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1小波神經(jīng)網(wǎng)絡學習算法

小波神經(jīng)網(wǎng)絡的網(wǎng)絡結構和基本的BP神經(jīng)網(wǎng)絡類似，一般采用輸入層、隱含層和輸出層三部分。小波神經(jīng)網(wǎng)絡隱含層的轉移函數(shù)采用小波函數(shù)，但小波函數(shù)的選取目前還未有統(tǒng)一的理論。Szu構造的Morlet小波函數(shù)。

2工程應用

2．1工程概況北京地鐵6號線東延部分東部新城站至東小營站區(qū)間工程位于北京市通州區(qū)，起點為東部新城站，終點為東小營站。該區(qū)間由東部新城站向東，沿運河東大街北側設置，沿線穿越綠地、宋郎路路口，到達東小營站，其中在宋郎路路口和運河東大街東南有多處雨水、電力和電信管線。區(qū)間穿越的地層主要有粉細砂層、局部夾粉質(zhì)粘土層、中粗砂層。工程采用直徑為6m的土壓平衡盾構機進行施工。

2．2網(wǎng)絡設計和數(shù)據(jù)采集小波神經(jīng)網(wǎng)絡的結構設計對預測結果影響較大，應充分考慮與施工相關的各種因素，如地表沉降的成因、工程地質(zhì)條件和施工工藝參數(shù)等。盾構施工引起的地表沉降易受到以下因素影響：盾構施工區(qū)間的水文地質(zhì)條件對沉降量的影響較大；當盾構機由于某種原因停止推進時，千斤頂會漏油回縮導致盾構機后退，引起盾前土體壓力減小；盾尾脫空后，管片和土體之間存在空隙，由于注漿不及時，土體填充盾尾空隙引起土體局部塌落；盾殼移動引起土體的摩擦和剪切作用，在該作用力下土體產(chǎn)生變形；盾構改變開挖方向，往往會引起超挖現(xiàn)象，土體受到的擾動隨之加大，引起土體局部變形破壞；開挖面的土體靠土倉壓力來維持，但是在施工過程中，土倉壓力和開挖面壓力并不是出于完全平衡狀態(tài)，這種不平衡狀態(tài)容易引起土體的坍塌變形。綜合考慮各相關因素，確定在對于地表沉降較為敏感的土體參數(shù)和施工參數(shù)中選取覆土厚度（H）、壓縮模量（Es）、粘聚力（c）、天然密度（ρ）、內(nèi)摩擦角（Ф）、千斤頂推力（F）和注漿壓力（P）共7個參數(shù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入?yún)?shù)。小波神經(jīng)網(wǎng)絡的隱層節(jié)點數(shù)選擇目前還沒有成熟的理論依據(jù)，可參考BP神經(jīng)網(wǎng)絡的隱層節(jié)點選取，通過經(jīng)驗和實驗分析以輸入節(jié)點的2～4倍綜合確定，最終選擇為13。小波神經(jīng)網(wǎng)絡預測模型的網(wǎng)絡結構為7－13－1。盾構施工引起的短期地表沉降對地表建筑和地下管線影響最大，且該施工區(qū)段地層變化較小，掘進速度基本不變，故可以選取盾構機通過該點50m后的穩(wěn)定沉降數(shù)據(jù)。在施工單位提供的相關測量數(shù)據(jù)和地質(zhì)資料中選取了51組數(shù)據(jù)，將其中36組作為訓練數(shù)據(jù)，如表1所示。選擇15組作為測試數(shù)據(jù)，如表2所示。

2．3地表沉降預測與分析根據(jù)選取的36組數(shù)據(jù)和已經(jīng)確定的7－13－1的網(wǎng)絡結構，分別建立小波神經(jīng)網(wǎng)絡和BP神經(jīng)網(wǎng)絡的預測模型。設定訓練目標為0．001，BP神經(jīng)網(wǎng)絡的初始權值、閾值和小波神經(jīng)網(wǎng)絡的伸縮參數(shù)、平移參數(shù)分別在［－1，1］之間隨機賦值。得到訓練結果如圖1所示。結果顯示，經(jīng)過1050次訓練后小波神經(jīng)網(wǎng)絡的訓練誤差可以達到訓練目標，而BP神經(jīng)網(wǎng)絡需要8500次訓練才能達到訓練目標。小波神經(jīng)網(wǎng)絡的訓練速度相比于BP神經(jīng)網(wǎng)絡有較大優(yōu)勢。對于已經(jīng)訓練好的兩種模型，使用相同的測試樣本進行預測分析，得到的預測結果如圖2所示，預測結果和實際測量值的誤差如表3所示。可以看出，BP神經(jīng)網(wǎng)絡和小波神經(jīng)網(wǎng)絡的最小、最大誤差分別為3．1％、27．3％，2．8％、14．5％，故小波神經(jīng)網(wǎng)絡的預測精度要好于BP神經(jīng)網(wǎng)絡，且預測結果均在工程允許范圍內(nèi)，可以依據(jù)此預測結果對現(xiàn)場施工控制參數(shù)的制定提供科學的指導。

3結論

盾構施工引起的地表沉降對施工安全影響較大，對其進行有效地預測，并以此作為依據(jù)對施工參數(shù)進行優(yōu)化，可達到降低施工風險的目的，對于提高施工效率、確保施工質(zhì)量、增加經(jīng)濟效益意義重大。本文選用小波神經(jīng)網(wǎng)絡模型對盾構施工地表沉降進行預測，得到以下結論：（1）小波神經(jīng)網(wǎng)絡的訓練速度較傳統(tǒng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡有較大優(yōu)勢。（2）結合北京地鐵六號線實地數(shù)據(jù)驗證了小波神經(jīng)網(wǎng)絡用于盾構施工地表沉降預測的可行性。（3）小波神經(jīng)網(wǎng)絡的初始權值、伸縮參數(shù)和平移參數(shù)的選取還沒有成熟的理論依據(jù)，如果參數(shù)選取不合適可能使小波神經(jīng)網(wǎng)絡陷入局部極小的情況，因此對于小波神經(jīng)網(wǎng)絡參數(shù)的優(yōu)化選取還有待深入研究。

作者：季雁鵬郝如江寧士亮單位：石家莊鐵道大學機械工程學院中國鐵建中鐵二十二局集團第一工程有限公司