基于流形學(xué)習(xí)理論的沖擊地壓微震前兆辨識方法

邱濤　賈瑞生　吳春芳

摘要：針對微震信號的非線性、復(fù)雜性等特點，提出一種基于等距特征映射（Isometric feature mapping）和支持向量機（Support vector machine）相結(jié)合的微震前兆辨識方法。利用ISOMAP把數(shù)據(jù)從高維空間投影到低維空間而不改變數(shù)據(jù)內(nèi)在屬性的特點，對高維的微震信號進(jìn)行降維，以發(fā)現(xiàn)嵌入在高維數(shù)據(jù)空間中的低維流形結(jié)構(gòu)，作為沖擊礦壓災(zāi)變的最優(yōu)敏感特征，采用Gauss核函數(shù)支持向量機作為分類器進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警。實驗結(jié)果表明，該方法可有效實現(xiàn)沖擊地壓微震前兆辨識。

關(guān)鍵詞：沖擊地壓；微震監(jiān)測；流形學(xué)習(xí)；等距映射；支持向量機

DOIDOI：10.11907/rjdk.151280

中圖分類號：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：16727800（2015）006013804

基金項目基金項目：科技部“十二五”國家科技支撐計劃項目（2012BAK04B06）；山東省自然科學(xué)基金項目（ZR2013EEM019）

作者簡介作者簡介：邱濤（1990-），男，山東青島人，山東科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生，研究方向為人工智能；賈瑞生（1972-），男，山東青島人，博士，山東科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院副教授，研究方向為礦山災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警理論、信息融合與智能系統(tǒng)；吳春芳（1987-），女，山東臨沂人，山東科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生，研究方向為數(shù)據(jù)挖掘、沖擊地壓前兆信息辨識。

0 引言

隨著開采范圍的擴大和開采深度的增加，應(yīng)力集中程度越來越高，防沖難度越來越大，預(yù)防沖擊地壓事故，已經(jīng)成為煤礦安全生產(chǎn)的重中之重。目前，通過微震前兆信息辨識沖擊地壓主要根據(jù)經(jīng)驗來確定，部分礦井采用單一能量和頻次的閾值法來監(jiān)測沖擊地壓的發(fā)生，預(yù)警準(zhǔn)確率不甚理想。原因在于煤層巖體自身性質(zhì)及復(fù)雜多變的力學(xué)響應(yīng)特征，且對礦山動力災(zāi)害的發(fā)生機制還沒有完全掌握，并且影響沖擊地壓發(fā)生的類型和因素多，針對采掘工作面沖擊地壓的微震信號都會有較大差異。目前對微震監(jiān)測信息的分析處理手段還有待細(xì)化和提高，且預(yù)測預(yù)警沖擊危險性識別方法亦較簡單。因此，預(yù)測和識別沖擊地壓危險都沒能很好地分析利用監(jiān)測時空序列提供的豐富頻譜信息[12]。對此，通過機器學(xué)習(xí)算法將微震信號中的豐富頻譜特征進(jìn)行提取分析，來作為辨識沖擊地壓前兆信息的有效手段。由于沖擊地壓成因復(fù)雜，微震監(jiān)測信號表現(xiàn)為非線性、非平穩(wěn)特征，使得沖擊礦壓前兆信息特征難以提取。針對傳統(tǒng)時頻分析方法的缺點，尋找一種實時性、準(zhǔn)確性高的前兆辨識方法稱為首要目標(biāo)法，主要克服算法本身自適應(yīng)性差，以及傳統(tǒng)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法通過反復(fù)迭代計算目標(biāo)值耗時較長等劣勢[34]。尋找一種準(zhǔn)確高效的前兆辨識算法成為科研人員的研究目標(biāo)。等距特征映射（Isometric feature mapping， ISOMA）是TENENBAUM等[5]提出來的一種流形學(xué)習(xí)方法，主要特點是通過發(fā)現(xiàn)高維數(shù)據(jù)空間中觀測數(shù)據(jù)的低維光滑流形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將最有代表性的特征數(shù)據(jù)從高維數(shù)據(jù)集合和大規(guī)模海量數(shù)據(jù)流中提取出來?，F(xiàn)階段，ISOMAP主要用于高維數(shù)據(jù)非線性降維[68]。

支持矢量機（Support vector machine，SVM）以統(tǒng)計學(xué)習(xí)理論的VC理論和結(jié)構(gòu)風(fēng)險最小化理論（SRM）為理論基礎(chǔ)，能夠得到現(xiàn)有信息下的最優(yōu)解和避免神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法中的局部極值問題，并靈活地解決了維數(shù)災(zāi)難問題，使其算法復(fù)雜度與樣本維數(shù)無關(guān)[1013]。本文基于微震監(jiān)測信號在固定大小的滑動時間窗口內(nèi)進(jìn)行時頻域特征提取，組成多維向量表示沖擊地壓前兆信息；通過流形學(xué)習(xí)進(jìn)行低維特征提取，得到訓(xùn)練樣本集；基于SVM理論對這些數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練形成分類器，并應(yīng)用分類器實現(xiàn)沖擊地壓前兆信息的實時在線監(jiān)測預(yù)警。

1 等距映射算法

ISOMAP方法是Tenenbaum等[1416]根據(jù)使用最近鄰圖中的最短路徑得到近似測地線距離，代替內(nèi)在流行結(jié)構(gòu)的歐式距離提出的一種非線性降維處理方法。通過對位尺度分析（MDS）進(jìn)行處理，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)嵌入在高維空間中的低維坐標(biāo)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)降維。其主要步驟如下：

3 數(shù)據(jù)處理及分析

微震技術(shù)作為一種有效的監(jiān)測預(yù)警手段[1921]。在礦山生產(chǎn)中，微震發(fā)生的頻率、能量等信息作為發(fā)生沖擊地壓的判別前兆已經(jīng)被越來越多的專家所認(rèn)可，并且取得了豐碩的成果。微震能量以應(yīng)力波的形式釋放并傳播，用拾震檢波器接收能量較大頻率較低的微地震信號。本文通過滑動拾窗從接收波形信息中提取有用的時頻域特征信息，作為多參量預(yù)警沖擊地壓災(zāi)害前兆特征指標(biāo)體系。

3.1 原始特征空間構(gòu)建

將通過滑動時間窗獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)樣本，通過機器學(xué)習(xí)算法，包括小波分析、時頻統(tǒng)計、傅里葉變換等，進(jìn)行樣本特征提取構(gòu)建初始訓(xùn)練特征空間，主要作為特征選擇的原始特征集。對于井下巖石破裂產(chǎn)生的微震事件所反映出的信號數(shù)據(jù)，需要選擇物理意義明確、具有應(yīng)用價值和敏感的時頻域特征參數(shù)指標(biāo)。通過滑動時間窗對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，將分割數(shù)據(jù)段作為時頻統(tǒng)計分析的輸入，得到觀測樣本。

其中，時域指標(biāo)采用文獻(xiàn)[22]提供的b值、η值Mm值峰值因子、峭度；頻域指標(biāo)采用A（b）值、頻率重心Pc、頻段能量E。

b值作為時域計算指標(biāo)，能夠反映震源區(qū)應(yīng)力及介質(zhì)條件，是震級-頻度關(guān)系（G-R）中與區(qū)域有關(guān)的經(jīng)驗常數(shù)，可作為地震活動和巖爆的重要指示指標(biāo)。分析歷史微震監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，天然地震和礦震、沖擊地壓之間在震級和頻度的關(guān)系方面，都遵守G-R關(guān)系，因而關(guān)于b值的應(yīng)用研究頗具價值。

3.2 數(shù)據(jù)分析

在數(shù)據(jù)分析過程中，選取某礦工作面2011年5月份微震監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用波蘭EMAG公司的ARAMIS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)，配套軟件根據(jù)震動事件生成日志文件，每月生成一個目錄存放這些日志文件，并按年打包保存。將沖擊地壓危險程度定義為二分類狀態(tài)：正常（NOR）、危險（DAN）。本文采用一對一法構(gòu)造二分類分類器，使用圖1給出的多類SVM分類流程，得到最終辨識結(jié)果。

基于采用時間序列的微震監(jiān)測系統(tǒng)，取滑動時間窗口=24h，時間窗口向前滑移的步距設(shè)為3min。對內(nèi)的微震監(jiān)測信號進(jìn)行時頻域分析，提取表1中的10個特征指標(biāo)，滑動時間窗口每滑動一次，即可生成一組10維的特征向量，則每小時可提取20組特征向量，一個月共提取向量14 400組，選取其中的2/3作為訓(xùn)練集，剩余的作1/3為測試集。采用Matlab小波包對信號進(jìn)行6層多尺度分解，分別用表1中頻段能量E1、E2、E3來表示微震信號3個頻段的能量積聚情況。

3.2.1 降維處理

對時間窗所采集數(shù)據(jù)的原始特征空間X應(yīng)用ISOMAP降維得到一個低維空間Y，其中N、K、d作為可變參數(shù)，分別代表的含義為：數(shù)據(jù)長度、近鄰點數(shù)、空間維數(shù)。其中N為9 600，K=3～15，間隔為1，d=3～10。對不同的K、d分別進(jìn)行計算。

3.2.2 SVM診斷結(jié)果

構(gòu)造識別分類器并進(jìn)行類別分類，討論診斷正確率η隨近鄰點數(shù)K以及維數(shù)d 在取不同值時的變化情況。圖2表示的是當(dāng)N=9 600時，總體的診斷正確率η隨近鄰點數(shù)K和d的變化曲線。從圖2可以看出，診斷率在7

圖3表示K的取值范圍為3～15，N=9 600，d=6時，辨識準(zhǔn)確率隨輸出維數(shù)K的變化曲線，K=10時準(zhǔn)確率最高，作為最佳輸出維數(shù)。

為驗證ISOMAP算法更適合處理微震監(jiān)測信號，與局部線性嵌入（Locally linear embedding， LLE）、保局投影（Locality preserving projections， LPP）兩種基于流形學(xué)習(xí)的特征提取方法進(jìn)行了比較。分類器均采用Gauss-SVM，由于樣本選取具有隨機性，為保證測試結(jié)果正確，表2中對應(yīng)的數(shù)據(jù)均為程序運行10次后求取的平均值。表2結(jié)果顯示，診斷率達(dá)85.37%，說明采用流行學(xué)習(xí)提取特征集及作為分類器進(jìn)行訓(xùn)練能夠得到較好的結(jié)果。

4 結(jié)語

本文提出了將ISOMAP和SVM相結(jié)合的微震前兆辨識方法。利用非線性降維算法的數(shù)據(jù)投影過程中保持?jǐn)?shù)據(jù)內(nèi)在屬性的特點，提取微震監(jiān)測信號中的前兆敏感特征。結(jié)果表明，ISOMAP適應(yīng)于非線性微震前兆信息特征的提取。

但對于降維算法參數(shù)K、d的選取缺乏自適應(yīng)性，如要建立通用、可靠的前兆辨識方法，仍需大量的統(tǒng)計分析與研究工作。

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責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：孫 娟）

英文摘要Abstract：Aiming at the characteristic of microseismic signal by nonlinear and complexity， a method of Identification of seismic precursor based on Isometric feature map and SVM （Support vector machine） combination is proposed. For the advantages of ISOMAP that it can maintain the inner feature while projecting the high dimension data onto low dimension data space. To find embedded in highdimensional data spaces in the structure of lowdimensional manifolds ，which produced by ISOMAP from high dimension space of microseismic signal ， and consider them as feature vectors， adopting gauss kernel function SVM classifier to monitoring and early warning. Experimental results indicate that this method can effectively achieve the identification of seismic precursor of rock burst.

英文關(guān)鍵詞Key Words： Rock Burst； Microseismic Monitoring； Manifold Learning；Isometric Feature mapping； Support Vector Machine