煤矿井下无线传感器网络三维定位算法研究

针对煤矿无线传感器网络定位存在节点模型不合理、定位精度差、算法不稳定等问题,提出一种新的煤矿井下巷道节点模型,并在此基础上提出基于粒子群算法的煤矿井下无线传感器网络节点三维定位算法。该算法将三维空间中未知节点与相邻的信标节点之间的估算距离和测量距离的均方误差作为优化的目标函数,通过粒子群优化来提高定位精度。理论分析和仿真结果表明,该算法具有定位精度高以及稳定性较好等特点,适用于煤矿井下无线传感器网络节点定位。      

基于小波变换的岩石声发射信号互相关分析及时延估计

声发射全波形采集为基于波形分析的声源定位方法提供了可能。声发射源定位方法中最常用的是时差定位方法,因此,时差获取精确与否直接影响定位的精度。借助于小波变换和互相关技术研究声发射信号的时延估计,首先利用小波分析技术对信号进行分解,确定有意义信号的频带宽度,再提取分解后的相应频带的小波系数,利用互相关技术计算出该频带信号到达各传感器的时差,进而利用时差定位法反演声发射源,实现了声发射源更精确的定位。经声发射监测验证结果表明,该时延估计方法能有效地减小声发射源定位的误差,提高声发射源的定位精度,为准确反演声发射源提供了一种有效途径。     

基于改进灰狼算法的岩石声发射定位研究

针对岩石力学试验中传统的声发射定位算法存在局限性,将灰狼算法(GWO)引入声发射定位研究中,该算法模仿了狼群的领导阶层与狩猎机制,用α、β、δ和ω 4种灰狼来模拟头狼领导,通过搜寻猎物、包围猎物和攻击猎物3个步骤实现目标的发现到捕获的全过程。在原始灰狼算法的基础上,针对其局部搜索能力欠佳的缺陷,修改收敛因子递减方式和淘汰最劣个体,提出基于种群记忆淘汰制的改进灰狼算法(BGWO)。基于预制裂隙岩石试件单轴压缩声发射试验结果,对比分析BGWO、GWO、引力搜索法(GSA)、Geiger算法、最小二乘法(LS)算法等5种定位算法的性能,发现改进后的BGWO算法在声发射定位搜索效率、搜索精度、稳定性和试验结果模拟方面效果优于其他算法。     

基于相位差时延估计法的岩石声发射源定位研究

针对岩石力学试验声发射时差定位算法中时延估计精度受诸多不确定因素的影响问题,提出全相位相位差法时延估计,通过小波分解与全相位频谱分析相结合求解相位差得到声发射信号的时延估计。利用小波分解找到不同传感器接收到的声发射信号中的同一主频的子带信号;对这些同一主频的子带信号分别做全相位频谱分析,得到每个子带信号中间样点的相位,再根据相位差与时间差的关系求出声发射信号到达不同传感器之间的时间差;进而利用时差定位法反演声发射源,实现了声发射源更精确的定位。在花岗岩（50 mm×100 mm×50 mm）上进行断铅试验,选取10个测点,经声发射监测验证结果表明,该时延估计方法能有效地减小声发射源定位的误差,提高声发射源的定位精度,平均绝对误差比美国PCI-2型声发射仪器定位结果提高约3 mm,该方法为反演声发射源提供了一种有效途径。     

砂岩单轴压缩试验P波速度层析成像及声发射特性研究

深部矿井开采极易诱发矿柱型岩爆,矿柱型岩爆严重威胁着矿山的安全高效开采,为探究矿柱型岩爆破坏机制和前兆信息,选用自贡红砂岩进行单轴压缩试验,并采用主动超声和被动声发射对破裂过程进行监测,联合主动超声与被动声发射监测数据对波速进行层析成像反演,分析试样破裂过程中波速演化规律。研究结果表明：砂岩试样在加载过程中速度模型呈现高度非均质性,在加载过程中会出现低速区,且声发射事件集中出现在低速区内部;P波速度离散度可反映全局波速变化特征,在峰值附近变化剧烈,随荷载增加P波速度离散度持续增大;声发射事件在峰前、峰后定位结果相差较大,峰前阶段声发射事件随机分布,峰后阶段声发射事件定位结果集中。此外,研究发现选用均质速度模型进行声发射事件定位会增大定位误差,试样最终失稳前b值的降低表明试样大尺度裂纹活动加剧,导致岩石非均质性增大,也间接证明了采用非均质速度模型进行声发射震源定位的必要性。该研究结果可用于现场矿柱稳定性监测,定期反演获得矿柱波速变化为矿柱型岩爆提供先兆预警信息。     

基于岩石声发射信号的指数衰减型小波基构造

通过对小波变换中原函数与小波基函数关系描述发现,通用小波基函数Morlet小波、Marr小波、DOG小波、Haar小波、Daubechies小波等在满足容许条件的基础上,光滑性和紧支撑性不能同时具备的问题。在用小波分析方法研究岩石声发射信号中,困难的是找到合适的小波基函数。根据试验所得岩石声发射信号特征,采用冲击脉冲作用于二阶弱阻尼振动单位脉冲函数作为岩石声发射信号小波分析的基础函数。为拟合岩石声发射信号,提出3个构造条件,并逐一证明、优化,最后构造出带有岩石特征参数的小波基函数。经应用验证,新构造的小波基函数在处理岩石声发射信号方面比通用小波基函数更具优势,为小波分析在岩石声发射方面应用奠定了理论基础。     

基于多核模式的隧道沉降预测

为提高支持向量机的预测精度,提出一种基于自适应多核学习模型的预测方法。自适应多核学习算法中采用树形筛选结构,通过生枝、剪枝操作完成核函数间的相加、相乘处理,增强了多核函数的非线性与多样性。采用网格遍历和粒子群算法对核参数、权重系数及模型参数进行寻优处理,弥补了训练样本缺少先验知识对参数赋值产生的偏差。将多核学习方法用于地铁隧道沉降预测,并与单核函数的预测数值进行对比。试验结果表明,自适应多核学习模型有效提高了预测模型的预测精度及泛化性能。     

基于粒子群支持向量机的三维含水层渗流参数反馈识别

实际岩土体含水层渗流一般是三维、空间各向异性的。针对三维渗流参数识别的数值正算时间过长,易限于局部最优解的问题,提出了一种基于支持向量机和粒子群优化算法的含水层渗流参数反馈识别方法。采用正交试验设计和有限元程序生成学习样本,利用支持向量机高度非线性映射能力,建立水头与渗流参数之间的映射关系,进而以识别误差目标函数为适应值,通过粒子群优化算法反馈搜索得到渗流参数。该方法可直接利用现有大规模渗流有限元程序进行三维含水层渗流参数识别。算例表明,该方法具有良好的效率和精度。     

基于PSO-PP的围岩稳定性评价

围岩的稳定性评价是一个复杂的不确定系统问题。结合投影寻踪方法、粒子群算法和逻辑斯谛曲线函数,建立了围岩稳定性评价的粒子群优化投影寻踪(projection pursuit based on particle swarm optimization,PSO-PP)模型。该模型一方面采用粒子群算法优化投影指标函数及逻辑斯谛曲线函数参数,确保了模型的准确性;另一方面利用逻辑斯谛曲线函数建立投影值与经验等级之间的非线性关系。模型的测试结果显示了良好的精度,实例分析结果与实际状态完全一致,表明该模型在围岩稳定性评价中的可行性和有效性。     

基于稳健模拟退火-单纯形混合算法的微震定位研究

为提高矿井微震的定位精度,通过模拟试验对比分析常规定位及新方法在定位求解中的适用范围及优缺点,研究反演未知变量数目、检波器的密度、波速等对各自定位方法的影响。基于单纯形法的优点,并结合模拟退火法的全局收敛性,提出采用稳健的模拟退火-单纯形法进行微震定位。研究发现,该方法不必直接搜索发震时刻,只需通过稳健方法预先估算,利用较少的检波器就可进行微震定位,且基本不受初始波速影响,从而大大减少搜索步数,有效地提高定位精度及收敛速度。以柿竹园矿人工爆破定位测试试验为例,重点分析比较模拟退火-单纯形法、稳健模拟退火-单纯形法及其他定位方法的空间绝对距离及目标函数误差,认为检波器数量较多且可获得理想的P波信息时,应用非线性最小二乘法能求出可信的结果;其余定位方法的三维定位误差及目标函数误差相差不大,但稳健模拟退火-单纯形法目标函数误差最小,稳定性最高,可在矿井微震定位中推广使用。