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神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)論文范文第1篇

[關(guān)鍵詞]MATLABBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型數(shù)據(jù)歸一化

一、引言

自20世紀(jì)70年代初以來的30多年里,世界黃金價格出現(xiàn)了令人瞠目的劇烈變動。20世紀(jì)70年代初,每盎司黃金價格僅為30多美元。80年代初,黃金暴漲到每盎司近700美元。本世紀(jì)初,黃金價格處于每盎司270美元左右,此后逐年攀升,到2006年5月12日達(dá)到了26年高點(diǎn),每盎司730美元,此后又暴跌,僅一個月時間內(nèi)就下跌了約160美元,跌幅高達(dá)21.9%。最近兩年，黃金價格一度沖高到每盎司900多美元。黃金價格起伏如此之大,本文根據(jù)國際黃金價格的影響因素，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型來預(yù)測長期黃金價格。

二、影響因素

劉曙光和胡再勇證實(shí)將觀察期延長為1972年～2006年時,則影響黃金價格的主要因素擴(kuò)展至包含道瓊斯指數(shù)、美國消費(fèi)者價格指數(shù)、美元名義有效匯率、美國聯(lián)邦基金利率和世界黃金儲備5個因素。本文利用此觀點(diǎn)，根據(jù)1972年～2006年各因素的值來建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型。

三、模型構(gòu)建

1.模型選擇：BP網(wǎng)絡(luò)具有理論上能逼近任意非線性函數(shù)的能力，將輸入模式映射到輸出模式，只需用已知的模式訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，通過學(xué)習(xí)，網(wǎng)絡(luò)就有了這種映射能力。2.樣本數(shù)據(jù)歸一化：在訓(xùn)練前，對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，把輸入向量和輸出向量的取值范圍都?xì)w一到[0，1]。

3.BP網(wǎng)絡(luò)設(shè)計：采用單隱層的BP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行預(yù)測，由于輸入樣本為5維的輸入向量，因此輸入層一共有5個神經(jīng)元，中間層取20個神經(jīng)元，輸出層一個神經(jīng)元（即黃金價格），網(wǎng)絡(luò)為5*20*1的結(jié)構(gòu)。中間層的傳遞函數(shù)為S型正切函數(shù)，輸出層為S型對數(shù)函數(shù)。中間層的神經(jīng)元個數(shù)很難確定，測試時分別對12，15，20個數(shù)進(jìn)行測試，尋找誤差最小的。

4.網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練:訓(xùn)練次數(shù)epochs5000,訓(xùn)練目標(biāo)goal0.001

對30個樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，經(jīng)過1818次的訓(xùn)練，目標(biāo)誤差達(dá)到要求，如圖2所示：神經(jīng)元個數(shù)為20個時誤差最小，此時網(wǎng)絡(luò)的仿真結(jié)果如圖3所示，預(yù)測精度80%以上，效果滿意。

四、結(jié)論

在對1976年～2006年的影響國際黃金價格的五種因素的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理后，用MATLAB建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型進(jìn)行預(yù)測，達(dá)到了很好的效果。

國際黃金的長期價格受到許多因素的影響，本文只是對道瓊斯工業(yè)指數(shù)等影響因素諸如分析，來預(yù)測長期的國際金價。還有其他因素，如國際油價，局部政治因素等，如果考慮進(jìn)去，預(yù)測精度會進(jìn)一步提高。

參考文獻(xiàn)：

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)論文范文第2篇

小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和基本的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)類似，一般采用輸入層、隱含層和輸出層三部分。小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層的轉(zhuǎn)移函數(shù)采用小波函數(shù)，但小波函數(shù)的選取目前還未有統(tǒng)一的理論。Szu構(gòu)造的Morlet小波函數(shù)。

2工程應(yīng)用

2．1工程概況北京地鐵6號線東延部分東部新城站至東小營站區(qū)間工程位于北京市通州區(qū)，起點(diǎn)為東部新城站，終點(diǎn)為東小營站。該區(qū)間由東部新城站向東，沿運(yùn)河?xùn)|大街北側(cè)設(shè)置，沿線穿越綠地、宋郎路路口，到達(dá)東小營站，其中在宋郎路路口和運(yùn)河?xùn)|大街東南有多處雨水、電力和電信管線。區(qū)間穿越的地層主要有粉細(xì)砂層、局部夾粉質(zhì)粘土層、中粗砂層。工程采用直徑為6m的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工。

2．2網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和數(shù)據(jù)采集小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)設(shè)計對預(yù)測結(jié)果影響較大，應(yīng)充分考慮與施工相關(guān)的各種因素，如地表沉降的成因、工程地質(zhì)條件和施工工藝參數(shù)等。盾構(gòu)施工引起的地表沉降易受到以下因素影響：盾構(gòu)施工區(qū)間的水文地質(zhì)條件對沉降量的影響較大；當(dāng)盾構(gòu)機(jī)由于某種原因停止推進(jìn)時，千斤頂會漏油回縮導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)后退，引起盾前土體壓力減小；盾尾脫空后，管片和土體之間存在空隙，由于注漿不及時，土體填充盾尾空隙引起土體局部塌落；盾殼移動引起土體的摩擦和剪切作用，在該作用力下土體產(chǎn)生變形；盾構(gòu)改變開挖方向，往往會引起超挖現(xiàn)象，土體受到的擾動隨之加大，引起土體局部變形破壞；開挖面的土體靠土倉壓力來維持，但是在施工過程中，土倉壓力和開挖面壓力并不是出于完全平衡狀態(tài)，這種不平衡狀態(tài)容易引起土體的坍塌變形。綜合考慮各相關(guān)因素，確定在對于地表沉降較為敏感的土體參數(shù)和施工參數(shù)中選取覆土厚度（H）、壓縮模量（Es）、粘聚力（c）、天然密度（ρ）、內(nèi)摩擦角（Ф）、千斤頂推力（F）和注漿壓力（P）共7個參數(shù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入?yún)?shù)。小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)選擇目前還沒有成熟的理論依據(jù)，可參考BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱層節(jié)點(diǎn)選取，通過經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)分析以輸入節(jié)點(diǎn)的2～4倍綜合確定，最終選擇為13。小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為7－13－1。盾構(gòu)施工引起的短期地表沉降對地表建筑和地下管線影響最大，且該施工區(qū)段地層變化較小，掘進(jìn)速度基本不變，故可以選取盾構(gòu)機(jī)通過該點(diǎn)50m后的穩(wěn)定沉降數(shù)據(jù)。在施工單位提供的相關(guān)測量數(shù)據(jù)和地質(zhì)資料中選取了51組數(shù)據(jù)，將其中36組作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，如表1所示。選擇15組作為測試數(shù)據(jù)，如表2所示。

2．3地表沉降預(yù)測與分析根據(jù)選取的36組數(shù)據(jù)和已經(jīng)確定的7－13－1的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分別建立小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測模型。設(shè)定訓(xùn)練目標(biāo)為0．001，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始權(quán)值、閾值和小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的伸縮參數(shù)、平移參數(shù)分別在［－1，1］之間隨機(jī)賦值。得到訓(xùn)練結(jié)果如圖1所示。結(jié)果顯示，經(jīng)過1050次訓(xùn)練后小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練誤差可以達(dá)到訓(xùn)練目標(biāo)，而BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要8500次訓(xùn)練才能達(dá)到訓(xùn)練目標(biāo)。小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練速度相比于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有較大優(yōu)勢。對于已經(jīng)訓(xùn)練好的兩種模型，使用相同的測試樣本進(jìn)行預(yù)測分析，得到的預(yù)測結(jié)果如圖2所示，預(yù)測結(jié)果和實(shí)際測量值的誤差如表3所示。可以看出，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最小、最大誤差分別為3．1％、27．3％，2．8％、14．5％，故小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測精度要好于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，且預(yù)測結(jié)果均在工程允許范圍內(nèi)，可以依據(jù)此預(yù)測結(jié)果對現(xiàn)場施工控制參數(shù)的制定提供科學(xué)的指導(dǎo)。

3結(jié)論

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)論文范文第3篇

企業(yè)綠色競爭力評價機(jī)制是通過一系列評價指標(biāo)來完成的，評價指標(biāo)選擇不同會產(chǎn)生不同的評價結(jié)果，所以評價指標(biāo)的選擇是建立評價系統(tǒng)的關(guān)鍵。對應(yīng)于綠色競爭力的基本特征，構(gòu)建評價指標(biāo)體系包含六個方面的指標(biāo)。然后采用頻度統(tǒng)計法、理論分析法初步設(shè)置指標(biāo)，通過主成分分析法、極大不相關(guān)法對指標(biāo)進(jìn)一步篩選、分類，然后采用專家咨詢法調(diào)整指標(biāo)，并綜合前人的研究成果構(gòu)建企業(yè)綠色競爭力評價指標(biāo)體系如表1所示。

2基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的企業(yè)綠色競爭力評價方法

2.1指標(biāo)歸一化處理企業(yè)綠色競爭力評價指標(biāo)體系中有些指標(biāo)是正指標(biāo)，有些指標(biāo)是逆指標(biāo)，需要對各指標(biāo)進(jìn)行歸一化去量綱處理。

2.2BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價的基本原理BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種具有兩層或兩層以上的階層型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，層間神經(jīng)元實(shí)現(xiàn)全連接，而層內(nèi)各神經(jīng)元間無連接。典型的BP網(wǎng)絡(luò)是三層前饋階層網(wǎng)絡(luò)，即：輸入層、隱含層和輸出層。BP網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)由四個過程組成，輸入模式由輸入層經(jīng)中間層向輸出層的“模式順傳播”過程；網(wǎng)絡(luò)的希望輸出與網(wǎng)絡(luò)實(shí)際輸出之差的誤差信號，由輸出層經(jīng)中間層向輸入層逐層修正連接權(quán)的“誤差逆?zhèn)鞑ァ边^程；由“模式順傳播”與“誤差逆?zhèn)鞑ァ钡姆磸?fù)交替進(jìn)行的網(wǎng)絡(luò)“記憶訓(xùn)練”過程；網(wǎng)絡(luò)趨向收斂即網(wǎng)絡(luò)的全局誤差趨向極小值的“學(xué)習(xí)收斂”過程。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析具有許多優(yōu)秀的品質(zhì)，并且善于從近似的、不確定的、甚至相互矛盾的知識環(huán)境中做出決策。其模型的結(jié)構(gòu)如圖1所示。應(yīng)用BP網(wǎng)絡(luò)對企業(yè)綠色競爭力做評價的方法是把用于描述評價對象的特征信息作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出向量，將代表相應(yīng)綜合評價的量值作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出向量；使用網(wǎng)絡(luò)前，用一些經(jīng)傳統(tǒng)綜合評價取得成功的樣本訓(xùn)練這個網(wǎng)絡(luò)，使它所持有的權(quán)值系數(shù)值經(jīng)過自適應(yīng)學(xué)習(xí)后得到正確的內(nèi)部表示，訓(xùn)練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)便可作為企業(yè)綠色競爭力評價的有效工具。

3企業(yè)綠色競爭力評價實(shí)例分析

本文的實(shí)證分析過程選取了我國造紙業(yè)上市公司作為研究案例，具體指標(biāo)值來源于X紙業(yè)集團(tuán)。首先對各輸入指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，然后利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對企業(yè)綠色競爭力進(jìn)行評價。在構(gòu)造評價企業(yè)綠色競爭力的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時，考慮到二級指標(biāo)體系包括36個指標(biāo)，所以輸入層神經(jīng)元設(shè)36個；設(shè)置1個輸出層神經(jīng)元，為了增加評價結(jié)果的直觀性，將評價結(jié)果劃分為優(yōu)、良、中、差四個等級，分別對應(yīng)于（1，0，0，0）、（0，1，0，0）、（0，0，1，0）、（0，0，0，1）；隱含層神經(jīng)元可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式n1=sqr（tm+n）+d來確定，其中m為輸入層神經(jīng)元個數(shù)，n為輸出層神經(jīng)元個數(shù)，d為0到10之間的常數(shù)，本文取d=5，由此可確定隱含層神經(jīng)元個數(shù)n1=11。使用Matlab編程軟件編寫B(tài)P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)程序，取神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)效率η=0.05，給定收斂值ε=0.001，當(dāng)企業(yè)的指標(biāo)值經(jīng)輸入層進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)時，網(wǎng)絡(luò)便用訓(xùn)練好的權(quán)值進(jìn)行運(yùn)作，最后根據(jù)輸出層輸出的向量值的隸屬關(guān)系確定企業(yè)的綠色競爭力，得到輸出結(jié)果為（0.9863，-0.0048，-0.0169，-0.0124），此輸出結(jié)果與（1，0，0，0）等級最為契合，表明該企業(yè)具有較強(qiáng)的綠色競爭力。

4結(jié)論

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)論文范文第4篇

只有清楚地了解電梯控制系統(tǒng)的運(yùn)行原理才能夠及時準(zhǔn)確的診斷出電梯故障原因，因此清楚的了解電梯運(yùn)行原理,每一個電梯維修人員必須要做到。電梯運(yùn)行過程總體上可分為以下幾個階段：第一、登記層外召喚信號和登記內(nèi)選指令階段；第二、電梯門關(guān)閉或者電梯按照系統(tǒng)指令停運(yùn)階段；第三、啟動階段；第四、在到達(dá)信號記錄的樓層前進(jìn)行減速制動；第五、平層開門階段。在整個過程中電梯需要從外界接收信號并處理，然后完成相應(yīng)的指令或者輸出信號，由此可以將電梯看作是一個完整的獨(dú)立的系統(tǒng)，只需要外界給予相應(yīng)的信號就可以自動的做出動作。電梯系統(tǒng)內(nèi)部復(fù)雜的構(gòu)件緊密的結(jié)合在一起，正是如此才使得電梯系統(tǒng)故障具有了復(fù)雜性、層次性、相關(guān)性以及不確定性的特點(diǎn)。

二、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基本原理

生物學(xué)上的神經(jīng)是由一個個簡單的神經(jīng)元相互連接進(jìn)而形成了復(fù)雜的龐大的神經(jīng)系統(tǒng)，同理，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就是由大量簡單的處理單元相互連接形成的復(fù)雜的智能系統(tǒng)。單獨(dú)的處理單元類似于一個神經(jīng)元，是一個可以接受不同信息但是只輸出一種信息的結(jié)構(gòu)單位。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與生物學(xué)神經(jīng)系統(tǒng)相似的是具有自我修改能力，它可以同時接收大量的數(shù)據(jù)并進(jìn)行統(tǒng)一的分析處理，進(jìn)而輸出相應(yīng)的處理結(jié)果。這就使得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有了高度容錯性、高度并行性、自我修改性、學(xué)習(xí)性以及高度復(fù)雜性，也正是由于這些特性才使的利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠及時準(zhǔn)確的查明電梯故障原因并得出故障解決方案。電梯故障診斷中應(yīng)用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型分為三個層次：輸入層、接收外部信號或者是電梯自我檢測信息（如載重信息）；隱含層、對接收到了大量數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的分析處理；輸出層、將記錄著動作命令的數(shù)據(jù)傳送出來。在電梯出現(xiàn)故障時，首先可以通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型快速確定故障發(fā)生在哪一層達(dá)到節(jié)約時間的目的。但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也會因?yàn)槭諗克俣冗^于慢、訓(xùn)練強(qiáng)度太大或者是選擇的網(wǎng)絡(luò)模型不好等問題導(dǎo)致診斷結(jié)果受到影響。

三、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在電梯故障診斷中的應(yīng)用分類

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型已經(jīng)成為了如今電梯故障診斷中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)模型，相比于傳統(tǒng)方式它具有診斷速度快、故障原因命中率高的優(yōu)點(diǎn)，因此引起了各方面專業(yè)人士的強(qiáng)烈關(guān)注，并在他們的不懈努力下得到了發(fā)展與創(chuàng)新。它跨越多個專業(yè)領(lǐng)域、通過對各種復(fù)雜的高難度工作的不斷的發(fā)展與改進(jìn)出現(xiàn)了越來越多的應(yīng)用模型，下面主要介紹了當(dāng)前應(yīng)用最普遍的BP網(wǎng)絡(luò)模型，并且簡單的引入并介紹了近年來新興的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和遺傳小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

（一）BP網(wǎng)絡(luò)模型

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用最廣泛的一種，它多應(yīng)用的誤差反向傳播算法使其在模式識別、診斷故障、圖像識別以及管理系統(tǒng)方面具有相對先進(jìn)性?；贐P網(wǎng)絡(luò)的電梯故障診斷技術(shù)就是通過學(xué)習(xí)故障信息、診斷經(jīng)驗(yàn)并不斷訓(xùn)練，并將所學(xué)到的知識利用各層次之間節(jié)點(diǎn)上的權(quán)值從而表達(dá)出來。BP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的主要診斷步驟主要可以分為三步。第一步：對輸入輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，將數(shù)據(jù)映射到特定的區(qū)間。第二步：建立BP網(wǎng)絡(luò)模型，訓(xùn)練BP網(wǎng)絡(luò)模型。第三：通過已經(jīng)訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)模型對原來的樣本進(jìn)行全面的檢測。算法步驟：a、在一定的取值范圍內(nèi)對數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化；b、確定輸入值數(shù)值大小，計算出預(yù)期輸出量；c、用實(shí)際輸出的值減去上一步得到的數(shù)值；d、將上一步得到的誤差分配到隱含層，從而計算出隱含層的誤差；e、修正輸出層的權(quán)值和閾值，修正隱含層的權(quán)值；f、修正隱含層的閾值，修正隱含層和輸入層的權(quán)值。

（二）遺傳小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

遺傳算法運(yùn)用了生物界的優(yōu)勝劣汰、適者生存的思想對復(fù)雜問題進(jìn)行優(yōu)化，適用于復(fù)雜的故障，起到了優(yōu)化簡化問題的作用。對局部數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的分析是小波法最大的特點(diǎn)，所以它被譽(yù)為“數(shù)字顯微鏡”。遺傳算法小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就是運(yùn)用小波進(jìn)行分解的方法分解模擬故障信號，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，將歸一化后的數(shù)值輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中。它融合了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析和遺傳算法三者所有的優(yōu)點(diǎn)。基于遺傳小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電梯故障診斷的一般步驟為：測試節(jié)點(diǎn)信號采樣、小波分解、故障特征量提取、歸一化得到訓(xùn)練樣本集、遺傳算法優(yōu)化、得到故障類型。遺傳小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在故障原因復(fù)雜、數(shù)據(jù)信息量巨大的電梯系統(tǒng)的應(yīng)用中能夠發(fā)揮更大的作用。

（三）模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型就是創(chuàng)新性的將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊理論結(jié)合到一起。它采用了廣義的方向推理和廣義的前向推理兩種推理方式。與其它兩種模型不同的是，它的語言邏輯、判斷依據(jù)和結(jié)論都是模糊的。但是它的數(shù)據(jù)處理能力還有自我學(xué)習(xí)能力并沒有因此而變差，反而更加豐富了它的定性知識的內(nèi)容。在處理實(shí)際問題的過程中，首先要建立所有可能發(fā)生的故障的完整集合，其次將所有的故障發(fā)生原因歸入到同一個集合中去，最后就是建立故障和原因的關(guān)系矩陣。分別叫做模糊故障集、模糊原因集、模糊關(guān)系矩陣。相較于BP網(wǎng)絡(luò)模型，這種模型更加的簡單易行，充分發(fā)揮了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯的優(yōu)點(diǎn)，不會因?yàn)楣收显蜻^于復(fù)雜而失去診斷的準(zhǔn)確性，在原本豐富定性知識和強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力的基礎(chǔ)上具有了很大的自我訓(xùn)練能力。

四、結(jié)語

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)論文范文第5篇

關(guān)鍵詞：立井井筒非采動破裂反向傳播網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測數(shù)值模擬

一、煤礦立井發(fā)生破壞問題的提出

徐淮地區(qū)是中國東部主要的煤炭開采基地，其煤炭的生產(chǎn)直接影響著我國煤炭的總產(chǎn)量，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中占有重要的地位。然而自20世紀(jì)80年代以來，在我國徐淮地區(qū)（徐州、淮北、淮南）地區(qū)，出現(xiàn)了一種新的礦井破裂災(zāi)害——井筒的非采動破裂，即煤礦立井在不受地下采動影響的條件下（井筒及其附近的工業(yè)廣場都留有足夠的保護(hù)煤柱），井壁發(fā)生嚴(yán)重變形和破裂，致使提升運(yùn)輸困難。90年代以來，在我國特大型煤炭企業(yè)'''');">企業(yè)兗州礦業(yè)集團(tuán)的9對井筒也先后發(fā)生了破壞(有關(guān)兗州礦區(qū)井筒破裂的基本情況如表1所示)。煤礦豎井是礦山生產(chǎn)運(yùn)輸?shù)难屎硪?，因此豎井的破壞嚴(yán)重影響了礦山生產(chǎn)，給各煤礦造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

為了盡量減少立井的非采動破裂所造成的經(jīng)濟(jì)損失，現(xiàn)在各大礦山都對井筒的變形進(jìn)行了預(yù)報和治理，到目前對井筒破裂的預(yù)報方法主要有兩種：

1）第一種方法是通過加強(qiáng)對井筒變形的監(jiān)測，以監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，對井筒的變形進(jìn)行分析，對其破裂進(jìn)行預(yù)報。

2）第二種方法是新近發(fā)展起來的預(yù)報方法［1，2，3］，即系統(tǒng)科學(xué)、智能技術(shù)方法，特別是研究非線性復(fù)雜系統(tǒng)的一些方法。其主要內(nèi)容使用系統(tǒng)科學(xué)原理或智能技術(shù)來建立模型的框架，用觀測的實(shí)測資料填充以實(shí)現(xiàn)建模。

本文采用實(shí)際與智能技術(shù)相結(jié)合的預(yù)報方法，建立井筒破裂的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，模仿人腦的運(yùn)行機(jī)制，通過對井筒破壞規(guī)律的學(xué)習(xí)，使網(wǎng)絡(luò)具有根據(jù)特征值對井筒破壞進(jìn)行預(yù)報的能力，并據(jù)此來推測相關(guān)煤礦的井筒破壞規(guī)律。

表1兗州礦區(qū)井筒破裂的基本情況

Table1BasicsituationofshaftliningfractureinYanzhouCoalMine

礦區(qū)

序號

井筒名稱

竣工時間

破裂時間

凈徑/m

外徑/m

施工方法

井壁類型

表土厚度/m

破裂深度/m

破裂情況

兗州

1

鮑店副井

1979.11.26

1995.6.5

8.0

10.2

凍結(jié)法

雙層井壁

148.6

126.9

罐道縫壓實(shí),罐道,管路壓縮彎曲,混凝土表層剝落出現(xiàn)水平裂縫,豎筋彎曲外露

2

鮑店主井

1979.5.14

1995.7.12

6.5

8.5

凍結(jié)法

雙層井壁

148.69

136—144

3

鮑店北風(fēng)井

1979.10.21

1996.8.2

5.0

6.6

凍結(jié)法

雙層井壁

202.56

168.4,180,204

4

鮑店南風(fēng)井

1979.8.1

1996.8.9

凍結(jié)法

雙層井壁

157.92

158.1—159.3

5

興隆莊西風(fēng)井

1976.8

1995.10

5.5

7.4

凍結(jié)法

雙層井壁

183.9

165.5—171.6

6

興隆莊東風(fēng)井

1977.5.31

1997.6.7

5.0

6.4

凍結(jié)法

雙層井壁

176.45

157—180

7

興隆莊主井

1977.8.13

1997.6.23

凍結(jié)法

雙層井壁

189.31

150,184

在未出現(xiàn)嚴(yán)重破裂時進(jìn)行了治理

8

興隆莊副井

1978.9

1997.6.26

凍結(jié)法

雙層井壁

190.41

154,200

罐道縫壓實(shí),罐道,管路壓縮彎曲,混凝土表層剝落出現(xiàn)水平裂縫,豎筋彎曲外露

9

楊村主井

1984.12

1997.2.29

5.0

6.6

凍結(jié)法

雙層井壁

185.42

176.5,196

10

楊村副井

1985.1.23

1997.12.2

凍結(jié)法

雙層井壁

184.45

160,176,212

在未出現(xiàn)嚴(yán)重破裂時進(jìn)行了治理

11

楊村北風(fēng)井

1984.10.31

1997.2.4

4.5

5.9

凍結(jié)法

雙層井壁

173.40

179.6,150,156.6

罐道縫壓實(shí),罐道,管路壓縮彎曲,混凝土表層剝落出現(xiàn)水平裂縫,豎筋彎曲外露

二、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)報原理

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)井筒破裂的智能預(yù)報，是通過機(jī)器學(xué)習(xí)的方法［4］對破裂井筒的特征值進(jìn)行抽取，并對已知的井筒破裂規(guī)律進(jìn)行學(xué)習(xí)掌握規(guī)律性，然后運(yùn)用訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對其他井筒進(jìn)行推理預(yù)測，并據(jù)此對其他井筒的破裂進(jìn)行預(yù)報（其流程見圖1）。

三、立井井筒破裂影響因素的選取

經(jīng)調(diào)查表明立井井壁破裂的主要原因?yàn)椋涸诿旱V開采過程中新生界底部第四系含水層（底含）的水頭的大幅疏降，使該含水層及上覆土層產(chǎn)生壓縮和變形，且引起地表沉降，在地層發(fā)生變形的過程中對井壁產(chǎn)生垂直向下的附加力，使得立井井壁發(fā)生破裂。

立井井筒破裂礦區(qū)的水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件都具有如下的特點(diǎn)：井筒都穿過第四系深厚表土，其厚度大都在200m左右。土層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但大體上都可分為四個含水層和三個隔水層共七個工程巖組，即由上至下常簡稱為一含、一隔、二含、二隔、三含、三隔和底含（四含）。

通過對立井井筒非采動破裂機(jī)理及破裂礦區(qū)的水文地質(zhì)與工程地質(zhì)特點(diǎn)分析選取以下幾個因素作為影響立井井筒破裂的特征因素：

1、表土層厚度

由于立井井筒非采動破裂只發(fā)生在厚沖積層中建成的立井井筒，因此表土層厚度是立井井筒非采動破裂現(xiàn)象發(fā)生的必要因素。表土層厚度越大，土層對立井井筒的側(cè)壓力越大，且土層與井筒的相互作用的面積增大，底含沉降時產(chǎn)生的立井井筒附加力加大，立井井筒發(fā)生破裂的可能性越大。

2、底含厚度

底含厚度決定了立井井筒周圍土層的變形量，且土層變形量直接關(guān)系到立井井筒附加應(yīng)力的大小，因此底含厚度越大，井筒破裂的可能性增大，所以確定底含厚度為立井井筒破裂的主要影響因素。

3、底含水位降速

底含水位降速決定了立井井筒周圍土層變形的速率，從而決定了立井井壁破裂的時間。底含水頭降速直接決定了立井井筒破裂時間的大小。

4、井筒外徑

由于在確定的工程地質(zhì)條件下立井井筒外表面積與立井井筒附加力的大小成正比，則確定立井井筒外徑大小為立井井筒破裂的主要因素。

5、井壁厚度

井壁厚度越大，立井井筒的凈截面積越大，立井井壁內(nèi)壁應(yīng)力降低，有利于立井井筒的穩(wěn)定。

四、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)以上對影響井筒變形的特征因素的選取，選擇反向傳播（backpropagation,BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對井筒的破裂規(guī)律進(jìn)行訓(xùn)練，其網(wǎng)絡(luò)為包含兩層隱含層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，輸入層、隱含層、輸出層的神經(jīng)元的個數(shù)分別為5、20、10、1，

表2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入矢量p及目標(biāo)矢量t

Table2Inputvectorpandtargetvectortoftheneuralnetwork

輸入矢量p

輸出矢量t

表土層厚度(m)

井筒外徑(m)

井壁厚度(m)

底含水位降速（米/年）

底含厚度(m)

井壁破裂時間（月）

189.31

8.92

1.21

3.764

34.1

192

190.41

10.1

1.3

3.212

30

225

190.41

6.4

0.7

2.988

32.85

241

189.5

7.4

0.95

3.652

29.9

230

148.69

8.5

1

5.196

56.29

194

148.6

10

1

5.262

55.0

187

202.56

6.6

0.8

5.053

59.0

190

185.5

6.4

0.7

7.192

57.72

146

其訓(xùn)練函數(shù)分別采用雙曲正切函數(shù)tansig及線性激活函數(shù)purelin［5］，網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)采用的輸入矢量及目標(biāo)矢量如表2所示。

網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后，其輸出值與期望值之及目標(biāo)誤差如表3所示。

表3BP網(wǎng)絡(luò)對井筒破壞規(guī)律的學(xué)習(xí)

Table3BPnetworklearningofshaftliningfractureregularity

輸入矢量p

目標(biāo)矢量t

目標(biāo)誤差

輸出矢量

a

189.31

8.92

1.21

3.764

34.1

192

0.0001

199.5

190.41

10.1

1.3

3.212

30

225

0.0001

222.3

190.41

6.4

0.7

2.988

32.85

241

0.0001

243.8

189.5

7.4

0.95

3.652

29.9

230

0.0001

221.3

148.69

8.5

1

5.196

56.29

194

0.0001

193.06

148.6

10

1

5.262

55.0

187

0.0001

185.6

202.56

6.6

0.8

5.053

59.0

190

0.0001

188.9

185.5

6.4

0.7

7.192

57.72

146

0.0001

147.23

五、實(shí)例應(yīng)用及與數(shù)值模擬結(jié)果的比較

兗州礦區(qū)楊村煤礦北風(fēng)井井筒表土段厚173.4m，采用凍結(jié)法施工，于1984年竣工，在1997年的檢查中發(fā)現(xiàn)井壁已發(fā)生了破裂，現(xiàn)在用學(xué)習(xí)后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對楊村北風(fēng)井的井筒破裂時間進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果如所表4示。

據(jù)上表可以得出有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)報得出的預(yù)測值與實(shí)際的目標(biāo)矢量之間的誤差僅為0.015，該誤差在現(xiàn)場的實(shí)際工作中是可以接受的，這說明由BP網(wǎng)來預(yù)測豎井的非采動破壞在實(shí)際工作中是可行的，且行之有效。

表4神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對楊村北風(fēng)井破裂的預(yù)測

Table4NeuralnetworkforecasttothefracturetimeofYangcunnorthshaft

輸入矢量p

目標(biāo)矢量t

輸出矢量

a

誤差

表土層厚度(m)

井筒直徑(m)

井壁厚度(m)

底含水位降速（米/年）

底含厚度(m)

井壁破裂時間（月）

173.4

5.9

0.7

7.5

65.3

136

138

0.015

根據(jù)兗州礦區(qū)的工程地質(zhì)資料和及楊村立井井筒施工資料建立了立井井筒破裂的幾何計算模型，采用Flac3D進(jìn)行數(shù)值模擬計算，模型共19008個六面體、21600個結(jié)點(diǎn)。數(shù)值模擬計算后立井井壁最大z方向應(yīng)力隨底含水頭降變化如圖2所示，底含失水沉降情況下立井井壁發(fā)生破裂時的底含水頭降為0.8MPa左右，換算為水頭高度等于80m，此時井壁內(nèi)部的最大應(yīng)力為30MPa，達(dá)到了立井井筒的破裂強(qiáng)度。則立井井筒的破裂時間T為：

T＝底含水頭高度損失量/底含水位降速

＝(80÷7.5)×12

＝128月

根據(jù)底含水頭降速可得立井井筒破裂的時間為128月，與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測值相比，相差10月左右，因此可以認(rèn)為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測基本可以用于立井井筒破裂時間的預(yù)測。

圖2立井井壁最大z方向應(yīng)力隨底含水頭降變化

Fig.2Waterheadvariationinbottomaquifervs.maximumz-directionalstressinshaftlining