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(佳木斯大學(xué)建筑工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引 言

當(dāng)前混凝土配合比設(shè)計(jì)主要采用依據(jù)水灰比的經(jīng)驗(yàn)公式為基礎(chǔ)，再通過(guò)查閱相關(guān)圖表來(lái)確定配比過(guò)程中的參數(shù)值，屬于半定量計(jì)算方法。其配合比設(shè)計(jì)方法[1]很大程度要依賴設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，因此設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，不利于計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)、材料科學(xué)，混凝土配比技術(shù)已逐步走上從經(jīng)驗(yàn)到理論、從定性到定量的發(fā)展道路[2]。近些年，許多科研工作者逐漸將遺傳算法[3]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[4]等人工智能技術(shù)應(yīng)用到混凝土配合比設(shè)計(jì)當(dāng)中，已取得了一系列的科研成果。季韜提出基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[5]；王繼宗將遺傳算法應(yīng)用于混凝土配合比的優(yōu)化設(shè)計(jì)中[6]。

傳統(tǒng)配比設(shè)計(jì)變量少、周期長(zhǎng)、不易計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，而其它的智能配比算法實(shí)現(xiàn)步驟復(fù)雜，不利系統(tǒng)維護(hù)與開(kāi)發(fā)。為此，將專家系統(tǒng)應(yīng)用于混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)方法過(guò)程中，由于混凝土配比尚處于半定量設(shè)計(jì)階段，配比人員的經(jīng)驗(yàn)在整個(gè)過(guò)程起到重要的作用，而專家系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)就在于將實(shí)際工作中的專家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析，進(jìn)而設(shè)計(jì)出方便快捷符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的配比系統(tǒng)。所采用的專家系統(tǒng)是在傳統(tǒng)配比方法的基礎(chǔ)上加上專家控制理論，而提出的“二步法”專家控制配比理論[7]，并通過(guò)反復(fù)學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整專家系統(tǒng)中的控制參數(shù)。經(jīng)過(guò)多批次幾百組的試驗(yàn)數(shù)據(jù)生成混凝土配合比的知識(shí)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)混凝土智能配比。

1 涉及到的定義和原理

專家系統(tǒng)作為智能系統(tǒng)中第一個(gè)被廣泛應(yīng)用的方法，專家控制系統(tǒng)則是一個(gè)應(yīng)用專家系統(tǒng)技術(shù)的控制系統(tǒng)，也是一個(gè)典型的、廣泛應(yīng)用知識(shí)的控制系統(tǒng)。專家控制系統(tǒng)的所有行為全被自適應(yīng)所支配，因此控制系統(tǒng)必須能夠解釋當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)，預(yù)判將要發(fā)生的行為，診斷問(wèn)題產(chǎn)生的原因，做出相應(yīng)的補(bǔ)救方案，并監(jiān)控方案的執(zhí)行并確保成功。專家控制系統(tǒng)分為間接專家控制系統(tǒng)和直接專家控制系統(tǒng)，間接專家控制系統(tǒng)控制器間接地作用于受控制過(guò)程，又稱為參數(shù)自適應(yīng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用間接專家控制方式。

定義1：專家系統(tǒng)是一個(gè)智能計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)，其內(nèi)部含有大量的某個(gè)領(lǐng)域?qū)＜宜降闹R(shí)和經(jīng)驗(yàn)，能夠利用人類專家的知識(shí)和解決問(wèn)題的方法處理該領(lǐng)域的問(wèn)題。

定義2：知識(shí)庫(kù)用于存儲(chǔ)某領(lǐng)域?qū)＜蚁到y(tǒng)的專門知識(shí)，包括事實(shí)可行操作與規(guī)則。

定義3：反復(fù)學(xué)習(xí)控制是一種學(xué)習(xí)控制策略，它反復(fù)用先前試驗(yàn)得到的信息(而不是系統(tǒng)參數(shù)模型)，已獲得能夠產(chǎn)生期望輸出軌跡的控制輸入改善控制質(zhì)量。

2 傳統(tǒng)的混凝土配合比方法

目前常規(guī)的普通混凝土配合比的方法，首先依據(jù)原始資料進(jìn)行初步配比的計(jì)算，獲得“理論配合比”；之后經(jīng)過(guò)試驗(yàn)室試配、調(diào)整和確定滿足施工過(guò)程中的和易性要求的“基準(zhǔn)配合比”；然后依據(jù)基準(zhǔn)配合比進(jìn)行強(qiáng)度和表觀密度的調(diào)整，指定滿足設(shè)計(jì)與施工要求的“實(shí)驗(yàn)室配合比”；最后依據(jù)實(shí)際砂石含水率將實(shí)驗(yàn)室配合比換算成“生產(chǎn)配合比”[8,9]。實(shí)際混凝土試配工作中操作比較復(fù)雜，應(yīng)用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)程序設(shè)計(jì)不易。因此目前主要的配比方法都是在人工監(jiān)測(cè)下配置，目前常規(guī)的混凝土配制過(guò)程具體描述如下。

步驟1 確定配制強(qiáng)度f(wàn)cu,0，若設(shè)計(jì)強(qiáng)度大于C60時(shí)，fcu,0>=fcu,k+1.645σ，否則fcu,0>=1.15fcu,k步驟2 計(jì)算水膠比W/B。混凝土強(qiáng)度等級(jí)小于C60時(shí)W/B=(αafb)/(fcu,0+αaαbfb)。

步驟3 依據(jù)施工拌合物稠度要求確定用水量mw0，再結(jié)合步驟2獲得的水膠比W/B求出水泥用量mc0。

步驟4 根據(jù)骨料技術(shù)指標(biāo)、塌落度和施工要求確定沙率βs，應(yīng)用質(zhì)量法計(jì)算粗細(xì)骨料用量。

步驟5 混凝土試件經(jīng)28d養(yǎng)護(hù)后，測(cè)定其強(qiáng)度f(wàn)ce，若fce

步驟6 混凝土表觀密度校正確定實(shí)驗(yàn)室配合比。

步驟7 依據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)砂和碎石的含水率計(jì)算施工配合比，至此混凝土配比結(jié)束。

上述的配比過(guò)程中，所有步驟完全符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求，為何經(jīng)28d養(yǎng)護(hù)后混凝土強(qiáng)度時(shí)常不符合施工要求？原因在于傳統(tǒng)的配合比方法是一種計(jì)算試配法，其計(jì)算準(zhǔn)則是采用逐級(jí)填充的原理，即水和水泥組成水泥漿，用水泥漿填充砂的空隙形成砂漿，再用砂漿填充石子空隙形成混凝土；并且配合比計(jì)算為粗略計(jì)算誤差較大，以此計(jì)算結(jié)果作為配比材料用量很難滿足使用要求[10]。傳統(tǒng)的配合比方法以經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的半定量方法，按照計(jì)算所得材料用量制備混凝土試件，若是測(cè)試的強(qiáng)度結(jié)果滿足要求，則采用此配合比；若是不滿足，需要進(jìn)一步調(diào)整配合比，直到滿足性能要求為止。

3 智能配比系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

3.1 系統(tǒng)分析

混凝土的性能指標(biāo)主要有：28d抗壓強(qiáng)度、坍落度與混凝土造價(jià)?；炷林饕M成材料為：水泥、水、砂子、石子、粉煤灰、硅灰，依據(jù)國(guó)內(nèi)外研究水膠比是影響混凝土的主要因素，上述人工配比方法操作對(duì)水膠比獲得比較簡(jiǎn)便易于實(shí)現(xiàn)，但很難在步驟2給定恰當(dāng)?shù)呐浔戎?，以滿足步驟5養(yǎng)護(hù)后混凝土強(qiáng)度的要求。并且在強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)范圍時(shí)，很難給出下一步的水膠比的量度標(biāo)準(zhǔn)。為了實(shí)現(xiàn)精確快速的混凝土水膠比控制，根據(jù)被控對(duì)象的特性建立專家控制系統(tǒng)方式，控制流程見(jiàn)圖1。

圖1 混凝土配比系統(tǒng)控制流程圖

3.2 “二步法”專家控制算法

為獲得全計(jì)算配比方法操作在步驟2確定恰當(dāng)?shù)乃z比W/B，采用專家系統(tǒng)配比方式。將水膠比獲取過(guò)程分成計(jì)算、精調(diào)兩步。計(jì)算過(guò)程采用傳統(tǒng)全計(jì)算配比方法確定水膠比W/B。28d養(yǎng)護(hù)后測(cè)出混凝土強(qiáng)度值fce，再根據(jù)三組配合比試件獲得基于水膠比的混凝土強(qiáng)度變化率K。然后將實(shí)測(cè)強(qiáng)度與混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fcu，k比較得到強(qiáng)度偏差e(n)，若強(qiáng)度偏差小于零，則依據(jù)專家系統(tǒng)調(diào)整水膠比值W/B(n)，進(jìn)行精調(diào)向混凝土中補(bǔ)充指定量的水泥或水，并再次試配養(yǎng)護(hù)測(cè)出混凝土強(qiáng)度值fce，直到強(qiáng)度符合要求結(jié)束混凝土試配過(guò)程。

4 結(jié) 語(yǔ)

伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步與建筑業(yè)的發(fā)展，土木工程領(lǐng)域?qū)炷敛牧系男阅芤笤絹?lái)越高。對(duì)普通混凝土配比試驗(yàn)的水膠比部分進(jìn)行改進(jìn)，提出了擬人的二步法專家配比理論，同時(shí)應(yīng)用反復(fù)學(xué)習(xí)算法來(lái)自動(dòng)調(diào)整專家系統(tǒng)中控制參數(shù)。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)證明本控制方法有效、穩(wěn)定、混凝土配比符合JGJ55-2011國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)?；炷僚浔刃矢哂谄渌麄鹘y(tǒng)方法，并經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其工作效率為傳統(tǒng)人工操作的4～5倍，同時(shí)算法原理簡(jiǎn)便，易于編程實(shí)現(xiàn)有很好的應(yīng)用推廣價(jià)值。

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