張世佳, 饒運(yùn)章*,, 王文濤, 譚述君, 巫輔宇
(江西理工大學(xué),a. 資源與環(huán)境工程學(xué)院; b. 土木與測(cè)繪工程學(xué)院,江西 贛州 341000)
離子型稀土礦原地浸礦是注入溶浸液將吸附態(tài)礦物離子交換浸出的采礦方法, 具有不破壞地表植被、無尾礦庫、資源回收利用率高等優(yōu)點(diǎn),是國家大力推廣的離子型稀土礦開采方法[1-3]。 長期大量注入浸礦液,使礦土強(qiáng)度減弱、孔隙增大,礦體抗剪強(qiáng)度降低,極易發(fā)生稀土礦邊坡滑塌[4-6]。 滑坡會(huì)危及礦山和周圍群眾的安全,因此必須加強(qiáng)對(duì)原地浸礦的稀土邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)及災(zāi)害預(yù)警, 為指導(dǎo)稀土礦山安全生產(chǎn)、保障群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全提供保障。
目前邊坡變形[7]預(yù)測(cè)的常用方法有:灰色模型[8]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[9]、向量機(jī)序列[10]等方法。蔣剛等利用灰色系統(tǒng)建立了單一測(cè)點(diǎn)的GM(1,1)邊坡變形預(yù)測(cè)模型,該模型是一種單變量灰色預(yù)測(cè)模型,只是對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象的局部變形研究,存在模型精確度不高等缺點(diǎn)[11];范新宇等利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)庫區(qū)高邊坡變形,但BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法收斂速度慢,在較大的搜索空間網(wǎng)絡(luò)易陷入局部極限值[12]。潘平通過小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論預(yù)測(cè)邊坡位移, 研究表明該預(yù)測(cè)方法效率較高,收斂速度快,但模型精確度不佳[13]。
針對(duì)以上不足, 本文利用強(qiáng)大的全局尋優(yōu)能力以及較快的收斂速度的遺傳算法對(duì)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)初始權(quán)值和閾值進(jìn)行優(yōu)化, 再利用BP-ANN 算法搜索最優(yōu)解, 從而得到改進(jìn)后的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法,即GA-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。 將此算法應(yīng)用于稀土礦邊坡位移監(jiān)測(cè)分析工作, 驗(yàn)證該方法在邊坡變形監(jiān)測(cè)中的適用性。
龍南某稀土礦區(qū)位于江西省龍南市東南10 km,面積為23.306 km2, 區(qū)內(nèi)地貌為風(fēng)化低山丘陵地貌,山頂渾圓,地形從東到西走向,溝谷縱橫起伏。礦區(qū)氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)型,礦區(qū)年最高氣溫為39.3 ℃,最低氣溫-7.9 ℃。礦區(qū)內(nèi)花崗巖全風(fēng)化層的全部或部分是礦體,礦體的分布與花崗巖全風(fēng)化層的分布情況基本一致,呈似層狀沿花崗巖全風(fēng)化層分布,且大體連續(xù)成片,具有面型風(fēng)化殼特征,沿地形變化呈波狀起伏展布。
礦體總體形態(tài)簡(jiǎn)單,但礦體單體而言,其平面形態(tài)略為復(fù)雜,多呈闊葉狀。 礦體剖面形態(tài)簡(jiǎn)單,總體呈似層狀波浪起伏。 各礦體單體剖面上呈蓋形,礦體由中部向四周傾斜,沿山脊礦體傾斜較緩,一般約為5°~10°;沿山坡礦體傾斜較陡,多為20°~30°,山坡局部坡度可達(dá)40°。 礦區(qū)礦體垂向上厚度多為6~10 m,最小厚度為4.7 m,最大厚度達(dá)13.0 m。 據(jù)勘探淺井工程統(tǒng)計(jì),礦體平均厚度為8.1 m,其中山頂?shù)V體最厚,一般為9~13 m;山脊礦體厚度次之,一般為6~9 m;山坡兩翼及坡腳礦體厚度較薄,一般為4~6 m。 礦體產(chǎn)狀較為平緩,平均厚度中等,為似層狀面型表露礦體,形態(tài)較為簡(jiǎn)單,受地貌形態(tài)的制約,其產(chǎn)狀和厚度變化明顯。
因礦體賦存在白云母、 黑云母花崗巖風(fēng)化殼中,風(fēng)化殼厚且松散,礦體覆蓋層較小,強(qiáng)風(fēng)化帶裂隙十分發(fā)育,巖體破碎,巖礦均屬不堅(jiān)固巖組。受地形地貌及風(fēng)化程度差異的影響,導(dǎo)致了風(fēng)化殼在垂直剖面上的地層差異,自上而下可劃分為:表土層、全風(fēng)化層、半風(fēng)化層、基巖層,具體位置關(guān)系如圖1 所示。
圖1 龍南某稀土礦賦存位置剖面示意Fig. 1 Profile of occurrence location of a rare earth mine in Longnan
龍南某稀土礦采用原地浸礦工藝,溶浸液、雨水是誘發(fā)滑坡的最主要因素。當(dāng)潛滑體土壤的含水率增大并趨向飽和時(shí),土壤的內(nèi)聚力(c)減小,從而降低了土體的抗剪強(qiáng)度,導(dǎo)致滑坡發(fā)生[14]。 因山體內(nèi)部溶浸液對(duì)電子元件有侵蝕作用,故滲壓監(jiān)測(cè)選擇光纖光柵微型滲壓計(jì),坡體水飽和度監(jiān)測(cè)選擇數(shù)字式土壤水分計(jì)。 同時(shí)考慮到降雨對(duì)礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的誘發(fā)作用,需要布置一個(gè)雨量監(jiān)測(cè)點(diǎn),考慮到本礦山采用原地浸礦回收母液的開采方式,在礦體或處于高地下水區(qū)域的邊坡或滑坡體需要增設(shè)一個(gè)地下水位觀測(cè)點(diǎn)。具體傳感器布置如圖2 所示。
圖2 山體剖面?zhèn)鞲衅鞑季W(wǎng)與埋設(shè)示意Fig. 2 Mountain profile sensor network and embedding map
對(duì)于本礦山潛在的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)(例如可能的滑坡體和飽水邊坡),以其變形監(jiān)測(cè)為重點(diǎn),即對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象在表面布設(shè)若干表面位移測(cè)點(diǎn),同時(shí)在兩個(gè)不同高程各布設(shè)一套內(nèi)部變形儀器,共同監(jiān)測(cè)潛在滑坡體的位移變形,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其穩(wěn)定狀況。 表面位移監(jiān)測(cè)傳感器選用數(shù)字式測(cè)縫計(jì)和新型光纖光柵位移計(jì),位移監(jiān)控使用數(shù)字式測(cè)縫計(jì),由光纖光柵組成的傳感器則可實(shí)現(xiàn)回收再利用,內(nèi)部變形傳感器選用多點(diǎn)位移計(jì)或數(shù)字式測(cè)斜儀。重點(diǎn)研究位移監(jiān)測(cè)在稀土礦邊坡穩(wěn)定性方面的應(yīng)用。
人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (Artificial Neural Network,ANN),是1980 年后興起的熱點(diǎn)算法模型,主要通過模仿大腦神經(jīng)元結(jié)構(gòu)和其反射過程建立數(shù)據(jù)處理模型[15-17]。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)屬于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一種,BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),由輸入層、隱含層、輸出層、輸入向量、隱權(quán)值、閾值、隱含層的激勵(lì)函數(shù)、輸出層激勵(lì)函數(shù)和輸出函數(shù)組成[18-20]。
雖然BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有容錯(cuò)能力、自適應(yīng)能力強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn),但BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法收斂速度慢,在較大的搜索空間網(wǎng)絡(luò)易陷入局部極限值[21-22]。 為了改進(jìn)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),本文結(jié)合GA(遺傳算法)的全局搜索能力, 采用GA 算法對(duì)ANN 的初始權(quán)值和閾值進(jìn)行優(yōu)化,再利用BP-ANN 算法搜索最優(yōu)解,從而得到改進(jìn)后的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法,即GA-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法,優(yōu)化后算法流程圖如圖3 所示。
圖3 GA-BP 算法流程Fig. 3 GA-BP algorithm flow chart
采用MatlabR2018a 對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算法預(yù)測(cè),為了改進(jìn)BP-ANN,結(jié)合GA 的全局搜索能力,采用GA 算法對(duì)ANN 的初始權(quán)值和閾值進(jìn)行優(yōu)化,再利用BP-ANN 算法搜索最優(yōu)解。 GA-BP 算法大體包括以下步驟:BP-ANN 的建立、GA 對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值的優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)、程序測(cè)試與仿真。
以龍南某稀土礦監(jiān)測(cè)點(diǎn)5 的130 組邊坡數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象, 前125 組作為預(yù)測(cè)模型的訓(xùn)練樣本,剩下5 組作為模型的測(cè)試樣本,通過BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、GA-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來分析監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的4 種誤差, 監(jiān)測(cè)點(diǎn)5 號(hào)、6 號(hào)的位移累加值如圖4 所示。
圖4 5 號(hào)、6 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移數(shù)據(jù)Fig. 4 Displacement data of No.5 and No.6 monitoring points
3.2.1 BP 參數(shù)設(shè)置
1) 輸入層和輸出層使用zeros 函數(shù)獲取。 調(diào)用zeros 函數(shù)生成全零矩陣,調(diào)用格式如下:A=zeros(m,n),本程序輸入變量需生成130 行5 列的全零矩陣,輸出變量需生成125 行1 列的零矩陣, 調(diào)用輸入函數(shù)“input”,調(diào)用輸出函數(shù)“output”,以125 組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù),5 組數(shù)據(jù)作為測(cè)試數(shù)據(jù)。 即輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)為5,輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)為1。
2)隱含層節(jié)點(diǎn)的確定過程。 本模型采用3 層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)模型,隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)量不同,均方誤差也不相同。 為了得到較優(yōu)隱含層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù),使模型均方誤差最小,采用數(shù)量經(jīng)驗(yàn)公式(1)確定隱含層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。
式(1)中:p 表示隱含層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù);n 為輸入層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù);m 為輸出層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù);a 表示0~10 范圍內(nèi)的常數(shù)。
3)其他BP 參數(shù),如學(xué)習(xí)速率、訓(xùn)練次數(shù)、訓(xùn)練目標(biāo)誤差等。 為了提高網(wǎng)絡(luò)的擬合精度和泛化能力,通過反復(fù)比較確定網(wǎng)絡(luò)參數(shù), 訓(xùn)練次數(shù)為1 000 次,最小誤差為0.000 1, 顯示頻率為0.01, 動(dòng)量因子為0.01,最小性能梯度為1×10-6,網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)速率為0.01。
3.2.2 GA 參數(shù)設(shè)置
選用遺傳算法對(duì)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值進(jìn)行優(yōu)化, 在遺傳算法中采用兩點(diǎn)交叉法交換染色體,采用高斯變異法對(duì)染色體進(jìn)行變異,遺傳算法參數(shù)選取如下:選取種群規(guī)模為60,種群進(jìn)化代數(shù)為80,交叉概率取0.8,變異概率取0.008。
3.3.1 優(yōu)化變量
使用遺傳算法求解優(yōu)化問題時(shí),對(duì)于優(yōu)化變量有3 種編碼方式:向量形式編碼、二進(jìn)制編碼、矩陣形式編碼。 由于閾值和權(quán)值選用的是矩陣函數(shù),為方便對(duì)每個(gè)元素都進(jìn)行優(yōu)化,先將元素分別取出,然后按取的順序放入向量(染色體)中完成編碼。權(quán)重和閾值的經(jīng)驗(yàn)范圍為[-1,1]。
3.3.2 適應(yīng)度函數(shù)的計(jì)算
適應(yīng)度函數(shù)的優(yōu)劣直接影響到GA(Genetic Algorithm)的性能,設(shè)置適應(yīng)度函數(shù)要根據(jù)實(shí)際問題要求而設(shè)計(jì),所以適應(yīng)度公式選擇為求解最小的均方誤差。在使用遺傳算法優(yōu)化后,適應(yīng)度函數(shù)值越小,表明訓(xùn)練越準(zhǔn)確,預(yù)測(cè)精度更好。 適應(yīng)度函數(shù)的計(jì)算公式為:
3.3.3 算法優(yōu)化設(shè)計(jì)
由于確定了優(yōu)化變量和適應(yīng)度函數(shù),所以只需要將遺傳算法視為“黑箱”優(yōu)化器,即可以輸出最小誤差和最優(yōu)解變量,再將變量賦給BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的閾值和權(quán)值相應(yīng)位置, 然后進(jìn)行優(yōu)化后的BP 訓(xùn)練與測(cè)試。具體步驟和流程見圖3。
本模型采用3 層BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)模型,輸入層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為5,輸出層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為1,不同隱含層均方誤差如圖5 所示,在隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)范圍內(nèi),隨隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)從小到大的變化過程中,整個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確率也隨之發(fā)生變化:BP-ANN 程序運(yùn)算得出監(jiān)測(cè)點(diǎn)5 和監(jiān)測(cè)點(diǎn)6 的最佳隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為14 和7,均方誤差均取得最小值,分別為0.059 55 和0.016 93。
圖5 不同隱含層均方誤差Fig. 5 Mean square error of different hidden layers
同時(shí)發(fā)現(xiàn)隨著隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)增加,監(jiān)測(cè)點(diǎn)5 均方誤差波動(dòng)較大, 在隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為8 時(shí)達(dá)到最大,而且均方誤差值遠(yuǎn)超于其他節(jié)點(diǎn),可能是因?yàn)檫z傳算法優(yōu)化的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是為了能夠有更大的可能性獲得全局最優(yōu)解,本質(zhì)上仍是概率問題,所以可能存在某個(gè)個(gè)體不符合整體趨勢(shì), 在概率上未能得到最優(yōu)解,從而出現(xiàn)較大的誤差。隨著隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)增加,監(jiān)測(cè)點(diǎn)6 均方誤差變化不大, 隱含層中第8 節(jié)點(diǎn)至第13 節(jié)點(diǎn)均方誤差的逐漸減小, 由于隨著隱含層神經(jīng)元數(shù)量的增加,一方面訓(xùn)練時(shí)間隨之加長,另一方面可能造成模型泛化能力下降。
在使用遺傳算法優(yōu)化后, 適應(yīng)度函數(shù)值越小,表明訓(xùn)練越準(zhǔn)確,預(yù)測(cè)精度更好。 由圖6 可知遺傳算法最佳適應(yīng)度值為4.152 76×10-5, 平均適應(yīng)度值為2.904 24×10-4, 說明了GA-BP 算法適應(yīng)度函數(shù)選取恰當(dāng)。
圖6 最佳適應(yīng)度圖Fig. 6 Optimal fitness figure
針對(duì)龍南某稀土礦的剩余5 組測(cè)試樣本分別采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、GA-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行分析,分析對(duì)比BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、GA-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這2 種模型的相對(duì)誤差、平均絕對(duì)誤差、均方誤差、均方誤差根、平均絕對(duì)百分比誤差,具體數(shù)值見表1。 以此來衡量GA-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)稀土礦邊坡的位移監(jiān)測(cè)的性能。
表1 真實(shí)值和預(yù)測(cè)值對(duì)比Table 1 Comparison of real and predicted values
BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和GA-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法真實(shí)值與預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差(擴(kuò)大1 000 倍)見圖7, BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法相對(duì)誤差先略微減小然后增大最后又減小,而GA-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的相對(duì)誤差則呈現(xiàn)一直增大的趨勢(shì),近似線性變化,但其相對(duì)誤差的最大值仍小于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法相對(duì)誤差的最小值。 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法平均相對(duì)誤差7.78%,GA-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的平均相對(duì)誤差2.16%, 在相對(duì)誤差方面,GA-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法優(yōu)化到傳統(tǒng)的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法誤差的1/3 以下。
GA-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法得到的預(yù)測(cè)值基本與真實(shí)值相吻合,BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法得到的預(yù)測(cè)值相對(duì)于GA-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法得到的預(yù)測(cè)值與真實(shí)值相差較大,GA-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法相對(duì)誤差較BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法波動(dòng)性較小、算法精度較高,用遺傳算法(GA)優(yōu)化后的BP-ANN 算法模型對(duì)稀土礦邊坡的位移監(jiān)測(cè)效果更好。
對(duì)比表2 前后預(yù)測(cè)模型誤差可知,BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法誤差的變化規(guī)律高低起伏,在[0.001,0.04]之間波動(dòng),波動(dòng)的范圍較GA-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)大,而GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法4 種誤差在[0.000 03,0.005] 之間波動(dòng),波動(dòng)范圍較小,且呈規(guī)律性變化,都在0.003 5 左右波動(dòng),有向0.003 5 收斂的趨勢(shì)。 GA-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在平均絕對(duì)誤差、均方誤差、均方誤差根、平均絕對(duì)百分比誤差分別比BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法降低86.5%、97.5%、84.5%、85.1%,GA-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法誤差優(yōu)化到傳統(tǒng)的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的1/3 以下。GA-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在4 種誤差方面要優(yōu)于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法,更具有優(yōu)越性,在4 種誤差方面用遺傳算法(GA)優(yōu)化后的BP-ANN 算法模型對(duì)稀土礦邊坡的位移監(jiān)測(cè)效果更好,見圖8。
表2 預(yù)測(cè)模型誤差Table 2 Prediction model error
圖8 模型誤差對(duì)比Fig. 8 Model error comparison
引入了BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法, 利用遺傳算法對(duì)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型初始權(quán)值和閾值進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化,將其應(yīng)用于稀土邊坡位移預(yù)測(cè)分析,主要得出以下結(jié)論:
1) 使用遺傳算法對(duì)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法模型的權(quán)值和閾值進(jìn)行優(yōu)化,監(jiān)測(cè)點(diǎn)平均相對(duì)誤差7.78%減小到優(yōu)化后的2.16%,模型精度有明顯提升。
2) GA-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法模型運(yùn)用于稀土礦邊坡位移預(yù)測(cè)分析,監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平均絕對(duì)誤差、均方誤差、均方誤差根、平均絕對(duì)百分比誤差分別比BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型降低了86.5%、97.5%、84.5%、85.1%。 GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法模型在這4 種誤差方面均優(yōu)于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法模型,表明該模型在稀土礦邊坡位移監(jiān)測(cè)中具有較高的適用性。
3) 在排除外界干擾的情況下, GA-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值基本吻合。 GA-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法模型能有效地預(yù)測(cè)了稀土礦邊坡的位移變化趨勢(shì),可作為稀土礦邊坡位移監(jiān)測(cè)預(yù)警分析的一種輔助手段。