CAE技术在岩土工程领域应用的若干进展

1CAE技术在岩土工程领域应用的若干进展孙钧（同济大学岩土工程研究所，上海城建集团院士研究室）摘要：若干年来，CAE技术在各门工程学科中都有了长足的进展，作为与多门相关和相近学科相互间交叉融合的岩土力学与工程领域，在软科学理论和方法的工程应用问题中，诸如：信息化、智能化、数字化和可视化、数字图像处理等一些新兴子学科方面，计算机辅助工程设计及其相应专用分析软件的研制和开发等也均取得了不同程度的研究成果。本文试就作者们近年来在这方面的阶段工作作些简扼介绍，而未奢求猎涉各该方面的全面。关键词：CAE技术，岩土工程，信息技术与多媒体，人工智能，数字化设计，科学可视化，数字图像处理本文作者们所在的学科研究室，对CAE技术在岩土力学与工程若干领域，就软科学理论和方法的工程应用问题，近年来在表1所述五个方面的子项研究课题，已有了一定的研究探索和实践。表1序次项目名称工作进展情况一√IT与多媒体技术——盾构隧道工程施工网络多媒体视频监控与技术信息管理系统研制承担了上海市建委和教委的重点学科建设基金项目研究，研制了专用软件并已在上海和南京市地铁的多处盾构工程中得到了应用实践。结合该研究方向已培养了多名博士后和博士研究生。二√人工智能科学在地铁工程施工变形预测与控制方面的应用承担了上海市和外地若干重点工程项目以及国家自然科学重点基金课题研究，研制了专用软件并在多处地下结构与隧道施工中得到了应用实践，成效显著。三√数字化技术在岩土、地下工程中的初步应用研究先后承担了上海市地下空间开发与利用有关项目以及厦门市海底隧道工程数字化设计任务，正在开展该方面研究并已有阶段性成果。四科学计算可视化与图形图像可视化技术的研究与工程实践作为本学科研究室的一个子方向，承担了国家基金重点项目开展研究，并已培养博士生多名。五数字图像处理在岩土工程应用中的探索研究与日本德岛大学联合培养该方向的博士研究生，并作校、系级的交流合作。表中有√号的前三项，积累的工作相对多一些，因为有国家基金与重大、重点工程研究项目的支持和资助，已有一定的阶段成果并曾获教育部提名国家奖和部委与上海市奖励共4项。后列的四、五两项，则尚属前期探索性研究。一、21世纪信息社会的标志：IT与多媒体技术——盾构隧道工程施工网络多媒体视频监控与技术信息管理系统研制参与本项研究工作的主要还有：朱合华、胡向东、周希圣、袁金荣、朱忠隆、郑宜枫、龙汉、安红刚、李元海等正副教授、博士后和博士研究生，以及上海市隧道工程公司的技术人员。2在城市地铁盾构法隧道施工中，经过多年来的努力，信息化实时远程技术管理与辅助决策系统的研发和应用在上海已初具雏形，现正谋求进一步的拓展与完善。1.盾构隧道工程施工技术的自动化、信息化和智能化。整套系统的主要内涵可以归结为：（1）盾构电气自动化监控系统；（2）盾构掘进姿态自动连续监测、控制与管理系统；（3）盾构法隧道施工人工智能专家系统；（4）盾构法隧道智能化辅助决策系统，含：按作业面掘进信息反馈、实时调整盾构施工诸参数，以控制隧道轴线、地表沉降，并使能均速施工作业；（5）盾构隧道信息化施工远程管理系统,含：建立动态管理工程数据库和信息库、智能分析与实时监控管理，等等。2.盾构隧道信息化施工智能管理系统的特点（1）通过现场HUB集线器，实现地下作业面处盾构机的动态数据向地面PC机的实时传送；并结合相关施工监测数据，将资料、信息及时收集，在现场建立一套完整的施工数据库。（2）运用公共广义网，将施工现场数据实时远程传送至设在总部（目前设在上海隧道公司工程部）的内部数据服务器和web服务器上，从而在总部建立由各施工现场数据库整合组成的多处工点现场盾构隧道施工动态工程数据库。如图1和图2所示。（3）通过对内部数据服务器的访问，使总部管理人员能对各施工工点进行远程、图2施工资料、数据的采集与数据库运作框图图1施工数据文件的查询与调用数据对照表片段数据包公司总部数据库密解压解读取转换片段数据包自动采集数据施工现场数据库解压解密读取转换FTP协议客户端IE5ormoreWindows2000serverWindows2000server数据文件DatabaseSOLserverwebserverllSASPPages数据读取rCOMObjectsODBCWindows2000server3实时的全面监控，实现盾构隧道高一层次的信息化施工。（4）通过利用因特网，异地访问设在公司总部的Web服务器，使出差在外的公司高级管理人员能对施工数据进行远程、实时访问，真正实现盾构隧道施工的移动办公与技术管理。（5）通过对计算机强大的海量数据处理能力以及图形图像显示功能的进一步开发，系统能自动生成各类电子报表，绘制盾构行进姿态、隧道轴线与地面沉降等的2-D、3-D曲线（曲面）动态图照，为进一步实现施工现场无纸化管理奠定基础。（6）系统能通过对盾构机的日推进进度、隧道施工质量、盾构姿态和盾构设备运行状态等数据的统计和分析，作出施工状态的智能判断，从而实现计算机辅助施工管理的智能化。如图3所示。（7）运用有限元、边界元法等数值仿真模拟，以及人工智能技术，并利用所研制的“盾构法隧道施工专家系统”和“盾构法隧道施工辅助决策系统”，实现以下的智能咨询决策：①盾构施工最佳参数匹配方案的选择；②隧道施工轴线控制和盾构机纠偏；③施工引起地层变形和地面沉降的预测与控制；④盾构设备运行状态的评价及维修管理。（8）通过对总部服务器海量施工数据的二次采集，形成新规则和新知识，为今后解决同类施工问题提供必要的技术储备，实现数据库向专家知识库的整合与转化。3．现代企业呼唤先进的技术管理——信息：“一网打尽”；远程监控：“一览无遗”。这方面专用软件的研制与开发应用，其工作进程体现在：①该系统的启用，填补了国内市政系统长期以来缺乏信息化、智能化生产管理模式的空白；②在上海市的地铁工程建设中，现已进行了该项信息管理系统的应用培训图3盾构各施工现场通过因特网进行信息化与智能化技术管理4和系统开发与试用；③以信息收集为前导，正开始启用智能化的辅助决策系统，逐步实现较为完整而全面的计算机技术咨询功能。二、人工智能科学在地铁工程施工变形预测与控制方面的应用1．问题的提出岩土力学与工程问题一般地都要求处理好各种非匀质、非各向同性、非线性和非连续的岩土介质材料，及其与地下结构耦合相互作用的复合“地质—结构体”系统；同时，岩土材料及其力学参数又具有主观和客观上双重的诸多不确定性和不确知性因素。这样，沿用简化的力学模型进行数值仿真模拟计算，将势必是：虽以定量分析的“精确”手段作处理，而在多数情况下却只能得出定性、至多只是半定量的结果，这是难以令人满意的。就国内一些重大、重点岩土工程（如地铁车站深大基坑和区间隧道、悬索大桥锚碇基础工程等）言，当前均已具备了较完善的监测条件，如果改为采用大量而系统的工程实测数据资料为基本输入，这些监测数据经过采用人工智能（如神经网络）的方法，建立施工变形的预测模型，并进而从模糊逻辑推理求得施工变形智能控制的策略，探求利用软科学的理论与方法来解决工程实际需要的施工变形预测与控制问题，则不失为一项“另辟蹊径”的新路子。多年来，这一探索在我所已结合上海市地铁车站深大基坑开挖支护、上海和外省市地铁盾构隧道掘进施工，以及先后在润扬、阳逻两座长江特大桥的锚碇基础工程等多处工程的实践中采用成功，取得了可喜的效果。2．BP神经网络及其在工程施工变形预测中的采用在人工智能科学方面，人工神经网络（ANN）有别于专家系统，它是一种模拟人脑神经系统、根据数据样本进行机器学习的智能算法。以BP（backpropagation）算法为例，经过样本的训练与测试，建立有自主创新特色的神经元“多步滚动动态预测”模型，可在规定的允许误差范围内达到系统的最佳组合。采用该系统进行相关工程的智能预测（如深大基坑工程施工变形的预测和盾构机掘进引起市区内地表沉降/隆起的变形位移预测，以及隧道施工塌方预测等等），均获得了相当成功。神经元网络的进一步应用，还可利用它能有效地逐步逼近相应函数的特性，来研制一种可用以分析岩土工程施工变形各种因素其对变形位移不同影响程度的层次分析和敏度分析，5称之为“重要性程度分级分析法”（hieresearchicalanalysis），以确定在各项影响因素中，哪些对施工变形值的影响是第一重要、而又最敏感的；以次，哪些因素则是第二、第三位的，按其重要性作出分级排序。该法可为研究各项施工影响因素对变形位移的主次作用，提供一项极为有用的分析工具。此后，作者们还建立了一种采用模糊逻辑的软科学方法，对当施工变形接近、达到或超过允许的规定阈值时，可进行有效的变形主动控制策略来控制工程施工变形，效果也很不错。近年来，我们所又进而将进化神经网络、遗传算法、正交试验设计法和智能反分析等软科学方法引入了上项预测、控制和工程险情预报工作，研制了相应的专用程序软件并已有了初步的成功实践，应用前景喜人。3．工程应用实例——地铁车站基坑工程施工变形的智能预测与控制研究人工智能方法是在信息化设计施工基础上的“更上层楼”，是又一次新的提高。就对深大基坑工程围护结构施工变形进行智能预测与控制方面言，采用人工神经网络作出变形预测和工程险情预报；并在变形接近或达到限定的警戒阈值之前，采用模糊逻辑控制方法使该监测点的变形始终约束（控制）在容许的规定值范围之内。它的创意特色主要反映在：（1）供作计算输入值的基本数据——“看得见、摸的着”，是实实在在的，诸如：①工程地质与水文地质参数；②由工程现场测得的、系统的土层和地表变形位移监测值；③工程施工诸有关的施工参数，等等。（2）研制和开发了工程施工监控的信息、工程数据库，便于搜索、查询和调用。（3）以施工变形控制为目标，建立了各等级环境土工维护的指标体系，及其极限阈值和允许限值。（4）依靠调整施工参数控制施工变形，不需要巨额的地基处理注浆加固耗费。（5）它是高一层次信息化施工新的拓展。下文的工程示例，为对上海市外滩人行观光隧道浦西出入口深井基坑围护结构施工变形位移所作的墙体水平位移与坑外周边地表沉陷的智能预测与控制，其效果分别见图4（a）、（b）所示。上述对工程施工变形的智能预测与控制，通过经变换的应用软件，在上海明珠线二期地铁区间上下近距离交叠隧道施工中也同样得到了成功采用。6三、数字化技术在岩土、地下工程中的初步应用研究面对岩土工程数字化问题庞大而浩繁的研究任务，我学科组结合上海城市地下空间开发与利用课题的研究需要，近年来的工作尚局限在“城市地层数字化”研究方面。前已述及，建立数字城市是实现数字地球的一个重要台阶，而地层是城市工程建设项目的载体，因而，城市数字地层则是数字地球不可或缺的组成部分。数字地层的主要任务是将原始地层信息和经工程施工扰动后的地层变异信息，统一地用数字化的方法作直观展现。可以指出，城市地层信息集中地反映在两个侧面：一是地层地质信息数据库的管理及其应用系统（含：钻孔实录、静力触探、地质柱状图、土体物理力学参数和地下水文数据资料，等等），对其进行存贮、解释、展示、搜索、查询与调用；二是完成三维地质建模系统并研制方便应用的数字化地层地质建模方面的商业软件。地层数字化工作广义上包括了地学模拟和地下建构筑物的数字化再现两个方面：地学模拟研究的内容包括地层和地下水模拟等地下空间自然物理实体和客观表象的模拟与仿真，三维地学模拟也就是利用地勘资料与工程设计地质数据资料以仿真模拟其原始地质体和对地下施工开挖、掘进作三维建模；后者当前的工作暂先集中在三维地学数据模型——构模技术、空间数据存贮与分析及其可视化以及三维数据模型技术等几个方面。而地下建构筑物的数字化再现，则是利用现有的工程勘探建设资料，将所有城下地下空间开发利用中的地下铁道、过江隧道、人防地下设施、地下商场和地下街以及各种地下管线等建构筑物信息在计算机里实现其几何建模并可视化显示与分析。最近，我组还承担了数字隧道方面的设计研究项目，工作正在开展。图5、图6和图7分别表述了数字化地层的几处应用示例。1-291-312-22-42-62-82-102-122-142-16