張勇

（青島酒店管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院 酒店工程學(xué)院，山東 青島 266100）

如新型水泥基復(fù)合材料，高強(qiáng)、高性能混凝土材料，新型墻體材料，新型建筑隔熱和吸聲材料等都屬于當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛并且關(guān)注度較高的新型建筑材料，如果能夠妥善地對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用不但可以達(dá)到最初的建筑目的，還可以在完成相關(guān)設(shè)計(jì)的同時(shí)滿足其他的需求，因此如何能夠良好的應(yīng)用這些新型建筑材料是目前國內(nèi)外較為關(guān)注的焦點(diǎn)之一[1]。據(jù)資料顯示，投入應(yīng)用的新型建筑材料普遍都是在滿足最初的本質(zhì)要求標(biāo)準(zhǔn)上增添了其他的些許功能，從而達(dá)到包容性更高、應(yīng)用層次更廣的目的[2]。而要達(dá)到這一目的，就要使建筑材料的自身結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，在這一過程中它的力學(xué)性能也會(huì)隨之發(fā)生改變，經(jīng)過國內(nèi)外科學(xué)家與相關(guān)工作人員長(zhǎng)時(shí)間的觀察與總結(jié)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前能否良好應(yīng)用好新型建筑材料的主要要素就是能否精確的對(duì)新型建筑材料的力學(xué)性能進(jìn)行預(yù)測(cè)[3]。目前國內(nèi)外預(yù)測(cè)新型建筑材料力學(xué)性能的主要手段都是采用模擬環(huán)境抽樣觀察的方式來進(jìn)行，就是在特定的環(huán)境下加快新型建筑材料的應(yīng)用進(jìn)程并在該過程中記錄新型建筑材料的力學(xué)性能各項(xiàng)指標(biāo)，以達(dá)到預(yù)測(cè)的目的。然而該手段不但資金要求過高且耗時(shí)長(zhǎng)，而且得到的預(yù)測(cè)結(jié)果也可能并不具有普遍性，因此這仍是該領(lǐng)域的一大難題[4]。本文通過極限學(xué)習(xí)機(jī)設(shè)計(jì)了一種新的新型建筑材料力學(xué)性能預(yù)測(cè)方法，該方法可以應(yīng)用極限學(xué)習(xí)機(jī)理念將新型建筑材料的各項(xiàng)力學(xué)性能因子化并相對(duì)應(yīng)地進(jìn)行提取分析，最終達(dá)到預(yù)測(cè)的目的，不但準(zhǔn)確而且高效。

1 基于極限學(xué)習(xí)機(jī)的新型建筑材料力學(xué)性能因子提取

目前所需要預(yù)測(cè)的新型建筑材料的力學(xué)性能主要包括彈性極限、強(qiáng)度極限、斷裂韌性、抗沖擊性、疲勞度等，本文通過極限學(xué)習(xí)機(jī)的算法理念設(shè)計(jì)出來一種雙隱層的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[5]。

本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以通過極限學(xué)習(xí)機(jī)的相關(guān)公式(1)來對(duì)它們整體的溫度、濕度、密度以及材料混合比例進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算，通過相關(guān)的計(jì)算可以達(dá)到提取彈性極限因子、強(qiáng)度極限因子、斷裂韌性因子、抗沖擊性因子、疲勞因子的目的[6]。其中，T, W, M, K 分別為這類復(fù)合類建筑材料的整體的溫度、濕度、密度以及材料混合比例，a, b, c, d, e分別為該雙隱層的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過公式計(jì)算所提取的彈性極限因子、強(qiáng)度極限因子、斷裂韌性因子、抗沖擊性因子、疲勞因子，它們構(gòu)成了接下來需要進(jìn)行分析的力學(xué)性能因子分析組A, B, C, D, E，但是各因子組中只有一個(gè)因子是最接近該類新型建筑材料力學(xué)性能的表達(dá)因子[7]。

而針對(duì)新型建筑隔熱和吸聲材料等這一類高度成型的新型建筑材料，本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以通過極限學(xué)習(xí)機(jī)的相關(guān)公式(2)來對(duì)它們的面積、組成成分、高度成型率進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而得到所提取的彈性極限因子、強(qiáng)度極限因子、斷裂韌性因子、抗沖擊性因子、疲勞因子[8]。

其中，S, X, Y 分別為這一類高度成型的新型建筑材料的面積、組成成分以及高度成型率，而由于新型建筑材料的力學(xué)性能本質(zhì)相同，所以該雙隱層的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過公式計(jì)算所提取的彈性極限因子、強(qiáng)度極限因子、斷裂韌性因子、抗沖擊性因子、疲勞因子也可以用a, b, c, d, e 來表示，得到的力學(xué)性能因子分析組也為A, B, C, D, E[9]。

2 基于極限學(xué)習(xí)機(jī)的新型建筑材料力學(xué)性能因子分析與預(yù)測(cè)

當(dāng)完成對(duì)新型建筑材料力學(xué)性能因子的提取后，本文會(huì)通過極限學(xué)習(xí)機(jī)理念創(chuàng)造的雙隱層的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分別對(duì)所提取的彈性極限因子、強(qiáng)度極限因子、斷裂韌性因子、抗沖擊性因子、疲勞因子分別進(jìn)行分析，從而得到各因子組中最為準(zhǔn)確的最終表達(dá)因子[10]。

彈性極限因子所構(gòu)成的因子組A 主要表示了相對(duì)應(yīng)的新型建筑材料在受到外力一段時(shí)間后并去掉外力，該新型建筑材料能夠恢復(fù)原狀的最大外力極限，本文的預(yù)測(cè)算法創(chuàng)造的雙隱層的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會(huì)對(duì)彈性極限因子組A 進(jìn)行觀察分析，最終因子組A 中波動(dòng)性最強(qiáng)的因子ax則為我們最終分析得到的彈性極限表達(dá)因子[11]。

強(qiáng)度極限因子所構(gòu)成的因子組B 主要表示了相對(duì)應(yīng)的新型建筑材料產(chǎn)生損毀時(shí)受到的外力極限，繼續(xù)采用上述方法對(duì)強(qiáng)度極限因子組B 進(jìn)行觀察分析時(shí)，其中穩(wěn)定時(shí)間最長(zhǎng)的因子bx即為分析得到的最終強(qiáng)度極限表達(dá)因子[12]。

斷裂韌性因子所構(gòu)成的因子組C主要表示了新型建筑材料在出現(xiàn)斷裂紋后抵抗裂紋能力擴(kuò)展的一種度量，本文在對(duì)斷裂韌性因子組C 進(jìn)行分析時(shí)需要通過公式(3)來進(jìn)行計(jì)算，最終得到斷裂韌性表達(dá)因子cx。

由于新型材料的斷裂韌性與其彈性極限以及強(qiáng)度極限有著直接的關(guān)系，因此在分析斷裂韌性表達(dá)因子cx時(shí)只有最符合上述關(guān)系式的c 才為最終得到斷裂韌性表達(dá)因子cx。彈性極限表達(dá)因子、強(qiáng)度極限表達(dá)因子斷裂韌性表達(dá)因子3 種因子的分析圖如圖1 所示。

抗沖擊性因子所構(gòu)成的因子組D主要表示了相對(duì)應(yīng)的新型建筑材料抗沖擊破壞的能力，仍然采用之前的方法沖擊因子組D 中的所有因子，得到最終抗沖擊性表達(dá)因子dx[13]。

疲勞因子組成的因子組E 主要表示了相對(duì)應(yīng)的新型建筑材料永久性損傷逐漸增加直至完全被破壞的一個(gè)過程，設(shè)計(jì)算法創(chuàng)造的雙隱層的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會(huì)對(duì)疲勞因子組E 分析時(shí)會(huì)通過公式(4)來進(jìn)行計(jì)算，最終得到疲勞表達(dá)因子。

圖1 3 種因子的具體分析圖

圖2 5 種表達(dá)因子的具體關(guān)系圖

因?yàn)樾滦徒ㄖ牧系钠诙扰c它的彈性極限、強(qiáng)度極限性、斷裂韌性、抗沖擊性都有著直接的關(guān)系，因此在計(jì)算得到最佳的疲勞表達(dá)因子時(shí)，需要將上述4 類最佳表達(dá)因子都代入計(jì)算，從而得到最終的疲勞因子ex[14]。上述5 種表達(dá)因子的具體關(guān)系圖如圖2 所示。

在對(duì)提取的彈性極限因子、強(qiáng)度極限因子、斷裂韌性因子、抗沖擊性因子、疲勞因子進(jìn)行充分分析得到各自的表達(dá)因子后，通過本文預(yù)測(cè)算法創(chuàng)造的雙隱層的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)這些表達(dá)因子進(jìn)行預(yù)測(cè)，進(jìn)而達(dá)到對(duì)復(fù)合類新型建筑材料與高度成型類新型建筑材料分別進(jìn)行充分預(yù)測(cè)的目的[15]。

3 實(shí)驗(yàn)與研究

為準(zhǔn)確評(píng)估本文提出方法的效果，設(shè)置了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行效果檢測(cè)，將本文方法與傳統(tǒng)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比。

針對(duì)于新型建筑材料力學(xué)性能預(yù)測(cè)的復(fù)雜性，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選，本文為完善實(shí)驗(yàn)操作并準(zhǔn)確地比較本文研究方法與傳統(tǒng)方法的差異性，按照步驟劃分實(shí)驗(yàn)研究操作，如下：

（1）在實(shí)驗(yàn)環(huán)境內(nèi)安置多種兩大類型的新型建筑材料即復(fù)合類新型建筑材料與高度成型類建筑材料，增強(qiáng)預(yù)測(cè)效果的普遍性以及說服力，針對(duì)新型建筑材料中復(fù)合類的建筑材料，利用雙隱層的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)彈性極限因子、強(qiáng)度極限因子、斷裂韌性因子、抗沖擊性表達(dá)因子構(gòu)建具體的虛擬預(yù)測(cè)概念圖如圖3 所示。

從該預(yù)測(cè)概念圖中可以看出復(fù)合類新型建筑材料的彈性極限、斷裂韌性較差，趨于傳統(tǒng)建筑材料的恒定值，而強(qiáng)度極限、抗沖擊性以及疲勞度有著顯著的提升，其數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)建筑材料的恒定值且在一定的精確范圍內(nèi)。

（2）針對(duì)新型建筑材料中高度成型類的建筑材料，本文依然通過雙隱層的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)5 種表達(dá)因子構(gòu)建了具體的虛擬預(yù)測(cè)概念圖如圖4 所示。

從該預(yù)測(cè)概念圖中可以看出高度成型類新型建筑材料的彈性極限與斷裂韌性較于傳統(tǒng)的建筑材料的恒定值有著顯著提升，并且趨于一定的精確范圍內(nèi)，而強(qiáng)度極限與抗沖擊性較低于恒定值，而疲勞度卻與恒定值基本相同。由此構(gòu)建雙隱層的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行深度研究（圖5）。

圖3 復(fù)合類新型建筑材料的預(yù)測(cè)概念圖

圖4 高度成型類新型建筑材料的預(yù)測(cè)概念圖

圖5 雙隱層的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)圖

該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以根據(jù)新型建筑材料的不同種類自覺地提取相關(guān)的力學(xué)性能因子，如針對(duì)復(fù)合類材料如高強(qiáng)、高性能混凝土材料，新型墻體材料這類復(fù)合類建筑材料，為了增強(qiáng)預(yù)測(cè)結(jié)果的比較性，在應(yīng)用時(shí)，根據(jù)新型建筑材料的類別不同，設(shè)置不同的傳統(tǒng)方法，分別為復(fù)合類新型建筑材料力學(xué)性能預(yù)測(cè)方法與高度成型類新型建筑材料力學(xué)性能預(yù)測(cè)方法（即文獻(xiàn)[5],[6]方法）。

（3）在完成上述操作后，提取新型建筑材料力學(xué)性能因子參數(shù)，并構(gòu)建提取圖示（圖6）。

由此獲取所需的參數(shù)數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)，在預(yù)測(cè)的過程中要實(shí)時(shí)記錄各自方法的預(yù)測(cè)效率以及預(yù)測(cè)時(shí)間，合理應(yīng)用各類方法優(yōu)勢(shì)，最終綜合評(píng)估所有方法的預(yù)測(cè)結(jié)果。

在此實(shí)驗(yàn)中，為了進(jìn)一步提高整體的對(duì)比效果，可設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1 所示。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)參數(shù)可以得到本文方法與文獻(xiàn)[5]方法以及文獻(xiàn)[6]方法對(duì)新型建筑材料力學(xué)性能預(yù)測(cè)的預(yù)計(jì)整體成本投入對(duì)比以及預(yù)測(cè)效率對(duì)比，分別如圖7,8 所示，其中的預(yù)計(jì)整體成本包括材料原價(jià)、材料運(yùn)雜費(fèi)、運(yùn)輸損耗費(fèi)以及檢驗(yàn)試驗(yàn)費(fèi)等部分，投入成本由各部分的成本乘以相關(guān)系數(shù)得出。

圖6 新型建筑材料力學(xué)性能因子提取過程

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖8 新型建筑材料力學(xué)性能預(yù)測(cè)效率對(duì)比圖

圖7 新型建筑材料力學(xué)性能預(yù)測(cè)整體成本投入對(duì)比

根據(jù)圖7,8 可以看出，本文方法比文獻(xiàn)[5], [6]方法的預(yù)測(cè)投入成本都要低很多。在相同的時(shí)間內(nèi)本方法對(duì)新型建筑材料的力學(xué)性能預(yù)測(cè)效率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于另外兩種方法。造成上述結(jié)果是由于本文方法創(chuàng)造的雙隱層的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以完成對(duì)新型建筑材料力學(xué)性能因子化的處理和整體的因子提取、分析、預(yù)測(cè)，而因子化的處理大大減少了預(yù)測(cè)的操作步驟，在提高效率的同時(shí)大大減少了資金的投入。

綜上所述，本文方法能夠更好地預(yù)測(cè)新型建筑材料的力學(xué)性能，具有合理的操作技能，大幅度地降低了成本投入并提高了預(yù)測(cè)效率。

4 結(jié)束語

本文在傳統(tǒng)的新型建筑材料的力學(xué)性能預(yù)測(cè)方法的基礎(chǔ)上提出了因子化這一理念，實(shí)驗(yàn)研究表明，該方法的預(yù)測(cè)效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)方法。本文所提出的這一理念是從極限學(xué)習(xí)機(jī)的算法理念中得到了啟發(fā)并且整體的預(yù)測(cè)也以極限學(xué)習(xí)機(jī)作為基礎(chǔ)，為該預(yù)測(cè)領(lǐng)域開辟了新的途徑，具有廣闊的發(fā)展空間，希望能夠?yàn)榻酉聛碓擃I(lǐng)域的發(fā)展提供一定幫助和支持。