xùn)練樣本用于訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)輸入一組某場地靜力觸探測試結(jié)果及附加應(yīng)力數(shù)據(jù)時(shí)，即給出一組隨深度連續(xù)變化的錐尖阻力值、隨深度連續(xù)變化的摩阻比、場地附加應(yīng)力數(shù)據(jù)時(shí)，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)運(yùn)算會(huì)有一個(gè)輸出值 (預(yù)測的路基沉降量)，比較輸出值與期望值(實(shí)測路基沉降量)之間的誤差，若誤差小于指定精度，則學(xué)習(xí)結(jié)束。否則，將誤差信號沿原來路徑反向傳播，并逐步調(diào)整各層神經(jīng)元的網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)值，直到誤差小于指定精度為止，此時(shí)第一組學(xué)習(xí)完成，進(jìn)入下一組學(xué)習(xí)，直到連接權(quán)值對所有訓(xùn)練組的預(yù)測誤差均在指定范圍內(nèi)，輸出此時(shí)的最佳權(quán)值。訓(xùn)練樣本越多，網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)越充分，網(wǎng)絡(luò)經(jīng)驗(yàn)值越大，預(yù)測精度越高。對網(wǎng)絡(luò)反復(fù)訓(xùn)練，當(dāng)誤差小于15%時(shí)，停止訓(xùn)練，開始預(yù)測。此時(shí)預(yù)測模型目標(biāo)值與輸出值相關(guān)系數(shù)為0. 93。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)束后，利用另外25%的數(shù)據(jù)樣本測試網(wǎng)絡(luò)，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ褪欠穹弦蟆?利用訓(xùn)練所得BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測另外25%組數(shù)據(jù)樣本所對應(yīng)的路基沉降量，對照模型預(yù)測值與實(shí)際觀測值間的誤差，當(dāng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對各組測試數(shù)據(jù)的預(yù)測誤差均低于規(guī)定水平時(shí)即通過測試，可以用于預(yù)測路基沉降量。此時(shí)模型預(yù)測值與實(shí)測值間相關(guān)系數(shù)為0. 90，模型預(yù)測最大誤差為，通過測試。S5-預(yù)測路基沉降量利用通過訓(xùn)練和測試的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測路基沉降量。將獲取的預(yù)測場地?cái)?shù)據(jù)樣本輸入到通過測試的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行路基沉降量預(yù)測，得到路基沉降量預(yù)測值。
權(quán)利要求
1.一種基于靜力觸探和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的路基沉降快速預(yù)測方法，其特征在于，包括如下步驟獲取預(yù)測場地?cái)?shù)據(jù)樣本(Si)、收集類似場地?cái)?shù)據(jù)樣本(S2)、建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型 (S3)、對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練和測試(S4)、預(yù)測路基沉降量(SO ；獲取預(yù)測場地?cái)?shù)據(jù)樣本 (Si)，獲取預(yù)測場地靜力觸探測試結(jié)果及場地附加應(yīng)力大小，并按規(guī)定的數(shù)據(jù)格式對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理；收集類似場地?cái)?shù)據(jù)樣本(S2)，收集整理類似場地靜力觸探測試結(jié)果、場地附加應(yīng)力大小及路基沉降量觀測數(shù)據(jù)作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練與測試數(shù)據(jù)樣本，并按規(guī)定的數(shù)據(jù)格式對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理；建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(S3)，建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型包括輸入層神經(jīng)元、中間層神經(jīng)元和網(wǎng)絡(luò)輸出層神經(jīng)元；對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練和測試(S4)，將獲取的類似場地?cái)?shù)據(jù)樣本作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練與測試數(shù)據(jù)樣本，并將獲取的數(shù)據(jù)樣本分為兩部分，前75%作為訓(xùn)練樣本用于訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，后25%作為測試樣本用于測試網(wǎng)絡(luò)，對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練，當(dāng)預(yù)測值與實(shí)測數(shù)據(jù)間誤差低于規(guī)定水平時(shí)停止訓(xùn)練；預(yù)測路基沉降量 (S5)，將獲取的預(yù)測場地?cái)?shù)據(jù)樣本輸入到通過測試的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行路基沉降預(yù)測，得到路基沉降量預(yù)測值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于靜力觸探和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的路基沉降快速預(yù)測方法，其特征在于，所述獲取預(yù)測場地?cái)?shù)據(jù)樣本(Si)包括對需預(yù)測場地開展雙橋靜力觸探測試，測試結(jié)果按每隔0. Im取值，數(shù)據(jù)格式按每隔0. Im取隨深度連續(xù)變化的錐尖阻力、每隔0. Im取隨深度連續(xù)變化的摩阻比、場地附加應(yīng)力順序依次排列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于靜力觸探和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的路基沉降快速預(yù)測方法，其特征在于，所述收集類似場地?cái)?shù)據(jù)樣本(S》包括收集類似場地雙橋靜力觸探測試結(jié)果、場地附加應(yīng)力、場地實(shí)測沉降量，輸入樣本數(shù)據(jù)格式按每隔0. Im取隨深度連續(xù)變化的錐尖阻力、每隔0. Im取隨深度連續(xù)變化的摩阻比、場地附加應(yīng)力順序依次排列，輸出樣本數(shù)據(jù)為場地實(shí)測沉降量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于靜力觸探和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的路基沉降快速預(yù)測方法，其特征在于，所述BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型包括一個(gè)輸入層、一個(gè)中間層和一個(gè)輸出層，中間層神經(jīng)元的傳遞函數(shù)采用雙曲正切Sigmoid函數(shù)，輸出層神經(jīng)元的傳遞函數(shù)采用線性函數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于靜力觸探和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的路基沉降快速預(yù)測方法，包括獲取預(yù)測場地?cái)?shù)據(jù)樣本、收集類似場地?cái)?shù)據(jù)樣本、建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練和測試、預(yù)測路基沉降量。獲取類似場地靜力觸探測試結(jié)果、場地附加應(yīng)力大小及路基沉降量觀測數(shù)據(jù)作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練與測試數(shù)據(jù)樣本，對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練，當(dāng)預(yù)測值與實(shí)測數(shù)據(jù)間誤差低于規(guī)定水平時(shí)停止訓(xùn)練，將預(yù)測場地?cái)?shù)據(jù)樣本輸入到訓(xùn)練所得BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，得到路基沉降預(yù)測值。本發(fā)明通過現(xiàn)場靜力觸探測試及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真試驗(yàn)，能科學(xué)快速地預(yù)測路基沉降變形，可廣泛應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域各類地基基礎(chǔ)沉降變形預(yù)測。
文檔編號E02D1/08GK102425148SQ201110257149
公開日2012年4月25日 申請日期2011年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月2日
發(fā)明者葉啟民, 李國和, 李鵬, 許再良, 陳新軍 申請人:鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司