一种岩溶塌陷监测预警及防控一体化信息化模拟研判系统的制作方法

技术特征：
1.一种岩溶塌陷监测预警及防控一体化信息化模拟研判系统，其特征在于：包括：岩溶塌陷监测模块，用于监测地面、地下水位、地下洞穴和水库水量的塌陷数据信息，所述岩溶塌陷监测模块包括塌陷信息采集模块、塌陷信息处理模块、塌陷信息传输模块和岩溶感测模块；其中所述塌陷信息采集模块通过传感器感测岩溶地质变化获取塌陷信息；所述塌陷信息处理模块包括蒙特卡罗算法模块和地质雷达扫描模块，所述蒙特卡罗算法模块用于处理采集到的塌陷信息，所述地质雷达扫描模块用于勘测地下岩溶图像；所述塌陷信息传输模块包括接收模块、编码模块和发送模块，所述岩溶感测模块用于感岩溶测物理参数变化；信息化模拟系统，用于模拟岩溶塌陷，分析岩溶塌陷系数临界值，所述信息化模拟系统包括岩溶物理模拟模型、数据信息收集模块和数据信息统计分析模块；其中所述岩溶物理模型模拟模块通过岩溶物理模型在模拟自然环境下的岩溶状态，所述数据信息收集模块用于检测岩溶物理系数，所述数据信息统计分析模块通过中央处理器对数据信息进行统计分析；分析决策模块，用于研判岩溶塌陷变化和塌陷范围，所述分析决策模块包括数据加载模块、数据预处理模块、数据分类模块、数据挖掘算法模块、数据库分析模块和服务器数据管理模块；其中所述数据加载模块包括电参数加载模块、光纤传感模块、水位传感器、压力传感器和次声波检测仪，数据预处理模块用于对加载数据规范化，数据分类模块用于分类整理加载数据的类型和变量，数据挖掘算法模块用于从大量数据中提取出对岩溶塌陷有效数据并预制结构化数据，数据库分析模块用于提供挖掘算法运行结果的评估方法，服务器数据管理模块用于调用处理数据并对各模块规范化管理；其中服务器数据管理模块分别与数据处理模块、数据分类模块、数据挖掘算法模块和数据库分析模块连接，数据加载模块分别与数据预处理模块和数据分类模块连接；岩溶塌陷预警模块，用于预测岩溶塌陷情况，所述岩溶塌陷预警模块包括第一监测线系统、第二监测线系统和第三监测线系统；其中所述第一监测线系统通过分布态检测线实时监测线所在地的地质和温度变化，所述第二监测线系统通过预警计算机计算地质和温度变化值并建立数据库，所述第三监测线系统通过塌陷的地形应变数据计算监测线所在地的临界应变值后进行实时预警；塌陷信息可视化模块，用于在岩溶塌陷结构图像上叠加虚拟工艺导引信息，所述塌陷信息可视化模块包括信息化控制模块、选择处理模块和显示计算模块；其中所述信息化控制模块用于提供导引指令，选择处理模块用于选择导引显示类型及具体内容，显示计算模块用于将导引信息结合岩溶塌陷实际相对位叠加在岩溶塌陷结构图像上；其中岩溶塌陷监测模块与信息化模拟系统、分析决策模块、岩溶塌陷预警模块和塌陷信息可视化模块连接，信息模拟系统与分析决策模块和岩溶塌陷预警模块连接。2.根据权利要求1所述的一种岩溶塌陷监测预警及防控一体化信息化模拟研判系统，其特征在于：地下水位监测装置包括中央处理器、电池装置、gprs通信模块、gps定位装置、液位传感器装置、信号转换模块和信号丢失报警模块；其中所述中央处理器用于处理接收到的信号并控制模块工作，所述电池装置用于向各个模块提供正常工作的电压和电流，满足各个模块正常工作需求，所述gprs通信模块通过固定互联网协议与后台控制端通信，所述gps定位装置通过卫星信号锁定所在地下水位监测装置所在位置，所述液位传感器装置
包括外部壳体、气囊、导磁体、接收线圈、发射线圈和水压孔，所述信号转换模块通过a/d转换模块将液位传感装置产生的电信号转换成数据电子信号，所述信号丢失报警模块用于在液位传感装置信号和电源信号消失时向后台控制端发送报警信息；其中中央处理装置连接电池装置、gprs通信模块、gps定位装置、信号转换模块和信号丢失报警模块，信号丢失报警模块与液位传感器装置和电池装置相连。3.根据权利要求1所述的一种岩溶塌陷监测预警及防控一体化信息化模拟研判系统，其特征在于：预警装置包括预警感应器、信息控制模块、信号灯和无线发射器。4.根据权利要求1所述的一种岩溶塌陷监测预警及防控一体化信息化模拟研判系统，其特征在于：所述数据挖掘算法采用改进决策树算法，改进决策树算法流程为：假设s表示岩溶塌陷监测信息训练样本集，岩溶塌陷信息样本岩溶塌陷信息样本数量为s个，包括m个监测岩溶塌陷信息样本的不同种类x
i
(i=1,2,3
…
m)，d表示岩溶塌陷监测信息训练样本集的一个属性，属性d的取值范围为[1,k]，v
i
表示不同种类的x
i
样本总数；根据属性d的不同，将岩溶塌陷监测信息训练样本集s区分成k个小的岩溶塌陷监测信息训练样本子集，s
i
是岩溶塌陷监测信息训练样本子集的第i个子集，i=1,2,3
…
k，[s
i
]为岩溶塌陷监测信息训练样本子集s
i
的样本个数；岩溶塌陷监测信息训练样本集的信息增益的计算式如式(1)：(1)式(1)中，表示按照属性d分类后岩溶塌陷监测信息训练样本集s的信息熵，表示按照属性d分类后岩溶塌陷监测信息训练样本集s，表示根据岩溶塌陷监测信息训练样本集的属性d划分出的个小的岩溶塌陷监测信息训练样本子集的熵加权和，表示岩溶塌陷监测信息训练样本集s的熵；的计算公式如式(2)： (2)式(2)中，表示监测岩溶塌陷信息样本的不同种类x
i
出现的概率，m表示监测岩溶塌陷信息样本数量，表示监测岩溶塌陷信息样本的种类，满足约束条件如式(3)： (3)式(3)中，表示m个监测岩溶塌陷信息样本的不同种类x
i
出现的概率总和；分裂信息项计算式如式(4)所示：
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(4)式(4)中，分裂信息项表示岩溶塌陷监测信息训练样本集s关于属性d的熵，表示岩溶塌陷监测信息训练样本子集中的样本数量，s表示岩溶塌陷信息样本岩溶塌陷信息样本数量，k表示属性d的最大值，越小则岩溶塌陷监测信息训练样本在属性d上的分部结果越不均匀；信息增益比率的计算公式是： (5)式(5)中，表示岩溶塌陷监测信息训练样本集中信息增益比率，在岩溶塌陷监测信息训练样本集s中选取信息增益比率最大的岩溶塌陷信息样本，决策树算法选择具有最高信息增益比率的属性，定义成分裂属性，决策树算法根据属性d的取值范围执行最佳分割点，分成k个分枝，循环执行分裂属性的确定和最佳分割点的确定，生成一棵关于岩溶塌陷监测信息训练样本集的决策树；基于分类回归树算法进行决策树的划分节点，分类回归树算法通过信息熵作为度量标准，分类回归树根据最佳分割点划分节点，当前节点用表示，每个节点产生两个分枝，划分标准如式(6)所示： (6)式(6)中，表示当前节点和对节点划分的属性进行计算，表示岩溶塌陷监测信息数据位于左子树概率的大小，表示岩溶塌陷监测信息数据位于右子树概率的大小，l和r分别表示岩溶塌陷监测信息训练样本决策树中当前节点的左子树和右子树，x
i
表示岩溶塌陷监测信息数据所属种类，和分别表示分类回归树的左节点和右节点，和分别表示左子树和右子树中属于类别x
i
的概率值，m表示种类数量；节点划分度量时的概率值如式(7)所示：(7)式(7)中，k表示目标节点左子树和右子树，在计算属性取值在计算节点划分度量时有先后顺序，选择概率值较大的子树中岩溶塌陷监测信息数据进行检验，概率值较小的子树中的信息数据进行剪除。5.根据权利要求1所述的一种岩溶塌陷监测预警及防控一体化信息化模拟研判系统，其特征在于：通过em算法求解最大似然数值，实现决策树算法收敛得到最优解；假设随机变
量由岩溶塌陷监测信息训练样本集s和隐含部分c组成，满足分布p(c,s; )，训练数据由若干z组成，，假设c是岩溶塌陷环境信息数据中一个离散随机变量，满足分布矩阵为；em算法中指数族密度函数和目标似然函数如公式(8)所示：(8)式(8)中，表示离散随机变量c分布矩阵中的数值，是岩溶塌陷监测信息数据的预估似然数，表示岩溶塌陷环境信息数据中的变量值关于岩溶塌陷监测信息数据的预估似然数的指数族密度函数，表示岩溶塌陷监测信息训练样本集s关于岩溶塌陷监测信息数据的相对熵，表示岩溶塌陷监测信息数据预估似然数的目标似然函数；固定数值，对进行优化，设该函数在处取得最大值，则有： (9)式(9)中，表示可以取最大指数密度值的似然数；固定值，则为的函数，则有： (10)式(10)中，表示最大指数密度值的似然数的目标似然函数；综合式(8)~(10)，得式(11)：(11)。6.根据权利要求1所述的一种岩溶塌陷监测预警及防控一体化信息化模拟研判系统，其特征在于：数据分类模块包括嵌入式处理控制器和与所述嵌入式处理控制器连接的统分类模块、数据存储模块和输出模块。7.根据权利要求1所述的一种岩溶塌陷监测预警及防控一体化信息化模拟研判系统，其特征在于：数据预处理模块包括预处理匹配库、聚类处理模块、预处理模块和存储模块，其中所述聚类处理模块分别与预处理匹配库、预处理模块和存储模块连接。8.根据权利要求1所述的一种岩溶塌陷监测预警及防控一体化信息化模拟研判系统，其特征在于：岩溶物理模拟模型包括水动力模拟装置、岩溶模拟装置和监控装置。

技术总结
本发明公开一种岩溶塌陷监测预警及防控一体化信息化模拟研判系统，涉及信息处理技术领域；解决的技术问题是在岩溶环境安全监测预警和岩溶塌陷因素分析问题，采用的方案是一种岩溶塌陷监测预警及防控一体化信息化模拟研判系统，包括岩溶塌陷监测模块、信息化模拟系统、分析决策模块、岩溶塌陷预警模块、塌陷信息可视化模块。通过塌陷信息处理模块对采集到环境信息转化成数据信息，通过监测系统监测岩溶环境，并对异常信息报警，服务器管理模块应用数据挖掘算法对数据信息分析决策；岩溶塌陷信息通过塌陷信息可视化模块对塌陷因素数据分析并将分析结果传输到电脑端。本发明提高了岩溶塌陷监测能力和因素分析能力。溶塌陷监测能力和因素分析能力。溶塌陷监测能力和因素分析能力。


技术研发人员：张云峰 焦玉国 李生清 王延岭 程凤 赵志伟 吴亚楠 赵新村 李海翔
受保护的技术使用者：山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队（山东省地矿工程勘察院）
技术研发日：2022.12.16
技术公布日：2023/1/13