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灰色Verhulst模型在矿区沉降预测中应用探讨.pdf

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0引言矿山开采沉陷是一个复杂的时间和空间问题,地表沉降量需要经历不同时期持续进行观测,由于观测条件的限制,采集到的有效数据往往不足,而灰色系统理论可以弥补数据不足带来的缺陷。它能从有限的、离散的数据中找出规律,作出相应的分析和预测。朱华吉、孙泽信等建立了非等时空距GM(1,1)模型,提高了GM(1,1)模型的精度和可靠性。宋彦辉、偶昌宝等证明了灰色Verhulst模型在沉降中有高精度预测。王双龙、郭广猛等应用灰色Ver-hulst模型,使其在沉降预测中得以应用。本文在以地表实测数据为基础,对GM(1,1)和灰色Verhulst模型在矿区地表的沉降预计实用性和可行性方面进行探讨。1灰色Verhulst模型建立及精度分析1.1灰色Verhulst模型的建立x(0)(m)为原始数据数列,x(1)是x(0)的一次累加生成序列,z(1)为x(1)的紧邻均值生成序列,则GM(1,1)的幂模型x(0)(m)+az(0)(m)=b(z(1)(m))α(1)当α=2时,称x(0)(m)+az(1)(m)=b(z(1)(m))2(2)为灰色Verhulst模型,其白化方程dx(1)dt+ax(1)=b(x(1))2(3)1.2灰色Verhulst模型的精度分析由灰色Verhulst模型得到预测的数据后,要对其进行检验分析。对预测值经过统计检验来确定模型精度的等级。首先求出残差数列,然后求出实测数列和残差数列的方差比值,即后验差比值C,比值越小,预测精度就越高。设实测数列x(0)及残差数列e的方差S1=1nnm=1Σ(x(0)(m)-x—(0))2(4)S2=1nnm=1Σ(e(m)-e—)2(5)其中,x—(0)=1nnm=1Σx(0)(m);e—=1nnm=1Σe(m)。然后计算均方差比值C=S2/S1和小误差概率p=P{|e(m)-e—|<0.6745S1}。其中,C、P取值的模型精度等级如表1所示。表1模型精度等级2灰色预测模型对矿区沉降的预测2.1数据预处理某矿走向断面上12#和13#点、下沉盆地最边缘2#点和临近最大下沉点的8#点在不同观测时期所得到沉降量为例。观测数据是非等时距数据,由于灰色灰色Verhulst模型在矿区沉降预测中应用探讨*武君(河南理工大学,河南焦作454003)摘要:在沉陷日常监测中,受各种不利因素影响,数据不易获得,数据量往往不多,从而影响了沉陷的预计精度。针对这个问题,在对数据等时间距化的基础上,运用了GM(1,1)和灰色Verhulst模型对沉降量进行了预计。结合矿区地表实测沉降进行了实例验证,结果表明灰色Verhulst模型对矿区沉降量的预计比GM(1,1)更为有效。关键词:灰色Verhulst模型;GM(1,1)模型;沉降预测中图分类号:TD853.391文献标志码:A文章编号:1008-8725(2015)03-0318-02DiscussiononGreyVerhulstModelUsedinMiningSubsidencePredictionWUJun(HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454003,China)Abstract:Insubsidenceroutinesurveillance,influencedbyvariousunfavorablefactors,thedataisnoteasytogetandamountofdataisoftennotmuch,whichaffectthesubsidencepredictionaccuracy.Aimingatthisproblem,basedondatasuchastimedistance,theGM(1,1)andgreyVerhulstmodelareusedtopredictthesettlement.Combinedwithasurfacemeasuredsubsidenceexampleverification,theresultsshowthatgreyVerhulstmodelofminingsubsidenceisexpectedtomoreeffectivethanGM(1,1).Keywords:Verhulstmodel;GM(1,1)model;subsidenceprediction*国家自然科学基金委员会与神华集团有限责任公司联合资助项目(U1261206);河南省教育厅科学技术研究重点资助项目(13A440464);河南省高校科技创新团队支持计划(13IRTSTHN029)模型精度等级1级(好)2级(合格)3级(勉强)4级(不合格)P0.95
模型的预测需要等时距的数据。首先利用MATLAB进行插值处理,将观测数据转换为等时距数据,转化后的数据如表2所示。表2插值处理后的数据2.2地表沉降值的灰色模型预测分析依据GM(1,1)和灰色Verhulst预测模型,运用MATLAB编写程序,预测结果如表3所示。表3预计结果对比分析应用MATLAB工具,求出灰色Verhulst模型的参数a=-03521,b=-3.7963×10-4。其原始数列x(0)及残差数列e的标准差分别为后验差比值为S1=19.11,S2=0.35,后验差比值为C=S2/S1=0.018<0.35,P≥0.95,根据表1模型精度等级可得,灰色Verhulst模型的精度均满足要求,且是1级(好)。2个灰色模型对地表沉降预测结果见表3所示,可以明显看出GM(1,1)模型的残差值的绝对值多在1mm以上,而灰色Verhulst模型残差值的绝对值均<1mm,且灰色Verhulst模型预测沉降值精度要比GM(1,1)模型的精度高很多。通过2#点、8#点和13#点的灰色Verhulst模型的预测值和残差值,可知Verhulst模型在矿区沉降预测中具有较高的预测精度,如表4所示。表42#、8#和13#点的Verhulst模型的预测值及残差值GM(1,1)模型和灰色Verhulst模型预测曲线如图1、图2所示。图1GM(1,1)模型预测图图2灰色Verhulst模型预测图从图1、图2可以看出,灰色Verhulst模型拟合曲线值更接近实测值,符合煤矿开采引起的地表沉降变化规律。而GM(1,1)模型曲线拟合值较偏离实测值,它是一条无限下降的曲线,不符合矿山开采沉陷的一般规律,因此,灰色Verhulst模型更适用于矿区开采沉降的预测。3结语(1)通过对灰色Verhulst模型与GM(1,1)模型进行对比分析,灰色Verhulst模型有较高的预测精度,更适用于矿区开采沉降预测,且可用于矿区不同阶段不同时间的沉降预测;(2)通过运用灰色Verhulst模型进行计算和精度分析,C、P的取值均满足模型精度的要求,其模型精度等级为1级(好)。参考文献:[1]孙泽信,庞逸群,黄腾.改进的灰色模型在建筑物沉降预测中的应用[J].测绘工程,2010,19(3):59-62.[2]宋彦辉,聂德新.基础沉降预测的Verhulst模型[J].岩土力学,2003,24(1):123-126.[3]偶昌宝,俞亚南,王战国.不等时距灰色Verhulst模型及其在沉降预测中的应用[J].江南大学学报,2005,4(1):63-65.[4]王双龙.基于灰色Verhulst模型的建筑工后沉降预测[J].测绘通报,2007(10):10-12.[5]郭广猛.用GM(1,1)模型和Verhulst模型进行建筑物沉降预测[J].岩土工程界,2000,3(10):33-37.[6]赵忠明.用生物生长规律划分地表移动变形时间阶段[J].有色金属:矿山部分,2005,57(6):27-28.[7]周德强,冯建中.建筑物沉降预测的改进Verhulst模型研究[J].地下空间与工程学报,2011,7(1):194-198.[8]严剑锋,邓喀中.灰色精化模型应用于地面沉降预测[J].测绘工程,2012,21(4):22-24.作者简介:武君(1989-),女,河南开封人,硕士研究生,研究方向:矿山测量与开采沉陷,电子信箱:chenjj@hpu.edu.cn.责任编辑:赵勤收稿日期:2014-07-2910.9953.511.74.020.6858.84.99.030.5565.66.913.041.2874.89.619.050.4178.213.321.260.9480.518.427.070.8583.824.933.180.3085.933.234.090.3888.443.037.2100.2390.153.739.2序号2#点下沉量/mm8#点下沉量/mm12#下沉量/mm13#下沉量/mm序号1234567891012#点实测值/mm11.74.96.99.613.318.424.933.243.053.7GM(1,1)预测值/mm11.76.27018.273410.916614.404419.006425.078733.091143.663357.6133灰色Verhulst模型预测值/mm11.74.84916.80769.506913.179418.085924.475932.506942.112152.831GM(1,1)残差值/mm0-1.3701-1.3734-1.3166-1.1044-0.6064-0.17870.1089-0.6633-3.9133灰色Verhulst模型残差值/mm00.05090.09240.09310.12060.31410.42410.69310.88790.8690-10-20-30-40-50-60-70-80-90沉降值/mm02468101214161820序号实测值预测曲线0-10-20-30-40-50-60-70-80-90沉降值/mm02468101214161820序号实测值预测曲线第34卷第03期Vol.34No.03灰色Verhulst模型在矿区沉降预测中应用探讨———武君12345678910实测值/mm0.990.680.551.280.410.940.850.30.380.23Verhulst模型预测值/mm0.990.52930.70620.84760.89750.83240.68250.50510.34030.2251残差值/mm00.1507-0.1560.4324-0.4870.10760.1675-0.2050.03970.0049实测值/mm53.558.865.674.878.280.583.885.988.490.1Verhulst模型预测值/mm53.558.840965.807174.906277.795280.710684.102785.932689.040191.2208残差值/mm0-0.040-0.207-0.1060.4048-0.210-0.302-0.032-0.640-1.120实测值/mm4.09.013.019.021.227.033.134.037.239.2Verhulst模型预测值/mm4.08.735113.14119.12221.14527.47332.84234.61937.2139.301残差值/mm00.2649-0.141-0.1220.055-0.4730.258-0.619-0.01-0.1012#观测点8#观测点13#观测点序号319中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net
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