基于BP神经网络的爆破振速峰值预报-矿业114网 
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基于BP神经网络的爆破振速峰值预报
2015-03-05
以司家营铁矿露天矿爆破振动的实测数据为基础,运用BP神经网络原理,以孔数、 最大单孔药量、总药量、高程差和爆源距作为影响爆破振动速度的主要因素,建立BP神经网络模 型,对质点爆破振动速度峰值进行预测。结果表明:BP神经网络模型的预测精确度明显高于传统 的萨道夫斯基公式,对工程实践具有较好的指导性。
Serial No. 550 February. 2015 现 ꢀ 代 ꢀ 矿 ꢀ 业 2015总年 第25月50第期 2 期 MODERN MINING  基 于 BP 神 经 网 络 的 爆 破 振 速 峰 值 预 报 王 ꢀ 靖 ꢀ 璩 世 杰 ꢀ 易 巧 明 ꢀ 万 鹏 鹏 ( 北 京 科 技 大 学 土 木 与 环 境 工 程 学 院 ) ꢀ ꢀ 摘 ꢀ 要 ꢀ 以 司 家 营 铁 矿 露 天 矿 爆 破 振 动 的 实 测 数 据 为 基 础 , 运 用 BP 神 经 网 络 原 理 , 以 孔 数 、 最 大 单 孔 药 量 、 总 药 量 、 高 程 差 和 爆 源 距 作 为 影 响 爆 破 振 动 速 度 的 主 要 因 素 , 建 立 BP 神 经 网 络 模 型 , 对 质 点 爆 破 振 动 速 度 峰 值 进 行 预 测 。 结 果 表 明 : BP 神 经 网 络 模 型 的 预 测 精 确 度 明 显 高 于 传 统 的 萨 道 夫 斯 基 公 式 , 对 工 程 实 践 具 有 较 好 的 指 导 性 。 关 键 词 ꢀ BP 神 经 网 络 模 型 ꢀ 爆 破 振 动 ꢀ 相 对 误 差 ꢀ ꢀ 大 型 露 天 矿 山 的 爆 破 规 模 一 般 都 比 较 大 , 爆 破 式 中 , H 为 高 程 差 , m; β 为 高 程 影 响 系 数 ; e 为 常 数 ; 其 他 符 号 意 义 同 前 。 振 动 容 易 影 响 日 常 的 生 产 安 全 和 边 坡 岩 体 稳 定 。 因 此 , 对 爆 破 振 动 进 行 准 确 预 测 , 为 控 制 爆 破 振 动 提 供 依 据 , 是 矿 山 爆 破 生 产 环 节 中 的 一 项 重 要 工 作 , 对 于 矿 山 的 安 全 稳 定 生 产 具 有 重 要 的 意 义 1] 。 但 是 由 于 影 响 爆 破 振 动 速 度 的 因 素 有 很 多 , 因 此 采 用 萨 氏 公 式 或 其 修 正 公 式 进 行 预 测 , 有 时 候 误 差 会 非 常 大 , 很 难 满 足 工 程 需 要 。 为 实 现 爆 破 振 动 速 度 的 准 确 预 报 , 研 究 人 员 开 始 尝 试 使 用 一 种 新 的 预 报 方 法 ——— 神 经 网 络 法 5] 。 [ 1 ꢀ 爆 破 振 动 速 度 预 测 的 研 究 质 点 振 动 速 度 是 目 前 国 内 外 表 述 爆 破 振 动 效 应 [ 的 一 个 主 要 参 数 , 工 程 实 践 中 主 要 是 根 据 现 场 测 得 的 振 动 数 据 进 行 回 归 分 析 , 得 出 萨 道 夫 斯 基 经 验 公 式 , 然 后 利 用 求 出 的 公 式 预 测 后 续 爆 破 振 动 速 度 。 萨 道 夫 斯 基 公 式 : 人 工 神 经 网 络 是 一 种 模 仿 动 物 神 经 网 络 行 为 特 征 , 进 行 分 布 式 并 行 信 息 处 理 的 算 法 数 学 模 型 6] 。 人 工 神 经 网 络 是 由 大 量 简 单 的 神 经 元 相 互 连 接 而 成 的 自 适 应 非 线 性 动 态 系 统 , 能 够 进 行 复 杂 的 逻 辑 操 作 和 非 线 性 关 系 的 实 现 [ 6] 。 人 工 神 经 网 络 具 有 大 规 模 并 行 分 布 式 结 构 和 神 经 网 络 学 习 能 力 以 及 由 此 而 来 的 泛 化 能 力 ( 泛 化 是 指 神 经 网 络 对 不 在 训 练 集 中 的 数 据 可 以 产 生 合 理 的 输 出 ) 6] 。 人 工 神 经 网 络 用 训 练 集 中 的 多 个 样 本 进 行 训 练 , 直 到 网 络 达 到 没 有 显 著 的 权 值 修 正 的 稳 定 状 态 为 止 6] 。 所 以 , 使 用 [ α 3 Q V = K 槡 ) , ( 1) ( R 式 中 , V 为 质 点 振 动 速 度 峰 值 , m; Q 为 最 大 段 起 爆 药 量 , kg; R 为 爆 源 距 , 即 测 点 至 爆 区 药 包 中 心 的 距 离 , m; K, α 为 与 爆 破 场 地 条 件 、 地 质 条 件 有 关 的 系 [ [ 23] 。 [ 数 多 数 工 程 试 验 证 明 , 萨 道 夫 斯 基 公 式 在 平 整 地 现 场 获 取 的 原 始 数 据 输 入 进 行 网 络 训 练 , 建 立 输 入 / 形 条 件 下 预 测 地 面 的 爆 破 振 动 质 点 速 度 具 有 较 高 的 精 度 , 但 由 于 该 公 式 未 考 虑 测 点 与 爆 心 之 间 高 差 的 影 响 , 当 爆 破 场 地 的 地 形 地 貌 变 化 较 大 时 用 该 公 式 预 测 爆 破 振 动 精 度 较 低 。 基 于 这 一 认 识 , 有 不 少 学 者 对 有 高 程 变 化 的 爆 破 振 动 进 行 了 研 究 。 长 江 科 学 院 张 正 宇 等 考 虑 边 坡 高 差 的 影 响 , 提 出 了 优 化 的 爆 破 振 动 速 度 公 式 2, 4] : [ 7] 输 出 映 射 关 系 , 从 而 预 测 输 出 结 果 。 例 如 , 夏 梦 会 等 以 单 段 最 大 药 量 、 爆 源 距 和 相 对 于 爆 源 的 高 差 作 输 入 量 , 建 立 模 糊 神 经 网 络 模 型 , 预 测 出 的 爆 破 振 动 速 度 与 实 际 值 的 平 均 误 差 为 5. 58% [ 8] ; 申 旭 鹏 等 以 台 阶 高 度 、 炮 孔 数 、 炸 药 性 能 、 总 药 量 、 最 大 段 药 量 、 测 点 位 置 、 爆 心 距 作 为 输 入 量 , 建 立 BP 神 经 网 络 模 型 , 预 测 出 的 爆 破 振 动 速 度 与 实 际 值 的 平 均 误 差 为 8. 4% 5] 。 [ α 3 [ V = K( 槡 ) eβH , Q ( 2) R 输 入 变 量 的 选 取 是 建 立 合 理 神 经 网 络 模 型 的 关 键 。 人 们 通 过 研 究 影 响 爆 破 振 动 效 应 的 各 种 因 素 , 建 立 神 经 网 络 模 型 , 用 训 练 好 的 神 经 网 络 来 对 爆 破 振 动 进 行 预 测 , 对 于 控 制 爆 破 振 动 和 保 证 安 全 生 产 ꢀ ꢀ 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 ( 编 号 : 51274020) 。 王 ꢀ 靖 ( 1986— ) , 男 , 硕 士 , 100083 北 京 市 海 淀 区 学 院 路 30 号 。 2 01 总 第 550 期 现 代 矿 业 2015 年 2 月 第 2 期 具 有 十 分 重 要 的 意 义 5] 。 本 文 以 司 家 营 铁 矿 露 天 矿 日 常 的 爆 破 作 业 为 基 础 , 测 得 了 爆 破 试 验 数 据 , 综 合 考 虑 影 响 爆 破 振 动 的 因 素 , 建 立 BP 神 经 网 络 模 型 , 预 测 爆 破 振 动 的 速 度 峰 值 , 并 与 萨 道 夫 斯 基 公 式 计 算 出 的 结 果 及 现 场 监 测 结 果 进 行 对 比 7] 。 [ 表 1ꢀ 爆 破 测 试 参 数 数 据 总 药 量 最 大 段 药 量 孔 数 爆 源 距 高 程 差 爆 破 振 速 组 号 Q/ kg q/ kg 700 700 700 700 700 700 700 700 700 700 700 700 750 750 750 750 750 750 750 750 750 750 750 750 750 750 750 750 750 750 750 750 700 700 700 700 700 700 750 750 700 700 750 750 750 750 750 750 700 700 / 个 / m / m / ( cm/ s) # 1 39 600 39 600 39 600 39 600 39 600 39 600 13 020 13 020 13 020 13 020 13 020 13 020 22 920 22 920 22 920 22 920 22 920 22 920 16 780 16 780 16 780 16 780 17 880 17 880 17 880 17 880 17 880 12 800 12 800 12 800 12 800 12 800 23 450 23 450 23 450 23 450 23 450 23 450 26 820 26 820 39 600 13 020 22 920 22 920 16 780 17 880 17 880 12 800 23 450 23 450 57 57 57 57 57 57 28 28 28 28 28 28 35 35 35 35 35 35 30 30 30 30 25 25 25 25 25 18 18 18 18 18 34 34 34 34 34 34 38 38 57 28 35 35 30 25 25 18 34 34 225. 7 269. 7 - 8 3. 49 3. 49 16. 14 32. 54 32. 54 - 7 1. 26 1. 4 # 2 [ # 3 289. 59 322. 51 383. 97 413. 87 119. 83 165. 61 277. 28 294. 9 2. 62 2. 27 0. 49 0. 32 1. 44 2. 41 1. 02 1. 2 # 4 2 ꢀ BP 神 经 网 络 简 介 # 5 BP( Back Propagation) 神 经 网 络 是 一 种 按 误 差 # 6 逆 传 播 算 法 训 练 的 多 层 前 馈 网 络 , 是 目 前 应 用 最 广 泛 的 神 经 网 络 模 型 之 一 。 BP 神 经 网 络 由 信 息 的 正 向 传 播 和 误 差 的 反 向 传 播 2 个 过 程 组 成 。 若 实 际 输 出 与 期 望 输 出 不 符 , 则 误 差 通 过 输 出 层 , 按 梯 度 下 降 的 方 式 修 正 各 层 权 值 , 向 隐 含 层 、 输 入 层 逐 层 反 转 。 周 而 复 始 的 信 息 正 向 传 播 和 误 差 反 向 传 播 是 各 层 权 值 不 断 调 整 的 过 程 , 直 到 网 络 输 出 的 误 差 达 到 预 期 的 目 标 或 预 先 设 定 的 学 习 次 数 为 止 6] 。 # 7 # 8 7. 081 22. 062 22. 062 34. 593 34. 593 - 6. 5 7. 13 20. 98 20. 98 35. 91 35. 91 22. 87 35. 38 35. 38 49. 88 - 8 9 # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # 1 1 1 1 1 0 1 2 3 4 326. 47 335. 31 239. 85 293. 44 382. 72 393. 52 412. 8 0. 86 0. 63 1. 33 0. 71 0. 59 0. 49 0. 63 0. 37 0. 73 0. 57 0. 58 0. 28 2. 3 [ 15 1 1 1 1 6 7 8 9 3 ꢀ BP 网 络 模 型 数 据 选 取 及 处 理 爆 破 地 震 是 一 个 非 常 复 杂 的 动 力 学 过 程 , 其 影 423. 66 284. 59 317. 77 322. 13 347. 27 205. 69 236. 15 332. 89 392. 74 412. 67 192. 66 160. 13 266. 74 320. 31 347. 98 78. 06 响 因 素 主 要 包 括 埋 深 、 药 量 、 爆 破 方 式 等 爆 源 因 素 , 以 及 传 播 途 径 、 爆 源 距 、 岩 土 条 件 等 传 播 途 径 因 [ 1] 。 在 影 响 爆 破 振 动 的 各 类 因 素 中 , 某 些 影 响 因 20 2 2 2 2 2 1 2 3 4 5 素 素 的 数 据 是 难 以 获 取 的 , 考 虑 到 输 入 样 本 应 具 有 代 表 性 和 易 取 性 5] 。 本 文 主 要 选 取 炮 孔 数 、 总 药 量 、 最 大 段 药 量 、 高 差 和 爆 源 距 共 5 个 特 征 量 作 为 影 响 爆 破 振 动 效 应 强 弱 的 主 要 因 素 。 [ - 8 1. 05 0. 67 0. 5 20. 49 33. 94 33. 94 - 8 26 2 2 2 3 7 8 9 0 0. 44 1. 8 选 取 露 天 矿 50 组 爆 破 振 动 测 试 数 据 为 样 本 ( 见 表 1) 。 由 于 输 入 、 输 出 数 据 数 量 级 差 别 较 大 , 为 - 8 2. 67 0. 57 0. 69 0. 67 10. 31 6. 89 4. 12 3. 72 2. 99 2. 02 4. 21 3. 26 1. 18 1. 59 1. 12 0. 7 了 避 免 因 此 而 造 成 的 网 络 预 测 误 差 较 大 , 在 进 行 训 练 及 测 试 前 对 所 有 的 输 入 数 据 进 行 归 一 化 预 处 理 。 5. 69 20. 8 20. 8 13. 74 13. 74 28. 11 28. 11 56. 5 56. 5 8 31 3 3 3 3 3 2 3 4 5 6 4 ꢀ 预 测 模 型 的 建 立 根 据 BP 定 理 , 给 定 任 意 ε > 0 和 任 意 L2 函 数 f: 117. 02 147. 37 180. 89 228. 95 243. 94 128. 31 164. 36 334 n m [ 0, 1] →R 存 在 一 个 3 层 BP 网 络 , 它 可 在 任 意 ε 平 方 误 差 精 度 内 逼 近 f。 从 该 定 理 可 知 , 用 3 层 的 BP 网 络 就 可 以 实 现 L 函 数 , 因 此 , 可 以 采 用 3 层 37 2 [ 7] 。 本 次 爆 破 振 动 速 3 3 4 4 4 8 9 0 1 2 BP 网 络 来 预 报 爆 破 振 动 速 度 度 预 测 的 BP 神 经 网 络 模 型 输 入 层 的 神 经 元 有 5 个 18. 06 16. 14 7. 081 - 6. 5 7. 13 8 ( 炮 孔 数 、 总 药 量 、 最 大 段 药 量 、 高 差 和 爆 源 距 ) , 隐 含 层 节 点 数 根 据 Kolmogorov 定 理 确 定 为 11 个 , 输 出 200. 82 253. 55 325. 77 233. 31 285. 95 313. 97 245. 43 196. 86 208. 52 [ 5] 。 运 用 MAT 层 神 经 元 为 测 点 的 振 动 速 度 峰 值 43 4 4 4 4 4 5 6 7 LAB 语 言 构 建 BP 神 经 网 络 , 采 用 trainlm 训 练 函 数 , 最 大 训 练 步 数 epochs 为 1 000, 训 练 目 标 均 方 误 差 1 6. 51 20. 49 5. 69 42. 5 42. 5 1. 14 0. 87 0. 92 2. 03 1. 94 - 4 mse = 1 × 10 。 用 样 本 数 据 中 前 40 组 数 据 进 行 网 络 训 练 , 后 10 组 数 据 作 为 检 验 样 本 。 48 4 5 9 0 5 ꢀ 预 测 结 果 对 比 利 用 表 1中 的 前 40组 数 据 进 行 萨 道 夫 斯 基 公 02 2 ꢀ ꢀ 王 ꢀ 靖 ꢀ 璩 世 杰 等 : 基 于 BP 神 经 网 络 的 爆 破 振 速 峰 值 预 报 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2015 年 2 月 第 2 期 式 回 归 得 到 的 预 测 振 动 速 度 公 式 如 下 : ( 2) 对 比 于 传 统 的 经 验 公 式 , BP 神 经 网 络 模 型 能 够 分 析 多 个 对 爆 破 振 动 有 影 响 的 因 素 , 而 不 仅 仅 局 限 于 药 量 和 爆 心 距 , 可 以 使 预 测 结 果 更 加 合 理 。 ( 3) 用 萨 氏 公 式 进 行 预 测 的 结 果 的 平 均 相 对 误 差 为 19. 6% , 用 BP 神 经 网 络 模 型 预 测 的 结 果 的 平 均 相 对 误 差 为 10. 6% 。 由 此 可 知 , BP 神 经 网 络 模 型 比 萨 道 夫 斯 基 公 式 预 测 更 加 准 确 。 1 . 88 . 3 Q V = 632 槡 ( 3) ( ) R ꢀ ꢀ 表 2 为 萨 道 夫 斯 基 公 式 预 测 和 BP 神 经 网 络 预 测 结 果 与 实 测 结 果 的 对 比 。 由 表 2 可 知 , 萨 道 夫 斯 基 公 式 预 测 的 振 动 速 度 与 实 测 振 动 速 度 的 平 均 误 差 为 19. 6% , BP 神 经 网 络 预 测 得 到 的 振 动 速 度 与 实 测 振 动 速 度 的 平 均 误 差 为 10. 6% , 由 此 证 明 BP 神 经 网 络 预 测 的 爆 破 振 动 速 度 比 萨 道 夫 斯 基 公 式 预 测 的 爆 破 振 动 速 度 更 加 准 确 。 ( 4) 对 于 本 次 BP 神 经 网 络 模 型 , 由 于 现 场 测 试 的 条 件 限 制 , 对 于 神 经 网 络 的 输 入 量 未 能 考 虑 岩 土 条 件 等 影 响 , 使 得 模 型 预 测 准 确 性 有 所 影 响 , 还 需 在 以 后 的 工 作 中 继 续 完 善 。 表 2ꢀ 预 测 速 度 结 果 与 实 测 速 度 结 果 对 比 BP 网 络 预 测 振 动 速 度 萨 氏 公 式 预 测 振 动 速 度 实 测 BP 网 络 预 测 误 差 / % 萨 氏 预 测 误 差 / % 参 ꢀ 考 ꢀ 文 ꢀ 献 组 号 振 动 速 度 / ( cm/ s) [ 1] ꢀ 谭 文 辉 , 璩 世 杰 , 毛 市 龙 , 等 . 边 坡 爆 破 振 动 高 程 效 应 分 析 [ J] . 岩 土 工 程 学 报 , 2010, 32( 4) : 619623. / ( cm/ s) / ( cm/ s) 4 4 4 4 4 4 4 4 4 5 1# 1. 18 1. 59 1. 12 0. 7 1. 076 5 1. 869 7 1. 209 5 0. 721 7 0. 740 7 1. 048 7 0. 759 5 0. 902 9 2. 125 4 1. 633 8 0. 690 1. 796 1. 210 0. 755 1. 415 0. 965 0. 810 1. 286 1. 865 1. 674 8. 8 17. 6 8. 0 3. 1 25. 9 8. 0 12. 7 1. 9 4. 7 15. 8 10. 6 41. 5 13. 0 8. 0 [ 2] ꢀ 顾 毅 成 , 史 雅 语 , 金 骥 良 . 工 程 爆 破 安 全 [ M] . 合 肥 : 中 国 科 学 技 术 大 学 出 版 社 , 2009. # 2 # 3 [ 3] ꢀ 张 继 春 , 彭 琼 芳 . 岩 体 爆 破 地 震 波 衰 减 规 律 的 现 场 试 验 与 分 析 # 4 7. 9 [ J] . 辽 宁 工 程 技 术 大 学 学 报 : 自 然 科 学 版 , 2001, 20( 4) : 399 # 5 1 41. 5 15. 3 6. 9 4 01. # 6 1. 14 0. 87 0. 92 2. 03 1. 94 [ 4] ꢀ 刘 美 山 , 吴 从 清 , 张 正 宇 . 小 湾 水 电 站 高 边 坡 爆 破 震 动 安 全 判 据 试 验 研 究 [ J] . 长 江 科 学 院 院 报 , 2007, 24( 1) : 4043. 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( 收 稿 日 期 20140818) [ 7] 。 可 以 使 模 型 较 准 确 地 预 报 输 出 结 果 櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄 · 记 者 在 线 · 安 徽 勘 技 院 内 蒙 古 新 发 现 多 金 属 矿 点 11 处 ꢀ ꢀ 安 徽 省 勘 查 技 术 院 完 成 的 《 内 蒙 古 1∶ 25 万 恩 展 布 进 行 了 认 真 研 究 ; 查 证 了 14 个 主 要 成 矿 元 素 综 合 异 常 , 新 发 现 铅 、 锌 、 银 、 铜 、 金 、 钼 、 铁 等 多 金 属 矿 ( 化 ) 点 11 处 ; 验 证 已 知 矿 床 1 处 。 在 此 基 础 上 , 项 目 组 圈 定 找 矿 远 景 区 10 个 , 找 矿 靶 区 37 个 。 验 收 专 家 认 为 , 这 一 成 果 报 告 为 该 区 矿 产 资 源 远 景 调 查 、 基 础 地 质 研 究 提 供 了 基 础 地 球 化 学 资 料 , 同 时 也 为 在 本 区 进 一 步 布 置 大 比 例 尺 勘 查 工 作 提 供 了 依 据 。 和 、 额 尔 古 纳 左 旗 、 额 尔 古 纳 右 旗 幅 区 域 化 探 成 果 报 告 》 日 前 通 过 评 审 , 并 获 优 秀 级 。 据 了 解 , “ 内 蒙 古 1∶ 25 万 恩 和 等 幅 区 域 化 探 ” 是 安 徽 省 勘 查 技 术 院 承 担 的 首 个 由 中 国 地 调 局 部 署 的 1 ∶ 25 万 基 础 性 项 目 。 工 作 中 , 项 目 组 通 过 详 细 踏 勘 、 采 样 和 分 析 处 理 , 编 制 出 了 39 种 元 素 ( 含 氧 化 物 ) 地 球 化 学 图 , 对 测 区 各 元 素 的 含 量 特 征 、 变 异 特 征 、 空 间 2 03
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