[发明专利]一种巷道围岩应力建模与预测方法

权利要求书

1.一种巷道围岩应力建模与预测方法，其特征在于，其包括如下步骤：

S1，测量获取巷道围岩N个点的应力值与应变值，记录M天中每一天的巷道围岩的每个点的应变值与应力值的数据；其中，所述巷道为马蹄铁型；

S2，对所述S1获得的数据进行归一化处理，将所述应变值和应力值处理为-1到1之间的数值；

S3，利用所述S2归一化后的数值建立经过改良的ELM算法定量分析数学模型，基于该数学模型对需要预测的应变数据进行测试，获得被预测部分中的应力值以及趋势走向；

其中，所述S2包括以下步骤：

S101、将巷道围岩的所述N个点分别在垂直和水平方向的应变值数据制成M×2N的矩阵A；以及其中一个点的应力值数据制成M×1的矩阵B；

S201、对所述步骤S101中得到的所述矩阵A、B进行归一化处理；在所述矩阵A中取最大的数据记为Cmax和最小的数据记为Cmin，并对Cmax和Cmin两者做差得到C_r，C_t由公式一获得；

公式一

S202、分别用所述矩阵A中的数值替换C值，代入所述公式一获得矩阵At，同时将矩阵B做同样的处理，获得矩阵Bt；

所述步骤S3包括以下步骤：

S301、将所述归一化后的其中一部分的数据作为训练样本，另一部分作为测试样本；

将所述训练样本的矩阵代入传统ELM应力模型进行建模，将所述测试样本带入建模完毕的应力模型，获得预测输出的测试应力，与实际测量的数据进行比较，获得所述预测输出的测试应力与所述实际中测量的应力的方差E；

S302、利用所述方差E，建立改良的ELM算法定量分析数学模型，根据围岩应变预测得出围岩的应力；

所述的传统ELM应力模型进行建模，包括如下步骤：

S30101、ELM模型中激活函数g(x)取sigmoid；

S30102、产生l×n的随机输入层矩阵w：

公式二

其中，所述l表示隐含层有l个神经元，所述n代表有输入层有n组输入变量；w_i,j(i＝1...l,j＝1...n)为连接第i个输入节点与第j个隐藏层节点的输入层权值；令输出层权值β和隐藏层偏置量b为：

公式三

公式四

其中，所述m为m组输出变量；β_i,j(i＝1...l,j＝1...m)为连接第i个隐藏层节点与第j个输出节点的输出层权值；b_i(i＝1...l)为第i个隐藏层节点的偏置；

输入层X为所述矩阵At中的训练样本，输出层Y为所述矩阵Bt中的训练样本:

公式五

输入层X中n表示为输入层X有n组向量，每个向量有Q个元素；输出层Y中，m表示为输出层Y有m组向量，每个向量有p个元素，

传统ELM模型的输出即输出T为：

公式六

隐藏层输出H为：

H＝g(w·X+b) 公式七

其中，g为sigmoid函数，w为输入层矩阵，X为输入层，b为隐藏层偏置量，根据所述公式六和公式七，即可得：

β＝H⁺T

其中，所述β为输出层权值；所述H⁺表示隐藏层输出矩阵H的Moore-Penrose广义逆；

所述建立改良的ELM算法定量分析数学模型，具体步骤包括：

S30201、首先定义搜索步长t，取一个输入层权值w_ij值，并计算方差E；

S30202、令w_ij'＝w_ij+t，按照所述传统ELM方法重新更新输出层权值，更新后的输出权值为β'，并重新计算获得方差，重新计算出的方差为E'；

S30203、判断E和E'的关系；

如果E'<E，令w_ij＝w_ij'，β＝β'并令E＝E'，继续执行S30202；

如果E'>E，判断是否是第一次执行w_ij'＝w_ij+t，如果不是第一次则执行S30204，如果是第一次，则执行30205；

S30204、输出w_ij，执行S30201；

S30205、令w_ij'＝w_ij-t，按照所述传统ELM方法重新更新输出层权值，更新后的输出权值为β'，并重新计算方差，重新计算获得方差E'；

S30206、判断E和E'的关系；

如果E'<E，令w_ij＝w_ij'，β＝β'并令E＝E'，继续执行S30205；

如果E'>E，输出w_ij，执行S30201。