[發明專利]一種基于改進K-means的微震信號聚類方法及裝置

有效

• 申請號: 202010734874.5
• 申請日: 2020-07-28
• 公開（公告）號: CN112529031B
• 公開（公告）日: 2022-11-11
• 發明（設計）人: 丁琳琳;張明;潘一山;孫明馨;陳澤;劉媛媛;劉麗;侯俊敏
• 申請（專利權）人: 新汶礦業集團有限責任公司
• 主分類號: G06K9/62
• 分類號: G06K9/62;G01V1/28
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于改進 K-means 的微震信號聚類方法，其特征在于，包括以下步驟：

S0、對微震信號進行人工標注，人工標注方式包括更改文件名格式；

S1、將微震信號傳入到 K-means 控制機中，生成樣本數據和初始聚類中心；

由 K-means 控制機預先隨機生成參數，所述參數包括聚類個數 m 和傳入的 微震信號序列 X₁-X_n；

S2、計算樣本數據與初始聚類中心之間的 DTW 距離；

S21、通過 DTW 向量器對 K-means 控制機的所有微震信號序列 X₁-X_n 進行向量化；

S22、根據聚類個數確定初始聚類中心，并將初始聚類中心進行向量化；

S23、K-means 控制機將每一個樣本微震信號 X_i 向量與初始聚類中心T_i 向量傳給DTW 剝離器；所述 DTW 剝離器將所述 X_i 向量和 T_i 向量構成一個距離矩陣 Y_ij，

其中，距離矩陣 Y_ij 中每一個元素的歐式距離 d 的計算公式如下： d =(X_i,i-T_i,j )²

式中，X_ii 為 X_i 向量的第 i 個點；T_ij 為 T_i 向量的第 j 個點；

S3、比較 DTW 距離大小，標注標簽后進行第一次聚類，將第一次聚類得到的結果傳給DBA 更新器中，得到新的聚類中心；

S31、DTW 剝離器將距離矩陣 Y_ij 傳給 DTW 距離計算器, DTW 距離計算器在滿足最佳匹配路徑的前提下，計算累積距離 Y(i,j)，所述累積距離 Y(i,j)的計算公式如下：

Y(i, j) = d(X_ii , T_ij ) + min{Y(i 一1, j 一1),Y(i 一1, j), Y(i, j 一1)}

所述最佳匹配路徑包括：

a、從距離矩陣 Y_ij 的起始點 Y(1,1)匹配到終止點 Y(n,m)；

b、距離矩陣 Y_ij 中匹配后的前后兩點一定是相鄰關系；

c、在匹配過程中，假如點 Y(i,j)匹配下一個點，則下一個匹配點為 Y(i+1,j)、Y(i,j+1)或 Y(i+1,j+1)中的一個，所述下一個匹配點選擇方法為： 分別計算 Y(i+1,j)、Y(i,j+1)、Y(i+1,j+1)與 Y(i,j)之間的歐氏距離 d，選擇歐氏距離 d 最小的那個點；

S32、K-means 控制機得到所有樣本微震信號與聚類中心之間的歐氏距離 d；按照距離大小進行排序得到第一次聚類效果；

S33、K-means 控制機將聚類后的第 i 類標簽數據 X_i (x_i1 ,x_i2 ,x_i3 ,x_i4 ,…,x_im),并令其中一個序列 X_im 作為平均序列傳輸給 DBA 更新器；

S34、通過與 X_im 比較，使其他標簽數據更新為新的序列，并將新的序列求平均作為新的聚類中心，再在 DBA 更新器中循環上述操作，得到一個相對穩定的新的聚類中心T_i ，并將新的聚類中心 T_i 返回給 K-means 控制機；

S4、比較初始聚類中心與更新后的聚類中心是否相等，K-means 控制機將每 一次 DBA更新器所得到的聚類中心都傳遞給聚類生成器進行存儲；聚類生成器得到下一個聚類中心T_i 與上一個聚類中心 T_i-1 比較,判斷兩個聚類中心是否完全一致；若是，則執行步驟 S5，若否，則執行步驟 S6；

S5、輸出聚類結果；

S6、返回步驟 S3-S4，進行下一次聚類。

2.一種采用如權利要求 1所述的基于改進 K-means 的微震信號聚類方法的裝置，其特征在于，包括：K-means 控制機、DTW 向量器、DTW 剝離器、 DTW 距離計算器、DBA 更新器和聚類生成器，所述 K-means 控制機分別與所述 DTW 向量器、DTW 剝離器、DTW 距離計算器、DBA 更新器和聚類生成器相連接；其中，

DTW 向量器，用于將從 K-means 控制機中輸入的樣本數據與聚類中心序列轉換成向量化；

DTW 剝離器，用于將每一個樣本微震信號 X_i 向量與初始聚類中心 T_i 向量傳構成一個距離矩陣 Y_ij；

DTW 距離計算器，用于在滿足最佳匹配路徑的前提下，計算距離矩陣 Y_ij 的累積距離Y(i,j)；

DBA 更新器，用于根據聚類得到的結果更新新的聚類中心；

聚類生成器，用于輸出聚類結果;

K-means 控制機，分別與所述 DTW 向量器、DTW 剝離器、DTW 距離計算器、DBA 更新器和聚類生成器電連接。