基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)爆破振動(dòng)速度預(yù)測(cè)與分析

1、基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)爆破振動(dòng)速度預(yù)測(cè)與分析摘 要為提高爆破振動(dòng)速度的預(yù)測(cè)精度，進(jìn)而為防治爆破作業(yè)中爆破振動(dòng)危害提供有效而更加有效的依據(jù)，本文提出了 基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)方法，將各個(gè)爆破監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行正負(fù)相關(guān)的轉(zhuǎn)換，來統(tǒng)一爆破影響因素與爆破振動(dòng)速度之間的關(guān)系， 并把處理后的數(shù)據(jù)輸入到小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中對(duì)爆破振動(dòng)速度進(jìn)行預(yù)測(cè)，相比傳統(tǒng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，本文提出的預(yù)測(cè)模型 對(duì)爆破振動(dòng)速度預(yù)測(cè)精度將近提高了 10%，進(jìn)而為爆破方案的優(yōu)化提供強(qiáng)有力的理論根據(jù)。關(guān)鍵詞爆破振動(dòng)速度；爆破振動(dòng)危害；小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上式中：上式中：a為尺度因子，b為伸縮因子，在本文中使用的1引言隨著各種各樣的新型炸藥和

2、爆破器械的出現(xiàn)，爆破技術(shù)在 經(jīng)濟(jì)發(fā)展和建設(shè)中發(fā)揮著越來越重要的作用，在爆破技術(shù)的 運(yùn)用越來越廣泛，其所帶來的副作用也得到人民的廣泛關(guān)注， 爆破帶來的副作用主要有爆破振動(dòng)、飛石以及灰塵等，其中 危害最大的就是爆破振動(dòng)危害，指在爆破作業(yè)中，對(duì)周圍環(huán)境、 建筑物或構(gòu)筑物以及居民的生活所造成的不利影響，嚴(yán)重時(shí) 會(huì)造成周圍建筑物或構(gòu)筑物發(fā)生開裂或破壞1o衡量爆破振動(dòng) 危害的物理量為爆破振動(dòng)速度、爆破振動(dòng)主頻和爆破持續(xù)時(shí) 間2，錢七虎、陳士海3通過比較爆破地震與天然地震的區(qū)別， 指出：建筑結(jié)構(gòu)和巖土工程的爆破振動(dòng)安全判據(jù)是爆破振動(dòng) 地面運(yùn)動(dòng)的最大速度，因而在爆破方案中對(duì)爆破振動(dòng)速度進(jìn) 行預(yù)測(cè)可事先清楚此次

3、爆破方案對(duì)周圍環(huán)境的影響程度的大 小并事先采取措施對(duì)爆破振動(dòng)危害進(jìn)行控制和防治。目前已 有許多研究人員分別從理論模型、測(cè)試儀器、波形信號(hào)分析、 計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬、結(jié)構(gòu)的有限元分析方法以及目前運(yùn)用最廣 泛的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)爆破振動(dòng)速度進(jìn)行預(yù)測(cè)4。本文通過分析各個(gè) 影響爆破振動(dòng)速度因素之間的關(guān)系并不是十分明確而是十分 復(fù)雜的，既不屬于線性關(guān)系也不屬于非線性關(guān)系，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn) 行正負(fù)相關(guān)轉(zhuǎn)換以及無量綱化處理，將分析處理的數(shù)據(jù)輸入 到小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)爆破振動(dòng)速度進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到的預(yù)測(cè) 精度與其他常用的預(yù)測(cè)模型：BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)精 度比較，本文提出的預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)精度比BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè) 精度有很大提高，因

4、而可以為爆破方案提供更加準(zhǔn)確而有效 的優(yōu)化方案。2數(shù)據(jù)處理本文的數(shù)據(jù)來自于山東省青島市某地下車庫爆破開挖的 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，共選擇其中14組數(shù)據(jù)，通過分析在本文中選擇影 響爆破振動(dòng)因素的有：總藥量、最大齊爆藥量、爆心距以及 高差，爆破振動(dòng)速度的監(jiān)測(cè)包括三個(gè)方向(水平切向、水平 徑向與垂直方向)，因此要對(duì)三個(gè)方向的速度都要進(jìn)行預(yù)測(cè)。 在進(jìn)行預(yù)測(cè)之前，要首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的處理，進(jìn)而消除 一些不必要的預(yù)測(cè)誤差。在本文中特征因素為爆破振動(dòng)速度，相關(guān)因素變量為： 總藥量、最大齊爆藥量、爆心距以及高差，各個(gè)因素的監(jiān)測(cè) 數(shù)據(jù)來源于山東省青島市某地下車庫爆破檢測(cè)數(shù)據(jù)，由于場(chǎng) 地與爆破器械的限制使得總藥量與最大齊爆

5、藥量在數(shù)量上一 致，因此只考慮兩者中的一項(xiàng)。2.1計(jì)算步驟2.1.1數(shù)據(jù)的無量綱化處理研究系統(tǒng)中各個(gè)影響因素之間的單位并不一致，即為數(shù)據(jù) 的量綱不同，所以進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析與比較時(shí)比較困難，使得 無法得到比較準(zhǔn)確的結(jié)論，因此在進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析之前, 先對(duì)各組數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化的處理，將各個(gè)影響因素化為無 量綱的數(shù)據(jù)，無量綱化后的各組數(shù)據(jù)具有相同的定義，進(jìn)而 各組數(shù)據(jù)之間才有了可比性。相對(duì)常用的無量綱化方法有均 值化法、初值化法以及區(qū)間化法，本文采用均值化法對(duì)監(jiān)測(cè) 數(shù)據(jù)(表1)進(jìn)行無量綱化分析。表1監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)序號(hào)爆心距高差最大襪藥量(kg)總裝藥量(kg)水平徑向最大戴(CO/S)垂宜方向最大戴(函)

6、水平切向最趟度(cn/s)1132.30.630.631.17190.000064450.6038213.6562.30.550.550.37670.000028650.4585313.962.10.490.490.14530.1490.00004198412.3032.10.520.520.72620.000028650.3068510.672.30.630.631.31610.9310.000007021610.9872.30.550.551.43641.18480.000007021710.882.10.40.40.59330.43320.000007021810.3212.10.420

7、.420,65350.4290.000007021910.12.10.40.40.44150.36370.000007021109.972.10.520.520.96690.7310.000007021x.y.均值化公式：弓=w，力=y對(duì)表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行均值化xy計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2。表2均值化后序號(hào)總裝藥量最大齊爆藥量爆心距高差水平徑向最戲度垂直方向最大速度水平切向最大速度11.2331.2331.1231.0551.4880.00015274.409921.0781.0781.1721.0550.48130.00068043.3186730.9590.9591.2060.9630.1856

8、30.3530.000306641.0181.0180.9220.9630.927810.000067872.2407251.2331.2330.9221.0551.681382.20532.2370761.0781.0780.9491.0551.83512.80690.00004149570.7830.7830.940.9630.7581.02630.00004149580.8220.8220.8920.9630.834871.016350.0004149590.7830.7830.8720.9630.564030.861640.000041495101.0181.0180.8620.963

9、1.23531.73180.000414952.1.2正負(fù)相關(guān)的轉(zhuǎn)換在研究的過程中，影響因素Xj (幻與爆破振動(dòng)參數(shù)匕儂)的 關(guān)系若為負(fù)相關(guān)則要通過轉(zhuǎn)化使其關(guān)系變?yōu)檎嚓P(guān)，這樣有 利于對(duì)于分析結(jié)果的分析，轉(zhuǎn)化過程是通過算子4的作用，將 Xj(k)與D。相乘，進(jìn)而為X/)。，其與匕(幻的關(guān)系為正相關(guān)。XjD0 = xy (l)rf0,xy(2)da,.,Xj (k)do,.,Xj (n)rf0其中，弓=20/)-弓(砂* = 1,2,.”，玖為對(duì)稱化 算子，X/。為對(duì)稱化像。表3正負(fù)相關(guān)轉(zhuǎn)化后序號(hào)爆心距高差最大齊爆藥量總裝藥量水平徑向最大速度垂直方向最大速度水平切向最大速度11.2891.0S5

10、1.2331.2331.17190.000064450.603821.241.0551.3821.3820.37670.000028650.458531.2061.1471.S071.5070.14530.1490.0000419841.491.1471.4481.4480.72620.000028650.306851.491.0551.2331.2331.31610.9310.00000702161.4631.0551.3821.3821.43641.18480.00000702171.4721.1471.6831.6830.59330.43320.00000702181.521.1471.

11、6441.6440.65350.4290.00000702191.51.1471.6831.6830.44150.36370.000007021101.491.1471.4481.4480.96690.7310.0000070213小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是小波分析理論與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的產(chǎn)物, 小波分析具有時(shí)頻局部特性和聚焦的特點(diǎn)，可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行 多尺度的分析，有效的提取信號(hào)的局部信息；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一 種具有自學(xué)習(xí)性、自適應(yīng)性、魯棒性以及容錯(cuò)性；因而小波 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)同時(shí)具有小波分析與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是 依據(jù)小波分析理論來確定的，避免了 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 上的盲目性，具有很強(qiáng)的

12、學(xué)習(xí)能力。3.1模型的建立本文利用的是緊致結(jié)合型小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，直接有小波基 函數(shù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層的激勵(lì)函數(shù)，其中小波基函數(shù)表示1(x-a小波基函數(shù)為morlet小波函數(shù)。甲*。、。/?%#/，其中 c為常數(shù)。（上接第191頁）設(shè)小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層的神經(jīng)元不以 及隱含層神經(jīng)元兒的權(quán)重為M沁隱含層神經(jīng)元隊(duì)與輸出層神 經(jīng)元之間的權(quán)重為W隱含層的神經(jīng)元個(gè)數(shù)為”，且神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)輸出層的激勵(lì)函數(shù)為常用的Sigmoid函數(shù)（其中e是自然 常數(shù)八/二土則小波神經(jīng)晶模型可以表示為：?0=/| E W潮/（w*x,.），當(dāng)輸出層與期望輸出值 1左=1|_ i=l ）62不等時(shí)，則存在誤差E，其數(shù)學(xué)定義為:E =

13、 ?（d-y。），cr=l 根據(jù)誤差E而進(jìn)行反向傳播訓(xùn)練。3.2模型的訓(xùn)練與預(yù)測(cè)模型建立后將表3中經(jīng)過正負(fù)相關(guān)轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)作為輸入 函數(shù)輸入到小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，以用來對(duì)小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模 型進(jìn)行訓(xùn)練，其中輸出函數(shù)為爆破振動(dòng)速度，因此輸出層為 3。最后的四組數(shù)據(jù)作為預(yù)測(cè)樣本數(shù)據(jù)，同時(shí)也要進(jìn)行均值化 處理以及正負(fù)轉(zhuǎn)化，然后根據(jù)真實(shí)值與預(yù)測(cè)值之間的誤差來 判斷預(yù)測(cè)精度，經(jīng)過多次試驗(yàn)表明，當(dāng)隱含層的個(gè)數(shù)為12時(shí), 小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)效果最佳。與此同時(shí)建立普通的BP神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)對(duì)此次的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行后四組的預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果與小波 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)在同意表中以用來比較兩者對(duì)爆破 振動(dòng)速度預(yù)測(cè)精度。預(yù)測(cè)結(jié)果如

14、下：表4預(yù)測(cè)結(jié)果巍旅瞄（時(shí)8）I I水椰瞅簸（磁翰制鼬幽皿鼬詞顫EHQ22130244510J02479120.05130.04J43.790.06532734政fl.456823.432.10,49150.43611U70,647731.790.419m6方0.199552,03m524懶111J90.7W0,718313105791834D.4醐0373921541),124714.49O28,62帳3615水平徑向最大速度（cm/s）實(shí)測(cè)值（cm/s）小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)值（cm/s）預(yù)測(cè)誤差（渤BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)值（cm/s）預(yù)測(cè)誤差（防）0.10210.10492.740.11411.67

15、1.15861.09295.671.05488.960.52190.455412.740.606816.270.66750.65561.790.899534.76平均誤差5.7417.96從上表中可以清楚的看出，小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)爆破振動(dòng)速度的預(yù)測(cè)精度要比普通的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)其的預(yù)測(cè)精度平均要 高18%,相比而言小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)誤差較小。而小波神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)對(duì)水平徑向最大速度的預(yù)測(cè)誤差僅僅為5.74%,進(jìn)而預(yù)測(cè) 預(yù)測(cè)精度十分的高，對(duì)于預(yù)測(cè)垂直方向最大速度與水平切向 最大速度，預(yù)測(cè)誤差在10%左右，相對(duì)于對(duì)水平徑向最大速 度的預(yù)測(cè)誤差略大，但與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比預(yù)測(cè)誤差仍然很小， 可被爆破工程在預(yù)測(cè)爆破振動(dòng)速度使用，進(jìn)而來優(yōu)化爆破方 案，防治爆破振動(dòng)危害。4結(jié)論通過數(shù)據(jù)的分析與處理，得到各個(gè)影響爆破振動(dòng)速度的 因素與爆破振動(dòng)速度之間的關(guān)系是十分復(fù)雜，并不是簡(jiǎn)單的 線性獲非線性關(guān)系，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)各種關(guān)系復(fù)雜的因素可以 進(jìn)行“暗箱”操作，盡可能的考慮各個(gè)因素之間的關(guān)系，因 此利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)爆破振動(dòng)速度進(jìn)行預(yù)測(cè)減少了因處理數(shù)據(jù) 關(guān)系不當(dāng)而產(chǎn)生的預(yù)測(cè)誤差。本文在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，利 用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)爆破振動(dòng)速度進(jìn)行預(yù)測(cè)，模型利