矿山边坡变形监测数据的高斯过程智能分析与预测

王建民

太原理工大学矿业工程学院，山西 太原 030024

王建民.矿山边坡变形监测数据的高斯过程智能分析与预测[J].测绘学报，2017,46(9)：1206.

10.11947/j.AGCS.2017.20170143.

WANG Jianmin.Intelligent Analysis and Prediction of Mine Slope Deformation Monitoring Data Based on Gaussian Process[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(9):1206. DOI:10.11947/j.AGCS.2017.20170143.

矿山边坡变形监测数据的高斯过程智能分析与预测

王建民

太原理工大学矿业工程学院，山西 太原 030024

矿产资源开采引发的地表塌陷、崩塌、地裂缝和地面沉降等矿山灾害给人类的生命财产安全造成严重的威胁，集成多传感器的自动化、智能化监测系统是矿山地面灾害监测的发展方向。以中煤平朔井工二矿边坡(简称二号井边坡)自动化监测系统作为研究案例，应用高斯过程(Gaussian process，GP)理论研究变形数据智能分析方法和预测模型，对矿山灾害进行防治提供科学依据。

监测数据的可靠性是变形监测分析和预测的基础，针对原始观测数据可能存在的异常值，提出了完整搜索估计法(full search estimation，FSE)能够实现多维异常数据定位、估值和修正：根据异常数据影响验后方差这一基本思想，设计了多维异常数据定位搜索算法，在算法执行的过程中能够自动生成包含异常数据位置的定位矩阵，同时给出了动态阈值计算公式用于判断搜索是否结束；应用可靠性理论结合最小二乘方法推证了异常数据的估值和修正方程。分别以测量机器人异常数据探测和矿山坐标转换参数可靠性求解为例对FSE进行实证分析，结果表明FSE具有较好的抗差能力。

边坡变监测过程中受外界环境及施工作业等因素的影响有时造成数据缺失，需要应用时空插值方法对缺失数据加以插补形成完整的时空序列数据。通过研究高斯过程回归(Gaussian process regression,GPR)在时间域上插值的样本数量，给出了GPR在时间域上的一维插值方法和步骤，试验证明GPR在时间域上可以适应线性和非线性插值；按照空间插值样本数据选择的一般原则，进一步研究了基于GPR的空间插值方法；顾及监测数据的时空关联性，利用GPR在时间域和空间域插值输出的验后方差作为定权因子，给出了基于GPR的时空插值的计算公式，并用交叉验证法证明了GPR时空插值的可行性。

对变形区域进行时空位移特征分析是变形数据分析的一项主要内容，就描述监测点三维位移特征常用的绝对指标进行了论述，将短期位移速率和累积位移速率的比值定义为累积位移速率比作为一种相对指标，使用累积位移速率比的大小和符号可以简单直观地分析监测点的相对稳定状态。通过计算分析一段时间内的累积位移速率比，依据3σ准则将监测点的稳定状态分为4个级别，即稳定、较稳定、不稳定和极不稳定。

单独分析监测点的变形特征难以从整体上掌握变形区域的时空演化趋势和变形规律。为此，在GPR时空插值的基础上研究了基于GPR变形趋势面模型建模方法和流程，以三维累积位移量作为分析对象，构建了二号井边坡的变形趋势面模型，以此来分析其变形的时空演化过程；应用FSE提取累积位移速率比的离群值，并将提取结果赋予高斯过程分类(Gaussian process classification,GPC)标志，给出了基于GPC变形区域局部稳定性分析方法和流程，以累积位移速率比作为分析对象，对二号井边坡的局部稳定性进行整体分析。

鉴于GPR的核函数对预测性能有很大影响，应用核函数相加方式得到与变形曲线特点相吻合的组合式核函数“Matern32+SE”；考虑到监测数据的不断更新和累积，为保持超参数与训练样本集的一致性，研究了“递进-截尾式”超参数动态更新模式和GPR最佳训练样本数量确定方法；在此基础上建立了以时间作为输入项的GPR监测点时间驱动智能预测模型(GPR-TIPM)和以历史数据作为输入项的GPR监测点数据驱动智能预测模型(GPR-DIPM)。

Intelligent Analysis and Prediction of Mine Slope Deformation Monitoring Data Based on Gaussian Process

WANG Jianmin

Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China

his doctoral degree from TaiYuan University of technology on June 2016，majors in geo-spatial information.

P228

D

1001-1595(2017)09-1206-01

国家自然科学基金(41371373)

2017-03-23

王建民(1976—)，男，2016年6月毕业于太原理工大学，获工学博士学位(指导教师：张锦教授)，研究方向为地球空间信息技术与应用。

E-mail： 8844.4321@163.com