隧道圍巖動(dòng)態(tài)分級(jí)方法及其裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種隧道圍巖動(dòng)態(tài)分級(jí)方法及其裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 圍巖分級(jí)是指根據(jù)巖體完整程度和巖石強(qiáng)度等指標(biāo)將無限的巖體序列劃分為具 有不同穩(wěn)定程度的有限個(gè)類別，即將穩(wěn)定性相似的一些圍巖劃歸為一類，將全部的圍巖劃 分為若干類，進(jìn)而在圍巖分類的基礎(chǔ)上再依照每一類圍巖的穩(wěn)定程度給出最佳的施工方法 和支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，圍巖分級(jí)是選擇施工方法的依據(jù)。近年來，國內(nèi)外隧道相關(guān)研究人員將多 種計(jì)算智能方法應(yīng)用于圍巖分級(jí)中，如BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)（SVM)等，取得了較好的 效果，但是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機(jī)方法在應(yīng)用過程中，存在參數(shù)確定困難、迭代計(jì)算速 度慢等缺點(diǎn)，不能滿足隧道快速施工的需要。而極限學(xué)習(xí)機(jī)（extreme learning machine， ELM)在訓(xùn)練前只需要設(shè)置網(wǎng)絡(luò)隱含層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)、算法執(zhí)行過程中不需要調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的輸入層 權(quán)值和隱含層偏移量，并且能夠產(chǎn)生唯一的最優(yōu)解，具有參數(shù)選擇容易、學(xué)習(xí)速度快并且泛 化性能好的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)有技術(shù)中應(yīng)用極限學(xué)習(xí)機(jī)進(jìn)行隧道圍巖分級(jí)的方式無法實(shí)現(xiàn)超前地質(zhì) 信息的遠(yuǎn)程傳輸、不能完成遠(yuǎn)程的圍巖動(dòng)態(tài)分級(jí)，更沒有圍巖信息的網(wǎng)絡(luò)共享和終端查詢 功能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明針對(duì)以上問題的提出，而研制一種隧道圍巖動(dòng)態(tài)分級(jí)方法及其裝置。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)手段如下：
[0005] -種隧道圍巖動(dòng)態(tài)分級(jí)方法，包括如下步驟：
[0006] 步驟1 :布設(shè)圍巖地質(zhì)參數(shù)采集裝置于隧道掌子面處；所述圍巖地質(zhì)參數(shù)采集裝 置連接有第一無線通訊模塊；
[0007] 步驟2:布設(shè)發(fā)射箱于隧道洞口外并保證所述發(fā)射箱的安放位置為手機(jī)信號(hào)的 覆蓋范圍之內(nèi)；所述發(fā)射箱包括第二無線通訊模塊和與所述第二無線通訊模塊相連接的 GPRS通訊模塊；所述GPRS通訊模塊經(jīng)由GPRS網(wǎng)絡(luò)連接有服務(wù)器；
[0008] 步驟3 :在所述圍巖地質(zhì)參數(shù)采集裝置和所述發(fā)射箱之間布設(shè)中繼站；所述中繼 站連接所述第一無線通訊模塊和所述第二無線通訊模塊；
[0009] 步驟4 :圍巖地質(zhì)參數(shù)采集裝置獲取隧道掌子面處的圍巖地質(zhì)參數(shù)，該圍巖地質(zhì) 參數(shù)經(jīng)過第一無線通訊模塊、中繼站和發(fā)射箱傳輸至所述服務(wù)器；
[0010] 步驟5 :所述服務(wù)器將所述圍巖地質(zhì)參數(shù)作為輸入，通過圍巖分級(jí)進(jìn)化極限學(xué)習(xí) 機(jī)模型輸出圍巖分級(jí)結(jié)果，并將所述圍巖分級(jí)結(jié)果對(duì)應(yīng)隧道掌子面信息存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫中， 同時(shí)發(fā)布至網(wǎng)絡(luò)上；
[0011] 進(jìn)一步地，所述圍巖地質(zhì)參數(shù)至少包括：巖體完整性、地下水參數(shù)、巖體結(jié)構(gòu)面、圍 巖拱頂沉降位移和圍巖收斂位移量；所述圍巖地質(zhì)參數(shù)采集裝置包括：
[0012] 用于獲取巖體完整性和巖體結(jié)構(gòu)面的地質(zhì)探測(cè)儀和探地雷達(dá)；
[0013] 用于獲取圍巖的地下水參數(shù)的孔隙水壓力計(jì)；
[0014] 用于獲取圍巖拱頂沉降位移的位移計(jì)；
[0015] 以及用于獲取圍巖收斂位移量的收斂計(jì)；
[0016] 進(jìn)一步地，所述圍巖分級(jí)進(jìn)化極限學(xué)習(xí)機(jī)模型通過如下步驟得出：
[0017] 步驟A :構(gòu)建圍巖分級(jí)的樣本集；
[0018] 步驟B :將所述樣本集劃分為訓(xùn)練樣本集和測(cè)試樣本集兩個(gè)部分；
[0019] 步驟C :將極限學(xué)習(xí)機(jī)的輸入層權(quán)值和隱含層偏移量作為差異進(jìn)化算法的個(gè)體， 通過所述差異進(jìn)化算法隨機(jī)生成初始種群；
[0020] 步驟D :計(jì)算出當(dāng)前種群的各個(gè)體的適應(yīng)值；
[0021] 步驟E :判斷當(dāng)前種群的個(gè)體是否滿足進(jìn)化結(jié)束條件，是則執(zhí)行步驟G，否則執(zhí)行 步驟F ;
[0022] 步驟F :使用差異進(jìn)化算法對(duì)父代種群中的個(gè)體依次進(jìn)行變異操作和交叉操作， 得到新的子代種群，針對(duì)所得到的新的子代種群和其父代種群，執(zhí)行選擇操作，選擇兩代種 群中適應(yīng)值優(yōu)秀的個(gè)體作為下一代種群，返回步驟D ;
[0023] 步驟G:輸出當(dāng)前種群中適應(yīng)值最優(yōu)的個(gè)體，并獲得相應(yīng)的最優(yōu)的輸入層權(quán)值和 隱含層偏移量，執(zhí)行步驟Η ;
[0024] 步驟Η :利用所述最優(yōu)的輸入層權(quán)值和隱含層偏移量，通過極限學(xué)習(xí)機(jī)分別對(duì)訓(xùn) 練樣本集進(jìn)行訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，得到圍巖分級(jí)進(jìn)化極限學(xué)習(xí)機(jī)模型；
[0025] 進(jìn)一步地，
[0026] 所述步驟Α具體為：收集隧道施工過程中的圍巖地質(zhì)參數(shù)，建立以圍巖地質(zhì)參數(shù) 為輸入，圍巖級(jí)別為輸出的圍巖分級(jí)的樣本集；
[0027] 所述步驟D具體為：
[0028] 針對(duì)當(dāng)前種群的不同個(gè)體，通過極限學(xué)習(xí)機(jī)對(duì)所述訓(xùn)練樣本集進(jìn)行訓(xùn)練和學(xué)習(xí)， 獲得圍巖分級(jí)極限學(xué)習(xí)機(jī)模型；
[0029] 采用所述圍巖分級(jí)極限學(xué)習(xí)機(jī)模型對(duì)所述測(cè)試樣本集進(jìn)行預(yù)測(cè)，獲得預(yù)測(cè)誤差并 將該預(yù)測(cè)誤差作為適應(yīng)值；
[0030] 所述步驟E中的進(jìn)化結(jié)束條件為當(dāng)前種群中某一個(gè)體的適應(yīng)值小于預(yù)設(shè)值；
[0031] 進(jìn)一步地，所述中繼站布設(shè)在隧道彎曲處和/或隧道分岔處。
[0032] 一種隧道圍巖動(dòng)態(tài)分級(jí)裝置，包括：
[0033] 布設(shè)在隧道掌子面處，用于獲取圍巖地質(zhì)參數(shù)的圍巖地質(zhì)參數(shù)采集裝置；
[0034]與所述圍巖地質(zhì)參數(shù)采集裝置相連接的第一無線通訊模塊；
[0035] 布設(shè)在隧道洞口外的發(fā)射箱，該發(fā)射箱的安放位置為手機(jī)信號(hào)的覆蓋范圍之內(nèi)； 所述發(fā)射箱包括第二無線通訊模塊和與所述第二無線通訊模塊相連接的GPRS通訊模塊；
[0036] 布設(shè)在所述圍巖地質(zhì)參數(shù)采集裝置和所述發(fā)射箱之間的中繼站；所述中繼站連接 所述第一無線通訊模塊和所述第二無線通訊模塊；
[0037] 通過GPRS網(wǎng)絡(luò)連接所述GPRS通訊模塊的服務(wù)器；所述圍巖地質(zhì)參數(shù)采集裝置獲 取的圍巖地質(zhì)參數(shù)經(jīng)過第一無線通訊模塊、中繼站和發(fā)射箱傳輸至所述服務(wù)器，該服務(wù)器 將所述圍巖地質(zhì)參數(shù)作為輸入，通過圍巖分級(jí)進(jìn)化極限學(xué)習(xí)機(jī)模型輸出圍巖分級(jí)結(jié)果，并 將所述圍巖分級(jí)結(jié)果對(duì)應(yīng)隧道掌子面信息存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫中，同時(shí)發(fā)布至網(wǎng)絡(luò)上；
[0038] 進(jìn)一步地，所述圍巖地質(zhì)參數(shù)至少包括：巖體完整性、地下水參數(shù)、巖體結(jié)構(gòu)面、圍 巖拱頂沉降位移和圍巖收斂位移量；所述圍巖地質(zhì)參數(shù)采集裝置包括：
[0039] 用于獲取巖體完整性和巖體結(jié)構(gòu)面的地質(zhì)探測(cè)儀和探地雷達(dá)；
[0040] 用于獲取圍巖的地下水參數(shù)的孔隙水壓力計(jì)；
[0041] 用于獲取圍巖拱頂沉降位移的位移計(jì)；
[0042] 以及用于獲取圍巖收斂位移量的收斂計(jì)；
[0043] 進(jìn)一步地，所述裝置還包括：
[0044] 樣本構(gòu)建模塊，用于構(gòu)建圍巖分級(jí)的樣本集；
[0045] 樣本劃分模塊，用于將所述樣本集劃分為訓(xùn)練樣本集和測(cè)試樣本集兩個(gè)部分；
[0046] 差異進(jìn)化算法模塊，用于將極限學(xué)習(xí)機(jī)的輸入層權(quán)值和隱含層偏移量作為差異進(jìn) 化算法的個(gè)體，隨機(jī)生成初始種群，以及當(dāng)當(dāng)前種群的個(gè)體不滿足進(jìn)化結(jié)束條件時(shí)，對(duì)父代 種群中的個(gè)體依次進(jìn)行變異操作和交叉操作，得到新的子代種群，針對(duì)所得到的新的子代 種群和其父代種群，執(zhí)行選擇操作，選擇兩代種群中適應(yīng)值優(yōu)秀的個(gè)體作為下一代種群；
[0047] 計(jì)算模塊，用于計(jì)算出當(dāng)前種群的各個(gè)體的適應(yīng)值；
[0048] 判斷模塊，用于判斷當(dāng)前種群的個(gè)體是否滿足進(jìn)化結(jié)束條件；
[0049] 輸出模塊，用于當(dāng)當(dāng)前種群的個(gè)體滿足進(jìn)化結(jié)束條件時(shí)，輸出當(dāng)前種群中適應(yīng)值 最優(yōu)的個(gè)體，并獲得相應(yīng)的最優(yōu)的輸入層權(quán)值和隱含層偏移量；
[0050] 進(jìn)化極限學(xué)習(xí)機(jī)學(xué)習(xí)模塊，用于利用所述最優(yōu)的輸入層權(quán)值和隱含層偏移量，通 過極限學(xué)習(xí)機(jī)對(duì)訓(xùn)練樣本集進(jìn)行訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，得到圍巖分級(jí)進(jìn)化極限學(xué)習(xí)機(jī)模型；
[0051] 進(jìn)一步地，所述進(jìn)化結(jié)束條件為當(dāng)前種群中某一個(gè)體的適應(yīng)值小于預(yù)設(shè)值；所述 計(jì)算模塊包括：
[0052] 極限學(xué)習(xí)機(jī)學(xué)習(xí)模塊，用于針對(duì)當(dāng)前種群的不同個(gè)體，通過極限學(xué)習(xí)機(jī)對(duì)所述訓(xùn) 練樣本集進(jìn)行訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，獲得圍巖分級(jí)極限