王 靖 璩世杰 易巧明 萬鵬鵬

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的爆破振速峰值預(yù)報(bào)*

王 靖 璩世杰 易巧明 萬鵬鵬

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

以司家營鐵礦露天礦爆破振動(dòng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理，以孔數(shù)、最大單孔藥量、總藥量、高程差和爆源距作為影響爆破振動(dòng)速度的主要因素，建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)質(zhì)點(diǎn)爆破振動(dòng)速度峰值進(jìn)行預(yù)測(cè)。結(jié)果表明：BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測(cè)精確度明顯高于傳統(tǒng)的薩道夫斯基公式，對(duì)工程實(shí)踐具有較好的指導(dǎo)性。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型 爆破振動(dòng) 相對(duì)誤差

大型露天礦山的爆破規(guī)模一般都比較大，爆破振動(dòng)容易影響日常的生產(chǎn)安全和邊坡巖體穩(wěn)定。因此，對(duì)爆破振動(dòng)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，為控制爆破振動(dòng)提供依據(jù)，是礦山爆破生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的一項(xiàng)重要工作，對(duì)于礦山的安全穩(wěn)定生產(chǎn)具有重要的意義[1]。

1 爆破振動(dòng)速度預(yù)測(cè)的研究

質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度是目前國內(nèi)外表述爆破振動(dòng)效應(yīng)的一個(gè)主要參數(shù)，工程實(shí)踐中主要是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得出薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式，然后利用求出的公式預(yù)測(cè)后續(xù)爆破振動(dòng)速度。薩道夫斯基公式：

(1)

式中，V為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值，m;Q為最大段起爆藥量,kg;R為爆源距,即測(cè)點(diǎn)至爆區(qū)藥包中心的距離，m;K，α為與爆破場(chǎng)地條件、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)[2-3]。

多數(shù)工程試驗(yàn)證明，薩道夫斯基公式在平整地形條件下預(yù)測(cè)地面的爆破振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)速度具有較高的精度，但由于該公式未考慮測(cè)點(diǎn)與爆心之間高差的影響，當(dāng)爆破場(chǎng)地的地形地貌變化較大時(shí)用該公式預(yù)測(cè)爆破振動(dòng)精度較低?；谶@一認(rèn)識(shí)，有不少學(xué)者對(duì)有高程變化的爆破振動(dòng)進(jìn)行了研究。長江科學(xué)院張正宇等考慮邊坡高差的影響，提出了優(yōu)化的爆破振動(dòng)速度公式[2，4]：

(2)

式中，H為高程差,m；β為高程影響系數(shù)；e為常數(shù)；其他符號(hào)意義同前。

但是由于影響爆破振動(dòng)速度的因素有很多，因此采用薩氏公式或其修正公式進(jìn)行預(yù)測(cè)，有時(shí)候誤差會(huì)非常大，很難滿足工程需要。為實(shí)現(xiàn)爆破振動(dòng)速度的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，研究人員開始嘗試使用一種新的預(yù)報(bào)方法——神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[5]。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種模仿動(dòng)物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)行為特征，進(jìn)行分布式并行信息處理的算法數(shù)學(xué)模型[6]。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由大量簡(jiǎn)單的神經(jīng)元相互連接而成的自適應(yīng)非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，能夠進(jìn)行復(fù)雜的邏輯操作和非線性關(guān)系的實(shí)現(xiàn)[6]。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有大規(guī)模并行分布式結(jié)構(gòu)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)能力以及由此而來的泛化能力(泛化是指神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)不在訓(xùn)練集中的數(shù)據(jù)可以產(chǎn)生合理的輸出)[6]。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用訓(xùn)練集中的多個(gè)樣本進(jìn)行訓(xùn)練，直到網(wǎng)絡(luò)達(dá)到?jīng)]有顯著的權(quán)值修正的穩(wěn)定狀態(tài)為止[6]。所以，使用現(xiàn)場(chǎng)獲取的原始數(shù)據(jù)輸入進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，建立輸入/輸出映射關(guān)系，從而預(yù)測(cè)輸出結(jié)果[7]。例如，夏夢(mèng)會(huì)等以單段最大藥量、爆源距和相對(duì)于爆源的高差作輸入量，建立模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，預(yù)測(cè)出的爆破振動(dòng)速度與實(shí)際值的平均誤差為5.58%[8]；申旭鵬等以臺(tái)階高度、炮孔數(shù)、炸藥性能、總藥量、最大段藥量、測(cè)點(diǎn)位置、爆心距作為輸入量，建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，預(yù)測(cè)出的爆破振動(dòng)速度與實(shí)際值的平均誤差為8.4%[5]。

輸入變量的選取是建立合理神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的關(guān)鍵。人們通過研究影響爆破振動(dòng)效應(yīng)的各種因素，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，用訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來對(duì)爆破振動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)于控制爆破振動(dòng)和保證安全生產(chǎn)具有十分重要的意義[5]。本文以司家營鐵礦露天礦日常的爆破作業(yè)為基礎(chǔ)，測(cè)得了爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)，綜合考慮影響爆破振動(dòng)的因素，建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，預(yù)測(cè)爆破振動(dòng)的速度峰值，并與薩道夫斯基公式計(jì)算出的結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比[7]。

2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介

BP(Back Propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種按誤差逆?zhèn)鞑ニ惴ㄓ?xùn)練的多層前饋網(wǎng)絡(luò)，是目前應(yīng)用最廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型之一。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由信息的正向傳播和誤差的反向傳播2個(gè)過程組成。若實(shí)際輸出與期望輸出不符，則誤差通過輸出層，按梯度下降的方式修正各層權(quán)值，向隱含層、輸入層逐層反轉(zhuǎn)。周而復(fù)始的信息正向傳播和誤差反向傳播是各層權(quán)值不斷調(diào)整的過程，直到網(wǎng)絡(luò)輸出的誤差達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)或預(yù)先設(shè)定的學(xué)習(xí)次數(shù)為止[6]。

3 BP 網(wǎng)絡(luò)模型數(shù)據(jù)選取及處理

爆破地震是一個(gè)非常復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)過程, 其影響因素主要包括埋深、藥量、爆破方式等爆源因素，以及傳播途徑、爆源距、巖土條件等傳播途徑因素[1]。在影響爆破振動(dòng)的各類因素中，某些影響因素的數(shù)據(jù)是難以獲取的，考慮到輸入樣本應(yīng)具有代表性和易取性[5]。本文主要選取炮孔數(shù)、總藥量、最大段藥量、高差和爆源距共5個(gè)特征量作為影響爆破振動(dòng)效應(yīng)強(qiáng)弱的主要因素。

選取露天礦50組爆破振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)為樣本(見表1)。由于輸入、輸出數(shù)據(jù)數(shù)量級(jí)差別較大，為了避免因此而造成的網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)誤差較大，在進(jìn)行訓(xùn)練及測(cè)試前對(duì)所有的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化預(yù)處理。

4 預(yù)測(cè)模型的建立

根據(jù)BP定理，給定任意ε>0和任意L2函數(shù)f:[0，1]n→Rm存在一個(gè)3層BP網(wǎng)絡(luò)，它可在任意ε平方誤差精度內(nèi)逼近f。從該定理可知，用3層的 BP 網(wǎng)絡(luò)就可以實(shí)現(xiàn)L2函數(shù)，因此，可以采用 3 層 BP 網(wǎng)絡(luò)來預(yù)報(bào)爆破振動(dòng)速度[7]。本次爆破振動(dòng)速度預(yù)測(cè)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型輸入層的神經(jīng)元有5個(gè)(炮孔數(shù)、總藥量、最大段藥量、高差和爆源距)，隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)根據(jù)Kolmogorov定理確定為11個(gè)，輸出層神經(jīng)元為測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度峰值[5]。運(yùn)用 MATLAB語言構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，采用trainlm訓(xùn)練函數(shù)，最大訓(xùn)練步數(shù)epochs為1 000，訓(xùn)練目標(biāo)均方誤差mse=1×10-4。用樣本數(shù)據(jù)中前40組數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，后10組數(shù)據(jù)作為檢驗(yàn)樣本。

5 預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比

利用表1中的前40組數(shù)據(jù)進(jìn)行薩道夫斯基公式回歸得到的預(yù)測(cè)振動(dòng)速度公式如下：

表1 爆破測(cè)試參數(shù)數(shù)據(jù)

(3)

表2為薩道夫斯基公式預(yù)測(cè)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比。由表2可知，薩道夫斯基公式預(yù)測(cè)的振動(dòng)速度與實(shí)測(cè)振動(dòng)速度的平均誤差為19.6%，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)得到的振動(dòng)速度與實(shí)測(cè)振動(dòng)速度的平均誤差為10.6%，由此證明BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)的爆破振動(dòng)速度比薩道夫斯基公式預(yù)測(cè)的爆破振動(dòng)速度更加準(zhǔn)確。

表2 預(yù)測(cè)速度結(jié)果與實(shí)測(cè)速度結(jié)果對(duì)比

6 結(jié) 論

(1)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用輸入矢量(孔數(shù)、總藥量、最大段藥量、高差、爆源距)和相應(yīng)的輸出矢量(質(zhì)點(diǎn)最大振動(dòng)速度)訓(xùn)練一個(gè)網(wǎng)絡(luò)逼近一個(gè)函數(shù)。通過調(diào)整網(wǎng)絡(luò)間的權(quán)值建立輸入/輸出的非線性關(guān)系，就可以使模型較準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)輸出結(jié)果[7]。

(2)對(duì)比于傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能夠分析多個(gè)對(duì)爆破振動(dòng)有影響的因素，而不僅僅局限于藥量和爆心距，可以使預(yù)測(cè)結(jié)果更加合理。

(3)用薩氏公式進(jìn)行預(yù)測(cè)的結(jié)果的平均相對(duì)誤差為19.6%，用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)的結(jié)果的平均相對(duì)誤差為10.6%。由此可知，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型比薩道夫斯基公式預(yù)測(cè)更加準(zhǔn)確。

(4)對(duì)于本次BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的條件限制，對(duì)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入量未能考慮巖土條件等影響，使得模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性有所影響，還需在以后的工作中繼續(xù)完善。

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安徽勘技院內(nèi)蒙古新發(fā)現(xiàn)多金屬礦點(diǎn)11處

安徽省勘查技術(shù)院完成的《內(nèi)蒙古1∶25萬恩和、額爾古納左旗、額爾古納右旗幅區(qū)域化探成果報(bào)告》日前通過評(píng)審，并獲優(yōu)秀級(jí)。

據(jù)了解，“內(nèi)蒙古1∶25萬恩和等幅區(qū)域化探”是安徽省勘查技術(shù)院承擔(dān)的首個(gè)由中國地調(diào)局部署的1∶25萬基礎(chǔ)性項(xiàng)目。工作中，項(xiàng)目組通過詳細(xì)踏勘、采樣和分析處理，編制出了39種元素(含氧化物)地球化學(xué)圖，對(duì)測(cè)區(qū)各元素的含量特征、變異特征、空間展布進(jìn)行了認(rèn)真研究；查證了14個(gè)主要成礦元素綜合異常，新發(fā)現(xiàn)鉛、鋅、銀、銅、金、鉬、鐵等多金屬礦(化)點(diǎn)11處；驗(yàn)證已知礦床1處。在此基礎(chǔ)上，項(xiàng)目組圈定找礦遠(yuǎn)景區(qū)10個(gè)，找礦靶區(qū)37個(gè)。

驗(yàn)收專家認(rèn)為，這一成果報(bào)告為該區(qū)礦產(chǎn)資源遠(yuǎn)景調(diào)查、基礎(chǔ)地質(zhì)研究提供了基礎(chǔ)地球化學(xué)資料，同時(shí)也為在本區(qū)進(jìn)一步布置大比例尺勘查工作提供了依據(jù)。

*國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：51274020)。

2014-08-18)

王 靖(1986—)，男，碩士，100083 北京市海淀區(qū)學(xué)院路30號(hào)。