开采地面沉陷预测的自适应神经模糊推理方法研究-矿业114网 
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开采地面沉陷预测的自适应神经模糊推理方法研究
2011-08-08
现行各种开采地面沉陷预测方法均存在着一个共同的缺陷, 均不能在集成以往开采地面沉陷工程实 例的基础上对某一地下采矿工程所引起的地面沉陷进行预测, 而只能根据某种物理的或力学的方法对其进行预 测。人类在工程实践中所创造的开采地面沉陷方面的经验是非常宝贵的财富, 应当在建立开采地面沉陷预测方 法时加以充分利用。以所收集的开采地面沉陷工程实例为基础, 应用自适应神经模糊推理系统对他们进行了集 成, 建立了开采地面沉陷预测的自适应神经模糊推理方法, 并进而采用工程实例对该方法进行了检验。结果表 明, 该方法具有收敛速度快、拟合能力强、推广预测精度高、解的稳定性好等优点, 是一种优异的开采地面...
2007 年 1 月 中 国 工 程 科 学 Jan. 2007 第 9 卷 第 1 期 Engineering Science Vol19 No11 学 术 论 文 开 采 地 面 沉 陷 预 测 的 自 适 应 神 经 模 糊 推 理 方 法 研 究 1 , 2 1 , 2 1 , 2 , 毕 忠 伟 丁 德 馨 , 张 志 军 ( 11 南 华 大 学 建 筑 工 程 与 资 源 环 境 学 院 , 湖 南 衡 阳 421001 ; 1 中 南 大 学 资 源 与 安 全 工 程 学 院 , 长 沙 410083) 2 [ 摘 要 ] 现 行 各 种 开 采 地 面 沉 陷 预 测 方 法 均 存 在 着 一 个 共 同 的 缺 陷 , 均 不 能 在 集 成 以 往 开 采 地 面 沉 陷 工 程 实 例 的 基 础 上 对 某 一 地 下 采 矿 工 程 所 引 起 的 地 面 沉 陷 进 行 预 测 , 而 只 能 根 据 某 种 物 理 的 或 力 学 的 方 法 对 其 进 行 预 测 。 人 类 在 工 程 实 践 中 所 创 造 的 开 采 地 面 沉 陷 方 面 的 经 验 是 非 常 宝 贵 的 财 富 , 应 当 在 建 立 开 采 地 面 沉 陷 预 测 方 法 时 加 以 充 分 利 用 。 以 所 收 集 的 开 采 地 面 沉 陷 工 程 实 例 为 基 础 , 应 用 自 适 应 神 经 模 糊 推 理 系 统 对 他 们 进 行 了 集 成 , 建 立 了 开 采 地 面 沉 陷 预 测 的 自 适 应 神 经 模 糊 推 理 方 法 , 并 进 而 采 用 工 程 实 例 对 该 方 法 进 行 了 检 验 。 结 果 表 明 , 该 方 法 具 有 收 敛 速 度 快 、 拟 合 能 力 强 、 推 广 预 测 精 度 高 、 解 的 稳 定 性 好 等 优 点 , 是 一 种 优 异 的 开 采 地 面 沉 陷 预 测 方 法 。 [ [ 关 键 词 ] 地 下 开 采 ; 开 采 地 面 沉 陷 ; 自 适 应 神 经 模 糊 推 理 系 统 + 中 图 分 类 号 ] TD325 14 [文 献 标 识 码 ] A [文 章 编 号 ] 1009 - 1742 (2007) 01 - 0033 - 07 陷 预 测 的 较 为 有 效 的 方 法 , 但 只 能 用 于 解 决 某 一 具 1 前 言 体 的 开 采 地 面 沉 陷 问 题 , 而 无 法 在 集 成 以 往 多 个 开 采 地 面 沉 陷 实 例 的 基 础 上 解 决 这 一 具 体 问 题 。 近 年 来 , 笔 者 尝 试 了 应 用 神 经 网 络 建 立 开 采 地 地 下 开 采 引 起 的 地 面 沉 陷 常 产 生 一 系 列 破 坏 效 应 。 如 使 沉 陷 区 内 的 管 线 破 坏 、 建 筑 物 开 裂 、 铁 路 及 公 路 路 基 下 陷 、 灌 溉 水 渠 损 坏 等 。 特 别 是 在 较 坚 硬 的 岩 层 下 采 用 空 场 法 采 矿 而 未 实 施 嗣 后 充 填 的 情 况 下 , 这 种 沉 陷 还 具 有 突 发 性 特 征 。 例 如 , 1999 年 12 月 27 日 23 时 左 右 , 湖 南 省 水 口 山 矿 务 局 铅 锌 矿 鸦 公 塘 区 二 采 区 突 然 发 生 大 规 模 沉 陷 , 其 来 势 有 如 地 震 爆 发 , 让 人 感 觉 天 旋 地 转 , 并 伴 有 巨 大 声 响 , 附 近 居 民 闻 风 逃 命 。 这 场 突 如 其 来 的 大 规 模 沉 陷 , 造 成 附 近 数 座 民 房 开 裂 、 倾 斜 , 造 成 大 片 山 林 [ 6 , 7] 。 但 这 种 方 法 尚 存 在 缺 陷 : 网 面 沉 陷 预 测 方 法 络 收 敛 速 度 较 慢 , 拟 合 能 力 较 差 , 推 广 预 测 精 度 较 低 , 在 不 改 变 训 练 数 据 对 秩 序 的 情 况 下 或 在 改 变 训 练 数 据 对 秩 序 的 情 况 下 重 新 进 行 训 练 , 均 得 不 到 相 同 的 结 果 。 这 些 缺 陷 严 重 影 响 了 该 方 法 的 应 用 。 研 究 表 明 , 由 人 工 神 经 网 络 和 模 糊 逻 辑 推 理 相 结 合 构 成 的 自 适 应 神 经 模 糊 推 理 系 统 (ANFIS) , 具 有 收 敛 速 度 快 、 拟 合 能 力 强 、 预 测 精 度 高 、 网 络 训 练 结 果 具 有 可 重 复 性 等 特 点 , 这 些 正 是 克 服 开 采 [ 1] 被 毁 法 矿 山 和 崩 落 法 矿 山 十 分 重 要 的 研 究 课 题 。 开 采 地 面 沉 陷 的 预 测 与 控 制 , 一 直 是 空 场 [ 8 , 9] 。 笔 [ 2] 。 地 面 沉 陷 预 测 神 经 网 络 方 法 缺 陷 所 需 要 的 者 应 用 ANFIS 原 理 , 建 立 开 采 地 面 沉 陷 预 测 的 自 适 应 神 经 模 糊 推 理 方 法 , 并 对 该 方 法 的 拟 合 能 力 和 推 广 预 测 能 力 进 行 研 究 。 近 几 十 年 来 , 开 采 地 面 沉 陷 预 测 研 究 已 取 得 巨 大 进 展 , 先 后 提 出 了 预 测 开 采 地 面 沉 陷 的 经 验 方 法 、 剖 面 函 数 法 、 数 值 模 拟 法 、 物 理 模 拟 法 以 及 随 [ 3~ 5] 机 介 质 理 论 法 等 。 这 些 方 法 虽 然 是 开 采 地 面 沉 [ [ 收 稿 日 期 ] 2005 - 07 - 19 ; 修 回 日 期 2005 - 10 - 22 基 金 项 目 ] 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 (50274043) ; 湖 南 省 自 然 科 学 基 金 重 点 资 助 项 目 (01JJ Y1004) ; 湖 南 省 教 育 厅 重 点 资 助 项 目 01A015) 作 者 简 介 ] 丁 德 馨 (1959 - ) , 男 , 湖 南 常 德 市 人 , 博 士 , 南 华 大 学 教 授 、 博 士 生 导 师 , 从 事 岩 土 工 程 灾 害 预 测 与 控 制 研 究 ( [ 3 4 中 国 工 程 科 学 第 9 卷 表 1 开 采 地 面 沉 陷 的 影 响 因 素 2   开 采 地 面 沉 陷 预 测 的 力 学 模 型 及 自 适 应 神 经 模 糊 推 理 方 法 的 建 立 Table 1 The factors influencing mining2induced surface subsidence 2 11   力 学 模 型 对 于 某 一 平 面 应 变 状 态 下 的 地 下 采 场 , 若 已 知 影 响 因 素 例 号 EΠGPa 216 914 311 813 1217 1314 1210 1310 310 210 916 214 218 310 312 314 110 1015 615 615 817 615 310 28 μ cΠMPa <Π(安) hΠm HΠm α Π(安) AΠm 自 m 采 场 围 岩 的 变 形 模 量 E、 泊 松 比 μ 、 内 聚 力 c 、 内 摩 擦 角 <、 采 场 垂 高 h 、 采 场 埋 深 H、 矿 体 倾 角 α 和 采 场 顶 板 暴 露 面 积 A , 则 要 预 测 的 开 采 地 面 沉 陷 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0118 0139 0123 0132 0120 0142 0126 0128 0130 0133 0127 0145 0126 0147 0128 0147 0123 0136 0128 0145 0124 0138 0127 0126 0120 0141 0122 0143 0124 0145 0126 0147 0136 0128 0120 1106 28 31 32 37 33 37 31 39 27 33 32 31 30 32 34 36 26 32 2100 400 2100 207 2100 400 2120 125 3100 225 1165 147 1167 272 2180 310 2100 333 0 0 0 500 自 200 400 自 250 160 自 70 的 几 何 参 数 有 上 山 移 动 角 γ 、 下 山 移 动 角 γ 、 中 r d 10 173 自 82 心 移 动 角 γ 图 1 所 示 。 和 地 面 最 大 下 沉 S max , 其 力 学 模 型 如 c 5 3 185 自 30 200 自 110 12 260 自 260 12 300 自 120 8 420 自 200 10 1126 55 22 304 自 115 12 348 自 178 12 370 自 207 11 2100 115 2150 163 2100 400 2100 400 2100 400 2100 400 2113 221 4116 187 4130 385 5100 385 2140 584 2160 380 2100 325 1125 230 7110 197 1194 181 2100 287 5190 400 12 13 0 0 0 0 8 6 6 6 210 自 110 210 自 110 210 自 110 210 自 110 300 自 115 600 自 210 970 自 400 1 000 自 400 图 1 开 采 地 面 沉 陷 预 测 的 力 学 模 型 Fig11   The mechanical model for predicting mining2induced surface subsidence 14 15 16 17 212   训 练 数 据 集 和 测 试 数 据 集 的 构 建 18 综 合 分 析 文 献 [10~ 20 ] , 得 到 28 个 开 采 地 面 19 0123 01515 33 0123 01515 33 沉 陷 实 例 , 其 开 采 地 面 沉 陷 的 影 响 因 素 列 于 表 1 , 开 采 地 面 沉 陷 的 几 何 参 数 列 于 表 2。 20 21 0122 0158 33 14 1 060 自 180 50 自 90 21 420 自 200 由 于 目 前 最 成 熟 的 ANFIS 为 单 输 出 系 统 , 因 22 0123 01515 33 6 此 , 须 构 建 4 个 彼 此 独 立 的 系 统 , 用 以 对 γ , γ , d γ c 和 Smax 进 行 预 测 。 这 4 个 ANFIS 分 别 记 为 γ r - ANFIS , γ - ANFIS , γ - ANFIS 和 r 23 0120 0140 0124 1120 0120 0162 35 32 34 24 6 5 9 80 自 80 110 自 90 300 自 102 d c Smax - ANFIS。 为 25 10 了 对 这 4 个 ANFIS 进 行 训 练 和 测 试 还 须 根 据 所 收 集 的 28 个 开 采 地 面 沉 陷 实 例 , 构 建 4 个 训 练 数 据 集 和 4 个 相 应 的 测 试 数 据 集 。 表 1 和 表 2 中 前 25 个 实 例 用 作 构 建 训 练 数 据 集 , 后 3 个 实 例 用 作 构 建 测 试 数 据 集 。 26 615 3 0123 01515 33 27 0120 0140 0120 0162 35 34 21 420 自 180 600 自 200 28 10 4 用 于 训 练 γ - ANFIS 的 训 练 数 据 集 中 包 含 的 4 个 训 练 数 据 集 如 下 ( 其 中 i = 1 , 2 , ⋯ , c 2 5) : 数 据 对 表 示 为 Ei , μ i , ci , <i , hi , Hi , α i , Ai ) → γ c i (3) 用 于 训 练 γ 据 对 表 示 为 Ei , μ i , ci , <i , hi , Hi , α i , Ai ) → γ ri (1) 用 于 训 练 γ - ANFIS 的 训 练 数 据 集 中 包 含 的 数 据 对 表 示 为 Ei , μ i , ci , <i , hi , Hi , α i , Ai ) → γ di (2) - ANFIS 的 训 练 数 据 集 中 包 含 的 数 ( r 用 于 训 练 数 据 对 表 示 为 Smax - ANFIS 的 训 练 数 据 集 中 包 含 的 (   d i i i i i i i i , c , < , h , H , A ( E , μ , α ) → Smaxi (4) 4 个 测 试 数 据 集 如 下 (其 中 i = 26 , 27 , 28) : 用 于 测 试 γ r - ANFIS 的 测 试 数 据 集 中 包 含 的 数 ( 第 1 期 丁 德 馨 等 : 开 采 地 面 沉 陷 预 测 的 自 适 应 神 经 模 糊 推 理 方 法 研 究 35   表 2 开 采 地 面 沉 陷 几 何 参 数 实 测 结 果 用 于 测 试 Smax - ANFIS 的 测 试 数 据 集 中 包 含 的 数 据 对 表 示 为 Table 2 The geometrical parameters for mining induced surface subsidence profile 沉 陷 几 何 参 数 ( Ei , μ i , ci , <i , hi , Hi , α i , Ai ) → Smaxi (8) 213   预 测 开 采 地 面 沉 陷 各 几 何 参 数 的 ANFIS 结 构 例 号 上 山 移 动 角 下 山 移 动 角 中 心 移 动 角 地 面 最 大 下 沉 SmaxΠm 确 定 γ rΠ(安) γ dΠ(安) γ cΠ(安) 根 据 前 述 力 学 模 型 , 分 别 设 定 4 个 ANFIS 初 始 1 2 3 4 5 6 7 8 9 70 70 90 01817 结 构 , 它 们 均 具 有 8 个 输 入 、 1 个 输 出 。 随 后 对 4 个 训 练 数 据 集 中 的 所 有 数 据 进 行 标 准 化 处 理 , 即 将 各 数 据 变 换 到 012~ 018 的 范 围 内 , 同 时 将 输 出 隶 属 度 函 数 设 定 为 一 阶 Sugeno 模 型 。 训 练 采 用 最 小 二 乘 法 (LSE) 和 梯 度 下 降 法 ( GD) 相 结 合 的 混 合 73 68 73 68 71 70 70 70 72 72 72 74 71 76 76 82 71 76 66 73 70 62 71 73 70 64 73 73 68 70 65 71 66 66 70 67 70 68 74 71 76 76 81 71 65 59 62 68 60 65 70 68 62 70 90 90 85 87 88 84 84 86 80 84 84 90 90 90 90 85 87 86 87 83 87 81 87 88 85 81 88 01156 01740 01943 01595 01830 01385 01248 01258 01652 01913 01573 01804 01798 01784 01771 11281 01556 11026 11513 01908 11036 01251 31293 31051 11031 01248 11250 [ 8 ,21 ,22] 。 各 结 构 的 训 练 情 况 如 下 : - ANFIS 结 构 的 训 练 情 况 : 给 8 个 输 入 训 练 方 法 1 ) γ r 变 量 分 别 赋 予 2 - 1 - 2 - 1 - 2 - 1 - 2 - 1 个 Gaussmf 型 隶 属 度 函 数 , 结 构 的 各 训 练 参 数 均 取 为 缺 省 值 , 训 练 经 过 43 次 循 环 后 结 束 , 训 练 误 差 为 01014 467。 训 练 过 程 中 误 差 的 变 化 情 况 如 图 2 所 示 , 训 练 后 所 得 到 的 结 构 如 图 3 所 示 。 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 图 2γ Fig12   The error variation during the training of γ - ANFIS - ANFIS 训 练 过 程 中 误 差 的 变 化 情 况 r 21 22 r 23 24 25 26 27 28 据 对 表 示 为 Ei , μ i , ci , <i , hi , Hi , α i , Ai ) → γ ri (5) 用 于 测 试 γ - ANFIS 的 测 试 数 据 集 中 包 含 的 数 据 对 表 示 为 Ei , μ i , ci , <i , hi , Hi , α i , Ai ) → γ di (6) 用 于 测 试 γ - ANFIS 的 测 试 数 据 集 中 包 含 的 数 据 对 表 示 为 Ei , μ i , ci , <i , hi , Hi , α i , Ai ) → γ c i (7) (   d ( 图 3 经 过 训 练 得 到 的 γ Fig13   The architecture of γ - ANFIS acquired after the completion of the training - ANFIS 结 构 r   c r ( 3 6 中 国 工 程 科 学 第 9 卷   2) γ - ANFIS 结 构 的 训 练 情 况 : 给 8 个 输 入 d 变 量 分 别 赋 予 2 - 1 - 2 - 1 - 1 - 1 - 2 - 2 个 Gbellmf 型 隶 属 度 函 数 , 结 构 的 各 训 练 参 数 均 取 为 缺 省 值 , 训 练 经 过 3 次 循 环 后 结 束 , 训 练 误 差 为 01016 18。训 练 过 程 中 误 差 的 变 化 情 况 如 图 4 所 示 , 训 练 后 所 得 到 的 结 构 如 图 5 所 示 。 图 7 经 过 训 练 得 到 的 γ Fig17   The architecture of γ - ANFIS 结 构 - ANFIS acquired c c 图 4γ Fig. 4 The error variation during the training of γ - ANFIS - ANFIS 训 练 过 程 中 误 差 的 变 化 情 况 d after the completion of the training d 4 ) S max - ANFIS 结 构 的 训 练 情 况 : 给 8 个 输 入 变 量 分 别 赋 予 2 - 1 - 2 - 1 - 2 - 1 - 1 - 1 个 Gaussmf 型 隶 属 度 函 数 , 结 构 的 各 训 练 参 数 均 取 为 缺 省 值 , 训 练 经 过 13 次 循 环 后 结 束 , 训 练 误 差 为 01000 775 3。 训 练 过 程 中 误 差 的 变 化 情 况 如 图 8 所 示 , 训 练 后 所 得 到 的 结 构 如 图 9 所 示 。 图 5 经 过 训 练 得 到 的 γ Fig15   The architecture of γ - ANFIS acquired after - ANFIS 结 构 d d the completion of the training 图 8 Smax - ANFIS 训 练 过 程 中 误 差 的 变 化 情 况 Fig18   The error variation during the training of Smax - ANFIS 3 ) γ c - ANFIS 结 构 的 训 练 情 况 : 给 8 个 输 入 变 量 分 别 赋 予 2 - 1 - 2 - 1 - 2 - 1 - 2 - 2 个 Gbellmf 型 隶 属 度 函 数 , 结 构 的 各 训 练 参 数 均 取 为 缺 省 值 , 训 练 经 过 4 次 循 环 后 结 束 , 训 练 误 差 为 至 此 , 得 到 了 预 测 开 采 地 面 沉 陷 几 何 参 数 γ r , 0 1000 042 989。训 练 过 程 中 误 差 的 变 化 情 况 如 图 6 γ d , γ c 和 陷 预 测 的 自 适 应 神 经 模 糊 推 理 方 法 (ANFIS方 法 ) 。 S max的 4 个 ANFIS结 构 , 构 成 了 开 采 地 面 沉 所 示 , 训 练 后 所 得 到 的 结 构 如 图 7 所 示 。 3   开 采 地 面 沉 陷 预 测 的 自 适 应 神 经 模 糊 推 理 方 法 的 检 验 311   拟 合 能 力 的 检 验 利 用 已 训 练 好 的 γ - ANFIS , γ - ANFIS , γ - d c r ANFIS 和 Smax - ANFIS , 用 表 1 中 1 例 至 25 例 的 各 图 6γ Fig. 6 The error variation during the training of γ - ANFIS - ANFIS 训 练 过 程 中 误 差 的 变 化 情 况 c 参 数 作 为 它 们 的 输 入 , 对 表 2 中 1 例 至 25 例 的 各 开 采 地 面 沉 陷 几 何 参 数 进 行 预 测 , 并 将 预 测 结 果 与 实 测 结 果 进 行 比 较 , 从 而 检 验 该 方 法 的 拟 合 能 力 。 c 第 1 期 丁 德 馨 等 : 开 采 地 面 沉 陷 预 测 的 自 适 应 神 经 模 糊 推 理 方 法 研 究 37   检 验 结 果 列 于 表 3。 从 表 3 可 以 看 出 , 预 测 值 与 实 测 值 非 常 接 近 , 最 大 相 对 误 差 不 超 过 3 % , 且 绝 大 部 分 预 测 值 与 实 测 值 的 相 对 误 差 在 0101 %以 下 。 这 表 明 , 这 种 方 法 的 拟 合 能 力 非 常 强 。 312   推 广 预 测 能 力 的 检 验 同 样 利 用 已 训 练 好 的 γ - ANFIS , γ - ANFIS , d r γ c - ANFIS 和 Smax - ANFIS , 用 表 1 中 26 例 至 28 例 的 各 参 数 作 为 它 们 的 输 入 , 对 表 2 中 26 例 至 28 例 的 各 开 采 地 面 沉 陷 几 何 参 数 进 行 预 测 , 并 将 预 测 结 果 与 实 测 结 果 进 行 比 较 , 从 而 检 验 该 方 法 的 推 广 预 测 能 力 。 检 验 结 果 列 于 表 4。 图 9 经 过 训 练 得 到 的 Smax - ANFIS 结 构 Fig19   The architecture of Smax - ANFIS acquired after the completion of the training 表 3 ANFIS 方 法 拟 合 能 力 的 检 验 结 果 Table 3 Test results for fitting capability of the ANFIS based approach 沉 陷 几 何 参 数 例 号 上 山 移 动 角 γ Π(安) r 下 山 移 动 角 γ Π(安) d 中 心 移 动 角 γ c (安) 地 面 最 大 下 沉 SmaxΠm 实 测 值 预 测 值 相 对 误 差 Π% 实 测 值 预 测 值 相 对 误 差 Π% 实 测 值 预 测 值 相 对 误 差 Π% 实 测 值 预 测 值 相 对 误 差 Π% 1 2 3 4 5 6 7 8 9 70 701005 3 721996 5 681000 0 721998 5 681001 6 711000 9 701000 5 691999 4 691999 7 721000 1 711998 8 721001 7 731514 2 721508 5 741410 7 761563 1 811999 3 711000 2 751999 5 661000 4 721999 9 701000 3 621000 3 701999 9 721999 9 01007 5 01004 7 01000 0 01002 0 01002 4 01001 3 01000 7 01000 9 01000 5 01000 1 01001 6 01002 3 01656 5 21124 7 21091 2 01740 9 01000 8 01000 3 01000 6 01000 5 01000 1 01000 4 01000 5 01000 2 01000 2 70 73 68 70 65 71 66 66 70 67 70 68 74 71 76 76 81 71 65 59 62 68 60 65 70 701032 0 721998 2 681107 1 691984 4 651002 6 701999 7 651987 5 661002 9 691 977 6 661997 5 701019 9 671997 2 731095 3 731096 7 741174 0 761493 1 811017 8 711002 0 641992 4 591005 3 611999 5 681018 6 601005 2 641998 6 691996 1 01045 7 01002 4 01157 5 01022 2 01004 0 01000 4 01019 0 01004 4 01032 0 01003 7 01028 4 01004 1 11222 5 21953 1 21402 6 01648 9 01022 0 01002 7 01011 7 01009 0 01000 8 01027 3 01008 7 01002 1 01005 5 90 90 90 85 87 88 84 84 86 80 84 84 90 90 90 90 85 87 86 87 83 87 81 87 88 901000 6 891999 8 901002 3 841999 9 871000 0 881000 0 831999 8 841000 1 851999 9 801000 0 841000 2 831999 6 891997 6 891999 5 901000 4 891999 5 851000 4 871000 0 861000 0 871000 0 831000 0 871000 2 811000 1 871000 0 881000 0 01000 7 01000 2 01002 6 01000 2 01000 1 01000 0 01000 3 01000 1 01000 1 01000 0 01000 3 01000 4 01002 7 01000 5 01000 5 01000 6 01000 4 01000 0 01000 0 01000 0 01000 0 01000 3 01000 1 01000 0 01000 0 01817 01156 01740 01943 01595 01830 01385 01248 01258 01652 01913 01573 01804 01798 01784 01771 11281 01556 11026 11513 01908 11036 01251 31293 31051 01814 1 01355 7 01346 7 11322 8 01096 3 01032 8 01032 1 01106 0 01094 3 21245 7 01035 3 01050 5 01157 5 11500 4 01141 5 01852 7 01674 5 01094 7 01001 6 01058 3 01042 2 01006 8 01099 3 01703 5 01000 9 01003 1 73 68 73 68 71 70 70 70 72 72 72 74 71 76 76 82 71 76 66 73 70 62 71 73 01155 5 01749 8 01942 1 01595 2 01830 3 01384 6 01248 2 01263 8 01652 2 01913 5 01573 9 01791 9 01799 1 01790 7 01765 8 11279 8 01556 0 11026 6 11512 4 01908 1 11035 0 01249 2 31293 0 31050 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 3 8 中 国 工 程 科 学 第 9 卷 表 4 ANFIS 方 法 推 广 预 测 能 力 的 检 验 结 果 Table 4 Test results for generalization prediction capability of the ANFIS based approach 沉 陷 几 何 参 数 例 号 上 山 移 动 角 γ Π(安) r 下 山 移 动 角 γ Π(安) d 中 心 移 动 角 γ c (安) 地 面 最 大 下 沉 SmaxΠm 实 测 值 预 测 值 相 对 误 差 Π% 实 测 值 预 测 值 相 对 误 差 Π% 实 测 值 预 测 值 相 对 误 差 Π% 实 测 值 预 测 值 相 对 误 差 Π% 121970 5 26 70 691361 6 621867 8 741070 2 01912 0 11769 0 11466 1 68 62 70 691081 1 621238 5 691248 5 11589 9 01384 7 11073 5 85 81 88 851640 3 801950 1 871878 1 01753 3 01061 6 01138 5 11031 01248 11250 01897 3 27 64 73 01259 0 11219 4 41439 0 21450 0 28   从 表 4 可 以 看 出 , 采 用 所 建 立 的 开 采 地 面 沉 陷 [ 5 ] 洪 镀 . 岩 移 相 似 材 料 模 型 观 测 成 果 的 处 理 [A ]. 全 国 矿 山 测 量 学 术 会 议 论 文 集 [C]. 1984 预 测 的 自 适 应 神 经 模 糊 推 理 方 法 对 此 3 例 所 作 的 推 广 预 测 , 与 其 实 测 结 果 非 常 接 近 , 最 大 相 对 误 差 不 超 过 13 % , 且 其 余 的 相 对 误 差 均 在 415 %以 下 。 从 工 程 应 用 角 度 来 看 , 这 种 方 法 的 精 度 是 足 够 高 的 。 而 且 随 着 工 程 中 新 创 造 的 开 采 地 面 沉 陷 实 例 不 断 地 被 集 成 到 训 练 数 据 集 中 来 , 这 种 方 法 的 预 测 精 度 还 会 进 一 步 提 高 。 [ [ 6 ] 7 ] 丁 德 馨 . 地 下 采 场 围 岩 刚 度 与 强 度 参 数 的 正 交 反 演 方 法 [J ]. 中 国 矿 业 , 1998 , 7(6) : 47~ 50 丁 德 馨 , 毕 忠 伟 , 王 卫 华 . 开 采 地 面 沉 陷 预 测 的 神 经 网 络 方 法 研 究 [J ]. 南 华 大 学 学 报 , 2003 , 16(3) : 1 ~ 5 [ [ 8 ] 9 ] 张 智 星 , 孙 春 在 , 水 谷 英 二 (日 ) . 神 经 模 糊 和 软 计 算 [M]. 张 平 安 , 高 春 华 译 . 西 安 :西 安 交 通 大 学 出 版 社 , 2000 4 结 语 张 志 军 , 丁 德 馨 . 人 工 神 经 网 络 与 自 适 应 神 经 模 糊 推 理 系 统 的 拟 合 能 力 和 推 广 预 测 能 力 的 比 较 研 究 1 ) 所 建 立 的 开 采 地 面 沉 陷 预 测 的 自 适 应 神 经 [ J ]. 南 华 大 学 学 报 , 2003 , 17(4) : 1~ 4 丁 德 馨 . 湘 西 金 矿 极 不 稳 固 顶 板 稳 定 性 控 制 研 究 J ]. 衡 阳 工 学 院 学 报 , 1994 , 8(1) : 1~ 3 模 糊 推 理 方 法 , 具 有 收 敛 速 度 快 , 拟 合 能 力 强 , 推 广 预 测 精 度 高 等 优 点 。 特 别 是 在 不 改 变 或 改 变 数 据 对 秩 序 的 情 况 下 重 新 进 行 训 练 , 均 能 得 到 相 同 的 训 练 结 果 。 因 此 , 自 适 应 神 经 模 糊 推 理 系 统 特 别 适 合 于 用 来 建 立 开 采 地 面 沉 陷 的 预 测 方 法 。 [ [ [ 10] 11] 12] [ 侯 长 祥 . 覆 岩 岩 性 对 地 表 移 动 变 形 的 影 响 [J ]. 湘 潭 矿 业 学 院 学 报 , 1999 , 14(2) : 20~ 24 梁 明 , 王 成 绪 . 厚 黄 土 覆 盖 山 区 开 采 沉 陷 预 计 [J ]. 煤 田 地 质 与 勘 探 , 2001 , 29(2) : 44~ 47 2 ) 该 法 推 广 预 测 的 精 度 较 高 , 在 采 用 所 提 供 的 训 练 数 据 集 进 行 训 练 和 测 试 数 据 集 进 行 测 试 的 条 件 下 , 其 推 广 预 测 结 果 与 实 测 结 果 的 相 对 误 差 不 超 过 13 % , 且 其 余 的 相 对 误 差 不 超 过 415 %。 [13] 王 金 庄 , 李 永 树 , 周 雄 . 巨 厚 松 散 层 下 采 煤 地 表 移 动 规 律 的 研 究 [J ]. 煤 炭 学 报 , 1997 , 22 (1) : 18~ 21 [ [ [ [ [ [ 14] 15] 16] 17] 18] 19] 顾 少 华 , 石 世 章 . 建 筑 物 下 大 采 宽 条 带 开 采 的 地 表 移 动 特 征 [J ]. 煤 炭 科 学 技 术 , 1997 , 25(9) : 10~ 12 3 ) 该 法 的 推 广 预 测 精 度 与 训 练 数 据 集 的 大 小 密 切 相 关 。 因 此 , 须 将 工 程 中 新 创 造 的 开 采 地 面 沉 陷 的 实 例 不 断 地 添 加 到 训 练 数 据 集 中 来 , 以 进 一 步 提 高 该 方 法 的 推 广 预 测 精 度 。 李 凤 明 . 厚 冲 积 层 采 矿 条 件 岩 层 移 动 角 量 参 数 特 点 [ J ]. 煤 矿 开 采 , 1996 , 22(3) : 28~ 30 马 超 , 何 万 龙 , 康 建 荣 . 采 煤 塌 陷 区 塌 陷 面 积 的 预 测 方 法 与 分 析 [J ]. 矿 山 测 量 , 1999 , (1) : 16~ 20 参 考 文 献 [ 1 ] 水 口 山 矿 务 局 铅 锌 矿 . 湖 南 省 水 口 山 矿 务 局 铅 锌 矿 鸦 公 塘 区 二 采 区 沉 陷 纪 实 [ R]. 湖 南 省 水 口 山 矿 务 局 铅 锌 矿 , 19991 12 赵 阳 升 . 有 限 元 在 采 矿 工 程 中 的 应 用 [M]. 北 京 : 煤 炭 工 业 出 版 社 , 1994 颜 荣 贵 . 山 丘 矿 区 地 表 公 民 建 筑 的 开 挖 灾 变 与 治 理 对 策 [J ]. 江 西 有 色 金 属 , 1999 , (2) : 1~ 6 [ [ 2 ] 3 ] 丁 德 馨 . 弹 塑 性 位 移 反 分 析 的 智 能 化 方 法 及 其 在 地 下 工 程 中 的 应 用 [D]. 上 海 : 同 济 大 学 , 2000 谢 和 平 , 周 宏 伟 , 王 金 安 , 等 . FLAC 在 煤 矿 开 采 沉 陷 预 测 中 的 应 用 及 对 比 分 析 [J ]. 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 , 1999 , 18(4) : 397~ 401 尹 光 志 , 代 高 飞 , 万 玲 . 南 桐 煤 矿 开 采 岩 移 规 律 的 数 值 模 拟 [J ]. 重 庆 大 学 学 报 , 2001 , 24 (5) , 62~ 6 5 [20] 中 国 矿 业 大 学 , 阜 新 矿 业 学 院 , 焦 作 矿 业 学 院 . 煤 矿 岩 层 与 地 表 移 动 [M]. 北 京 : 煤 炭 工 业 出 版 社 , 1985 [ 4 ] Whittaker B N , Reddish D J . Subsidence Occurrence : Prediction and Control [M]. 1989 第 1 期 丁 德 馨 等 : 开 采 地 面 沉 陷 预 测 的 自 适 应 神 经 模 糊 推 理 方 法 研 究 39 [ 21] 闻 新 , 周 露 , 李 东 江 , 贝 超 . MATLAB 模 糊 逻 辑 工 具 箱 的 分 析 与 应 用 [M]. 北 京 : 科 学 出 版 社 , [22] 楼 顺 天 , 胡 昌 华 . 基 于 MATLAB 的 系 统 分 析 与 设 计 模 糊 系 统 [M]. 西 安 : 西 安 电 子 科 技 大 学 出 版 社 , 2001 2001 An ANFIS2based Approach for Predicting Mining Induced Surface Subsidence 1 , 2 1 , 2 1 , 2 Ding Dexin , Zhang Zhijun , Bi Zhongwei ( 11School of Architectural Engineering , Resources and Environment , Nanhua University , Hengyang , Hunan 421001 , China ; 21School of Resources and Safety Engineering , Centrasouth University , Changsha 410083 , China) [ Abstract]   Current approaches for predicting mining induced surface subsidence have a drawback in common that they predict the subsidence only on the basis of a physical or mechanical approach irrespective of the practical examples in engineering practice in mining induced surface subsidence. However , these experiences created in engineering practice are of great value and full use should be made of them to establish an approach for predicting mining induced surface subsidence. Therefore , this paper accumulated a lot of practical examples of mining induced surface subsidence , integrated these examples by using adaptive neuro2fuzzy inference system ( ANFIS) and established an ANFIS2based approach for predicting mining induced surface subsidence. The approach was further tested by using practical examples of mining induced surface subsidence. The results show that the approach can converge quickly , fit the data in very good agreement and make generalization prediction with high accuracy. [ Key words ] underground mining ; mining induced surface subsidence ; adaptive neuro2fuzzy inference system ( cont. from p. 32) Cellular Automata : An Effective Tool to Explore the Complexity of Management System Chen Guohong ,Cai Binqing ,Li Meijuan ( Management School , Fuzhou University , Fuzhou 350002 , China) [ Abstract]   Cellular automata(CA) has become an effective tool to explore the complex system because it can discrete the complicated overall situation and continuous system with the simple local rule and discrete method. In this paper , the developing process , structure , characteristic , basic theories and methods of CA are presented firstly. Then the applications of CA in management systems such as the oligopoly behavior , traffic management and engineering transportation , urban development , marketing , stock investment , business strategy are introduced. Finally , the advantage and deficiency of CA are pointed out and the further research prospect is put forward. [ Key words] complexity ; cellular automata ; management system
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