【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專(zhuān)利技術(shù)屬于礦業(yè)和信息，具體涉及一種工作面地表巖移數(shù)智觀測(cè)與過(guò)構(gòu)筑物安全智能預(yù)測(cè)方法。
技術(shù)介紹
1、當(dāng)煤礦開(kāi)采區(qū)域附近存在構(gòu)筑物等重要設(shè)施時(shí)，地表巖移在“過(guò)構(gòu)筑物”的過(guò)程中所帶來(lái)的潛在安全風(fēng)險(xiǎn)急劇增加。所謂“過(guò)構(gòu)筑物”，是指地表巖移從遠(yuǎn)離構(gòu)筑物的區(qū)域逐漸蔓延至構(gòu)筑物所在位置，并對(duì)其產(chǎn)生直接影響的這一動(dòng)態(tài)過(guò)程。例如，加油站通常儲(chǔ)存有大量易燃易爆的油品，其設(shè)施對(duì)于地表變形極為敏感。在地表巖移“過(guò)構(gòu)筑物”時(shí)，哪怕是相對(duì)較小的地表位移，都可能對(duì)加油站的建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擠壓、拉伸或扭曲等作用，使墻體出現(xiàn)裂縫、基礎(chǔ)發(fā)生沉降不均；對(duì)儲(chǔ)油設(shè)備造成碰撞、擠壓，致使其變形甚至破裂；對(duì)輸油管道產(chǎn)生牽拉、彎折，引發(fā)接口松動(dòng)或管道破裂。這些損害進(jìn)而極易引發(fā)油品泄漏，一旦遇到明火或靜電等點(diǎn)火源，便可能導(dǎo)致火災(zāi)甚至爆炸等嚴(yán)重事故，不僅會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)對(duì)周邊環(huán)境和人員生命安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。
2、傳統(tǒng)的地表巖移觀測(cè)分析方法主要包括基于經(jīng)驗(yàn)公式的方法和一些簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)分析方法。基于經(jīng)驗(yàn)公式的方法往往是在特定地質(zhì)條件下總結(jié)出來(lái)的，其通用性較差，在面對(duì)不同地質(zhì)環(huán)境或復(fù)雜開(kāi)采條件時(shí)，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況可能存在較大偏差。而簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)分析方法雖然能夠?qū)v史數(shù)據(jù)進(jìn)行一定程度的處理，但無(wú)法有效挖掘數(shù)據(jù)中的深層次信息，難以捕捉到地表巖移數(shù)據(jù)中的非線性特征和長(zhǎng)期依賴(lài)關(guān)系。在處理地表巖移這種復(fù)雜的時(shí)間序列數(shù)據(jù)時(shí)，傳統(tǒng)方法存在諸多局限性。例如，對(duì)于時(shí)間序列中存在的周期性波動(dòng)、趨勢(shì)性變化等特征，傳統(tǒng)方法很難同時(shí)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)和建模。而且，隨著時(shí)間的推移，新的數(shù)據(jù)不斷產(chǎn)生，
3、近年來(lái)，隨著機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)（lstm）及其變體在處理時(shí)間序列數(shù)據(jù)方面展現(xiàn)出了卓越的性能。特別是堆疊lstm，它通過(guò)將多個(gè)lstm層堆疊在一起，能夠從復(fù)雜的時(shí)間序列數(shù)據(jù)中逐步提取多層次的特征。每一層lstm都可以看作是一個(gè)特征提取器，較低層的lstm能夠捕捉到數(shù)據(jù)中的局部特征和短期依賴(lài)關(guān)系，而隨著層數(shù)的增加，高層的lstm可以進(jìn)一步整合這些局部特征，挖掘出更長(zhǎng)期、更復(fù)雜的依賴(lài)關(guān)系和模式。transformer的多頭注意力機(jī)制能夠并行地處理lstm層輸出的特征序列，跨越不同位置與時(shí)間點(diǎn)，全面捕捉數(shù)據(jù)中的長(zhǎng)距離依賴(lài)關(guān)系，有效彌補(bǔ)lstm在處理長(zhǎng)序列時(shí)可能出現(xiàn)的信息傳遞衰減問(wèn)題。這種多層次的特征提取方式，使其在處理地表巖移這種復(fù)雜的、受多種因素影響的時(shí)間序列數(shù)據(jù)時(shí)具有顯著優(yōu)勢(shì)，為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)巖移趨勢(shì)、保障構(gòu)筑物等重要設(shè)施的安全提供了一種極具潛力的新途徑。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、為了解決上述問(wèn)題，本專(zhuān)利技術(shù)提出了一種工作面地表巖移數(shù)智觀測(cè)與過(guò)構(gòu)筑物安全智能預(yù)測(cè)方法，主要利用堆疊長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)和transformer建立基于移動(dòng)變形觀測(cè)數(shù)據(jù)挖掘的構(gòu)筑物移動(dòng)變形預(yù)測(cè)模型，通過(guò)該模型進(jìn)行構(gòu)筑物移動(dòng)變形預(yù)測(cè)；根據(jù)構(gòu)筑物移動(dòng)變形預(yù)測(cè)結(jié)果，綜合評(píng)價(jià)構(gòu)筑物的安全穩(wěn)定性，當(dāng)預(yù)測(cè)值超過(guò)預(yù)警值時(shí)，采取相應(yīng)的技術(shù)措施。
2、本專(zhuān)利技術(shù)的技術(shù)方案如下：
3、一種工作面地表巖移數(shù)智觀測(cè)與過(guò)構(gòu)筑物安全智能預(yù)測(cè)方法，包括如下步驟：
4、步驟1、確定構(gòu)筑物移動(dòng)變形安全預(yù)警值；
5、步驟2、收集移動(dòng)變形數(shù)據(jù)，并進(jìn)行預(yù)處理；
6、步驟3、運(yùn)用有限元分析，剖析地表移動(dòng)變形的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律；
7、步驟4、建立構(gòu)筑物移動(dòng)變形預(yù)測(cè)模型；
8、步驟5、對(duì)構(gòu)筑物移動(dòng)變形預(yù)測(cè)模型進(jìn)行訓(xùn)練和驗(yàn)證，利用訓(xùn)練完成的模型進(jìn)行構(gòu)筑物移動(dòng)變形預(yù)測(cè)；
9、步驟6、綜合評(píng)價(jià)安全穩(wěn)定性；
10、步驟7、修正預(yù)測(cè)模型參數(shù)并持續(xù)評(píng)價(jià)直至安全推采過(guò)構(gòu)筑物。
11、進(jìn)一步地，所述步驟1的具體過(guò)程為：
12、步驟1.1、對(duì)構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、所處地質(zhì)條件以及周邊環(huán)境進(jìn)行綜合考量，得到影響構(gòu)筑物穩(wěn)定性和安全性的關(guān)鍵因素；關(guān)鍵因素包括構(gòu)筑物的基礎(chǔ)類(lèi)型、建筑材料特性、結(jié)構(gòu)的整體剛度、地質(zhì)構(gòu)造特征、周邊其他工程活動(dòng)情況；
13、步驟1.2、明確影響構(gòu)筑物移動(dòng)變形狀態(tài)的關(guān)鍵指標(biāo)，包括位移、傾斜度、曲率、應(yīng)變；結(jié)合構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)規(guī)范、使用要求以及相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，確定每個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)的閾值，此閾值即為構(gòu)筑物移動(dòng)變形安全預(yù)警值。
14、進(jìn)一步地，所述步驟2的具體過(guò)程為：
15、步驟2.1、在構(gòu)筑物的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位安裝多種類(lèi)型的傳感器，通過(guò)傳感器采集構(gòu)筑物前方已開(kāi)采區(qū)域日常地表的移動(dòng)變形數(shù)據(jù)；傳感器包括位移傳感器、傾斜度傳感器、曲率傳感器、應(yīng)變傳感器；
16、步驟2.2、進(jìn)行異常值檢測(cè)與處理；
17、異常值檢測(cè)的過(guò)程為：定義位移傳感器采集的位移數(shù)據(jù)序列為，計(jì)算位移數(shù)據(jù)序列的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，公式如下：
18、；
19、；
20、其中，為位移數(shù)據(jù)點(diǎn)的總個(gè)數(shù)；為第個(gè)位移數(shù)據(jù)點(diǎn)；為第個(gè)位移數(shù)據(jù)點(diǎn)；對(duì)于超出區(qū)間的位移數(shù)據(jù)點(diǎn)，標(biāo)記為異常值；為標(biāo)準(zhǔn)差開(kāi)方所得；
21、異常值處理的過(guò)程為：
22、對(duì)于數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)平穩(wěn)的數(shù)據(jù)，采用線性插值方法進(jìn)行異常值處理，假設(shè)在第1個(gè)時(shí)間點(diǎn)和第3個(gè)時(shí)間點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)點(diǎn)分別為和，而第2個(gè)時(shí)間點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)點(diǎn)異常或缺失，則的位移數(shù)據(jù)點(diǎn)通過(guò)線性插值公式計(jì)算得到，線性插值公式為：
23、；
24、對(duì)于數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)不平穩(wěn)的數(shù)據(jù)，使用加權(quán)線性插值方法進(jìn)行異常值處理，設(shè)位移數(shù)據(jù)序列中第個(gè)位移數(shù)據(jù)點(diǎn)被識(shí)別為異常值并去除，將識(shí)別為異常值并去除的位移數(shù)據(jù)點(diǎn)稱(chēng)為缺失值點(diǎn)，需要對(duì)所處位置進(jìn)行插值；設(shè)位移數(shù)據(jù)序列對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列為，為第個(gè)時(shí)間點(diǎn)，為時(shí)間點(diǎn)總數(shù)，1個(gè)位移數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)1個(gè)時(shí)間點(diǎn)，時(shí)間點(diǎn)總數(shù)與位移數(shù)據(jù)點(diǎn)的總個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)相同；加權(quán)線性插值公式為：
25、；
26、；
27、其中，為所處位置的插值結(jié)果；為的權(quán)重；為第個(gè)時(shí)間點(diǎn)到第個(gè)時(shí)間點(diǎn)的時(shí)間距離；為第個(gè)時(shí)間點(diǎn)到第個(gè)時(shí)間點(diǎn)的時(shí)間距離；為第個(gè)時(shí)間點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)點(diǎn)；
28、步驟2.3、進(jìn)行數(shù)據(jù)歸一化，公式為：
29、；
30、其中，為歸一化的位移數(shù)據(jù)點(diǎn)；為位移數(shù)據(jù)點(diǎn)；、分別為位移數(shù)據(jù)在整個(gè)數(shù)據(jù)集中的最小值、最大值；
31、對(duì)于傾斜度、曲率、應(yīng)變均采用與位移數(shù)據(jù)相同的方式進(jìn)行異常值檢測(cè)與處理、數(shù)據(jù)歸一化。
32、進(jìn)一步地，所述步驟3的具體過(guò)程為：
33、步驟3.1、構(gòu)建幾何模型，采用單元?jiǎng)澐植呗赃M(jìn)行單元離散化，得到離散化模型；具體過(guò)程為：首先，依據(jù)地質(zhì)勘察資料和構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)藍(lán)圖構(gòu)建二維或三維幾何模型；然后，對(duì)二維或三維幾何模型采用單元?jiǎng)澐植呗赃M(jìn)行單元離散化，得到離散化模型；單元?jiǎng)澐植呗缘倪^(guò)程為：設(shè)總單元數(shù)為，總節(jié)點(diǎn)數(shù)為；對(duì)于每個(gè)單元，其三個(gè)節(jié)點(diǎn)的編號(hào)分別為、、，第個(gè)單元內(nèi)任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移向量為，為水平位移，為垂直位移，、分別為第個(gè)單元內(nèi)任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)的水平位移、垂直位移；節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)的位移本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種工作面地表巖移數(shù)智觀測(cè)與過(guò)構(gòu)筑物安全智能預(yù)測(cè)方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述工作面地表巖移數(shù)智觀測(cè)與過(guò)構(gòu)筑物安全智能預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述步驟1的具體過(guò)程為：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述工作面地表巖移數(shù)智觀測(cè)與過(guò)構(gòu)筑物安全智能預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述步驟2的具體過(guò)程為：
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述工作面地表巖移數(shù)智觀測(cè)與過(guò)構(gòu)筑物安全智能預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述步驟3的具體過(guò)程為：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述工作面地表巖移數(shù)智觀測(cè)與過(guò)構(gòu)筑物安全智能預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述步驟3.2中，第個(gè)單元的本構(gòu)方程為：
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述工作面地表巖移數(shù)智觀測(cè)與過(guò)構(gòu)筑物安全智能預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述步驟4中，構(gòu)筑物移動(dòng)變形預(yù)測(cè)模型的輸入變量為地表移動(dòng)變形觀測(cè)數(shù)據(jù)中的相關(guān)參數(shù)，輸出為構(gòu)筑物的移動(dòng)變形值；相關(guān)參數(shù)包括位移、傾斜度、曲率、應(yīng)變；
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述工作面地表巖移數(shù)智觀測(cè)與過(guò)構(gòu)筑物安全智能預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述步驟4中，Transformer層采用多頭注意力機(jī)制和前饋神
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述工作面地表巖移數(shù)智觀測(cè)與過(guò)構(gòu)筑物安全智能預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述步驟5的具體過(guò)程為：
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述工作面地表巖移數(shù)智觀測(cè)與過(guò)構(gòu)筑物安全智能預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述步驟6的具體過(guò)程為：對(duì)比模型預(yù)測(cè)值與步驟1中確定的安全預(yù)警值，當(dāng)預(yù)測(cè)值未超過(guò)預(yù)警值時(shí)，表明構(gòu)筑物目前處于安全狀態(tài)；當(dāng)預(yù)測(cè)值超過(guò)預(yù)警值時(shí)，表明構(gòu)筑物存在安全風(fēng)險(xiǎn)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述工作面地表巖移數(shù)智觀測(cè)與過(guò)構(gòu)筑物安全智能預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述步驟7的具體過(guò)程為：
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種工作面地表巖移數(shù)智觀測(cè)與過(guò)構(gòu)筑物安全智能預(yù)測(cè)方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述工作面地表巖移數(shù)智觀測(cè)與過(guò)構(gòu)筑物安全智能預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述步驟1的具體過(guò)程為：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述工作面地表巖移數(shù)智觀測(cè)與過(guò)構(gòu)筑物安全智能預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述步驟2的具體過(guò)程為：
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述工作面地表巖移數(shù)智觀測(cè)與過(guò)構(gòu)筑物安全智能預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述步驟3的具體過(guò)程為：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述工作面地表巖移數(shù)智觀測(cè)與過(guò)構(gòu)筑物安全智能預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述步驟3.2中，第個(gè)單元的本構(gòu)方程為：
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述工作面地表巖移數(shù)智觀測(cè)與過(guò)構(gòu)筑物安全智能預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述步驟4中，構(gòu)筑物移動(dòng)變形預(yù)測(cè)模型的輸入變量為地表移動(dòng)變形觀測(cè)數(shù)據(jù)中的相關(guān)...
【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王蕊，陳紹杰，尹大偉，馮帆，汪鋒，江寧，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：山東科技大學(xué)，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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