智能巖石力學(xué)的發(fā)展

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1、萬(wàn)方數(shù)據(jù)2002焦中國(guó)釬攀挖院刊第4期尹?！薄啊啊啊薄薄啊薄?’“““?“””“”””““‘“““”?警；學(xué)科發(fā)展i瓤?‰p??F???川?¨

2、p?¨．"Ⅲ‘¨Pm隸智能巖石力學(xué)的發(fā)展馮夏庭(武漢巖土力學(xué)研究所武漢430071)摘要智能巖石力學(xué)是為突破“數(shù)據(jù)有限”和“變形破壞機(jī)理理解不清”的“瓶頸”而提出的一個(gè)新的交叉學(xué)科分支，在巖石力學(xué)專家系統(tǒng)、非線性動(dòng)力學(xué)模型、參數(shù)反演、本構(gòu)模型識(shí)別、開(kāi)挖過(guò)程全局優(yōu)化、集成智能分析等研究方面已取得重要進(jìn)展。指出多場(chǎng)耦合智能模型、多尺度模型、精細(xì)仿真、Internet模型、遙控試驗(yàn)系統(tǒng)、綜合集成系統(tǒng)等研究是下一步的發(fā)展

3、方向。變革思維方式，加強(qiáng)原始創(chuàng)新和破壞性創(chuàng)新，建立智能巖石力學(xué)分析平臺(tái)是本學(xué)科發(fā)展的關(guān)鍵對(duì)策。關(guān)鍵詞智能巖石力學(xué)，進(jìn)展，趨勢(shì)1引言巖石力學(xué)研究的對(duì)象是非均質(zhì)、非連續(xù)、各向異性的巖石(體)，其力學(xué)行為大多具有高度的不確定性與非線性，并受到地質(zhì)構(gòu)造、地應(yīng)力、水、溫度、壓力、開(kāi)挖施工乃至水化學(xué)腐蝕的影響。目前主要采用的是以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)為基礎(chǔ)的確定性研究方法，在特定的假設(shè)條件下求解。這種一對(duì)一的映射研究方法，使得巖石力學(xué)模型越來(lái)越復(fù)雜(例如，彈性、彈塑性、彈粘塑性、各向異性彈粘塑性、流變損傷斷裂力學(xué)、各向異性流變損傷斷裂力學(xué)模型等)，要確定的力學(xué)參數(shù)越來(lái)越多(有

4、的模型需要確定幾十個(gè)力學(xué)參數(shù))，支持模型所需的信息呈指數(shù)增長(zhǎng)n]。然而，“數(shù)據(jù)有限”和“變形破壞機(jī)理理解不清”是這種確定性分·收稿日期：2002年6月20日析方法的“瓶頸”[2]。由于真實(shí)材料的理論體系尚未建立，許多巖石力學(xué)問(wèn)題的數(shù)學(xué)力學(xué)描述要么不存在，要么是弱的或不完整的，目前還沒(méi)有一個(gè)被廣泛接受的普適性概念模型。因此，“沿用彈塑粘性理論等為基礎(chǔ)的確定性求解方法，并未得到恰如人意的效果”，“在將來(lái)，不敢斷言這種方法是否會(huì)對(duì)這樣一類問(wèn)題的研究有新的突破，但至少在今天還不可能將這類問(wèn)題的研究提高到一個(gè)新的高度”，“謀求新的、更為綜合的手段來(lái)解決問(wèn)題，是迫待

5、研究的當(dāng)務(wù)之急”舊J。為了突破“數(shù)據(jù)有限”和“變形破壞機(jī)理理解不清”的“瓶頸”，我們另辟蹊徑，提出了智能巖石力學(xué)的研究方法。它是自學(xué)習(xí)、非線性動(dòng)態(tài)處理、演化識(shí)別、分布式表達(dá)等非一對(duì)一的映射研究方法以及多方法的綜合集成研究模式，是建立節(jié)理巖體真實(shí)特征的新型分析理論和方法，是涉及人工智能、非線性科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)、力學(xué)、地學(xué)與工程科學(xué)的交叉綜合研究方法。這種方法可從積累的實(shí)例中學(xué)習(xí)挖掘出有用的知識(shí)，非線性動(dòng)態(tài)處理可使認(rèn)識(shí)通過(guò)萬(wàn)方數(shù)據(jù)4期智能巖石力學(xué)的發(fā)展257不斷的實(shí)踐來(lái)接近實(shí)際，演化識(shí)別可以在事先無(wú)法假定問(wèn)題精確關(guān)系的情況下找到合理的模型，分布式表達(dá)使得尋找和

6、表達(dá)多對(duì)多的非線性映射關(guān)系成為可能。2研究現(xiàn)狀智能巖石力學(xué)的提出最早受人工智能專家系統(tǒng)解決經(jīng)驗(yàn)問(wèn)題的優(yōu)越性的影響，巖石分類專家系統(tǒng)的建立極大地推動(dòng)了基于經(jīng)驗(yàn)知識(shí)推理方法的應(yīng)用，一些巖石力學(xué)問(wèn)題的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的出現(xiàn)又展示了自學(xué)習(xí)、非線性動(dòng)態(tài)處理與分布式表達(dá)方法的強(qiáng)大生命力。這些研究啟發(fā)作者進(jìn)行了深入的思考，并開(kāi)展了卓有成效的研究工作。因此，智能巖石力學(xué)的學(xué)術(shù)思想雛形最早出現(xiàn)在文獻(xiàn)[3]，文獻(xiàn)[4]將智能巖石力學(xué)的學(xué)術(shù)思想介紹給國(guó)際同行。應(yīng)國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)前主席SakuraiS．教授的特別邀請(qǐng)，作者在該學(xué)會(huì)會(huì)刊NewsJournalofIRSM上發(fā)表了有關(guān)智

7、能巖石力學(xué)研究的評(píng)述文章[5]，就該學(xué)科的發(fā)展提出了幾點(diǎn)思考。20世紀(jì)90年代以來(lái)的國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)大會(huì)以及各大洲的巖石力學(xué)大會(huì)都將其列為重要研究領(lǐng)域進(jìn)行研討。一些大型研究計(jì)劃，如我國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金及一些西方國(guó)家的研究計(jì)劃等，也都將其列為重點(diǎn)課題予以支持，從而使智能巖石力學(xué)的學(xué)術(shù)思想不斷深化，新的模型和方法不斷涌現(xiàn)，研究隊(duì)伍不斷壯大，一些確定性分析方法無(wú)法解決的問(wèn)題也得到了很好的解決?，F(xiàn)在，該學(xué)術(shù)思想已滲透到巖石力學(xué)與工程的許多方面，取得了一系列重要進(jìn)展，《智能巖石力學(xué)導(dǎo)論》一書對(duì)智能巖石力學(xué)的理論和方法進(jìn)行了階段性的系統(tǒng)總結(jié)[6]。這些進(jìn)展包括：建立

8、了適用于圍巖分類、隧道(巷道)支護(hù)設(shè)計(jì)、邊坡破壞模式識(shí)別與安全性估計(jì)、采場(chǎng)穩(wěn)定性估計(jì)的專家系統(tǒng)，提出了基于范例推理(case．basedreasoning)的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法。提出的可以考慮對(duì)負(fù)屬性的一種新的數(shù)據(jù)挖掘方法，能從硐室圍巖穩(wěn)定性的實(shí)例數(shù)據(jù)中挖掘出知識(shí)，并將得到的關(guān)聯(lián)規(guī)則輸入到專家系統(tǒng)，進(jìn)行不確定性推理，對(duì)地下硐室圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行合理的判別。發(fā)現(xiàn)邊坡、隧道、巷道的位移時(shí)間序列、巖石破裂過(guò)程的聲發(fā)射事件序列和煤礦頂板來(lái)壓序列等構(gòu)成的非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，都可以用石?+。=ⅣⅣ(n，h。，h：，1)(x，+，，x：+P，．一，XⅢ)進(jìn)行合理的描述。其

9、中x。+，為當(dāng)前時(shí)刻的信息，(X。+，，X：??，瓦+。)為其先前n個(gè)時(shí)刻的信息