Zt:应用遗传算法搜索边坡最小安全系数的研究

xuguo1998

陆峰 陈祖煜 李素梅（中国水利水电科学研究院结构材料所）

提 要
本文简要介绍了滑坡滑裂面搜索问题和遗传算法，并试用遗传进化算法从边坡任意形状滑裂面组合中搜索最有可能的滑裂面，也就是使安全系数最小的滑裂面。作为实例，分析了遗传算法在天生桥二级电站首部枢纽进水口右岸滑坡分析中的应用。

关键词 边坡；安全系数；遗传算法；EMU程序。

1．前言

在应用条分法进行边坡稳定分析的过程中，从可能的滑裂面集合中确定相应最小安全系数的临界滑裂面是很关键的一步。这是一个确定安全系数这个泛函对滑裂面形状这个自变函数的极小值问题。由于实际情况的复杂性，求这一极小值的解析方法很难付诸实施。从实用角度出发，基于最优化原理发展起来的求边坡最小安全系数的方法是比较有效而且便于应用。这些方法有"穷举法"、"黄金分割法"、"鲍威尔法"等，但它们都只能应用于圆弧形滑裂面或圆弧-直线形（改良圆弧法）滑裂面的情形。对于比较符合岩质边坡的具有多个自由度的折线形滑裂面情形，孙君实用复形法取得较好的效果；陈祖煜提出了单纯形法，使最优化方法搜索边坡最危险滑裂面更加有效，且不会漏掉可能的最小值。单纯形法程序已在国内外多家工程、科研和教育单位得到应用，并不断随着应用工程案例数量的增加而不断完善 [1]。单纯形法使最优化方法应用于岩质边坡稳定性分析的研究和应用前进了一大步。同为最优化方法，遗传算法是最近发展起来的一种仿生寻优算法。国内外已有一些学者试图将遗传算法应用于搜索安全系数最小的边坡滑裂面，以期获得更优的结果。文献[2]将此算法应用于基于圆弧滑裂面假定的任意形状坡面的非均质土坡情况，搜索的目标是使边坡安全系数最小的圆弧滑裂面圆心和半径。本文将在文献[1]和文献[2]的基础上，应用遗传算法搜索边坡安全系数最小的任意形状滑裂面，根据工程实践经验，主要是折线组合的滑裂面。 2．遗传算法及其应用于岩土工程的基础

如前所述，搜索边坡最危险滑裂面问题是安全系数对滑裂面形状的泛函极值问题。数值方法求解这一问题的主要手段是迭代运算。一般的迭代方法容易陷入局部极小的陷阱而出现"死循环"现象，使迭代无法进行。遗传算法很好地克服了这个缺点，是一种全局优化算法。
生物在漫长的进化过程中，从低等生物一直发展到高等生物，可以说是一个绝妙的优化过程。这是自然环境选择的结果。人们研究生物进化现象，总结出进化过程包括复制、杂交、变异、竞争和选择。一些学者从生物遗传、进化的过程得到启发，提出了遗传算法（GA）。算法中称遗传的生物体为个体（individual），个体对环境的适应程度用适应值（fitness）表示。适应值取决于个体的染色体（chromosome），在算法中染色体常用一串数字表示，数字串中的一位对应一个基因（gene）。一定数量的个体组成一个群体（population）。对所有个体进行选择、交叉和变异等操作，生成新的群体，称为新一代（new generation）。
遗传算法计算程序的流程可以表示如下[3]：
第一步 准备工作
（1）选择合适的编码方案，将变量（特征）转换为染色体（数字串，串长为m）。通常用二进制编码。
（2）选择合适的参数，包括群体大小（个体数M）、交叉概率PC和变异概率Pm。
（3）确定适应值函数f（x）。f（x）应为正值。
第二步 形成一个初始群体（含M个个体）。在边坡滑裂面搜索问题中，取已分析的可能滑裂面组作为初始群体。
第三步 对每一染色体（串）计算其适应值fi，同时计算群体的总适应值 。
第四步 选择
计算每一串的选择概率Pi=fi/F及累计概率。选择一般通过模拟旋转滚花轮（roulette，其上按Pi大小分成大小不等的扇形区）的算法进行。旋转M次即可选出M个串来。在计算机上实现的步骤是：产生[0，1]间随机数r，若r<q1，则第一串v1入选，否则选v2，使满足qi-1<r<qi（2≤i≤m）。可见适应值大的入选概率大。
第五步 交叉
（1） 对每串产生[0，1]间随机数，若r>pc，则该串参加交叉操作，如此选出参加交叉的一组后，随机配对。
（2） 对每一对，产生[1，m]间的随机数以确定交叉的位置。
第六步 变异
如变异概率为Pm，则可能变异的位数的期望值为Pm ×m×M，每一位以等概率变异。具体为对每一串中的每一位产生[0，1]间的随机数r，若r&ltm，则该位发生反转，如对染色体二进制编码为数字0变为1，1变为0。
如新个体数达到M个，则已形成一个新群体，转向第三步；否则转向第四步继续遗传操作。直到找到使适应值最大的个体或达到最大进化代数为止。
由于选择概率是由适应值决定的，即适应值大的染色体入选概率也较大，使选择起到"择优汰劣"的作用。交叉使染色体交换信息，结合选择规则，使优秀信息得以保存，不良信息被遗弃。变异是基因中得某一位发生突变，以达到产生确实有实质性差异的新品种。遗传算法虽是一种随机算法，但它是有导向的，它所使用的"按概率随机选择"方法是在有方向的搜索方法中的一种工具。正是这种独特的搜索方法，使遗传算法自然地避开了其它最优化算法常遇到的局部最小陷阱。遗传算法搜索最优结果的效果在数学上还没有严格的证明，但它的有效性已在许多专业的应用的得到体现。对于岩质边坡安全系数对滑裂面形状这样不可微的泛函极值问题，就目前的科学认识水平来讲，遗传算法不失为一种可以信赖的方法。 3．用遗传算法搜索安全系数最小的边坡任意形状滑裂面

在边坡（尤其是岩质边坡）最危险滑裂面搜索问题中，滑裂面的实际形状是很复杂的，起控制作用的是岩体的主要结构面和边坡的体型。从以往实际工程经验看，可以总结出岩质边坡滑裂面在顺滑方向上的剖面形状为折线，由岩体结构面和局部岩土材料的剪切破坏面连接而成。这样，搜索最危险滑裂面的问题就可以简化为从折线滑裂面组合中寻优的问题。本文用遗传进化算法解决这个问题。
（1） 定义遗传算法的目标函数
目标函数定义为边坡的安全系数，用安全系数的大小表示解的适应值。在边坡最危险滑裂面搜索问题中，解的安全系数越小，适应性能越好。
（2） 初始群体的确定
根据边坡的工程地质调查记录，根据经验初步拟定出一批滑裂面形状。如图1所示，滑裂面由点序列Ai（xi，yi）（i=1，?，N）表示。将点序列AI的坐标（xi，yi）依次排列成x1y1x2y2?xNyN的形式，经二进制编码形成一条染色体。对于拟定的滑裂面形状，其对应的安全系数用EMU程序[4] 进行计算。
（3） 确定搜索范围
根据经验对每个点Ai，确定其坐标（xi，yi）的可能变化范围。在此范围内搜索导致最小安全系数的边坡滑裂面形状。
（4） 计算
将初始种群的所有拟定滑裂面形状（染色体）交给遗传算法程序进行计算。具体过程参见前文。
结语

遗传算法是一种高效的寻优算法，而且能有效地解决局部最小问题、非线性映射关系的表示、非线性映射关系不可微等普通优化算法常遇到的问题。算例的成果证明了这一特点。将遗传算法应用于滑坡滑裂面搜索问题，主要的工作是将工程问题简化成遗传算法需要的形式，简化时需详细参考地质调查资料和工程经验，务使简化的形式接近实际情况。对于简化的搜索样本，其安全系数的计算必须可靠，为此可应用一些比较成熟的计算程序，如EMU等。充分考虑实际工程地质情况和选取切合实际的搜索样本后，遗传算法程序必将能为滑坡搜索出最有可能的滑裂面。

参考文献

1 陈祖煜，邵长明，最优化方法在确定边坡最小安全系数方面的应用，岩土工程学报，Vol.10, No.4, 1998.7。
2 肖专文，张奇志，梁力，林韵梅，遗传进化算法在边坡稳定性分析中的应用，岩土工程学报，Vol.20, No.1, 1998.1。
3 周明，孙树栋，遗传算法原理及应用，国防工业出版社，1999.6。
4 陈祖煜，岩质高边坡稳定分析程序EMU，1995.5。

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遗传算法不能算是一种高效的寻优算法吧? 速度太慢,而且约束条件的有效考虑还值得进一步研究. 我得感觉是,对于圆形滑裂面基因算法没有特别的优势.