專利名稱：用于監(jiān)測隧道巖體塌方的報警裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種巖體位移監(jiān)測報警裝置，尤其涉及一種采用基于差異 進化支持向量機的隧道巖體塌方監(jiān)測信息預測方法和利用聲音、燈光遠距離報 警遠程報警的報警裝置。
背景技術：
隨著我國基礎建設的進行，水利、交通、礦山、建筑等各行業(yè)的地下工程 正方興未艾。很多情況下，隧道圍巖處于破碎帶和軟弱帶等復雜的地質條件， 容易發(fā)生塌方事故。對這種惡劣條件下圍巖的位移監(jiān)測和塌方的預報顯得非常 重要。傳統(tǒng)的圍巖位移一般通過人工定期去讀取位移數據，然后由技術人員進 行分析， 一方面惡劣地質條件和塌方的可能性對于讀測人員具有很大的危險性， 另一方面數據的讀取與分析具有一定滯后性。上述問題不利于保證隧道和人員 的安全，容易造成事故。因此，研究更好的監(jiān)測圍巖位移的時間序列預報算法 并設計具有在線和自動報警的裝置具有重要的意義。 發(fā)明內容
本實用新型針對克服破碎帶和軟弱帶圍巖隧道傳統(tǒng)監(jiān)測方法對監(jiān)測人員的 人身安全和數據分析滯后等方面的問題，而研制一種圍巖位移的差異進化支持 向量機預測方法和在線自動監(jiān)測和塌方語音報警的報警裝置。本實用新型采用 的技術手段如下
一種用于監(jiān)測隧道巖體塌方的報警裝置，包括安裝在圍巖的監(jiān)測位置上對 圍巖的位移信息進行檢測的位移傳感器，用于顯示圍巖位移信息的顯示單元； 其特征在于還包括
用于對圍巖位移信息進行預測和圍巖安全狀態(tài)進行判斷的處理單元；
用于對裝置進行信息設定的數值設定單元；
用于存儲圍巖位移采樣信息的數據存儲單元；
用于圍巖位移信息和/或危險狀態(tài)報警信息進行語音播報的語音輸出單元； 用于對圍巖狀態(tài)進行顯示的警示燈輸出單元；
所述位移傳感器將圍巖位移信息傳送到處理單元進行分析和預測處理，后處理單元將預測的圍巖位移信息同圍巖狀態(tài)判別信息進行比較，然后處理單元 再將不同的圍巖狀態(tài)信息轉化為不同燈光的控制信號發(fā)送到警示燈輸出單元進 行圍巖狀態(tài)的燈光顯示；當預測的圍巖位移信息超過設定警戒值則處理單元向 語音輸出單元發(fā)出控制指令進行語音報警。
所述處理單元對位移傳感器將圍巖位移信息進行差異進化支持向量機算法 進行滾動預測處理。
該系統(tǒng)能夠自動地在線監(jiān)測圍巖變形數據，并采用差異進化支持向量機的 時間序列模型及時地對數據進行分析預測，根據警戒值進行聲音和燈光遠距離 報警，報警具有超前性，使相關人員在安全范圍內掌握圍巖的狀態(tài)，并及時做 出反應。該裝置帶有存儲數據的功能，也可以進行數據保存和轉移。充分利用 了微處理器的信息處理和計算能力實現了圍巖位移的在線自動監(jiān)測預報，差異 進化支持向量機時間序列算法的優(yōu)越性提高了預報的準確性。另外，語音和燈 光報警可以遠距離傳達信息，保證了人身安全。聲音報警的使用，使信息更加 清楚。

圖l為本實用新型的結構框圖2為圍巖位移時間序列滾動預測示意圖3為圍巖位移差異進化支持向量機的時間序列預測算法流程框圖； 圖4為監(jiān)測隧道巖體塌方的報警系統(tǒng)流程圖； 圖5為語音報警單元的硬件圖；具體實施方式
如圖1所示的用于監(jiān)測隧道巖體塌方的報警裝置，能夠自動地在線監(jiān)測圍 巖變形數據，并能夠及時地對數據進行分析預測，根據警戒值進行聲音和燈光 遠距離報警，聲音報警的信息明確，使相關人員遠距離掌握圍巖的狀態(tài)，并及 時做出反應，該裝置帶有存儲數據的功能，也可以進行數據保存和轉移。該報 警裝置通過安裝在圍巖上的多個位置的位移傳感器101獲得電測信號，通過信 號變送器102、 A/D轉換單元103輸入處理單元105屮，處理單元105根據時鐘 的周期進行時間序列的采樣(如每小時l次)，這里為了防止千擾，采用了信號 的平滑濾波方法采集數據，采樣的數據存入數據存儲單元106，圍巖位移的大小 和變形速率是衡量圍巖狀態(tài)以及是否可能塌方的重要信息，其時間序列蘊涵了 位移變化的趨勢，通過處理單元105對時間序列分析預測，圍巖狀態(tài)的判別準則可由數值設定單元104進行信息設定，然后根據判別準則得到圍巖狀態(tài)，以
此來評價圍巖是危險、比較危險還是安全的狀態(tài)，可通過顯示單元109進行顯
示，也可通過不同顏色的燈光進行報警，同時調用語音報警單元進行語音報警。
本實施例的處理單元105采用單片機8031;語音輸出單元107由語音芯片 ISD33060、音頻放大器和揚聲器組成；警示燈輸出單元108輸出的各種顏色的
指示燈起到警示的含義(如紅、綠、黃分別代表危險、安全和比較危險)。圖
5是語音報警單元的硬件電路圖，反映了一種語音報警的實現方式，由微處理器、 語音芯片ISD33060、音頻放大器和揚聲器組成。
如圖2、圖3所示對時序模型和差異進化支持向量機的算法流程進行說明， 現場監(jiān)測的數據構成了非線性的時間序列(xiH(xl， x2,…，xN}，對這個非線性 位移序列進行預測，就是要尋找在i+P時刻的位移值和前p個時刻的位移值 xi, xi+l，…，xi+p-1的關系，即xi+p=f (xi， xi+l，…，xi+p-l) ， f ()為一個非線性 函數，表示位移時間序列之間非線性關系。根據支持向量機理論，上述的非線 性對應關系可以通過支持向量機對若干組實測位移序列樣本的學習獲得。用(4) 表示求解。在利用進化支持向量機方法進行位移時間序列預測時，為了充分利 用最新的信息，提高預測的準確性，采用了滾動預測的方法。其基本思想是， 假設要對時間序列k"進行預測，最佳歷史點數為p，預測的步數為m(p、m根 據實際問題確定)；目前己經獲得n個時間序列U0，xl，…,xn-1}，滾動預測的 第 一 步是，用n個時間序列的{xi， xi+l，， xi+p-1， xi+p} (i=0， 1, 2，…，n-p-l)n-p組時序預測n時刻后的{xn， xn+l，， xn+m-l)m個時序； 隨著后面m個時序的獲得，用m個新的時序替代前面的{x0， xl,， xm-l}m個時 序進行下一步的預測，得到下一次的m個預測值，依次類推(如圖2所示)。
采用支持向量機建立時間序列模型，可以反映上述復雜的非線性關系f ()。 但是在采用支持向量機進行建模時，有兩類參數即懲罰因子C和核參數(本文 為ci)，是非常重要的，直接影響了模型的預測準確程度。尋求最佳的懲罰因子C 和核參數ci是一個最佳模型選擇問題。利用差異進化算法對支持向量機的C和(T 進行搜索，可以減少試算的盲目性，提高模型預測準確性。監(jiān)測信息預測分析 的差異進化支持向量機模型算法的流程圖如下
(1) 根據采集的位移時間序列構造樣本。
(2) 對差異進化支持向量機算法進行初始化設置，包括設置差異進化初始參 數，待優(yōu)化變量數為2，種群數量，縮放因子F，雜交概率常數CR。隨機給出初
5始種群，不同的個體對應不同的支持向量機參數(核參數cj和C)。
(3) 按照差異進化的算法進行變異操作和交叉操作。
(4) 每個個體對應的參數決定一個支持向量機模型，用它對測試樣本進行預 測，計算每個個體的適應值f(x)，以反映本支持向量機模型的推廣預測能力， 適應值函數如下
<formula>formula see original document page 6</formula>式中，xi為第i個測試樣本的位移預測值；xi'為第i個測試樣本的實測值； i=l， 2，…n， n為測試樣本的個數。采用貪婪搜索原則進行差異進化算法的選 擇操作。
(5) 判斷選擇個體的適應值是否滿足要求，如不滿足要求，再進行新一輪的 計算，返回步驟(3)。如果適應值滿足要求，計算結束。
(6) 利用獲得支持向量機模型進行圍巖位移變化的預報。
如圖4所反映的報警系統(tǒng)工作過程如下首先通過自動監(jiān)測裝置進行圍巖 位移的時間序列采樣，并存入數據存儲單元，然后將這些時間序列數據構造成 滾動預測樣本數據，調用差異進化支持向量機算法進行學習和訓練，獲得時間 序列模型，并對未來的時間的位移進行預測。根據圍巖的埋深、洞室尺寸和巖 體類別實現設定了警戒值，將預測值與設定警戒值進行比較，如果小于警戒值， 則說明圍巖是安全的。如果預測值大于警戒值則結合變形速率進行危險性類別 判斷，并進行聲音和燈光報警。另外，處理單元及A/D轉換單元、數值設定單 元、數據存儲單元、語音輸出單元和警示燈輸出單元可以集成在一個電路板， 并安裝在一個密封金屬盒中，體積小巧，并且具有防水作用。單片機具有較低 的成本的同時，其較強的數據信息處理能力，可以對信號在線進行時間序列的 采樣及分析預測。燈光和語音報警，可以使人在遠方安全地獲得圍巖的狀態(tài)信 息。
以上所述，僅為本實用新型較佳的具體實施方式
，但本實用新型的保護范 圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本實用新型揭露的技術范 圍內，根據本實用新型的技術方案及其發(fā)明構思加以等同替換或改變，都應涵 蓋在本實用新型的保護范圍之內。
權利要求1、一種用于監(jiān)測隧道巖體塌方的報警裝置，包括安裝在圍巖的監(jiān)測位置上對圍巖的位移信息進行檢測的位移傳感器，用于顯示圍巖位移信息的顯示單元；其特征在于還包括用于對圍巖位移信息進行預測和圍巖安全狀態(tài)進行判斷的處理單元；用于對裝置進行信息設定的數值設定單元；用于存儲圍巖位移采樣信息的數據存儲單元；用于圍巖位移信息和/或危險狀態(tài)報警信息進行語音播報的語音輸出單元；用于對圍巖狀態(tài)進行顯示的警示燈輸出單元；所述位移傳感器將圍巖位移信息傳送到處理單元進行分析和預測處理，后處理單元將預測的圍巖位移信息同圍巖狀態(tài)判別信息進行比較，得到圍巖未來狀態(tài)信息后處理單元再將不同的圍巖狀態(tài)信息轉化為不同燈光的控制信號發(fā)送到警示燈輸出單元進行圍巖未來狀態(tài)的燈光顯示；當預測的圍巖位移信息超過設定警戒值則處理單元向語音輸出單元發(fā)出控制指令進行語音報警。
專利摘要本實用新型公開了一種用于監(jiān)測隧道巖體塌方的報警裝置，包括位移傳感器、顯示單元、處理單元、數據存儲單元、語音輸出單元和警示燈輸出單元；位移傳感器將圍巖位移信息傳送到處理單元進行分析和預測處理，后將預測的圍巖位移信息同圍巖狀態(tài)判別信息進行比較；處理單元再將不同的圍巖狀態(tài)信息轉化為不同燈光的控制信號發(fā)送到警示燈輸出單元進行圍巖狀態(tài)的燈光顯示；當預測的圍巖位移信息超過設定警戒值則處理單元向語音輸出單元發(fā)出控制指令進行語音報警，其中數據分析部分采用差異進化支持向量機的時間序列模型及時地對數據進行分析預測的方法。該系統(tǒng)具有警戒值聲音和燈光遠距離報警，報警具有超前性等特點，適于在隧道、基坑等工程中廣泛推廣。
文檔編號G08B21/00GK201315089SQ20082021827
公開日2009年9月23日 申請日期2008年9月26日 優(yōu)先權日2008年9月26日
發(fā)明者姜諳男 申請人:大連海事大學