专利名称：用于监测隧道岩体塌方的报警装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种岩体位移监测报警装置，尤其涉及一种采用基于差异 进化支持向量机的隧道岩体塌方监测信息预测方法和利用声音、灯光远距离报 警远程报警的报警装置。
背景技术：
随着我国基础建设的进行，水利、交通、矿山、建筑等各行业的地下工程 正方兴未艾。很多情况下，隧道围岩处于破碎带和软弱带等复杂的地质条件， 容易发生塌方事故。对这种恶劣条件下围岩的位移监测和塌方的预报显得非常 重要。传统的围岩位移一般通过人工定期去读取位移数据，然后由技术人员进 行分析， 一方面恶劣地质条件和塌方的可能性对于读测人员具有很大的危险性， 另一方面数据的读取与分析具有一定滞后性。上述问题不利于保证隧道和人员 的安全，容易造成事故。因此，研究更好的监测围岩位移的时间序列预报算法 并设计具有在线和自动报警的装置具有重要的意义。 发明内容
本实用新型针对克服破碎带和软弱带围岩隧道传统监测方法对监测人员的 人身安全和数据分析滞后等方面的问题，而研制一种围岩位移的差异进化支持 向量机预测方法和在线自动监测和塌方语音报警的报警装置。本实用新型采用 的技术手段如下
一种用于监测隧道岩体塌方的报警装置，包括安装在围岩的监测位置上对 围岩的位移信息进行检测的位移传感器，用于显示围岩位移信息的显示单元； 其特征在于还包括
用于对围岩位移信息进行预测和围岩安全状态进行判断的处理单元；
用于对装置进行信息设定的数值设定单元；
用于存储围岩位移采样信息的数据存储单元；
用于围岩位移信息和/或危险状态报警信息进行语音播报的语音输出单元； 用于对围岩状态进行显示的警示灯输出单元；
所述位移传感器将围岩位移信息传送到处理单元进行分析和预测处理，后处理单元将预测的围岩位移信息同围岩状态判别信息进行比较，然后处理单元 再将不同的围岩状态信息转化为不同灯光的控制信号发送到警示灯输出单元进 行围岩状态的灯光显示；当预测的围岩位移信息超过设定警戒值则处理单元向 语音输出单元发出控制指令进行语音报警。
所述处理单元对位移传感器将围岩位移信息进行差异进化支持向量机算法 进行滚动预测处理。
该系统能够自动地在线监测围岩变形数据，并采用差异进化支持向量机的 时间序列模型及时地对数据进行分析预测，根据警戒值进行声音和灯光远距离 报警，报警具有超前性，使相关人员在安全范围内掌握围岩的状态，并及时做 出反应。该装置带有存储数据的功能，也可以进行数据保存和转移。充分利用 了微处理器的信息处理和计算能力实现了围岩位移的在线自动监测预报，差异 进化支持向量机时间序列算法的优越性提高了预报的准确性。另外，语音和灯 光报警可以远距离传达信息，保证了人身安全。声音报警的使用，使信息更加 清楚。
图l为本实用新型的结构框图2为围岩位移时间序列滚动预测示意图3为围岩位移差异进化支持向量机的时间序列预测算法流程框图； 图4为监测隧道岩体塌方的报警系统流程图； 图5为语音报警单元的硬件图；具体实施方式
如图1所示的用于监测隧道岩体塌方的报警装置，能够自动地在线监测围 岩变形数据，并能够及时地对数据进行分析预测，根据警戒值进行声音和灯光 远距离报警，声音报警的信息明确，使相关人员远距离掌握围岩的状态，并及 时做出反应，该装置带有存储数据的功能，也可以进行数据保存和转移。该报 警装置通过安装在围岩上的多个位置的位移传感器101获得电测信号，通过信 号变送器102、 A/D转换单元103输入处理单元105屮，处理单元105根据时钟 的周期进行时间序列的采样(如每小时l次)，这里为了防止千扰，采用了信号 的平滑滤波方法采集数据，采样的数据存入数据存储单元106，围岩位移的大小 和变形速率是衡量围岩状态以及是否可能塌方的重要信息，其时间序列蕴涵了 位移变化的趋势，通过处理单元105对时间序列分析预测，围岩状态的判别准则可由数值设定单元104进行信息设定，然后根据判别准则得到围岩状态，以
此来评价围岩是危险、比较危险还是安全的状态，可通过显示单元109进行显
示，也可通过不同颜色的灯光进行报警，同时调用语音报警单元进行语音报警。
本实施例的处理单元105采用单片机8031;语音输出单元107由语音芯片 ISD33060、音频放大器和扬声器组成；警示灯输出单元108输出的各种颜色的
指示灯起到警示的含义(如红、绿、黄分别代表危险、安全和比较危险)。图
5是语音报警单元的硬件电路图，反映了一种语音报警的实现方式，由微处理器、 语音芯片ISD33060、音频放大器和扬声器组成。
如图2、图3所示对时序模型和差异进化支持向量机的算法流程进行说明， 现场监测的数据构成了非线性的时间序列(xiH(xl， x2,…，xN}，对这个非线性 位移序列进行预测，就是要寻找在i+P时刻的位移值和前p个时刻的位移值 xi, xi+l，…，xi+p-1的关系，即xi+p=f (xi， xi+l，…，xi+p-l) ， f ()为一个非线性 函数，表示位移时间序列之间非线性关系。根据支持向量机理论，上述的非线 性对应关系可以通过支持向量机对若干组实测位移序列样本的学习获得。用(4) 表示求解。在利用进化支持向量机方法进行位移时间序列预测时，为了充分利 用最新的信息，提高预测的准确性，采用了滚动预测的方法。其基本思想是， 假设要对时间序列k"进行预测，最佳历史点数为p，预测的步数为m(p、m根 据实际问题确定)；目前己经获得n个时间序列U0，xl，…,xn-1}，滚动预测的 第 一 步是，用n个时间序列的{xi， xi+l，， xi+p-1， xi+p} (i=0， 1, 2，…，n-p-l)n-p组时序预测n时刻后的{xn， xn+l，， xn+m-l)m个时序； 随着后面m个时序的获得，用m个新的时序替代前面的{x0， xl,， xm-l}m个时 序进行下一步的预测，得到下一次的m个预测值，依次类推(如图2所示)。
采用支持向量机建立时间序列模型，可以反映上述复杂的非线性关系f ()。 但是在采用支持向量机进行建模时，有两类参数即惩罚因子C和核参数(本文 为ci)，是非常重要的，直接影响了模型的预测准确程度。寻求最佳的惩罚因子C 和核参数ci是一个最佳模型选择问题。利用差异进化算法对支持向量机的C和(T 进行搜索，可以减少试算的盲目性，提高模型预测准确性。监测信息预测分析 的差异进化支持向量机模型算法的流程图如下
(1) 根据采集的位移时间序列构造样本。
(2) 对差异进化支持向量机算法进行初始化设置，包括设置差异进化初始参 数，待优化变量数为2，种群数量，縮放因子F，杂交概率常数CR。随机给出初
5始种群，不同的个体对应不同的支持向量机参数(核参数cj和C)。
(3) 按照差异进化的算法进行变异操作和交叉操作。
(4) 每个个体对应的参数决定一个支持向量机模型，用它对测试样本进行预 测，计算每个个体的适应值f(x)，以反映本支持向量机模型的推广预测能力， 适应值函数如下
<formula>formula see original document page 6</formula>式中，xi为第i个测试样本的位移预测值；xi'为第i个测试样本的实测值； i=l， 2，…n， n为测试样本的个数。采用贪婪搜索原则进行差异进化算法的选 择操作。
(5) 判断选择个体的适应值是否满足要求，如不满足要求，再进行新一轮的 计算，返回步骤(3)。如果适应值满足要求，计算结束。
(6) 利用获得支持向量机模型进行围岩位移变化的预报。
如图4所反映的报警系统工作过程如下首先通过自动监测装置进行围岩 位移的时间序列采样，并存入数据存储单元，然后将这些时间序列数据构造成 滚动预测样本数据，调用差异进化支持向量机算法进行学习和训练，获得时间 序列模型，并对未来的时间的位移进行预测。根据围岩的埋深、洞室尺寸和岩 体类别实现设定了警戒值，将预测值与设定警戒值进行比较，如果小于警戒值， 则说明围岩是安全的。如果预测值大于警戒值则结合变形速率进行危险性类别 判断，并进行声音和灯光报警。另外，处理单元及A/D转换单元、数值设定单 元、数据存储单元、语音输出单元和警示灯输出单元可以集成在一个电路板， 并安装在一个密封金属盒中，体积小巧，并且具有防水作用。单片机具有较低 的成本的同时，其较强的数据信息处理能力，可以对信号在线进行时间序列的 采样及分析预测。灯光和语音报警，可以使人在远方安全地获得围岩的状态信 息。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式
，但本实用新型的保护范 围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范 围内，根据本实用新型的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵 盖在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1、一种用于监测隧道岩体塌方的报警装置，包括安装在围岩的监测位置上对围岩的位移信息进行检测的位移传感器，用于显示围岩位移信息的显示单元；其特征在于还包括用于对围岩位移信息进行预测和围岩安全状态进行判断的处理单元；用于对装置进行信息设定的数值设定单元；用于存储围岩位移采样信息的数据存储单元；用于围岩位移信息和/或危险状态报警信息进行语音播报的语音输出单元；用于对围岩状态进行显示的警示灯输出单元；所述位移传感器将围岩位移信息传送到处理单元进行分析和预测处理，后处理单元将预测的围岩位移信息同围岩状态判别信息进行比较，得到围岩未来状态信息后处理单元再将不同的围岩状态信息转化为不同灯光的控制信号发送到警示灯输出单元进行围岩未来状态的灯光显示；当预测的围岩位移信息超过设定警戒值则处理单元向语音输出单元发出控制指令进行语音报警。
专利摘要本实用新型公开了一种用于监测隧道岩体塌方的报警装置，包括位移传感器、显示单元、处理单元、数据存储单元、语音输出单元和警示灯输出单元；位移传感器将围岩位移信息传送到处理单元进行分析和预测处理，后将预测的围岩位移信息同围岩状态判别信息进行比较；处理单元再将不同的围岩状态信息转化为不同灯光的控制信号发送到警示灯输出单元进行围岩状态的灯光显示；当预测的围岩位移信息超过设定警戒值则处理单元向语音输出单元发出控制指令进行语音报警，其中数据分析部分采用差异进化支持向量机的时间序列模型及时地对数据进行分析预测的方法。该系统具有警戒值声音和灯光远距离报警，报警具有超前性等特点，适于在隧道、基坑等工程中广泛推广。
文档编号G08B21/00GK201315089SQ20082021827
公开日2009年9月23日 申请日期2008年9月26日 优先权日2008年9月26日
发明者姜谙男 申请人:大连海事大学