专利名称:一种基于熵权模糊聚类的渗漏通道探测方法
技术领域:
本发明属于岩土工程领域,特别涉及一种渗漏通道的探测方法。
背景技术:
目前用于探测堤坝集中渗漏的方法主要是示踪方法,示踪方法是指利用水的天然示踪剂和人工示踪剂来进行示踪。天然示踪剂和人工示踪剂统称为“信息流”,它通过对比研究渗流场各种补给源、排泄点流体中各种信息的含量,确定排泄点水的来源以及各种水源所占的比例。以“信息流”为基础的人工与天然示踪探测堤坝渗漏的方法始于上世纪50 年代,为了探测堤坝渗漏隐患,人工水库的上游示踪方法用于通过测量水库、河流、钻孔、排泄点、泉水、地表水中的温度、电导、环境同位素等信息的变化,判定集中渗漏通道以及补给源与排泄之间的关系。基于“信息流”的探测方法于上世纪90年代初引入中国,已经在小浪底、西霞院、碧口、刘家峡、八盘峡、黄壁庄、陡河、岭澳、吉林台、乌兰察布大坝等国家重点工程中取得了成功的应用,大幅度地提高了我国的堤坝渗漏通道的探测水平。但是示踪方法目前还处在初级阶段,只能通过人为定性地判断。模糊聚类在科技、经济中已经获得广泛而且深入的应用,其中权值的确定是模糊聚类算法中的关键技术,权值 确定是否恰当直接影响模糊综合评价效果。确定模糊聚类的权重主要通过主观赋值和客观赋值。主观赋值是由专家根据经验主观判断,一般是根据以前的统计数据而得,与当前样本数据无关,和实际情况脱节。主观赋值法主要有Delphi法、 层次分析法、环比赋权法、加权统计法、调查统计法等。主观赋值的缺点是客观性较差,工作量大。客观赋值法是由当前样本数据统计而得,客观性很强,避免了人为因素带来的偏差。 客观赋值法主要有主成分分析法、均方差法、离差最大化法、熵值赋权法、频率统计法、变异系数法等。基于上述分析,本发明人采用熵值赋权法,对渗漏通道的探测方法进行深入研究, 以期避免人为因素带来的影响。
发明内容
本发明的目的,在于提供一种基于熵权模糊聚类的渗漏通道探测方法,其将对信息流的判别提升到理论高度,定量地确定样本的亲疏关系,从而客观地划分类型,并为最终准确判定渗漏通道的位置提供科学依据。为了达成上述目的,本发明的解决方案是—种基于熵权模糊聚类的渗漏通道探测方法,包括如下步骤(I)充分利用“信息流”提供的信息参数,对信息参数进行去量纲化和归一化;(2)选取各种渗漏水潜在补给源,利用熵权法对各项信息参数进行筛选、赋权,遴选出这些潜在补给源的信息流中差异最大的信息参数;(3)建立新的样本集,包含所有钻孔取样水和各种潜在补给源样本,利用模糊聚类法,进行聚类,算出各种钻孔取样水相对各种潜在补给源所在类的隶属度,隶属度最大的即为相关性最大的,从而推断该处钻孔取样水的补给来源;(4)在计算得出渗漏通道的影响范围后,在异常样本所在钻孔中进行连通实验,最终确定渗漏通道的具体位置。上述步骤(I)中,去量纲化和归一化,采用如下归一化函数rQJ)= Uy U}mm X 0.8+ 0.1(I)
U -u
_/max _/mm其中,r(i,j)是归一化函数;U= [UijIInxm表示样本的聚类指标特征矩阵;
i为样本标识符;j为每个样本的指标标识符;Uij为对应于第i个样本的第j项指标的聚类指标特征值;Ujfflin为第j项指标最小的样本的聚类指标特征值;Ujfflax为第j项指标最大的样本的聚类指标特征值。上述步骤⑵中,熵权法基本步骤如下,根据式⑴计算第j个指标下第i个样本
rV
的值在此指标中所占的比重,即j项指标的熵值为
i=\
η= -SYjPn In^y(2)
1=\其中,g = —,n为样本数;
mn最后计算第j项指标的权重,对于第j项指标,其指标值的差异越大,熵值越小,其权重越大,第j个指标的熵权为
\ — P
W1=-(3)
_ (1_β;)
;=1确定聚类指标权重集W= Iw1, w2,…wj,它表示各个指标在指标体系中的重要程度,其中,元素%表示第j个指标的熵权。上述步骤(3)中,模糊聚类法的内容为(31)确定聚类中心矩阵C = [ckj]tXni,将η个样本分为t类,每一个类别都有m个特征值指标,这些指标值就是该类别的聚类中心;(32)确定分划矩阵S= [ski] txn,其中Ski表示第i个样本归属于第k类的隶属度;(33)建立目标方程,确定迭代方程为
((υ)%= ^-
Σ(4Η))2
i=l
权利要求
1.一种基于熵权模糊聚类的渗漏通道探测方法,其特征在于包括如下步骤(1)充分利用“信息流”提供的信息参数,对信息参数进行去量纲化和归一化;(2)选取各种渗漏水潜在补给源,利用熵权法对各项信息参数进行筛选、赋权,遴选出这些潜在补给源的信息流中差异最大的信息参数;(3)建立新的样本集,包含所有钻孔取样水和各种潜在补给源样本,利用模糊聚类法, 进行聚类,算出各种钻孔取样水相对各种潜在补给源所在类的隶属度,隶属度最大的即为相关性最大的,从而推断该处钻孔取样水的补给来源;(4)在计算得出渗漏通道的影响范围后,在异常样本所在钻孔中进行连通实验,最终确定渗漏通道的具体位置。
2.如权利要求I所述的一种基于熵权模糊聚类的渗漏通道探测方法,其特征在于所述步骤(I)中,去量纲化和归一化,采用如下归一化函数
3.如权利要求2所述的一种基于熵权模糊聚类的渗漏通道探测方法,其特征在于所述步骤(2)中,熵权法基本步骤如下,根据式(I)计算第j个指标下第i个样本的值在此指 标中所占的比重,即
4.如权利要求3所述的一种基于熵权模糊聚类的渗漏通道探测方法,其特征在于所述步骤(3)中,模糊聚类法的内容为(31)确定聚类中心矩阵C= [C1Jtxm,将η个样本分为t类,每一个类别都有m个特征值指标,这些指标值就是该类别的聚类中心;(32)确定分划矩阵S= [ski]txn,其中Ski表示第i个样本归属于第k类的隶属度;(33)建立目标方程,确定迭代方程为
5.如权利要求I所述的一种基于熵权模糊聚类的渗漏通道探测方法,其特征在于所述步骤(4)中,连通实验的具体步骤是由步骤(3)判断出大体的渗漏通道位置后,在该可能的渗漏通道上游的某个钻孔中投入示踪剂,在下游的钻孔中用对应的示踪剂探测器进行探测,如果接收到较多的示踪剂,则该两个钻孔中有渗漏通道。
全文摘要
本发明公开一种基于熵权模糊聚类的渗漏通道探测方法,步骤为充分利用“信息流”提供的信息参数,对信息参数进行去量纲化和归一化;利用熵权法对各项信息参数进行筛选、赋权,遴选出潜在补给源的信息流中差异最大的信息参数;建立新的样本集,利用模糊聚类法进行聚类,算出各种钻孔取样水相对各种潜在补给源所在类的隶属度,隶属度最大的即为相关性最大的,从而推断该处钻孔取样水的补给来源;在计算得出渗漏通道的影响范围后,在异常样本所在钻孔中进行连通实验,最终确定渗漏通道的具体位置。此方法将对信息流的判别提升到理论高度,定量地确定样本的亲疏关系,从而客观地划分类型,并为最终准确判定渗漏通道的位置提供科学依据。
文档编号G01M3/20GK102721514SQ20121012847
公开日2012年10月10日 申请日期2012年4月27日 优先权日2012年4月27日
发明者李刚, 许波琴, 赵小龙, 赵敬川, 陈亮 申请人:河海大学