一种基于声发射信号的岩石孕灾空间识别方法及系统与流程

本发明涉及岩石力学与工程灾害预警，更具体的说是涉及一种基于声发射信号的岩石孕灾空间识别方法及系统。

背景技术：

1、在矿山开采、深埋隧道开挖、水力压裂以及边坡岩体稳定性评估等深部地下工程中，岩体受高地应力及工程扰动影响极易诱发岩爆、塌方等失稳灾害。

2、岩石在微观破裂和损伤演化过程中释放弹性波即声发射信号，通过在工程周围布置传感器网络可获取大量声发射事件的三维空间坐标，对这些事件进行空间聚类分析、划定孕灾空间即高危损伤岩体范围，是实现精准预警的核心手段。

3、目前，现有技术中，空间孕灾区域识别主要依赖k-means划分聚类和dbscan密度聚类等算法，但k-means假设簇呈球状且对异常值敏感，dbscan对密度不均匀的点云容易发生过度分割或欠分割，且邻域半径需人工调参；在概率统计推断方面，部分学者采用三维混合高斯模型对孕灾空间进行拟合，然而，高斯分布是一种对称分布，受岩层结构面各向异性和地应力场不均匀性影响，声发射事件在空间中的扩展往往呈现显著的非对称偏态分布，高斯模型对此拟合不佳，导致孕灾空间边界误差较大。

4、综上，岩石孕灾空间识别方法主要存在以问题：

5、k-means和dbscan等聚类算法仅输出离散标签，无法输出具有物理意义的等概率孕灾包络面；混合高斯模型强制假设各分量服从对称的钟形分布，无法捕捉非均质岩石破裂沿优势结构面定向扩展的偏态特征，边界拟合偏差大；现有方法均未考虑声发射点云中普遍存在的背景噪声事件即异常点，这些异常点在参数估计中产生严重拖拽效应，导致主裂纹聚类被噪声稀释；各维空间坐标在原始坐标系下存在耦合，直接假设条件独立会引入系统性偏差；所有事件被等权对待，缺乏对高能量、高可信度关键损伤事件的突出机制。

6、因此，如何在基于声发射信号的岩石孕灾空间识别中，实现对声发射偏态点云的高精度自适应聚类并精准构建三维孕灾空间等概率包络体，是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本发明提出了提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的基于声发射信号的岩石孕灾空间识别方法及系统。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于声发射信号的岩石孕灾空间识别方法，包括以下步骤：

4、s1.通过声发射事件采集与三维定位，获取监测区域的声发射源三维空间坐标数据集以及物理指标参数；

5、s2.对声发射源三维空间坐标数据集进行粗聚类，对各粗聚类簇提取损伤带沿空间发育的主方向并进行局部坐标矫正；

6、s3.对转换后的局部坐标进行正支撑区间映射，并构建声发射多参量的综合事件权重分配机制；

7、s4.建立裂纹分量数候选空间模型，并基于bic指标，得到最优裂纹分布分量数；

8、s5.基于最优裂纹分布分量数并引入背景噪声分量，建立三维混合裂纹分布模型，并利用加权约束期望最大化em算法，融入事件权重约束与形状参数退化界限，迭代求解模型参数；

9、s6.基于模型收敛后输出的后验概率责任度，对所有声发射事件进行分离背景噪声点与裂纹归属划定，输出最终的多裂纹聚类结果；

10、s7.通过对监测区域进行密度场网格划分与空间网格概率密度求值，提取三维孕灾空间等概率包络体；

11、s8.将三维孕灾空间等概率包络体与多源模型进行空间配准叠加渲染显示，并通过计算时空运移特征进行预警。

12、优选的，步骤s1，获取监测区域的声发射源三维空间数据集的具体方法为：

13、s11.在受监测岩体表面或内部钻孔中，布设声发射传感器并记录各传感器在三维笛卡尔坐标系下的空间坐标；

14、s12.当岩体内部产生微破裂并释放弹性波时，通过声发射监测仪滚动采集连续波形信号，并拾取声发射信号首次到达各传感器的p波到时数据；

15、s13.建立走时几何关系方程组并进行反演求解，得到声发射源的三维空间坐标，并关联提取各声发射事件对应的物理指标参数。

16、优选的，步骤s2的具体内容为：

17、s21.根据监测区域尺寸设定邻域搜索半径与核心点数，采用基于密度的dbscan聚类算法对原始声发射源三维空间坐标数据集进行预聚类；

18、s22.对于每一个提取出的粗聚类簇，计算空间坐标的样本协方差矩阵；

19、s23.对协方差矩阵进行特征值分解，求得三个正交的特征向量以及对应的特征值，最大特征值对应的特征向量方向即为损伤带沿空间发育的第一主轴展布方向，即主方向；

20、s24.将各特征向量作为列向量，构建旋转变换矩阵，将粗聚类簇中各点坐标投影转换至以簇质心为原点、以主方向特征向量为坐标轴的局部坐标系。

21、优选的，步骤s3，构建的声发射多参量的综合事件权重分配机制为：

22、

23、其中，为第个声发射事件的分配计算权重，和分别为对应的能量和最大振幅，与为能量和振幅样本均值；为定位计算中的走时残差，为定位残差敏感因子，、、为加权系数。

24、优选的，步骤s4的具体内容为：

25、s41.设置裂纹分量数候选区间，对于区间内的每一个分量数，利用粗聚类均值初始化模型参数，并进行加权期望最大化em算法求解，获得相应的最大化对数似然估计值；

26、s42.利用贝叶斯信息准则，计算每一个分量数的bic指标评估分值；

27、s43.寻找使bic指标评估分值取得全局最小值的分量数，作为最优裂纹分布模型分量个数。

28、优选的，步骤s5，建立的三维混合裂纹分布模型为：

29、

30、

31、其中，，为待求的未知模型参数集，为均匀背景噪声分量的权重，为监测体积；为第个裂纹分量的混合占比，且满足，为最优裂纹分布分量数；、分别为第个裂纹分量沿方向上的形状参数和尺度参数。

32、优选的，步骤s5，迭代求解模型参数的具体内方法为：

33、在e步各轮迭代中，利用当前的参数估计值，计算每个加权事件点由各裂纹分量产生的后验概率责任度；

34、在m步，更新混合权重估计值与尺度参数估计值，并通过牛顿-拉夫逊法数值求解一维超越偏导数方程，得到形状参数更新值并施加边界范围限制约束；

35、交替执行e步与m步计算，直至模型似然对数值变化量小于设定值，完成参数求解。

36、优选的，步骤s6，进行分离背景噪声点与裂纹归属划定的具体方法为：

37、对于每个声发射事件点，对比其对各裂纹分量的后验概率责任度以及对背景噪声分量的后验概率责任度的大小；若随机均匀噪声分量得到的责任度最大，则判定声发射事件属于背景干扰，进行标记并剔除；若裂纹分量的责任度最大，则将声发射点归属到对应主发育裂纹中，输出最终的多裂纹聚类结果。

38、优选的，步骤s7，提取三维孕灾空间等概率包络体的具体方法为：

39、在受监测的空间范围内，生成高分辨率的三维正交三轴网格；

40、对于每一个空间网格节点，投影为非负局部节点坐标，代入各个裂纹分量的三维混合裂纹分布模型，计算综合概率分布值；

41、设定预设的累积包络概率置信度阈值，计算在网格上对应的等概率值；

42、调用移动立方体三维重建算法在网格中搜寻等值网格点并连结成面，生成不规则三维等概率包络面，包络体表面包裹的内部空间为裂纹的孕灾空间。

43、一种基于声发射信号的岩石孕灾空间识别系统，基于所述的一种基于声发射信号的岩石孕灾空间识别方法，包括：数据获取模块、粗聚类与坐标矫正模块、映射与权重构建模块、裂纹分量优选模块、模型构建与训练模块、聚类标签判定模块、包络体提取模块、可视化显示模块和预警模块；

44、数据获取模块，用于通过声发射事件采集与三维定位，获取监测区域的声发射源三维空间坐标数据集以及物理指标参数；

45、粗聚类与坐标矫正模块，用于对声发射源三维空间坐标数据集进行粗聚类，对各粗聚类簇提取损伤带沿空间发育的主方向并进行局部坐标矫正；

46、映射与权重构建模块，用于对转换后的局部坐标进行正支撑区间映射，并构建声发射多参量的综合事件权重分配机制；

47、裂纹分量优选模块，用于建立裂纹分量数候选空间模型，并基于bic指标，得到最优裂纹分布分量数；

48、模型构建与训练模块，用于基于最优裂纹分布分量数并引入背景噪声分量，建立三维混合裂纹分布模型，并利用加权约束期望最大化em算法，融入事件权重约束与形状参数退化界限，迭代求解模型参数；

49、聚类标签判定模块，用于基于模型收敛后输出的后验概率责任度，对所有声发射事件进行分离背景噪声点与裂纹归属划定，输出最终的多裂纹聚类结果；

50、包络体提取模块，用于通过对监测区域进行密度场网格划分与空间网格概率密度求值，提取三维孕灾空间等概率包络体；

51、可视化显示模块，用于将三维孕灾空间等概率包络体与多源模型进行空间配准叠加渲染显示；

52、预警模块，用于通过计算包络体的时空运移特征进行预警。

53、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于声发射信号的岩石孕灾空间识别方法及系统，引入优化的三维混合裂纹分布模型，通过局部坐标矫正、事件权重构建、背景噪声分量设计以及加权约束期望最大化em算法求解，实现对声发射偏态点云的高精度自适应聚类，更精准地构建三维孕灾空间等概率包络体，为矿山、隧道、边坡及实验室岩样破坏过程的工程安全预警提供可靠依据；具体的：

54、引入三维混合裂纹分布，突破了高斯分布只能对称描述的物理限制，在实测中使决定系数提升，边界刻画精度显著提高，解决声发射点云非对称偏态扩展拟合误差大的问题；

55、引入粗聚类并单独执行局部主方向pca变换，实现在局部坐标下的维度解耦，保证独立概率假设在各个分量中的成立，解决维度相关性干扰聚类的问题；

56、通过构建均匀分布背景噪声混合分量与事件能量加权相结合的约束机制，使em估算能够自动吸收异常飞点，防止主裂纹边界失真，解决飞点及本底噪声拖拽拟合参数的问题；

57、构建的三维混合裂纹分布具备退化特性，在声发射云图确实对称时退化为高斯形式，在统一框架下兼容对称扩展工况，具备更强的鲁棒性。