基于仿生計算智能的地下工程反分析

前言

　　地下工程是迄今為止最復雜的工程問題之一，其處理的對象是性質(zhì)、性態(tài)等極其復雜的天然巖土地質(zhì)體，它是目前為止人們所知的最復雜的材料之一。而且，它所涉及的力學問題是一個多場（應力場、溫度場、滲流場）、多相（氣相、固相、液相）等影響下的復雜耦合問題。另外，在實際地下工程中，施工因素等也很重要。對如此復雜的工程問題，數(shù)值計算已成為了解決地下工程問題的有力工具。但是，數(shù)值計算的結(jié)果完全依賴于輸入的參數(shù)及選定的模型，對于地下工程問題而言，由于其固有的數(shù)據(jù)有限的特征，使其“參數(shù)給不準”及“模型給不準”已成了數(shù)值計算應用的“瓶頸”問題。地下工程是一個自然化工程，屬于一個開放的動態(tài)系統(tǒng)，其影響因素眾多而復雜，且很多因素是未知或不確定的。對這種問題采用系統(tǒng)與功能方法解決是非常合適的，也是必需的。而施工中的變形量測與反分析是功能方法的成功應用，反饋思想是解決這種問題的非常重要的一種方法論和思維方式。不同于傳統(tǒng)研究方法，反分析在借助現(xiàn)有研究方法的基礎上，將工程巖土體作為一個系統(tǒng)進行研究，它集地下工程已有研究成果、優(yōu)化技術及系統(tǒng)思想于一體，是一種綜合性的研究方法。由于它的第一手資料來源于工程實際，因而，由它得到的結(jié)果有更大的可信度，其在實際地下工程中無疑會具有良好的應用前景。但傳統(tǒng)的地下工程反分析研究在實際應用中存在很多問題，使得反分析研究“中看不中用”。為了解決這些問題，從研究思維變革的根本著手，進行學科的交叉與滲透，本書把新興的仿生計算智能學科引入地下工程反分析領域，全面而系統(tǒng)地進行了反分析的仿生計算智能研究。試圖從一個全新的角度人手，推動地下工程反分析的研究?！　”緯鴱膰鷰r參數(shù)反分析及本構(gòu)模型反分析兩個角度人手，全面而系統(tǒng)的進行了仿生計算智能與地下工程反分析的融合研究，提出了大量新穎的反分析研究方法，最后，通過三個大型地下工程實例的應用證明了本書提出的主要反分析方法的工程實用性。其主要內(nèi)容如下：　　首先，把地下工程圍巖物性參數(shù)反分析分為正反分析（優(yōu)化反分析）及逆反分析兩種。針對正反分析目標函數(shù)的復雜性，把仿生優(yōu)化算法引入正反分析研究，提出了大量仿生優(yōu)化反分析新算法?！　。?）基于前人的研究及對算法機理的分析，提出了一種新的快速收斂遺傳算法反分析方法?！　。?）首次結(jié)合進化規(guī)劃、人工免疫系統(tǒng)原理及有限元計算提出了一種新的免疫進化規(guī)劃反分析方法?！　。?）借助傳統(tǒng)蟻群算法的思想，把前述免疫進化規(guī)劃的一些優(yōu)點結(jié)合進來，提出了一種免疫連續(xù)蟻群算法?；诖诵滤惴?，提出了一種新型地下工程反分析算法。

內(nèi)容概要

本書全面系統(tǒng)地介紹了近年來在仿生計算智能地下工程反分析方面的研究成果。主要從圍巖物性參數(shù)反分析和圍巖模型辨識兩個方面進行了介紹，針對不同反分析問題的難點，提出了大量有針對性的新型仿生算法，并基于有限元數(shù)值平臺，創(chuàng)造性的提出了一系列新型的反分析技術，基本解決了傳統(tǒng)反分析存在的一些難題。最后通過幾個大型工程的應用證明了所提算法的可行性及有效性。    本書可供從事地下工程反分析、地下工程穩(wěn)定性分析等的專業(yè)研究人員及從事地下工程設計施工的工程技術人員參考，也可以作為地下工程、隧道工程等專業(yè)的研究生教材。

書籍目錄

1  緒論  1.1  反分析的不同描述法    1.1.1  數(shù)學描述法    1.1.2  力學描述法    1.1.3  信息描述法    1.1.4  系統(tǒng)描述法  1.2  地下工程反分析研究現(xiàn)狀    1.2.1  參數(shù)反分析研究    1.2.2  模型反分析研究  1.3  反分析的仿生計算智能研究    1.3.1  基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的反分析研究    1.3.2  基于進化計算的反分析研究    1.3.3  其他仿生計算智能反分析研究  1.4  本書主要內(nèi)容  參考文獻2  仿生計算智能原理及方法  2.1  人工神經(jīng)網(wǎng)絡(ANN)    2.1.1  多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡    2.1.2  進化神經(jīng)網(wǎng)絡(ENN)  2.2  進化計算(EC)    2.2.1  遺傳算法(GA)    2.2.2  進化規(guī)劃(EP)  2.3  人工免疫算法    2.3.1  生物免疫系統(tǒng)    2.3.2  人工免疫算法  2.4  蟻群算法    2.4.1  蟻群算法的生物基礎    2.4.2  蟻群優(yōu)化算法的實現(xiàn)2.5  粒子群優(yōu)化算法    2.5.1  粒子群優(yōu)化算法的提出    2.5.2  粒子群優(yōu)化算法的實現(xiàn)    2.5.3  粒子群優(yōu)化算法同進化算法的比較    2.5.4  粒子群優(yōu)化算法的仿真實驗  2.6  其他算法簡介    2.6.1  模擬退火算法    2.6.2  混沌優(yōu)化算法    2.6.3  DNA分子計算  參考文獻3  地下工程圍巖物性參數(shù)反分析研究  3.1  進化神經(jīng)網(wǎng)絡逆反分析    3.1.1  神經(jīng)網(wǎng)絡反分析的必要性    3.1.2  進化神經(jīng)網(wǎng)絡的訓練樣本獲取    3.1.3  進化神經(jīng)網(wǎng)絡算法    3.1.4  逆反分析的進化神經(jīng)網(wǎng)絡研究  3.2  仿生優(yōu)化反分析研究    3.2.1  仿生優(yōu)化反分析的必要性    3.2.2  改進的快速遺傳算法及其在反分析中的應用    3.2.3  進化規(guī)劃及其在反分析中的應用    3.2.4  免疫連續(xù)蟻群算法反分析研究    3.2.5  粒子群優(yōu)化反分析研究  3.3  基于仿生優(yōu)化算法的巖體滲流參數(shù)反分析研究    3.3.1  巖體滲透系數(shù)反演的基本模型    3.3.2  巖體滲透系數(shù)反演的仿生算法實現(xiàn)    3.3.3  算例分析  參考文獻4  地下工程圍巖本構(gòu)模型反分析研究  4.1  圍巖彈塑性本構(gòu)模型類內(nèi)辨識研究    4.2.1  屈服函數(shù)模型反分析研究1    4.1.2  屈服函數(shù)模型反分析研究2  4.2  圍巖彈黏塑性本構(gòu)模型類內(nèi)辨識研究    4.2.1  理論研究    4.2.2  圍巖彈黏塑性模型的反分析研究    4.2.3  工程實例  4.3  圍巖本構(gòu)模型類問辨識與力學參數(shù)同時反分析研究    4.3.1  模擬生態(tài)競爭模型的提出    4.3.2  圍巖本構(gòu)模型類問辨識及參數(shù)同時反演的模擬生態(tài)競爭模型    4.3.3  實例分析  4.4  地下工程圍巖本構(gòu)模型反分析的其他可能研究    4.4.1  巖土材料本構(gòu)模型識別的神經(jīng)網(wǎng)絡研究    4.4.2  本構(gòu)模型識別的遺傳程序設計研究  參考文獻5  工程應用研究  5.1  地下工程圍巖參數(shù)逆反分析的工程應用研究    5.1.1  龍灘隧道工程簡介    5.1.2  龍灘隧道工程圍巖監(jiān)測情況    5.1.3  圍巖力學性質(zhì)試驗情況    5.1.4  隧道區(qū)地應力場實測情況    5.1.5  圍巖參數(shù)及地應力場逆反分析研究  5.2  地下工程圍巖參數(shù)優(yōu)化反分析的工程應用研究    5.2.1  天生橋一級電站工程現(xiàn)場監(jiān)測試驗概況    5.3.2  試驗洞圍巖參數(shù)的優(yōu)化反分析  5.3  地下工程圍巖本構(gòu)模型辨識的工程應用研究    5.3.1  某抽水蓄能電站現(xiàn)場位移監(jiān)測試驗概況    5.3.2  試驗洞圍巖體本構(gòu)模型的辨識  參考文獻6  結(jié)論及展望  6.1  結(jié)論  6.2  展望  參考文獻

章節(jié)摘錄

　　1 緒論 　　§1.4 本書主要內(nèi)容　　無論從學科發(fā)展的規(guī)律考慮，還是從反分析實際應用的需要上著眼，把智能科學的新發(fā)展分支——仿生計算智能引入傳統(tǒng)反分析研究中，進行仿生計算智能反分析研究非常必要。但是，為了進行學科交叉，我們必須對兩個學科均有一定的認識，這樣才能更好地實現(xiàn)交叉。作為學科交叉的仿生計算智能化反分析的深入研究，必須首先從仿生計算智能學科的闡述開始，然后針對反分析的實際情況改善現(xiàn)有仿生計算智能方法，只有這樣才能真正實現(xiàn)反分析的仿生計算智能化。作為對上述研究思路的實現(xiàn)，本書主要包括如下內(nèi)容：　?。?）從智能科學的總體描述及仿生技術發(fā)展上揭示了仿生計算智能新學科的概念及其特點。從其原理著手，描述了仿生計算智能學科的研究內(nèi)容，并從原理、特點及實施上詳細介紹了本書將用到的幾種仿生計算智能方法?！　。?）在詳細分析遺傳算法原理及實施的基礎上，針對地下工程反分析問題，提出了一種改進遺傳算法。并用數(shù)值算例對其性能進行了研究，在此基礎上進行了改進遺傳算法反分析研究?！　。?）在分析遺傳算法缺點的基礎上，引入了進化規(guī)劃新方法，在分析傳統(tǒng)進化規(guī)劃算法的基礎，從人工免疫算法的原理得到啟發(fā)，結(jié)合兩者的優(yōu)點，提出了一種融合免疫思想的進化規(guī)劃算法——免疫進化規(guī)劃。并用數(shù)值算例比較了它同傳統(tǒng)遺傳算法的性能，在此基礎上提出了一種新型地下工程反分析算法——免疫進化規(guī)劃反分析。 　　……

編輯推薦

　　《基于仿生計算智能的地下工程反分析：理論與應用》從圍巖參數(shù)反分析及本構(gòu)模型反分析兩個角度人手，全面而系統(tǒng)的進行了仿生計算智能與地下工程反分析的融合研究，提出了大量新穎的反分析研究方法，最后，通過三個大型地下工程實例的應用證明了《基于仿生計算智能的地下工程反分析：理論與應用》提出的主要反分析方法的工程實用性。其主要內(nèi)容如下。

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