[發明專利]一種基于GRU的地下工程支護智能監測預警系統及方法

有效

• 申請號: 202010553299.9
• 申請日: 2020-06-17
• 公開（公告）號: CN111831632B
• 公開（公告）日: 2022-11-04
• 發明（設計）人: 徐衛亞;徐偉;寧宇;王如賓;朱國金;王環玲
• 申請（專利權）人: 河海大學;中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司
• 主分類號: G06F16/215
• 分類號: G06F16/215;G06F17/18;G06K9/62;G06N3/08;G01D21/02
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

1.一種基于GRU的地下工程支護智能監測預警系統，其特征在于，包括支護系統、數據采集系統、信號處理系統、GRU智能分析系統、預測預警系統；所述支護系統由支護裝置和監測儀器構成，對隧洞進行支護和加固，對隧洞的變形、應力、滲壓進行監測；所述數據采集系統用于采集監測儀器的數據，并將采集到的數據通過數據線傳輸給信號處理系統；所述信號處理系統對支護系統傳輸過來的數據進行信號處理，將位移、應力、滲壓進行初步分析和處理，并將數據傳輸給GRU智能分析系統使用；所述GRU智能分析系統對信號處理系統傳輸過來的位移、應力、滲壓進行處理、分析、預測隧洞支護系統的工作狀態，預測參數未來的發展趨勢；所述預測預警系統與GRU智能分析系統相連，接收GRU智能分析系統傳輸過來的信息，并向工作人員實時傳輸支護系統的安全狀態信息。

2.根據權利要求1所述的一種基于GRU的地下工程支護智能監測預警系統，其特征在于，所述數據線為光纖數據線。

3.根據權利要求1所述的一種基于GRU的地下工程支護智能監測預警系統，其特征在于，步驟(1)所述的監測儀器包括位移計、應力計、滲壓計。

4.一種采用如權利要求1所述系統的基于GRU的地下工程支護智能監測預警方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)對監測數據進行缺失值、噪聲、內容、邏輯錯誤清洗；

(2)將接收的字符型數據轉化為數字型數據，并將處理好的數據劃分為訓練集、驗證集、測試集；

(3)通過Linux平臺下基于Pytorch框架或者Python編程建立GRU模型；

(4)通過更新門和重置門對GRU模型進行訓練；

(5)采用droout正則化方法，防止模型出現“過擬合”現象，間隔一段時間就進行參數調試，使模型的表現更佳；

(6)根據使用者的需求將模型效果、結果進行直觀地可視化展示，供使用者查看。

5.根據權利要求4所述的一種基于GRU的地下工程支護智能監測預警方法，其特征在于，所述步驟(1)包括以下步驟：

(11)缺失值處理：采用忽略元組、人工補充、全局填充缺失值方法，或采用基于推理工具的回歸、貝葉斯形式化方法或決策樹歸納確定；

(12)噪聲處理：采用基本的數據統計描述技術和數據可視化方法識別噪聲數據：采用盒圖、散點圖進行識別，再用分箱、回歸、離群點分析進行分析；

(13)格式內容清洗：對數據內容中不該存在的字符、錯誤的顯示格式和局部內容與整體不符的情況進行處理；

(14)邏輯錯誤清洗：過濾重復數據、去除不合理值、修正矛盾內容清洗異常值，采用聚類分析、線性回歸、邏輯回歸進行處理，防止分析結果走偏；

(15)非需求數據清洗：將不需要的數據刪除；

(16)進行關聯性驗證：若數據有多個來源，則需要進行關聯性驗證，防止數據之間出現矛盾。

6.根據權利要求4所述的一種基于GRU的地下工程支護智能監測預警方法，其特征在于，所述步驟(4)的實現過程如下：

GRU通過一個門控單元對遺忘因子和更新狀態單元進行控制，GRU門控循環單元更新表達式為：

其中，t表示時刻信息，h表示狀態信息，u表示控制更新的門控，r表示控制重置的門控，σ表示sigmoid函數，表示輸入狀態量，b_i表示偏置量，U表示輸入的權重，W表示循環權重，再次進行了“遺忘”和“記憶”兩個步驟；

GRU模型主要包括更新門和重置門，控制更新的門控和控制重置的門控r_i^(t)表達式為：

其中，分別表示更新門u和控制門r偏置量，分別表示更新門u和控制門r輸入的權重，表示更新門u和控制門r循環權重；更新門和重置門自動對狀態向量進行選擇，更新門的作用機制類似條件過濾器，線性控制門控信號；重置門的作用是控制當前門控信號中哪些部分被選擇用于下一狀態的計算，門控信號越接近1，代表“記憶”下來的數據越多，而越接近0代表“遺忘”的數據越多。