PSA-ANFIS方法及其在矿山岩土工程灾害预测中的应用

论文摘要

应用自适应神经模糊推理系统（ANFIS）研究采矿工程中巷道和采场失稳、露天矿边坡滑坡、开采地面沉陷以及导水裂隙扩展淹井这四大岩土工程灾害时所遇到的最大难题是,ANFIS的训练参数和模型结构的确定具有人为性、随意性和无规则性,这使得它的收敛需要经过长时间的反复调试才可能实现,而且难以收敛到所要求的精度。针对这些问题,本文首次采用正交试验设计法和模式搜索算法研究了ANFIS的训练参数和模型结构的优化方法,提出和建立了基于模式搜索算法的自适应神经模糊推理方法（PSA-ANFIS）,并进一步采用这一方法研究了采矿工程中上述四大岩土工程灾害的预测问题,取得了如下研究成果:（1）采用一多峰函数进行离散,构建了训练数据对、检测数据对和预测数据对,首次采用正交试验设计法、模式搜索算法和自适应神经模糊推理系统,建立了PSA-ANFIS方法。（2）采用同一多峰函数,对ANFIS和PSA-ANFIS进行了比较研究,结果表明,无论是在拟合精度和预测精度上,还是在训练参数的调整、模型结构的建立和训练过程上,PSA-ANFIS均优于ANFIS。（3）采用一标准弹塑性问题进行解析计算,构建了训练数据对、检测数据对和预测数据对,采用正交试验设计法、模式搜索算法和自适应神经模糊推理系统,建立了围岩力学参数位移反分析的PSA-ANFIS方法,并将其应用于湘西金矿老采区围岩力学参数的反演,进而采用反演结果建立数值计算模型,对采场围岩的变形进行了模拟计算,与此同时,还对采场围岩的变形进行了监测,结果表明,模拟计算结果与监测结果吻合较好,从而验证了这种围岩力学参数位移反分析新方法的工程适用性。（4）搜集了大量圆弧滑动边坡工程实例,构建了训练数据对、检测数据对和预测数据对,采用正交试验设计法、模式搜索算法和自适应神经模糊推理系统,建立了圆弧滑动边坡稳定性预测的PSA-ANFIS方法,并将这一方法应用于前河露天矿1号滑坡的稳定性预测,预测结果与边坡的实际稳定状态吻合良好。（5）搜集了大量开采地面沉陷工程实例,构建了训练数据对、检测数据对和预测数据对,采用正交试验设计法、模式搜索算法和自适应神经模糊推理系统,建立了开采地面沉陷预测的PSA-ANFIS方法,并采用这一方法,对新汶矿业集团翟镇煤矿一采区西翼二层煤采区地面沉陷进行了预测,预测结果与实测结果吻合良好。（6）搜集了大量导水裂隙带发育高度工程实例,构建了训练数据对、检测数据对和预测数据对,采用正交试验设计法、模式搜索算法和自适应神经模糊推理系统,建立了导水裂隙带发育高度预测的PSA-ANFIS方法,并应用这一方法对水口山矿务局康家湾铅锌金矿水体下Ⅲ-1采场的导水裂隙带发育高度进行了预测,同时还对其进行了实测,结果表明,预测结果与实测结果吻合较好。进而根据预测结果,为Ⅲ-1采场设计了上向水平分层胶结充填采矿法,且已实现了采场的安全回采,取得了巨大的经济效益和社会效益。研究ANFIS的训练参数和模型结构的优化方法,是人工智能领域的一个前沿研究课题。本文率先采用正交试验设计法和模式搜索算法实现了对ANFIS的训练参数和模型结构的优化,建立了基于模式搜索算法的自适应神经模糊推理方法,丰富和发展了ANFIS的理论和方法。不仅如此,本文还将这一方法应用于采矿工程中四大灾害预测问题的研究,丰富和发展了它们的研究方法和预测理论。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 采矿工程围岩力学参数确定方法研究现状
• 1.2.2 露天矿圆弧滑动边坡稳定性预测研究现状
• 1.2.3 开采地面沉陷预测研究现状
• 1.2.4 导水裂隙带发育高度预测研究现状
• 1.3 本项研究的目的、意义和内容
• 1.3.1 研究的目的及意义
• 1.3.2 研究内容
• 1.4 本项研究的特色与创新之处
• 第二章 基于模式搜索算法的自适应神经模糊推理方法的研究
• 2.1 概述
• 2.2 自适应神经模糊推理系统（ANFIS）
• 2.2.1 引言
• 2.2.2 ANFIS结构
• 2.2.3 ANFIS原理
• 2.2.4 ANFIS的实现
• 2.2.5 ANFIS的不足之处
• 2.2.6 ANFIS的拟合能力和预测能力
• 2.3 基于模式搜索算法的自适应神经模糊推理方法（PSA-ANFIS）
• 2.3.1 引言
• 2.3.2 模式搜索算法
• 2.3.3 PSA-ANFIS方法的建立及拟合情况
• 2.4 两种方法的比较研究
• 2.5 本章结论
• 第三章 围岩力学参数位移反分析的PSA-ANFIS方法及应用
• 3.1 概述
• 3.2 围岩力学参数位移反分析问题的数学描述及标准弹塑性问题的位移反分析
• 3.2.1 围岩力学参数位移反分析问题的数学描述
• 3.2.2 建立围岩力学参数位移反分析的PSA-ANFIS方法的步骤
• 3.2.3 标准弹塑性问题及其解析解
• 3.2.4 数据对的获取
• 3.2.5 围岩力学参数位移反分析的PSA-ANFIS方法结构模型的确定及搜索情况
• 3.3 围岩力学参数位移反分析的PSA-ANFIS方法在湘西金矿地下采场围岩稳定性分析中的应用
• 3.3.1 工程概况
• 3.3.2 现场变形观测
• 3.3.3 围岩力学参数的反演
• 3.3.4 采场围岩稳定性分析
• 3.3.5 围岩稳定状态的监测
• 3.3.6 结果分析
• 3.4 本章结论
• 第四章 圆弧滑动边坡稳定性预测的PSA-ANFIS方法及应用
• 4.1 概述
• 4.2 圆弧滑动边坡稳定性预测问题的数学描述及实例数据集
• 4.2.1 圆弧滑动边坡稳定性预测问题的数学描述
• 4.2.2 实例数据集
• 4.3 圆弧滑动边坡稳定性预测的PSA-ANFIS方法
• 4.3.1 训练数据对和预测数据对的构建
• 4.3.2 圆弧滑动边坡稳定性预测的PSA-ANFIS方法
• 4.4 圆弧滑动边坡稳定性预测的PSA-ANFIS方法在前河露天矿边帮1号滑坡稳定性预测中的应用
• 4.4.1 前河露天矿边帮1号滑坡概况
• 4.4.2 前河露天矿1号滑坡边帮岩土体力学参数的获得及滑坡稳定性预测
• 4.4.3 结果分析
• 4.5 本章结论
• 第五章 开采地面沉陷预测的PSA-ANFIS方法及应用
• 5.1 概述
• 5.2 开采地面沉陷预测的力学模型及实例数据集
• 5.2.1 开采地面沉陷预测的力学模型
• 5.2.2 实例数据集
• 5.3 开采地面沉陷预测的PSA-ANFIS方法
• 5.3.1 训练数据对和预测数据对的构建
• 5.3.2 开采地面沉陷预测的PSA-ANFIS方法
• 5.3.3 开采地面沉陷预测的PSA-ANFIS方法预测能力的检验及分析
• 5.4 开采地面沉陷预测的PSA-ANFIS方法在新汶矿业集团翟镇煤矿的应用
• 5.4.1 新汶矿业集团翟镇煤矿概况
• 5.4.2 新汶矿业集团翟镇煤矿一采区西翼二层煤开采情况
• 5.4.3 一采区西翼二层煤采区开采地面沉陷的预测及检验
• 5.5 本章结论
• 第六章 导水裂隙带发育高度预测的PSA-ANFIS方法及应用
• 6.1 概述
• 6.2 导水裂隙带发育高度预测的力学模型及实例数据集
• 6.2.1 导水裂隙带发育高度预测的力学模型
• 6.2.2 实例数据集、训练数据集和预测数据集的构建
• 6.3 导水裂隙带发育高度预测的PSA-ANFIS方法
• 6.3.1 搜索参数设置
• 6.3.2 搜索过程
• 6.3.3 检测结果及预测结果
• 6.4 导水裂隙带发育高度预测的PSA-ANFIS方法在水口山矿务局康家湾铅锌金矿的应用
• 6.4.1 工程概况
• 6.4.2 Ⅲ-1采场导水裂隙带发育高度的预测
• 6.4.3 与经验公式计算结果和实测结果的比较
• 6.4.4 采矿方法
• 6.5 本章结论
• 第七章 结论和需要进一步研究的问题
• 7.1 结论
• 7.2 需要进一步研究的问题
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果
• 1、攻读博士学位期间相关科研论文的发表情况
• 2、攻读博士学位期间所获科研奖励
• 3、攻读博士学位期间相关科研项目