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基于PSO-SVM的锚杆锚固质量无损电力检测方法研究

时间:2018-03-27 20:22来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇电力工程论文,电力工程(electric power engineering),即与电能的生产、输送、分配有关的工程,广义上还包括把电作为动力和能源在多种领域中应用的工程。
本文是一篇电力工程论文,电力工程(electric power engineering),即与电能的生产、输送、分配有关的工程,广义上还包括把电作为动力和能源在多种领域中应用的工程。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇电力工程论文,供大家参考。
 
第一章 绪 论
 
1.1 课题的研究背景和意义
锚杆支护技术由于具有成本低廉、施工简单方便且支护性能良好等优点,在桥梁、巷道、隧洞、矿山、水库、公路等工程领域中得到了越来越广泛的应用。锚杆支护的作用机理主要有悬吊作用[1]、减小跨度作用[2]、围岩补强作用等。锚杆支护技术提高了锚固区的刚度,有效的控制了锚固区围岩滑落、裂缝、松动、坍塌等情况的发生[3-4]。锚杆由于在长期的服役环境中受到环境的影响,材料会不断的腐蚀、老化;长期的荷载效应会使锚杆变形、扭曲;另外一方面,施工技术水平的高低以及在施工过程中存在人为操作等因素的影响。这些因素的存在会造成锚杆损伤不断的累积,致使锚杆锚固系统的作用大打折扣,严重的甚至失去其作用效果,对整个工程的稳定性造成严重的负面影响,有可能导致人员伤亡或是造成重大的安全事故。据不完全统计,全部每年因锚杆支护[5-6]失效造成的经济损失高达上亿元人民币,每年造成的死亡人数超过百人。根据我国煤矿 2010 年统计的数据显示,仅 2010 年的前四个月全国因锚杆支护失效造成的死亡人数就接近千人,其中超过一半以上的原因都是由于顶板事故引起的。锚杆损伤带来的种种不可忽视的影响,激发了众多科研学者投身到锚杆锚固质量无损检测[7]的研究中。由于锚杆绝大部分杆体都深藏于岩土内部,只有端侧的少部分杆体裸露在外部,无法对其内部质量做出直接的观察。因此必须采用高效的分析手段和方法才能检测出其内部情况。迄今为止,针对锚杆的检测方法大体有两种:破坏性的检测方法[8-9]以及非破坏性的检测方法[10-11]。破坏性的检测方法主要有拉拔法和取芯法等方法,其中拉拔法是较为常用的一种方法,其基本步骤一般是先安装好千斤顶等仪器设备,之后在不断给液压泵加压的同时对液压表和位移读数做好记录,当压力或者位移读数达到事先设定值的瞬间时终止加压,锚杆的荷载-位移曲线一般都是运用此方法测试出来的。由于破坏性的检测方法会对原支护系统造成破坏,只能抽查出少部分锚杆做测试,因此在实际工程中的应用面非常狭窄;无损检主要包括应力波反射法、弹性波反射法。其中应力波反射法是目前发展比较成熟的方法,应用也非常广泛。无损检测法主要通过在裸露的锚杆端部安装的传感器采集到锚杆的信号波形,借助于对信号时域特性、频域特性等方面的分析研究,对锚杆锚固质量做出最终的判断。非破坏性的无损检测方法相对于破坏性的检测方法有着诸多的优点,在实际应用中更加受到人们的青睐。
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1.2 国内外发展现状
锚杆支护技术的应用最早可以追溯到 19 世纪末 20 世纪初,当时在英国和美国的煤矿、矿山中出现了类似于锚杆支护技术的应用。20 世纪 40 年代,将锚杆用于巷道加固的技术在前苏联和美国的井下巷道中得到应用。经过漫长的发展,到目前为止锚杆已在诸多的工程中得到了应用。同时,用于锚杆锚固质量的检测方法也逐渐萌芽,并不断的得到发展、创新、改进。锚杆应用在工程中许多年之后,到 20 世纪 70 年代左右,针对锚杆锚固质量无损检测的方法才得以出现。20 世纪 80 年代,一种以超声波为基础的锚杆锚固质量检测方法方法被瑞典的 H.F.Thurner[18]率先提出,该学者通过对入射波能量和反射波能量差异的研究,完成了对锚固剂密实度的判断。频率响应法是一种研究输出信号频谱和输入信号频谱比值关系的方法,该方法最早是被澳大利亚的 Djordjevic[19]提出,利用频率响应法可以对锚杆锚固质量做出有效的分析判断,不足之处是该方法不能对锚杆的长度以及锚杆损伤的具体位置做出有效的判别。X 射线因具有良好的透射性,所以也被一些学者用于锚杆质量的检测中。21世纪初,基于 X 射线的 CT 扫描仪被应用于锚杆锚固质量检测中,Fumio Itoa 等人[20]通过对该仪器提供的关于岩体锚杆胶结材料破坏数据的研究,成功实现了拉拔试验破坏情况的可视化。21 世纪初,将导波应用到锚杆锚固质量研究的方法被英国的 M.J.S.Lowe[21]和 M.D.Beard 提出,他们将理论研究和模型试验相结合,进一步推进了该项技术的发展。但是因为采用的高频导波在锚杆体中的衰减速度非常快,检测锚杆的长度受到了很大的限制,在实际应用中没有得到非常良好的效果。两位专家还详细阐述了便携式无损检测装置的性能,利用该装置对锚固剂包裹缺失、变形等缺陷做出了有效的检测。2001 年,王成、恽寿榕等人[22]根据应力波原理,对锚固质量优等的锚杆、锚固质量中等的锚杆和锚固质量差的锚杆进行了研究。探索了三类锚杆在瞬态冲击下应力波的传播规律,主要分析了不同锚固质量锚杆中应力波的衰减、反射以及相位变化等特性,为工程实际中锚杆锚固质量无损检测的研究开辟了一片新的天地。2006 年,刘明贵和邱向红[23]对小波变换的分量提取出特征向量,然后利用人工神经网络对其进行训练,实现了不同类型锚杆的智能化分类。太原理工大学的李义[24]通过对围岩失稳和变形情况下锚杆受力情况的变化分析,对巷道围岩变形等不同情况下锚杆工作载荷和围岩变形位移之间的对应关系进行了总结,通过对其对应关系的分析研究,对巷道围岩的稳定性进行了判别。
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第二章 锚杆无损检测理论基础及实验设计
 
在科技日益进步的今天,锚杆无损检测技术被广泛应用在各种工程项目中。当锚杆裸露在外面的端部遭受到激励后,产生的应力波会沿着杆体向其深层传播,因锚杆整体的长度远远超过其直径,所以在对杆体进行受力分析时,一般可以将其看做一维杆件,并利用一维弹性杆的波动理论进行分析。
 
2.1 锚杆的一维弹性波动方程
采用东华测试技术股份有限公司产品中的DH5923N动态信号测试分析系统对锚杆进行加速度信号采集。该设备可以高效的完成锚杆加速度信号的采集和储存等操作,且具有简单、可靠、易操作等优点。实验设备主要包括力锤、IEPE压电加速度传感器、DH5923N 动态信号测试分析系统、DHDAS 动态信号采集分析系统。若想使锚杆系统中产生振动信号,必须给系统提供一个振动源,现在已经得到应用的振动源主要有力锤、振动台、激振器等方式。根据实验室条件,本文采用力锤敲击的方法产生振动信号。当力锤与锚杆端部发生碰撞后,会在锚杆体中产生往复传播的应力波信号,力锤实物图如图 2-3 所示。根据不同的需求可以对力锤的端部材料进行更换,可供选择的材质主要有铝制材料、铁质材料、橡胶材料等。
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2.2 锚杆中波的传播特性及衰减特性
应力波理论[46-47]作为一种发展较为成熟的分析方法,在锚杆受力分析中应用的非常普遍和广泛。当应力波在锚杆体传播的过程中遇到不同介质或断层等情况时,会发生反射、折射等现象并伴有能量的损失,通过对这些物理现象以及反射波信号的分析研究,可以对锚杆的内部情况作出更为精准的判断。应力波在向锚杆、围岩等介质的深处传播时,信号强度会不断减弱,能量也会逐渐减小。当波在岩土结构较为复杂的介质传播时,其衰减特性的分析将变得异常困难。
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第三章 基于 PSO-SVM 的锚杆分类识别检测........17
3.1 锚杆振动信号特征库的建立 .........17
3.1.1 锚杆振动信号时域特征 .......17
3.1.2 锚杆振动信号频域特征 .......18
3.2 PCA 特征降维 .................19
3.2.1 PCA 基本原理 .......19
3.2.2 PCA 实现过程 .......20
3.2.3 PCA 处理结果 .......21
3.3 支持向量机基本原理 ......22
3.4 粒子群算法基本原理 ......32
3.5 结果分析 ...........34
3.5.1 PSO 参数设置 ........34
3.5.2 BT-SVM 训练集和预测集的构造.......35
3.5.3 PSO 优化 BT-SVM 参数结果分析 .....38
3.6 小结 ....47
第四章 改进 PSO 算法的锚杆锚固质量无损检测.................49
4.1 PSO 的改进策略 ..............49
4.1.1 惯性权重改进策略 ...............49
4.1.2 加速因子的改进策略 ...........52
4.2 测试函数 ...........53
4.3 改进 PSO 算法的结果分析 ............54
4.3.1 各函数测试结果分析 ...........55
4.3.2 改进 PSO-SVM 的锚杆分类识别结果 ..............62
4.4 小结 ....63
第五章 结论与展望.......64
5.1 结论 ....64
5.2 展望 ....65
 
第四章 改进 PSO 算法的锚杆锚固质量无损检测
 
目前基于 PSO[59- 60]的改进策略多种多样,不同的改进方式各有其特点,但主要都集中在速度、惯性权重、学习策略等方面的改进。本章对 PSO 的惯性权重和学习因子提出了改进策略,并利用 Sphere、Ackley 等测试函数对改进算法进行了测试分析,最后将改进 PSO 算法用于 BT-SVM 的参数优化中。
 
4.1 PSO 的改进策略
惯性权重ω在平衡 PSO 算法的全局搜索能力和局部搜索能力中发挥无可替代的作用,惯性权重较大时,PSO 算法的全局搜索能力较强;惯性权重较小时,则 PSO 的局部搜索能力较强。惯性权重一般随着迭代次数的增加不断递减,目前发展起来的惯性权重主要有线性递减、非线性递减、周期性递减等形式。本章主要针对 PSO 的惯性权重和学习因子进行了改进,提出了三种不同下降速度的惯性权重表现形式,并利用测试函数 Sphere、Ackley 和 Griewank 进行了检测,证实了改进算法在处理低维数据的有效性。利用改进 PSO 算法用于锚杆的分类识别检测,结果表明当惯性权重取改进凸型函数和 S 型函数时,收敛速度较改进前加快明显,证明了改进策略的可行性及适用性。
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结论
 
受损的锚杆在支护质量等方面的性能会大打折扣,影响着工程结构的稳定,给人身安全埋下了隐患。锚杆质量无损检测作为该领域的热点研究课题,其研究热度一直没有衰减。本文是在应力波原理的基础上开展的,将 SVM 用在了不同锚杆的分类判别研究中,引入 PSO 用于核参数的优化选择,最终实现了不同类型锚杆的分类识别检测。本文的主要工作内容如下:(1)分析了应力波在锚杆体内的传播衰减特性,对一维弹性波动方程做了详细的介绍。(2)利用 DH5923N 动态信号测试分析系统采集到充足的实验数据,鉴于采集到的实验数据中夹杂着大量噪声,因此对实验数据进行了降噪处理。针对降噪信号的时域、频域特征进行提取,建立起初始特征矩阵库。(3)考虑到特征矩阵的维度较大,利用 PCA 对特征矩阵进行了降维处理,得到了各特征属性的贡献比率,提取出累计贡献率较大的几个主元作为 SVM 的输入;根据样本类内距离及类间距离的特点,提出了针对 BT-SVM 分类顺序的评判条件。详细阐述了 SVM 训练集和预测集的构造过程,通过 PSO 确保快速、有效地寻找到核参数的最优值,测试结果良好,充分证明了该方法在锚杆分类识别中具有良好的适用性。(4)PSO 算法存在容易陷入局部最优的情况,对 PSO 的惯性权重和学习因子进行了改进,针对惯性权重提出了三种改进的策略:凸型、凹型和 S 型,深入研究了惯性权重在不同衰减速度的情况下对寻优精度的影响。利用单峰函数Sphere 和多峰函数 Ackley、Griewank 用于改进 PSO 算法的测试,除极少数情况效果没有明显改善外,绝大多数情况下算法在收敛速度和寻优精度方面都优于之前的效果。将改进的 PSO 用于 SVM 的核参数寻优中,当惯性权重取改进凸型和 S 型函数时,算法的预测误差可以更快速的下降到最小,充分证明了改进算法的实用性。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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