[发明专利]用于矿山微震监测的传感器网络布局优化方法及其应用

说明书

本发明提供了一种用于矿山微震监测的传感器网络布局优化方法及其应用，通过最优参数估计的CRLB原理构建未知波速系统的传感器网络布局的优化函数，并采用改进的遗传算法中的编码算子、选择算子、交叉算子、突变算子、精英保留策略以及收敛判据对优化函数进行求解，得到最优传感器网络布局方案。本发明提出了基于CRLB参数估计和改进遗传算法的传感器网络优化方法，提供了目标传感器的最优网络布局方案，具有一般性、普适性及更高的计算效率，结果稳定性显著；解决了矿山微震监测工作中，波速未知系统的传感器网络布局问题，为矿山微震日常监测提供可靠、及时、准确的源定位信息，提高了矿山作业的安全性，具有重大的实际应用价值和意义。

技术领域

本发明涉及矿山微震监测技术领域，尤其涉及一种用于矿山微震监测的传感器网络布局优化方法及其应用。

背景技术

传感器阵列对矿山微震的日常监测项目存在着长期影响，矿区可实现的监测精度在很大程度上取决于所使用的传感器网络布局，良好的传感器网络对于可靠和准确的源定位至关重要。但是，现有技术对于传感器网络布局的研究和应用较少，发明专利(申请号为CN 201310379409.4)公开了一种金属矿山井下微震监测系统，通过在井下被监测区段巷道中设置网络多通道采集器，其包括16个微震信号收集装置，这些微震信号收集装置被分别锚固于井下巷道侧壁不同方向上的井下监测孔内，以实现地下矿山井下矿岩的微震动实时在线监测与分析；但是，该方案未对微震信号收集装置进行有效的网络优化和设计，将会造成微震信息利用不充分，矿山微震定位精度难以保证，灾害高精度监测和预警更无从谈起。

传感器网络布局的设计是矿山微震定位系统进行日常监测的核心内容任务之一。如何选择合理的传感器网络直接影响矿山微震震源定位精度的上限，严重制约矿山灾害精细化监测和预警。在微震监测系统的布置中，监测区域内传感器并不能随意布置，但往往也会有很多符合条件的候选位置；如何在这些候选位置中确定最优的传感器网络布局一直是困扰工程人员的关键问题。不合理的传感器网络布局将使得源定位的控制方程近似奇异，进而导致定位系统对输入误差异常敏感；现有传感器网络布局方法的优化或评价函数普遍存在较大偏差，没有考虑重点监测区域和工程实际情况，且不适用于波速未知定位系统的传感器网络布局。

有鉴于此，有必要设计一种改进的用于矿山微震监测的传感器网络布局优化方法及其应用，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于矿山微震监测的传感器网络布局优化方法及其应用，利用最优参数估计的CRLB原理构建未知波速系统的传感器网络布局的优化函数，并采用改进的遗传算法对上述优化函数进行求解，得到最优传感器网络布局方案；该传感器网络优化方法更加具有一般性、普适性以及更高的计算效率，为矿山微震的日常监测提供可靠、及时、准确的源定位。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种用于矿山微震监测的传感器网络布局优化方法，包括以下步骤：

S1、利用最优参数估计的CRLB原理构建未知波速系统的传感器网络布局的优化函数；所述优化函数为：

其中，s为传感器；矢量u(x,y,z)^T(u∈Ω_u)为微震源坐标；下标i,j表示矩阵第i列和第j行处的元素；假设所有可能的震源位置共同构成一个震源域Ω_u，即监测区域Ω_u；p(u)为向量u在给定监测区域Ω_u上出现的概率；p(t_i,0|Δ)为到时差t_i,0的条件为α的概率密度函数，具体表达式为E为数学期望求解符号，上标T表示矩阵或向量的转置，t_i,0为到时差数据，t_i,0＝t_i-t₀，表示t_i,0不含误差的真值，R_n为M×M维的协方差矩阵，具体表达式为R_n＝σ²Q，M为目标传感器个数，σ为到时差测量噪声的标准偏差，σ根据先验经验获得或假设为1进行简化计算，为介质波速；