• 一种基于GRU的地下工程支护智能监测预警系统及方法

    • 摘要:

      本发明公开了一种基于GRU的地下工程支护智能监测预警系统及方法,所述系统包括支护系统、数据采集系统、信号处理系统、GRU智能分析系统、预测预警系统;通过数据采集系统采集布置在支护系统中的监测仪器的数据传输至信号处理系统、GRU智能分析系统,GRU智能分析系统基于GRU门控循环单元方法对隧洞支护系统位移、应力、渗压等参数的监测数据进行智能处理和分析,将分析结果传输给预测预警系统,实现自动、智能的预测预警,提高监测预警的实用性、可靠性和准确性,为实际工程服务.本发明实施简单、自动化程度高、可操作性强,可以供广大工程施工人员或技术人员使用,不需要使用者具备渊博的学识和丰富的工程经验,易于掌握和使用.

    • 专利类型:

      发明专利

    • 申请/专利号:

      CN202010553299.9

    • 申请日期:

      2020.06.17

    • 公开/公告号:

      CN111831632A

    • 公开/公告日:

      2020-10-27

    • 发明人:

      徐卫亚 徐伟 宁宇 王如宾 朱国金 王环玲

    • 申请人:

      河海大学

    • 主分类号:

      G06F16/215(2019.01),G,G06,G06F,G06F16

    • 分类号:

      G06F16/215(2019.01),G06F17/18(2006.01),G06K9/62(2006.01),G06N3/08(2006.01),G01D21/02(2006.01),G,G06,G01,G06F,G06K,G06N,G01D,G06F16,G06F17,G06K9,G06N3,G01D21,G06F16/215,G06F17/18,G06K9/62,G06N3/08,G01D21/02

    • 主权项:

      1.一种基于GRU的地下工程支护智能监测预警系统,其特征在于,包括支护系统、数据采集系统、信号处理系统、GRU智能分析系统、预测预警系统;所述支护系统由支护装置和监测仪器构成,对隧洞进行支护和加固,对隧洞的变形、应力、渗压等进行监测;所述数据采集系统用于采集监测仪器的数据,并将采集到的数据通过数据线传输给信号处理系统;所述信号处理系统对支护系统传输过来的数据进行信号处理,可将位移、应力、渗压等参数进行初步分析和处理,并将数据传输给GRU智能分析系统使用;所述GRU智能分析系统对信号处理系统传输过来的位移、应力、渗压等数据进行处理、分析、预测隧洞支护系统的工作状态,预测参数未来的发展趋势;所述预测预警系统与GRU智能分析系统相连,接收GRU智能分析系统传输过来的信息,并向工作人员实时传输支护系统的安全状态信息. 2.根据权利要求1所述的一种基于GRU的地下工程支护智能监测预警系统,其特征在于,所述数据线为光纤数据线. 3.根据权利要求1所述的一种基于GRU的地下工程支护智能监测预警系统,其特征在于,步骤(1)所述的监测仪器主要包括位移计、应力计、渗压计. 4.一种采用如权利要求1所述系统的基于GRU的地下工程支护智能监测预警方法,其特征在于,包括以下步骤: (1)对监测数据进行缺失值、噪声、内容、逻辑错误等清洗; (2)将接收的字符型数据转化为数字型数据,并将处理好的数据划分为训练集、验证集、测试集; (3)通过Linux平台下基于Pytorch框架或者Python编程建立GRU模型; (4)通过更新门和重置门对GRU模型进行训练; (5)采用droout正则化方法,防止模型出现"过拟合"现象,间隔一段时间就进行参数调试,使模型的表现更佳; (6)根据使用者的需求将模型效果、结果进行直观地可视化展示,供使用者查看. 5.根据权利要求4所述的一种基于GRU的地下工程支护智能监测预警方法,其特征在于,所述步骤(1)包括以下步骤: (11)缺失值处理:可采用忽略元组、人工补充、全局填充缺失值等方法,也可采用基于推理工具的回归、贝叶斯形式化方法或决策树归纳确定; (12)噪声处理:采用基本的数据统计描述技术和数据可视化方法识别噪声数据(离群点),如采用盒图、散点图等方法进行识别,再用分箱、回归、离群点分析等方法进行分析; (13)格式内容清洗:对数据内容中不该存在的字符、错误的显示格式和局部内容与整体不符等情况进行处理; (14)逻辑错误清洗:过滤重复数据、去除不合理值、修正矛盾内容等清洗异常值,可采用聚类分析、线性回归、逻辑回归等方法进行处理,防止分析结果走偏; (15)非需求数据清洗:将不需要的数据删除; (16)进行关联性验证:若数据有多个来源,则需要进行关联性验证,防止数据之间出现矛盾. 6.根据权利要求4所述的一种基于GRU的地下工程支护智能监测预警方法,其特征在于,所述步骤(4)的实现过程如下: GRU通过一个门控单元对遗忘因子和更新状态单元进行控制,GRU门控循环单元更新表达式为: 其中,t表示时刻信息,h表示状态信息,u表示控制更新的门控,r表示控制重置的门控,σ表示sigmoid函数,表示输入状态量,bi表示偏置量,U表示输入的权重,W表示循环权重,再次进行了"遗忘"和"记忆"两个步骤; GRU模型主要包括更新门和重置门,控制更新的门控和控制重置的门控表达式为: 其中,分别表示更新门(u)和控制门(r)偏置量,分别表示更新门(u)和控制门(r)输入的权重,表示更新门(u)和控制门(r)循环权重,其余参数含义同前;更新门和重置门可以自动对状态向量进行选择,更新门的作用机制类似条件过滤器,可以线性控制门控信号;重置门的作用是控制当前门控信号中哪些部分可以被选择用于下一状态的计算,门控信号越接近1,代表"记忆"下来的数据越多,而越接近0代表"遗忘"的数据越多.