Vol.25 No.5 来兴平等：大尺度采空区围岩断裂失稳信号数据挖掘及破坏预测分析 ·395 次预测的可信度 经网络识别等新兴信号处理技术的方向发展.子 (3)可视化.可视化表达数据挖掘结果， 波变换中的频谱变换更适合于工程现场围岩失 (4)并行处理.数据挖掘算法（本构关系）与并 稳模态测试的非稳态短数据序列瞬态信号的表 行处理技术相结合，就形成并行数据挖掘算法， 征及处理.八. 例如采用并行数值计算程序进行采空区应力、位 小波变换如同一台可变焦距的数学显微镜， 移以及系统结构参数耦合效应的模拟计算，这在 改变各种焦距便可探测到被处理信号中所隐含 采空区围岩介质断裂统计和破坏预测与工程应 的奇异点并识别出它的性质，或分析出非平衡信 用中有很大的研究价值. 号所包含的各种成分，从而可有效地探测并诊断 出精密复杂设备中的疑难故障，是该领域具有明 2声发射信号的子波变换分析 显应用前景的前沿， 大尺度采空区围岩失稳是介质从微裂隙损 为了把小波变换的数学显微镜功能转化成 伤、裂隙扩展、离层演化、劈裂的过程界面摩擦是 一台可供实际使用的仪器实体，重庆大学秦树人 围岩典型的破坏机制，也是可测的声发射源.源 教授及其课题组针对工程应用背景下信号小波 的机制与声发射信号之间有一定的因果关系。 变换的三个主要问题，即母小波和小波基的研 然而，不同的破坏机制通常以组合形式出 究、小波变换的快速算法研究，以及小波变换中 现，其响应为瞬态随机信号，类别特征相互重叠， 的采样原理和技术研究，开展了深入的研究工 且又受介质的传播特性及传感器的转换特性耦 作，建立了包含众多母小波函数和小波基的可供 合影响，这就加大了声发射信号识别的难度， 调用的母小波和小波基库：研究成功了小波直接 图1给出了对岩石声发射数据信息进行数据挖 变换快速算法和Mallat塔形快速算法，它们的变 掘的流程 换速度达到了可用于在线测试的要求：在采样原 子波变换（也称小波变换）是近代非线性科 理及技术方面针对信号的高频成分采取逐渐精 学研究的热点之一，对于信号具有平滑、降噪以 细的时（空）域采样间隔和小波基随尺度参数m 及突出突变信号的作用.近年来，声发射信号的 变化的二次采样. 模式识别技术从常规信号参数鉴别正逐步向波 大尺度采空区围岩断裂失稳信号小波预测 形鉴别、频谱鉴别、小波鉴别、模式识别及人工神 分析过程为：首先对声发射监测信号与响应函数 值做卷积，然后使用同样的响应函数对卷积信号 监测数据信息 做反卷积，反卷积的结果就是原始信号.其对瞬 态随机信号识别过程，其主要包括：(1)围岩断裂 样本数据集合 失稳的声发射原始离散、混沌信号：(2)反映非稳 态、非连续、断续信号：(3)反映非连续信号的连 续化；(4)反映连续信号的模拟形成 重新选择参数，再处理 数据净化预处理 3声发射信号的统计与挖掘 数据映射和转换 统计学和数据挖掘有着共同的目标：发现数 数据挖掘 据中的结构，数据挖掘还应用了其他领域的思 性能评价 数据模式 想、工具和方法，尤其是计算机学科，如人工智能 中的专家系统、神经网络和机器学习等.在研究 数据表达结果 过程中利用有限差分程序(FLAC)对采空区的应 力、位移的演化历史进行耦合计算，采用固体断 集成岩石力学领域知识 裂非平衡统计方法对采空区围岩断裂进行累计 用户 统计和分析均.其主要包括三个阶段：(I)初始 图1围岩断裂声发射信号数据挖掘工作流程 阶段岩体破裂声发射特征参数统计：（Ⅱ）第二阶 Fig.1 Data mining flowchart of acoustic emission signals 段声发射特征参数统计：(D第三阶段声发射特 during rock failure and damage process 征参数统计，见图2.】 来 兴 平 等 大尺 度 采空 区 围岩 断裂 失 稳信 号数据 挖 掘及破 坏 预测 分 析 一 次预 测 的可 信度 可 视 化 可 视 化 表 达 数 据 挖 掘 结 果 并行 处理 数 据 挖掘 算 法 本构 关系 与 并 行 处 理 技术 相 结 合 ， 就 形 成 并 行 数据 挖 掘 算 法 ， 例 如采 用 并行 数 值 计 算程 序 进 行 采 空 区 应 力 、 位 移 以及 系统 结 构 参 数 祸 合 效应 的模 拟 计 算 ， 这 在 采 空 区 围 岩 介 质 断 裂 统 计 和 破 坏 预 测 与 工 程 应 用 中有很 大 的研 究 价 值 声 发射 信 号 的子 波 变换 分 析 大 尺 度 采 空 区 围岩 失 稳 是 介 质 从 微 裂 隙损 伤 、 裂 隙扩 展 、 离层 演 化 、 劈裂 的过 程 界 面摩擦 是 围岩 典型 的破 坏 机 制 ， 也 是 可 测 的 声发 射 源 源 的机 制 与 声 发 射信 号之 间有 一 定 的 因果 关 系 然 而 ， 不 同 的破 坏 机 制 通 常 以组 合 形 式 出 现 ， 其 响应 为瞬 态 随机信 号 ， 类 别特 征相 互 重 叠 ， 且 又 受 介 质 的传 播 特 性 及 传 感 器 的转 换 特 性 祸 合 影 响 ， 这 就 加 大 了 声 发 射 信 号 识 别 的难 度 图 给 出 了对 岩 石 声 发 射 数 据 信 息 进 行 数 据 挖 掘 的流 程 子波 变 换 也称 小波 变换 是 近 代 非 线性 科 学研 究 的热 点之 一 ， 对 于 信 号 具 有 平 滑 、 降噪 以 及 突 出突 变 信 号 的作 用 近 年 来 ， 声 发射 信 号 的 模 式 识 别 技 术 从 常 规 信 号 参 数 鉴 别 正 逐 步 向波 形 鉴 别 、 频 谱 鉴别 、 小波鉴 别 、 模 式识 别及 人 工 神 经 网络 识 别 等 新 兴 信 号 处 理 技 术 的方 向发展 子 波 变 换 中 的频 谱 变 换 更 适 合 于 工 程 现 场 围岩 失 稳 模 态 测 试 的 非 稳 态 短 数 据 序 列 瞬 态 信 号 的表 征及 处 理 ， 小 波 变 换 如 同一 台可 变 焦 距 的数 学显 微 镜 ， 改 变 各 种 焦 距 便 可 探 测 到 被 处 理 信 号 中所 隐含 的奇 异 点并 识 别 出它 的性 质 ， 或 分 析 出非 平 衡 信 号所 包 含 的各种 成 分 ， 从 而 可 有效地探 测 并诊 断 出精 密 复杂 设 备 中 的疑 难 故 障 ， 是 该领 域 具有 明 显 应 用 前 景 的前 沿 为 了把 小 波 变 换 的 数 学 显 微 镜 功 能 转 化 成 一 台可供 实 际使用 的仪 器 实体 ， 重庆 大 学 秦树 人 教授 及 其 课 题 组 针 对 工 程 应 用 背 景 下 信 号 小 波 变 换 的三 个 主 要 问题 ， 即 母 小 波 和 小 波 基 的研 究 、 小波 变 换 的快 速 算 法 研 究 ， 以及 小 波 变 换 中 的采 样 原 理 和 技 术 研 究 ， 开 展 了深 入 的研 究 工 作 ， 建 立 了包 含 众 多母 小波 函 数和 小波基 的可供 调用 的母 小波和 小 波基 库 研 究成 功 了小波直接 变换快 速 算 法 和 塔 形 快速 算 法 ， 它 们 的变 换速 度达 到 了可 用 于在 线测 试 的要 求 在 采样 原 理 及 技 术 方 面 针 对 信 号 的 高 频 成 分 采 取 逐 渐 精 细 的 时 空 域 采 样 间 隔和 小 波 基 随尺 度 参 数 变 化 的二 次 采 样 一 ， 大 尺 度 采 空 区 围岩 断 裂 失 稳 信 号 小 波 预 测 分 析过程 为 首 先对 声 发 射监 测 信 号 与 响应 函数 值 做卷 积 ， 然 后 使 用 同样 的响应 函 数对 卷积 信 号 做 反 卷 积 ， 反 卷 积 的 结 果 就 是 原 始 信 号 其 对 瞬 态 随机 信 号识 别 过 程 ， 其 主 要 包 括 围岩 断裂 失稳 的声 发 射 原 始 离散 、 混沌 信 号 反 映 非稳 态 、 非 连 续 、 断 续 信 号 反 映 非 连 续 信 号 的连 续化 反 映 连 续 信 号 的模 拟 形 成 ‘，’」 重新选择参数 ， 再处理 监测数据信息 样本数据集合 数据净化预处理 数据映射和转换 数据挖掘 性能评价 数据模式 数据表达结果 一 一巨蛋 〕 图 围岩 断裂声 发射 信号 数 据挖 掘 工 作 流 程 · 功 似 声 发 射 信 号 的统 计 与挖 掘 统 计 学 和 数据 挖 掘 有着 共 同 的 目标 发 现 数 据 中 的 结 构 数 据 挖 掘 还 应 用 了其 他 领 域 的 思 想 、 工 具 和 方 法 ， 尤 其 是计 算机 学 科 ， 如 人 工 智 能 中 的专 家 系 统 、 神 经 网络 和 机 器 学 习 等 在 研 究 过 程 中利 用 有 限差 分 程序 对 采 空 区 的应 力 、 位 移 的演 化 历 史 进 行 祸合 计 算 ， 采 用 固体 断 裂 非 平 衡 统 计 方 法 对 采 空 区 围岩 断 裂 进 行 累 计 统 计 和 分 析 『一 ‘ 其 主 要 包 括 三 个 阶 段 初 始 阶 段 岩 体 破 裂 声 发 射 特 征 参 数 统 计 第 二 阶 段 声 发 射 特 征 参 数 统 计 第 三 阶 段 声 发射 特 征 参 数 统 计 ， 见 图