[发明专利]一种隧道围岩微震源定位方法

权利要求书

1.一种隧道围岩微震源定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.在隧道施工掌子面后方布置n个微震检测传感器，n≥4；

b.收集微震检测传感器接收范围内的岩体破裂的波形信号，定义所有传感器的观测到时与计算到时的累积绝对差值为震源波速反演的目标函数；

c.假定微震定位空间有多个粒子，并假定各个粒子的质量与多维位置向量；

d.以各粒子的多维位置向量计算目标函数，记录得到的最小目标函数值及对应最小目标函数值的位置；

e.判断最小函数值是否小于规定量值ε，若最小目标函数值小于规定量值ε，则对应最小目标函数值的位置为震源，若最小目标函数值不小于规定量值ε，则更新各粒子的位置向量，重新计算目标函数值，至最小目标函数值小于规定量值ε为止；

更新各粒子的位置向量时采用引力搜索算法进行更新。

2.根据权利要求1所述的一种隧道围岩微震源定位方法，其特征在于：所述的规定量值为ε，其范围为1e-4到1e-5。

3.根据权利要求1或2所述的一种隧道围岩微震源定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.在隧道施工掌子面后方布置n个微震监测传感器，n≥4；

b.建立隧道空间坐标系，采集传感器接收范围内的岩体破裂的波形信号，定义所有传感器的观测到时与计算到时的累积绝对差值为震源波速反演的目标函数，所述目标函数的计算公式如下：

式1中，fit为到时的累积绝对差值，n为监测传感器数量；t_i为第i个传感器的观测到时，上标p,s为P波或S波，t₀为震源的初始发震时刻，R_i/V为计算走时，R_i为微震源位置与第i个传感器位置的距离，V代表微震波在传播路径上的速度；

c.假定微震定位空间有N个粒子，在初始时刻，每个粒子有质量M_i和多维位置向量X_i：

M＝(M₁,...,M_i,...,M_N)，(i＝1,2,...,N) (2)

式2代表有N个具有质量的粒子，式3代表每个粒子具有n维的数值(若仅为三维空间则退化为三维数值)，其中，表示第i个粒子在第d维的数值，且有上下限值，即

d.将各粒子的多维位置向量X带入式1，获得各粒子的目标函数值，记录历史循环目标函数的最小值fit_best及对应粒子的多维位置X_best；

e.判断当前目标函数最小值是否满足终止条件，即是否fit_best<ε，如果fit_best<ε则输出最优微震源位置为X_best，如果fit_best＞ε执行下一步骤；

f.计算粒子间相互作用的引力，在第k次迭代，定义为在d维度上粒子i受到粒子j作用的引力：

其中，M_aj(k)和M_pi(k)分别为主动粒子j的惯性质量和被动粒子i的惯性质量，ε为小量值常量，G(k)为引力系数函数，满足如下：

其中，G₀与α为确定值，k为当前迭代次数，K为迭代总次数；

R_ij(k)为粒子i和粒子j的欧式距离：

R_ij(k)＝||X_i(k),X_j(k)||₂ (6)

第d维上第i个粒子受到其他所有粒子引力作用的总和为：

式中，rand_j为[0，1]之间的随机数，为引力的总和添加随机；

在每一次迭代中，每个粒子都会更新惯性质量，根据以下公式更新粒子的惯性质量M_i：

M_ai＝M_pi＝M_ii＝M_i,(i＝1,2,...,N) (8)

其中，M_a表示主动粒子i的惯性质量，M_p表示被动粒子i的惯性质量，M表示粒子i的惯性质量，fit_i(k)为粒子i在第k次迭代的目标函数值大小；

对于求解最小目标函数值问题，best(k)为N个粒子目标函数的最小值，worst(k)为N个粒子目标函数的最大值，定义如下：

g.计算每个粒子的加速度和速度，根据牛顿第二定理，第d维上粒子i的加速度和速度为：

其中，为第d维上粒子i的第k+1次迭代更新后的粒子速度，为第d维上粒子i的第k次迭代的粒子速度，M_i(k)为当前时刻粒子i的惯性质量；

h.在每一次迭代中，每个粒子都会根据以下公式更新位置：

i.根据各粒子更新后的位置向量重新计算目标函数值，并判断是否fit_best<ε，若满足则退出循环，输出全体粒子目标函数的最小值fit_best和对应的最优震源位置向量X_best；否则继续执行迭代循环。

4.根据权利要求3所述的一种隧道围岩微震源定位方法，其特征在于：G₀为100，α为20。