论文中文题名: | 基于相似度分析的矿井采区突水预警方法研究与实现 |
姓名: | |
学号: | 19208207025 |
保密级别: | 保密(2年后开放) |
论文语种: | chi |
学科代码: | 085211 |
学科名称: | 工学 - 工程 - 计算机技术 |
学生类型: | 硕士 |
学位级别: | 工程硕士 |
学位年度: | 2022 |
培养单位: | 西安科技大学 |
院系: | |
专业: | |
研究方向: | 软件开发与测试工程 |
第一导师姓名: | |
第一导师单位: | |
论文提交日期: | 2022-06-22 |
论文答辩日期: | 2022-06-06 |
论文外文题名: | Research and Implementation of Water Inrush Warning Method in Mining Area Based on Similarity Analysis |
论文中文关键词: | |
论文外文关键词: | Water Inrush Prediction ; Curve Similarity Analysis ; Lion Swarm Optimization Algorithm ; Probabilistic Neural Network ; Early Warning System |
论文中文摘要: |
我国矿区水文地质条件复杂,矿井突水一直是威胁煤炭安全开采的重要问题。因此研究有效的矿井突水预警方法对煤炭资源的高效开采有着重要意义。目前基于机器学习的突水预警方法大多用离散的监测指标作为模型特征,不能对连续的水文数据进行趋势分析,无法有效挖掘监测指标数据变化中隐含的突水前兆信息。针对该问题,本文提出了一种基于相似度分析的矿井突水预警方法,依据两相邻工作面回采时监测指标数据曲线的相似性来进行突水预警。主要研究内容如下: 针对传统的曲线相似性度量方法仅能考虑水文数据曲线间单一的距离相似性或趋势相似性无法准确反映突水风险的问题,提出一种基于趋势与距离特征的曲线相似性分析模型(CSAM-TDF)。该模型首先使用基于普氏分析的离散Fréchet距离对两曲线进行趋势相似性度量,然后采用融合了高斯函数的导数动态时间规整算法得出两曲线的距离相似度,最后通过加权得到两曲线间的综合相似度。将CSAM-TDF模型应用在Y矿区进行实验,分析两相邻工作面监测数据曲线的相似性,得到了不同突水风险等级下各监测指标数据曲线的相似度区间划分。最后通过对比灰色关联分析、余弦相似性、相关系数等方法验证了CSAM-TDF在矿井水文数据曲线相似性度量上的适用性和准确性。 在计算各指标数据曲线相似性的基础上,提出一种基于ILSO-PNN的突水风险综合预警模型。首先,采用基于博弈论的组合赋权法求出各监测指标的权重,对各指标相似性进行加权得到多指标综合相似性,并依据综合相似性对突水风险进行划分。然后,采用能实现任意的非线性逼近的概率神经网络(PNN)对突水风险进行预警。为解决PNN预测准确率会受到平滑因子影响的问题,提出改进的狮群优化算法(ILSO)对平滑因子进行寻优。通过引入混沌映射与精英反向学习策略进行种群初始化,并加入Levy飞行随机游走策略帮助算法跳出局部最优。最后,将各类监测指标的相似性及对应的突水风险评价结果输入ILSO-PNN模型中进行训练,完成矿井突水风险预警。实验表明基于ILSO-PNN的矿井突水风险综合预警模型相较于基于PNN和基于PSO-PNN的突水预警模型都具有更高的准确率,能够为煤矿井下突水预测预报提供依据。 最后,结合上述研究内容设计并实现了基于相似度分析的矿井采区突水预警系统。该系统集成了对两相邻工作面各类监测指标曲线进行相似性度量的方法以及突水风险综合预警方法,能够对所选工作面的监测指标数据曲线完成相似性分析,并依据相似性进行突水预警。 |
论文外文摘要: |
Water inrush from mine is always an important problem that threatens the safety of coal mining because of the complicated hydrogeological conditions in mining area. Therefore, the study of effective mine water inrush early warning methods for the efficient exploitation of coal resources is of great significance. At present, most of the early warning methods of water inrush based on machine learning use discrete monitoring indexes as model features, and can not analyze the trend of continuous hydrological data, it can not effectively mine the precursory information of water inrush in the change of monitoring index data. Aiming at this problem, this paper puts forward a mine water inrush early warning method based on similarity analysis, and carries out water inrush early warning according to the similarity of monitoring data curve of two adjacent working faces. The main research contents are as follows: (1) Aiming at the problem that the traditional curve similarity measure methods can’t reflect the risk of water inrush accurately by only considering the single distance or trend similarity between curves of hydrological data, a curve similarity analysis model(CSAM-TDF) based on trend and distance features is proposed. The model first uses the discrete Fréchet distance based on the Procrustes analysis to measure the trend similarity of the two curves, and then uses the derivative dynamic time warping algorithm with gauss function to obtain the distance similarity of the two curves. Finally, the comprehensive similarity between the two curves is obtained by weighting. The CSAM-TDF model was applied to Y mining area to analyze the similarity of monitoring data curves of two adjacent working faces, and the interval division of the similarity of monitoring data curves under different risk grades of water inrush was obtained. Finally, the applicability and accuracy of CSAM-TDF in similarity measurement of mine hydrologic data curves are verified by comparing grey correlation analysis, cosine similarity and correlation coefficient. A comprehensive early warning model of water inrush risk based on ILSO-PNN is proposed on the basis of calculating the similarity of data curves of each index. Firstly, the weight of each monitoring index is obtained by the combination weighting method based on the game theory, and the similarity of each index is weighted to obtain the comprehensive similarity of multi-index. Then, the probabilistic neural network(PNN), which can achieve arbitrary nonlinear approximation, is used to predict the risk of water inrush. In order to solve the problem that the prediction accuracy of PNN is affected by the smoothing factor, an improved lion swarm optimization algorithm(ILSO) is proposed to optimize the smoothing factor. Chaos Mapping and elite reverse learning strategy are introduced to initialize the population, and Levy flight random walk strategy is used to help the algorithm jump out of local optimization. Finally, the similarity of various monitoring indicators and the corresponding risk assessment results of water inrush are input into the ILSO-PNN model for training to complete the mine water inrush risk early warning. The experimental results show that the integrated early warning model based on ILSO-PNN has higher accuracy than that based on PNN and PSO-PNN, it can provide the basis for the prediction and forecast of underground water inrush. Finally, according to the above research contents, the early warning system of water inrush in mining area based on similarity analysis is designed and implemented. The system integrates the method of measuring the similarity of various monitoring index curves of two adjacent working faces and the comprehensive early warning method of water inrush risk, and can finish the similarity analysis of the monitoring index curves of the selected working faces, and carries on the water inrush early warning according to the similarity. |
参考文献: |
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中图分类号: | TP399 |
开放日期: | 2024-06-22 |