朱峻鋒

隨著中國(guó)城市化建設(shè)進(jìn)程的加快，各大城市都在爭(zhēng)相發(fā)展地鐵。以上海為例，截至2018年12月，上海地鐵擁有運(yùn)營(yíng)線路16條，在建線路4條。誰(shuí)都希望自家毗鄰地鐵站，出行方便，可是這事也有著快樂(lè)的煩惱：由于地鐵修建工期長(zhǎng)達(dá)數(shù)年，其間對(duì)居民的生活和出行都會(huì)產(chǎn)生影響，家門口的環(huán)境也會(huì)受到一定程度的破壞，而通車時(shí)間卻是個(gè)未知數(shù)。

那么，是否有辦法預(yù)測(cè)出地鐵修建的速度，從而提前知道地鐵何時(shí)能建成通車呢？

地鐵修建的工期主要取決于地鐵隧道的建設(shè)速度。目前，盾構(gòu)法是修建地鐵隧道的主要方法。該方法類似蚯蚓在地下挖洞，即通過(guò)一個(gè)大型的挖掘機(jī)（盾構(gòu)機(jī)）在地下一邊向前掘進(jìn)，將挖出的泥土運(yùn)向后方；一邊在挖好的洞周邊裝配預(yù)制混凝土管片。浩大的地下工程就這樣一步一步完成了。在這個(gè)過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度決定了隧道建設(shè)進(jìn)度。我們知道，時(shí)間等于長(zhǎng)度（距離）與速度的比值，地鐵隧道的長(zhǎng)度是確定的，只要得到盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度值，那就很容易計(jì)算出地鐵修建的時(shí)間。但是，在實(shí)際操作中并不如想象中那么簡(jiǎn)單，地下巖土環(huán)境千變?nèi)f化，掘進(jìn)速度也受到盾構(gòu)機(jī)本身和周圍環(huán)境的多重影響，很難用物理模型來(lái)描述盾構(gòu)施工過(guò)程。通過(guò)最原始的數(shù)學(xué)計(jì)算和物理模型方法是難以實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)速度預(yù)測(cè)的。

盾構(gòu)機(jī)有200多個(gè)傳感器，每時(shí)每刻都在產(chǎn)生大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)背后隱藏著盾構(gòu)機(jī)和土體相互作用的信息，我們可以利用機(jī)器學(xué)習(xí)法來(lái)挖掘數(shù)據(jù)背后的知識(shí)。機(jī)器學(xué)習(xí)法是利用計(jì)算機(jī)模擬實(shí)現(xiàn)人類學(xué)習(xí)行為的方法，它包含很多種計(jì)算方法，其中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法是一種十分實(shí)用的算法。我們知道，人的大腦由眾多神經(jīng)元組成，在處理事件過(guò)程中，每個(gè)神經(jīng)元都在發(fā)揮各自的作用，功能相對(duì)簡(jiǎn)單，但大量神經(jīng)元相互交錯(cuò)，系統(tǒng)行為非常復(fù)雜。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法就是一種模擬人腦的計(jì)算方法，它不是常規(guī)的一步一步執(zhí)行運(yùn)算，而是通過(guò)自身總結(jié)規(guī)律、協(xié)同處理、完成運(yùn)算，特別適合在信息本身模糊不確定情況下的復(fù)雜數(shù)據(jù)處理。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法分為輸入項(xiàng)、隱含項(xiàng)和輸出項(xiàng)，其中的隱含項(xiàng)可以想象成一個(gè)暗箱，其間運(yùn)算過(guò)程復(fù)雜交錯(cuò)。例如，有兩組數(shù)據(jù)1、2、3、4和1、4、9、16，分別作為輸入項(xiàng)和輸出項(xiàng)，經(jīng)過(guò)隱含項(xiàng)的暗箱數(shù)據(jù)處理，可以得出Y=X2這個(gè)函數(shù)。同樣原理，在盾構(gòu)掘進(jìn)速度的研究中，我們可以將盾構(gòu)機(jī)傳感器得到的參數(shù)和土層性質(zhì)作為輸入項(xiàng)，將掘進(jìn)速度作為輸出項(xiàng)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，獲得掘進(jìn)速度函數(shù)關(guān)系式。由于數(shù)據(jù)量大，需要通過(guò)專門的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言進(jìn)行處理。

在計(jì)算過(guò)程中，不同種類傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)量級(jí)差距很大，數(shù)據(jù)單位又互不相同，能混在一起計(jì)算嗎？實(shí)際工作中情況那么復(fù)雜，獲得的預(yù)測(cè)模型函數(shù)是否真的準(zhǔn)確無(wú)誤呢？這些可以用數(shù)據(jù)歸一化消除不同種類數(shù)據(jù)量值和單位的影響，在模型訓(xùn)練的過(guò)程中用均方根誤差和決定系數(shù)來(lái)評(píng)估模型預(yù)測(cè)結(jié)果的好壞，同時(shí)要十分注意模型欠擬合和過(guò)擬合情況發(fā)生，最終獲得準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)模型。

預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建正好符合當(dāng)下新興的智能建造領(lǐng)域，它是傳統(tǒng)土木工程與人工智能的交叉學(xué)科。隨著速度預(yù)測(cè)模型的不斷優(yōu)化，我相信未來(lái)的地鐵修建將有可能實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)虛擬駕駛，人工智能操作下的盾構(gòu)機(jī)的工作效率也將大大提高。如果真的實(shí)現(xiàn)這一步，家門口的地鐵也將早日通車！