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专利号: 2025110382528
申请人: 四川轻化工大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-11-04
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种智能化尾矿坝位移实时预测方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤一:获取尾矿坝的在线监测历史数据,包括尾矿坝坝体表面位移、降雨量和库水位数据;

步骤二:对数据进行数据预处理,预处理包括删除表面位移异常数据,对表面位移缺失数据采用3次样条曲线插值,对表面位移、降雨量和库水位数据分别进行归一化;

步骤三:构建基于双向门控循环单元的尾矿坝位移初始预测模型框架,设置初始预测模型待寻优超参数及寻优范围;

步骤四:基于烟花镜像粒子算法和尾矿坝的在线监测历史数据,优化初始预测模型的超参数;

步骤五:基于优化的超参数和尾矿坝的在线监测历史数据,构建并训练得到尾矿坝位移初始预测模型,并根据初始预测模型预测下一监测时刻的位移;

步骤六:给定在线学习阶段的启动阈值T,每获取新的监测数据,并对新监测数据进行预处理后,基于自适应动态窗口在线学习机制对预测模型进行参数微调;

步骤七:根据最新的预测模型和监测数据,对下一监测时刻的尾矿坝位移进行预测,并反归一化后得到最终预测数据;

步骤八:如果继续下一次预测,返回步骤六,并重复步骤六 步骤七,否则计算终止。

~

2.如权利要求1所述的一种智能化尾矿坝位移实时预测方法,其特征在于,步骤三中,所述尾矿坝位移初始预测模型框架,包括输入层、双向长短时记忆层、随机丢弃层和输出层。

3.如权利要求1所述的一种智能化尾矿坝位移实时预测方法,其特征在于,步骤三中,所述初始预测模型待寻优超参数,包括初始模型滑动窗口大小、双向门控循环单元的单元数,初始预测模型学习率,丢弃率,L2正则化强度。

4.如权利要求1所述的一种智能化尾矿坝位移实时预测方法,其特征在于,步骤四中,所述烟花镜像粒子算法包含追踪粒子和烟花粒子两大类粒子,其中追踪粒子又分为当前迭代最优粒子、普通追踪粒子和镜像追踪粒子三小类,烟花镜像粒子算法计算过程包含以下四个阶段:(一)追踪粒子初始化:

(1)生成追踪粒子:随机生成追踪粒子Mi,其中每个粒子Mi的位置由以下公式确定:Mi=lb+(ub‑lb)×rand(1,dim)N1=round(N×0.9)

其中Mi代表第i个粒子的位置,下标i代表粒子的序号,i=1,2,…, N1,其中N1为追踪粒子数量,N为总粒子数量,lb和ub分别为搜索空间的下限及上限,dim为待优化问题的维度,rand(1,dim)生成一个1×dim的随机向量,其元素取值范围为[0,1],round()函数代表对括号内的值四舍五入取整;

(2)计算初始适应度值:

计算每个追踪粒子的适应度值,记录当前迭代最优粒子位置xb,历史最优粒子位置Bh和历史最优适应度值;

(二)烟花粒子更新:

在当前迭代适应度最优粒子周围一定范围内,随机生成N2个烟花粒子,方法如下:N2= N‑N1

‑2t/T

xj=xb+Cf ×(ub‑lb)×e ×(2×rand(1,dim)‑1)其中,xj为烟花粒子的位置,Cf为烟花粒子系数;j=N1+1,N1+2,…,N;T为最大迭代次数,t为当前迭代次数;

(三)追踪粒子更新:

(1)除当前迭代最优粒子外,对每个追踪粒子i,生时一个0~1间的随机数Ri,并根据Ri值选择该粒子是普通追踪粒子还是镜像追踪粒子:当Ri≥0.5时,该粒子为普通追踪粒子,更新方式为:Mi =Mi+rand(1,dim)×((1‑t/T)×(xb‑Mi)+t/T×(Bh‑Mi))当Ri<0.5时,该粒子为镜像追踪粒子,且又细分为:当(0.5×t/T)<Ri<0.5时,为当前迭代最优镜像追踪粒子,当0<Ri≤(0.5×t/T)时,为历史最优镜像追踪粒子;镜像追踪粒子更新分为3个步骤:步骤S41:生成镜像追踪粒子xmirror,i:对于当前迭代最优镜像追踪粒子:

xmirror,i=2×xb‑Mi+0.1×randn(1,dim)对于历史最优镜像追踪粒子:

xmirror,i=2×Bh‑Mi+0.1×randn(1,dim)其中,randn(1,dim)生成一个1×dim的矩阵,元素服从标准正态分布;

步骤S42:判断镜像追踪粒子在各维度是否超出搜索空间边界,若在第j个维度超出边界,则对该维度位置进行修正:对于当前迭代镜像最优追踪粒子:

xmirror,i,j =ubj‑Ri×(ubj‑xb,j) if xmirror,i,j>ubjxmirror,i,j =lbj+Ri×(xb,j‑lbj) if xmirror,i,j

xmirror,i,j =ubj‑Ri×(ubj‑Bh,j) if xmirror,i,j>ubjxmirror,i,j =lbj+Ri×(Bh,j‑lbj) if xmirror,i,j

步骤S43:更新镜像追踪粒子个体位置:

对于当前迭代镜像最优追踪粒子:

Mi=xmirror,i+Cm×rand(1,dim)×(xb‑xmirror,i);对于历史最优镜像追踪粒子:

Mi=xmirror,i+Cm×rand(1,dim)×(Bh‑xmirror,i);其中Cm为镜像更新系数;

(2)对于当前迭代最优粒子,通过莱维飞行和随机扰动进行全局搜索:xb=xb+α×levy(β,dim)+γ×(Bh‑xb)+0.1×randn(1,dim)其中levy(β,dim)是莱维飞行函数,参数α、β和γ计算公式为:α=0.1×(1‑t/T)

β=1.5×(1‑t/T)

γ =1‑0.5×(1‑t/T)

(四)适应度更新

重新计算所有个体适应度值,更新当前迭代最优粒子位置xb、历史最优粒子位置Bh和历史最优适应度值;

最后,判断是否达到迭代终止条件,若满足迭代终止条件,则输出历史最优粒子位置Bh和历史最优适应度值,计算终止;若不满足终止条件,则重复计算阶段(二)阶段(四)。

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5.如权利要求1所述的一种智能化尾矿坝位移实时预测方法,其特征在于,步骤六中,所述自适应动态窗口在线学习机制,包括两个步骤:步骤S61:计算位移预测结果P与预处理后的监测位移数据R间的相对误差E,E=(P‑R)/R;当累计预测的次数大于在线学习启动次数n后,统计近n次预测的平均相对误差En;当En≤ET时,不对预测模型进行在线学习而直接进行预测,当En>ET时,启用基于动态窗口的在线学习机制,其中ET为在线学习启动误差;

步骤S62:当基于动态窗口的在线学习机制启用时,根据动态改变的在线学习窗口大小进行在线学习,其具体步骤如下:设置在线学习窗口大小及学习率的寻优范围,基于烟花镜像粒子算法优化在线学习窗口大小Wb和最优学习率,并基于最新的Wb个数据,对预测模型进行参数微调以适应新的位移发展趋势。