基于決策樹模型的巖爆烈度預(yù)測

陳順滿，吳愛祥，王貽明，許夢國

( 1.北京科技大學(xué)金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京,100083;2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京,100083；3.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢，430081)

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基于決策樹模型的巖爆烈度預(yù)測

陳順滿1，2，吳愛祥1，2，王貽明1，2，許夢國3

( 1.北京科技大學(xué)金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京,100083;2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京,100083；3.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢，430081)

摘要：綜合分析了巖爆的主要影響因素，選取巖石應(yīng)力系數(shù)σθ/σc、巖石脆性系數(shù)σc/σt和彈性能量指數(shù)Wet作為評價(jià)指標(biāo)，采用決策樹方法進(jìn)行巖爆烈度預(yù)測。以國內(nèi)外比較典型的32個(gè)巖石地下工程實(shí)例作為基礎(chǔ)樣本數(shù)據(jù)，結(jié)合ID3算法建立了判定巖爆烈度的決策樹模型。再選取15個(gè)工程實(shí)例，運(yùn)用建立好的決策樹模型對其巖爆烈度進(jìn)行分級，并與實(shí)際巖爆等級以及采用模糊灰關(guān)聯(lián)法、距離判別法、ν-SVR算法的評判結(jié)果進(jìn)行對比。結(jié)果表明，本文提出的決策樹方法具有計(jì)算簡單、準(zhǔn)確可靠、預(yù)測效率高的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：巖爆；烈度；決策樹；預(yù)測；地下工程

巖爆是深埋地下工程施工過程中常見的動(dòng)力破壞現(xiàn)象。當(dāng)巖體中聚積的高彈性應(yīng)變能大于巖石破壞所消耗的能量時(shí)，巖體結(jié)構(gòu)平衡被破壞，多余的能量導(dǎo)致巖石爆裂，使巖石碎片從巖體中剝離、崩出。巖爆往往造成開挖工作面的嚴(yán)重破壞、設(shè)備損壞以及人員傷亡，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患。

目前，對巖爆的預(yù)測還沒有形成比較統(tǒng)一的理論和技術(shù)，很多學(xué)者提出了各種假設(shè)和不同的理論判據(jù)，多種數(shù)學(xué)方法被應(yīng)用到巖爆預(yù)測中，如模糊綜合評判法[1]、分形插值法[2]、Bayes判別分析方法[3]和可拓工程方法[4]等，這些評判方法雖然取得了一定的應(yīng)用效果，但也存在不足之處。例如，模糊綜合評判方法對于相鄰兩類的差異難以區(qū)分，分形插值法受樣本插值誤差的影響較大，Bayes判別分析方法受樣本數(shù)據(jù)的代表性和準(zhǔn)確性的影響較大，可拓工程方法在計(jì)算關(guān)聯(lián)度時(shí)容易遺漏一些約束條件。

由于巖爆的發(fā)生與多種影響因素相關(guān)，所以巖爆預(yù)測是一種高度非線性問題，目前對這種復(fù)雜的高度非線性問題沒有可以利用的解析解。決策樹方法是一種應(yīng)用很廣泛的歸納推理算法，它通過選取一系列無次序、無規(guī)則的實(shí)例樣本作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，根據(jù)樣本屬性的不同對其進(jìn)行歸納學(xué)習(xí)，進(jìn)而形成自上而下的分類器和預(yù)測模型。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，選取影響巖爆的主要因素作為評價(jià)指標(biāo)，以國內(nèi)外大量工程實(shí)例為基礎(chǔ)樣本數(shù)據(jù)，運(yùn)用決策樹理論建立決策樹預(yù)測模型，以期對巖爆烈度進(jìn)行快速、高效的預(yù)測。

1巖爆烈度評價(jià)指標(biāo)的選取

大量工程巖爆實(shí)例分析表明，巖爆常發(fā)生在高應(yīng)力區(qū)的硬脆性巖石中。影響巖爆的因素分為兩個(gè)方面：①由于高應(yīng)力區(qū)新鮮巖體的開挖破壞了原巖應(yīng)力環(huán)境，引起巖體周圍的應(yīng)力重新分布；②硬脆性巖石結(jié)構(gòu)較致密、堅(jiān)硬程度高，巖體中的彈性應(yīng)變能突然釋放，產(chǎn)生爆裂松動(dòng)、剝落、彈射甚至拋射，從而引起巖爆?？偟膩砜?，圍巖應(yīng)力、巖性和巖體中的能量是影響巖爆的主要因素。

在分析圍巖應(yīng)力對巖爆的影響時(shí)，研究人員主要采用圍巖最大切向應(yīng)力σθ、圍巖軸向應(yīng)力σL、工程區(qū)最大地應(yīng)力σ1、巖石單軸抗壓強(qiáng)度σc和巖石單軸抗拉強(qiáng)度σt作為評價(jià)指標(biāo)[5]；巖性對巖爆的影響主要運(yùn)用陸家佑巖爆判別準(zhǔn)則[6]進(jìn)行評判；巖體中能量對巖爆的影響主要以彈性能量指數(shù)Wet作為評價(jià)指標(biāo)。本文根據(jù)上述分析，采用應(yīng)用效果較好且在工程中易于獲取和對比的幾個(gè)綜合指標(biāo)，即巖石應(yīng)力系數(shù)σθ/σc、巖石脆性系數(shù)σc/σt和彈性能量指數(shù)Wet作為巖爆烈度的評判依據(jù)，具體指標(biāo)的分級標(biāo)準(zhǔn)如表1所示[7]。

表1　巖爆烈度的評價(jià)指標(biāo)和分級標(biāo)準(zhǔn)

2決策樹的原理及算法

應(yīng)用決策樹方法需要構(gòu)建樹形模型，一旦形成了一棵完整的決策樹，就可以在此基礎(chǔ)上對未知對象進(jìn)行分類和預(yù)測。決策樹中的每一個(gè)分支都代表著一個(gè)測試輸出，每個(gè)樹葉節(jié)點(diǎn)代表類。對已經(jīng)建立好的決策樹，可以在數(shù)據(jù)庫中形成一個(gè)系統(tǒng)，采用IF-THEN的語句形式，以提高決策樹的分類效率[8-9]。

決策樹算法很多，其中最為典型的是ID3算法，其他算法都是根據(jù)ID3算法演變而來的。ID3算法的目標(biāo)是通過一系列測試將訓(xùn)練樣本集劃分為多個(gè)子集，其核心是在決策樹中各級節(jié)點(diǎn)上選擇屬性，采用信息增益率作為屬性選擇的評判標(biāo)準(zhǔn)，使每個(gè)非葉子節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行測試時(shí)能獲得被測試屬性的最大類別信息[8-9]。

設(shè)E為選取的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)樣本集合，整個(gè)屬性集合具有n個(gè)不同的類別，所劃分的等級屬性記為Mi(i=1,2,…,n)。設(shè)Mi,E為集合E中的子集，即E中元組的集合，記|M|為整個(gè)集合的樣本個(gè)數(shù)，|Mi,E|為Mi,E中的元素個(gè)數(shù)。對E中元組進(jìn)行分類所得到的期望信息為：

(1)

式中：Info(E)為期望信息量，也稱為E的熵；pi為集合E中任意子集屬于等級Mi(i=1,2,…,n)的概率，pi=|Mi,E|/|M|。

設(shè)屬性A具有n個(gè)不同的取值{V1,V2,…,Vn}，它可將E劃分成v個(gè)子集{E1,E2,…,Ev}，假設(shè)Ej為某一等級的元組，那么屬性A的信息熵為：

(2)

為了比較不同集合熵的大小，采用信息增益進(jìn)行評判。信息增益表示原來的信息需求與新的信息需求之差，計(jì)算公式為：

Gain(A)=Info(E)-InfoA(E)

(3)

具有最大信息增益率的屬性作為決策樹的根節(jié)點(diǎn)，根據(jù)該根節(jié)點(diǎn)屬性的取值劃分出該節(jié)點(diǎn)的各個(gè)分支，同理劃分出其他節(jié)點(diǎn)，依此建立最終的決策樹模型。

3實(shí)例研究

3.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的選取

通過查閱大量的參考文獻(xiàn)，選取國內(nèi)外32個(gè)典型的工程實(shí)例[3,10-15]作為學(xué)習(xí)樣本數(shù)據(jù)(見表2)建立決策樹模型。

3.2決策樹模型的建立

表2中的屬性數(shù)據(jù)具有連續(xù)性，而決策樹算法適合于處理離散的數(shù)據(jù)，因此可根據(jù)表1中的分級標(biāo)準(zhǔn)對表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行離散化，部分結(jié)果如表3所示。

表2　決策樹模型學(xué)習(xí)樣本數(shù)據(jù)

續(xù)表

編號工程名稱σθ/σc(屬性A)σc/σt(屬性B)Wet(屬性C)實(shí)際巖爆級別14漁子溪水電站引水隧洞0.5314.809.0中等巖爆15魯布革水電站地下隧洞0.2327.807.8無巖爆16龍羊峽水電站地下洞室0.1131.207.4無巖爆17二灘水電站2號支洞0.4129.707.3弱巖爆18秦嶺隧道0.4314.007.4中等巖爆19秦嶺隧道0.4015.007.1中等巖爆20秦嶺隧道0.5515.006.4中等巖爆21冬瓜山深埋硬巖礦山巖體0.5511.104.0中等巖爆22通渝隧道0.5613.636.0弱巖爆23括蒼山隧道巖體0.263.762.9弱巖爆24馬路坪深埋硬巖礦山巖體0.7418.096.3強(qiáng)巖爆25馬路坪深埋硬巖礦山巖體0.231.531.4無巖爆26馬路坪深埋硬巖礦山巖體0.6114.645.1中等巖爆27馬路坪深埋硬巖礦山巖體1.0011.242.0強(qiáng)巖爆28某深埋長隧道0.3114.902.5無巖爆29某深埋長隧道0.6216.003.0弱巖爆30某深埋長隧道0.8616.703.2中等巖爆31冬瓜山銅礦主礦體0.4514.823.1弱巖爆32冬瓜山銅礦主礦體0.2014.103.6無巖爆

表3　經(jīng)過離散化的學(xué)習(xí)樣本數(shù)據(jù)

根據(jù)式(1)可計(jì)算出樣本的信息期望如下：

然后通過式(2)計(jì)算出各個(gè)屬性的信息增益值。下面以屬性A為例進(jìn)行說明。

=0.9464

=1.1488

則屬性A的信息熵為：

同理可以得到屬性B和屬性C的信息熵分別為：InfoB(E)=1.4093，InfoC(E)=1.3384。

通過式(3)可計(jì)算出各個(gè)屬性的信息增益為：Gain(A)=0.6334，Gain(B)=0.2133，Gain(C)=0.2842?？梢钥闯鰧傩訟具有最高的信息增益率，因此將屬性A作為決策樹模型的根節(jié)點(diǎn)，以此進(jìn)行劃分引出各個(gè)分支，樣本的其他屬性依此類推，從而建立起巖爆烈度等級劃分的決策樹模型，如圖1所示。

3.3決策樹模型的檢驗(yàn)及結(jié)果分析

為了對預(yù)測巖爆烈度的決策樹模型進(jìn)行驗(yàn)證，本文從文獻(xiàn)[16]中選取15個(gè)實(shí)際工程中的巖爆數(shù)據(jù)作為測試樣本。這15個(gè)樣本的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和基于決策樹的巖爆烈度分級結(jié)果見表4，為了對比分析，表4中還列出了采用模糊灰關(guān)聯(lián)法[15]、距離判別法[12]、ν-SVR算法[16]的巖爆烈度分級結(jié)果。

從表4可以看出，本文建立的決策樹模型對測試樣本的評判準(zhǔn)確率為86.7%，只有樣本5和樣本12的預(yù)測結(jié)果與實(shí)際情況有一定的差距。樣本5和樣本12的實(shí)際巖爆烈度均屬于3級(弱巖爆)，而采用決策樹模型對其進(jìn)行評判的結(jié)果為2級(中等巖爆)，比實(shí)際巖爆烈度要高，從安全角度出發(fā)，這種誤差是可以接受的。ν-SVR算法對測試樣本的評判準(zhǔn)確率也為86.7%，樣本4和樣本5的預(yù)測結(jié)果不準(zhǔn)確，其中樣本4的實(shí)際巖爆烈度為2級(中等巖爆)，但ν-SVR算法的判定結(jié)果為3級(弱巖爆)，從這點(diǎn)來看，決策樹方法比ν-SVR算法更為合理，而且前者的計(jì)算速度更快。另外，采用模糊灰關(guān)聯(lián)法和距離判別法對測試樣本的評判準(zhǔn)確率均為80%。綜上所述，采用決策樹模型對巖爆烈度進(jìn)行預(yù)測是可行的，而且其具有準(zhǔn)確率高、計(jì)算簡便、預(yù)測效率高等優(yōu)點(diǎn)。

圖1　巖爆烈度預(yù)測決策樹

編號σθ/MPaσc/MPaσt/MPaWetσθ/σcσc/σt巖爆烈度等級實(shí)際值本文方法模糊灰關(guān)聯(lián)法距離判別法ν-SVR算法180.02506.708.30.3237.3133323248.71684.707.80.2935.7444444337.61706.407.30.2226.5644444490.517711.9010.00.5114.8722223562.61659.4010.00.3817.5532232611.81356.305.10.0921.4344344741.41535.805.20.2726.3822222890.61266.703.30.7218.8122232953.41687.409.20.3222.70223221064.51767.355.00.3723.95222221175.91788.135.00.4321.89222221280.51806.745.50.4526.71323331358.01698.405.50.3420.12222221487.02168.405.50.4025.712221215118.41478.005.50.8118.3811111

4結(jié)語

本文選擇能準(zhǔn)確反映巖石的基本特征且通過試驗(yàn)容易獲取的巖石應(yīng)力系數(shù)σθ/σc、巖石脆性系數(shù)σc/σt和彈性能量指數(shù)Wet作為巖爆烈度預(yù)測指標(biāo)。采用眾多的巖爆工程實(shí)例建立了用于巖爆預(yù)測的決策樹模型，并通過工程實(shí)例進(jìn)行模型檢驗(yàn)，結(jié)果顯示巖爆烈度評判準(zhǔn)確率達(dá)到86.7%，且誤判的巖爆烈度等級比實(shí)際巖爆烈度等級略高，從安全角度考慮，這對工程施工中采取積極防御措施是有利的。決策樹方法具有準(zhǔn)確率高、計(jì)算簡便、效率高等優(yōu)點(diǎn)，為工程實(shí)際中進(jìn)行巖爆烈度預(yù)測提供了一種新的手段。

參考文獻(xiàn)

[1]王元漢，李臥東，李啟光，等．巖爆預(yù)測的模糊數(shù)學(xué)綜合評判方法[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1998，17(5)：493-501．

[2]田杰，王威，郭小東，等．基于分形插值模型的巖爆預(yù)測研究[J]．北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，38(4)：481-487．

[3]宮鳳強(qiáng)，李夕兵，張偉．基于Bayes判別分析方法的地下工程巖爆發(fā)生及烈度分級預(yù)測[J]．巖土力學(xué)，2010，31(S1)：370-377，387．

[4]熊孝波，桂國慶，許建聰，等．可拓工程方法在地下工程巖爆預(yù)測中的應(yīng)用[J]．解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，8(6)：695-701．

[5]陳海軍，酈能惠，聶德新，等．巖爆預(yù)測的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[J]．巖土工程學(xué)報(bào)，2002，24(2)：229-232．

[6]陸家佑．巖爆數(shù)值模擬與預(yù)測[C]//第三屆全國巖石動(dòng)力學(xué)學(xué)術(shù)會議論文選集.武漢：武漢測繪科技大學(xué)出版社，1992：451-462.

[7]楊瑩春，諸靜．一種新的巖爆分級預(yù)報(bào)模型及其應(yīng)用[J]．煤炭學(xué)報(bào)，2000，25(2)：169-172.

[8]高德，李曉．決策樹在巖體質(zhì)量分級中的應(yīng)用[J]．西北大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，41(S)：265-269．

[9]魏曉云．決策樹分類方法研究[J]．計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2007(9)：42-45．

[10]劉金海，馮濤，袁堅(jiān)．基于非線性灰色歸類模型的巖爆預(yù)測方法[J]．地下空間與工程學(xué)報(bào)，2005，1(6)：821-824．

[11]趙國彥，劉強(qiáng)，劉超．巖爆烈度分級預(yù)測中的貝葉斯判別分析[J]．金屬礦山，2010(5)：143-147．

[12]宮鳳強(qiáng)，李夕兵．巖爆發(fā)生和烈度分級預(yù)測的距離判別方法及應(yīng)用[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26(5)：1012-1018．

[13]楊金林，李夕兵，周子龍，等．基于粗糙集理論的巖爆預(yù)測模糊綜合評價(jià)[J]．金屬礦山，2010(6)：26-29．

[14]陳秀銅，李璐．基于AHP-FUZZY方法的隧道巖爆預(yù)測[J]．煤炭學(xué)報(bào)，2008，33(11)：1230-1234．

[15]王發(fā)芝，汪令輝，謝學(xué)斌．模糊灰關(guān)聯(lián)模式識別方法在巖爆預(yù)測中的應(yīng)用[J]．金屬礦山，2009(5)：172-174．

[16]祝云華，劉新榮，周軍平．基于ν-SVR算法的巖爆預(yù)測分析[J]．煤炭學(xué)報(bào)，2008，33(3)：277-281．

[責(zé)任編輯尚晶]

Prediction of rockburst intensity based on decision tree model

ChenShunman1,2，WuAixiang1,2，WangYiming1,2，XuMengguo3

( 1. Key Laboratory of High-efficiency Mining and Safety of Metal Mines of Ministry of Education, University ofScience and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 2. School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083，China; 3. College of Resources and EnvironmentalEngineering, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China)

Abstract:On the basis of analyzing the major influencing factors in rockburst, decision tree method is applied to predict the rockburst intensity with rock stress coefficient σθ/σc, rock brittleness coefficient σc/σt and elastic energy index Wetas evaluation indicators. Thirty-two typical domestic and overseas underground rock projects are chosen as the basic sample data, and the decision tree model is built using ID3 algorithm. Rockburst intensities of another fifteen projects are graded by this model. The results are compared with the actual rockburst grades as well as the evaluation results by fuzzy grey incidence theory, distance discriminant analysis and ν-SVR algorithm, which indicates that the proposed decision tree method is simple and reliable, and has higher accuracy and efficiency.

Key words：rockburst; intensity; decision tree; prediction; underground engineering

收稿日期：2016-01-22

基金項(xiàng)目：“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAB08B02)；教育部長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(IRT0950).

作者簡介：陳順滿(1989-)，男，北京科技大學(xué)博士生.E-mail：shunman_chen1989@sina.cn通訊作者：吳愛祥(1963-)，男，北京科技大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師.E-mail：wuaixiang@126.com

中圖分類號：TD32；TU452

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-3644(2016)03-0195-05