MATLAB在公路岩土工程勘察中的应用研究

2020-03-06陈钊

工程建设与设计 2020年15期

陈钊

（广西翔路建设有限责任公司，南宁530029）

1 MATLAB技术综合阐述

1.1 MATLAB技术的发展历史

MATLAB是一项源于美国MathWorks公司，基于算法开发、数据可视化研发的数学软件。数学软件即处理数学问题的应用软件，它为计算机解决现代科学技术各领域中所提出的数学问题提供求解手段，数学软件又是组成许多应用软件的基本构件，它包括数学运算、数学规划、统计运算、工程运算、绘制数学图形或制作数学动画等多种类型的软件，应用广泛。MATLAB一词是MATRIX和LABORATORY的结合缩写，简意为矩阵工厂，由美国人Cleve Moler及其同事于1967年合力研发的一款比较超前的矩阵计算软件或者说是科学计算语言。MATLAB从研发到投入市场期间，历经数次实验论证和技术升级，集众多实用性工具和极高通用性，在国际社会中被广为接受和认可，现在重点运用于科学研究与工程运算。

1.2 MATLAB的功能介绍及具体应用

文字处理功能：使用MATLAB软件所创建的脚本不仅可以捕获代码，自动化的上下文提示功能同时能够推进编程创作，且结果、可视化内容和代码可以同步显示。

App Designer：软件开发人员无需高水平的专业能力即可创建专业的应用程序。通过拖放可视化组件来安排应用程序布局，并使用集成编辑器快速编写应用程序的行为。可以使用MATLAB Compiler创建独立桌面或Web应用程序共享应用程序。

数据分析：MATLAB软件或技术实现了数据信息的多元、自动化分析，使用MATLAB中的工具和功能来导入、清理、筛选和分组数据，经过系统的多维分析，即可把数据分析结果以图形或表格的形式表达出来。

大数据：无需强硬的大数据编程技术基础，MATLAB中的tall数组的强大功能能够实现惯用代码和语法的链接，即使独立的数据集无法装入内存，但MATLAB可以支持已在使用的存储系统，包括传统文件系统、SQL和NoSQL数据库以及Hadoop/HDFS。

协作开发能力：随着项目规模和复杂程度的增长，MATLAB提供了支持协作软件开发实践的能力。

硬件支持：MATLAB可以控制诸如Arduino和Raspberry Pi这样的流行微控制器，采集网络摄像头中的图像，甚至可以收集智能手机内置传感器中的数据。

深度学习：MATLAB使每个人都能进行深度学习，即使非专业人士也不例外。设计自己的模型、访问最新模型或导入来自Caffe的预训练模型。使用NVIDIA GPU训练模型。自动生成嵌入式部署的CUDA代码。

MATLAB具有数据处理、信号处理、图形处理、小波分析、数理统计等30多种功能的操作工具，工具箱内的函数可以链状也可以由用户更改，经过数十年的演化发展，专家在MATLAB软件技术中融入多样化的工具和开发不同学科的应用程序，在国际范围内得到了广泛的推广和应用。

2 MATLAB在公路岩土工程勘察中的应用

MATLAB在公路岩土工程中的应用主要体现在土工试验数据分析处理、岩土工程勘察可视化和工程评价等方面，基于MATLAB的数据分析、数据处理、数值计算、符号计算、数理统计、图像处理和动态模拟等功能来分析其在公路岩土工程中的多维应用。

2.1 公路岩土工程中实验数据的分析处理

对公路岩土工程实验中产生的数据进行科学严密的分析处理是岩土工程推进的重要任务和关键环节，实验数据的分析处理关系着工程的质量和未来发展趋向。基于2019年公布的国标GB 50021—2019《岩土工程勘察规范》中对岩土工程建设做的局部修改调整，其中明确指出岩土的鉴定应基于现场描述情况，并结合实验开图记录和实验结果。对岩土的颗粒级配、形状、颜色、成分布局、填充情况、密实度、湿度、均匀性和夹层厚度做了明确的规定和修改，精密性增强，实验测验量增加，致使需处理的数据量递增，工作量繁重，利用MATLAB中的数据分析处理工具，通过科学算法对土工试验中的数据进行收集、分析、绘图或滤波，检验实验数据的可靠性和真实性，为公路岩土工程建设提供基础实验数据支撑【1】。

2.2 公路岩土工程勘察的可视化分析

可视化是一种将抽象符号转化为几何图形的计算方法，它主要研究人和计算机怎样协调一致地接收、使用和交流视觉信息。随着现代工程施工技术的发展，现代化公路岩土工程勘察对信息处理提出了更高的要求和严格的规范。准确、直观、快捷、可交互、分布式等多样化、综合化信息处理、反馈需求，传统的信息计量和处理工具已难以满足信息一体化建设的需要，对公路岩土工程的一体化建设形成了严重制约。现代化公路岩土工程信息获取的数据量愈来愈大，对信息的处理、计算、模式和图形呈现要求愈发精密严格，及时的信息反馈对现场工作的优化和控制愈发重要，故数据信息的收集与定量处理、智能处理对工程建设的开展难以或缺。基于传统计算工具对现代岩土工程信息处理的可操作性不高和公路路基地质情况的复杂变化，建立空间三维模型对工程地基的数据信息进行可视化模拟存在诸多的不便和难度挑战，如多维数据的采集、数据的整合、数据的符号表达、算法的优化等，但运用MATLAB计算软件或技术，在公路岩土工程勘测的可视化呈现中解决了诸多传统计算工具难以应对的问题，且许多的技术性问题在MATLAB应用下迎刃而解【2】。我国在公路岩土勘察可视化方面的研究虽取得了一定的进展，但还处于起步阶段，许多的技术还不成熟，还无法实现与地质工程土建勘测的完美契合。但MATLAB软件技术中蕴含二维、三维甚至四维的图形函数，在多维图形绘制中具有充分的优势，且其中的图形绘制工具能够基于建设需要突出强调模拟图形的不同部分。

2.3 公路岩土工程勘察评价

岩土工程勘察评价是公路工程的重要部分，基于岩土工程勘察数据的规模化、不完整性和非线性变化，岩土工程勘察评价的内容多、涉及面广、任务重，且很难独立化完成对公路岩土工程勘察的全面评价。但MATLAB技术因其内置的多工具和强大功能，能够实现对岩土工程勘察的独立全面评价。以实证来验证MATLAB对岩土工程勘察的评价效果，如在重要的公路岩土砂土液化灾害中，因砂土液化的形成、制约因素多样，且具有不确定性和不规则性变化，但利用MATLAB的神经网络工具，此种问题的评价便会迎刃而解。