bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在巖體質(zhì)量分級(jí)中的應(yīng)用

bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在巖體質(zhì)量分級(jí)中的應(yīng)用

0確定質(zhì)量級(jí)別的方法進(jìn)行定量化gb50218-94是一種適用于中國(guó)各種巖體工程水體質(zhì)量分類(lèi)的方法。分類(lèi)方法采用定性和定量相結(jié)合的原則。根據(jù)巖石的硬度和巖石的完整性，確定巖石的基本質(zhì)量，并結(jié)合具體項(xiàng)目的特點(diǎn)來(lái)確定工程巖體的質(zhì)量水平。由于主觀因素和定性指標(biāo)的差異，在實(shí)際工作中，根據(jù)定性特征確定的級(jí)別與用定量指標(biāo)確定的級(jí)別不一致。在這種情況下，需要對(duì)這兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析和判斷。當(dāng)一種方法能夠量化定性指標(biāo)時(shí)，它可以根據(jù)不同的地質(zhì)條件和不同的技術(shù)特點(diǎn)選擇合適的定量指標(biāo)，以便進(jìn)行測(cè)量，這樣可以簡(jiǎn)化測(cè)量巖體的質(zhì)量分類(lèi)方法。本文根據(jù)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析的原理，以金川兩個(gè)礦區(qū)的樣品區(qū)為例，采用bp網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行巖體質(zhì)量分類(lèi)。1根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)金川礦區(qū)采空道的測(cè)量質(zhì)量進(jìn)行分類(lèi)1.1巖體質(zhì)量變化金川礦區(qū)被NEE向斷層分隔成4個(gè)獨(dú)立的礦區(qū),自西向東依次為三礦區(qū)、一礦區(qū)、二礦區(qū)和四礦區(qū).現(xiàn)正開(kāi)采的是一和二礦區(qū).近幾年在二礦區(qū)采用大型機(jī)械采礦以后,采準(zhǔn)巷道工程穩(wěn)定性變差,返修逐年增多.已交付使用的1238m和1218m水平采準(zhǔn)巷道在施工過(guò)程中多次發(fā)生冒頂,影響了生產(chǎn).為解決上述問(wèn)題,選擇了巖體穩(wěn)定性差的1198m采準(zhǔn)巷道西段的23#—25#點(diǎn)之間的巷道進(jìn)行試驗(yàn).該試驗(yàn)段于1999年5月開(kāi)工,1999年9月施工結(jié)束.在整個(gè)施工過(guò)程中,根據(jù)巖體質(zhì)量分級(jí)情況分別采取相應(yīng)的鑿巖、爆破和支護(hù)措施,使試驗(yàn)段達(dá)到了優(yōu)質(zhì)工程標(biāo)準(zhǔn).根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),巖體基本質(zhì)量定量指標(biāo):BQ=90+3Rc+250Kv巖體基本質(zhì)量定量指標(biāo)修正值:[BQ]=BQ-100(K1+K2+K3)其中:Rc為巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度;Kv為巖體完整性系數(shù);K1、K2和K3分別為地下水、主要軟弱結(jié)構(gòu)面、初始應(yīng)力狀態(tài)影響修正系數(shù).Kv=(Vpm/Vpv)式中:Vpm為巖體彈性波縱波波速,單位為km/s;Vpv為巖石彈性波縱波波速,單位為km/s.當(dāng)無(wú)條件取得實(shí)測(cè)值時(shí),也可用巖體體積節(jié)理數(shù)Jv按表1確定對(duì)應(yīng)的Kv值.1.21角閃巖的構(gòu)造1218m水平巖體主要由大理巖組成,中間夾有斜長(zhǎng)角閃巖脈.現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)荷載試驗(yàn)所得大理巖抗壓強(qiáng)度平均值Rc=72.83.根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)大理巖與斜長(zhǎng)角閃巖都屬于堅(jiān)硬巖.1218水平巷道巖體中發(fā)育3組節(jié)理,其中順層組最發(fā)育,其走向?yàn)?17°,傾角58°;其次為走向127°,傾角51°和走向333°,傾角67°這2組,巖體波速平均為2475.95m/s,相對(duì)較低,表明巖體完整性差.由波速計(jì)算的巖體完整性系數(shù)Kv=0.537,由公式算得巖體的BQ=442,考慮金川礦區(qū)為高地應(yīng)力區(qū),取K3=0.5,得[BQ]=392,可知1218m水平分段道巖體應(yīng)為Ⅲ級(jí)巖體.1.31巷道圍巖質(zhì)量等級(jí)1198m水平采準(zhǔn)巷道試驗(yàn)段長(zhǎng)50m,巷道按地質(zhì)情況劃分為0～22m,22～33m和33～50m3段,相應(yīng)于不同質(zhì)量等級(jí)的巖體.巖體質(zhì)量分級(jí)結(jié)果見(jiàn)表2.2用bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)巖體進(jìn)行了分類(lèi)2.1不同輸出值的誤差及誤差分析BP網(wǎng)絡(luò)模型由輸入層、輸出層以及若干隱蔽層組成.輸入層接受外部信息,并向前傳播;輸出層則對(duì)傳來(lái)信息進(jìn)行判別并作決策與輸出;隱蔽層用來(lái)處理信息或存儲(chǔ)知識(shí).各層具有多個(gè)節(jié)點(diǎn),每相鄰二層節(jié)點(diǎn)之間單向互連.如圖1所示.BP網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練算法采用的是反向傳播算法.具體算法為:(1)選取初始權(quán)值和閾值.在本文所用程序中,取0～0.1之間的隨機(jī)值為初始權(quán)值,令閾值為0;(2)選取下一個(gè)訓(xùn)練樣本及其對(duì)應(yīng)的樣本實(shí)際輸出值;按正向過(guò)程計(jì)算隱層、輸出層各節(jié)點(diǎn)的輸出值;求出輸出節(jié)點(diǎn)與樣本實(shí)際輸出值誤差,并反向求出隱層節(jié)點(diǎn)的誤差;利用誤差值修正;求出均方誤差并與給定的精度進(jìn)行比較,直到滿(mǎn)足精度要求.(3)程序結(jié)束.在本程序中主要考慮以下問(wèn)題:(1)輸出數(shù)值的歸元化問(wèn)題:由于Sigmoid函數(shù)導(dǎo)數(shù)在[-1,1]區(qū)間內(nèi)變化較大,為提高算法的收斂速度,對(duì)輸入數(shù)值進(jìn)行歸元化,即將輸入數(shù)值映射到[-1,1]內(nèi);(2)初始權(quán)值的選擇:選擇了0～0.1之間的隨機(jī)數(shù)作為初始權(quán)值.這樣對(duì)具有多個(gè)輸入的神經(jīng)元而言,其加權(quán)和不會(huì)太大.否則,Sigmoid函數(shù)會(huì)接近曲線(xiàn)的平坦部分而使微商接近于0,影響建立模型的效率;(3)確定輸出是否正確:由于采用Sigmoid函數(shù),神經(jīng)元的輸出不可能是嚴(yán)格的0或1,所以在程序中,輸出若小于0.1,則認(rèn)為輸出是0;當(dāng)大于0.9時(shí),認(rèn)為輸出是1;(4)動(dòng)量因子的選擇:為避免陷入局部最小,而不是收斂于全局最小值,在權(quán)調(diào)整中考慮附加一個(gè)動(dòng)量.該動(dòng)量由動(dòng)量因子和上次權(quán)修正值乘積組成,它可以加快收斂速度卻又不引起算法的不穩(wěn)定.2.2斷面設(shè)置以1198m水平采準(zhǔn)巷道試驗(yàn)段的巖體為樣本,對(duì)BP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練,建立模型.每5m選取一斷面進(jìn)行巷道收斂變形測(cè)量.在0～22m間設(shè)置4個(gè)量測(cè)斷面;在22～33m間設(shè)置2個(gè)斷面;在33～50m間設(shè)置4個(gè)斷面.巷道收斂變形的測(cè)線(xiàn)布置見(jiàn)圖2.以巷道收斂變形值為輸入層,以已確定的巖體質(zhì)量分級(jí)為輸出層,對(duì)每一個(gè)樣本進(jìn)行反復(fù)計(jì)算調(diào)整,直到均方誤差小于給定精度,即認(rèn)為收斂,將調(diào)整后的權(quán)值輸出,即1198m水平試驗(yàn)段巷道的巖體質(zhì)量分級(jí)的BP網(wǎng)絡(luò)模型已建立完成(表3).用建立好的BP網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行1218m水平采準(zhǔn)巷道巖體質(zhì)量分級(jí),其結(jié)果與按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)巖體質(zhì)量分級(jí)一致(表4).3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立過(guò)程中存在的不足BP網(wǎng)絡(luò)模型是從眾多數(shù)據(jù)中提取反映實(shí)際規(guī)律的數(shù)據(jù),最終以各指標(biāo)權(quán)值的確定作為模型的完成.根據(jù)表3給出的樣本的輸入和輸出值,利用本文的BP網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練算法程序,建立巖體質(zhì)量分級(jí)的BP網(wǎng)絡(luò)模型.將該模型運(yùn)用到1218m水平采準(zhǔn)巷道巖體質(zhì)量分級(jí),所得到期望輸出值與采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)巖體質(zhì)量分級(jí)的結(jié)果是一致的(巖體質(zhì)量都為級(jí)).所以該模型是有效的.當(dāng)然這一結(jié)果還需大量的樣本驗(yàn)證.若可行,在金川礦區(qū)試驗(yàn)段巷道采用以巷道收斂變形為定量指標(biāo),用BP網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行巖體質(zhì)量分級(jí),則簡(jiǎn)單易行且工作量小.由于BP網(wǎng)絡(luò)是在大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,提取它們之間的內(nèi)在規(guī)律并進(jìn)行記憶,可消除前述用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行巖體質(zhì)量分級(jí)常發(fā)生根據(jù)定性特征確定級(jí)別與定量指標(biāo)BQ確定的級(jí)別不一致的情況,其準(zhǔn)確性相對(duì)更接近實(shí)際.本神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在建立及應(yīng)用過(guò)程中,主要存在以下不足:(1)對(duì)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),數(shù)據(jù)愈多,網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練效果愈佳,也更能反映實(shí)際.但本程序中僅采用了試驗(yàn)段巷道10個(gè)樣本值進(jìn)行訓(xùn)練,樣本數(shù)偏少.(2)由于金川礦區(qū)巷道圍巖質(zhì)量主要集中于Ⅱ～Ⅳ級(jí),Ⅰ級(jí)和Ⅴ級(jí)巖體尚未見(jiàn)到,也未能收集到這方面的數(shù)據(jù),因此影響到模型的全面性,使所建模型的適用范圍受到限制.(3)由于實(shí)際生產(chǎn)的迫切性,不可能采用時(shí)間太滯后的數(shù)據(jù).在本文數(shù)據(jù)提取中,僅采用了96小時(shí)內(nèi)的收斂變形值.這一時(shí)間在施工中是可以接受的,但相應(yīng)的大量數(shù)據(jù)未能應(yīng)用到模型中.(4)仍以定量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立模型.若能收集到充分資料,以定性指標(biāo)(如表征巖石堅(jiān)硬程度的指標(biāo):巖石成分、結(jié)構(gòu)及其成因、風(fēng)化及吸水程度等;表征巖體完整性的指標(biāo):結(jié)構(gòu)面的密度、組數(shù)、產(chǎn)狀、延伸程度、結(jié)構(gòu)面張開(kāi)度、充填情況等;以及地下水活動(dòng)情況等)和一些易獲取的定量指標(biāo)(如:巷道形狀及尺寸、巷道幾何軸線(xiàn)與主構(gòu)造線(xiàn)及軟弱結(jié)構(gòu)面方位的關(guān)系以及巖體的體積節(jié)理數(shù)等)為輸入層,以已開(kāi)挖的不同采準(zhǔn)水平巷道的不同斷面的巖體質(zhì)量分級(jí)作為輸出層,這樣建立的BP網(wǎng)絡(luò)模型將更準(zhǔn)確全面.(5)BP網(wǎng)絡(luò)模型最終是以各指標(biāo)權(quán)值的確定作為模型的完成,因此可根據(jù)各指標(biāo)權(quán)值的大小,針對(duì)不同地區(qū)、不同工程特點(diǎn)、要求,選取反映靈敏、易于獲得的指標(biāo)建立動(dòng)態(tài)模型,進(jìn)行動(dòng)態(tài)分級(jí),不一定受