海量水文地質時間序列數據相關性算法設計

徐翠萍 盛文婷 侯雪嬌

摘要：針對水文地質時間序列數據分析，本文提出以相關性算法為核心思想的算法設計，簡單介紹并且研究了時間序列的定義、公式和降維方法以及相似性算法的概念、公式、特點和用法。并通過對海量水文地質數據的相關性分析，對礦井突水進行預測。

關鍵詞：時間序列;相似性算法;水文地質數據

1相關知識背景簡介

1.1時間序列定義

時間序列其實就是以時間順序為依據進行相關排列，且是有順序的值， 表示時間序列，子時間序列就是連續的一個片段，它用 來代表，子時間序列的長度用 來表示。

時間序列數據的降維主要有以下方法：時間序列基于域變換的描述、分段線性表示PLR的描述[1]、分段聚合近似PAA的描述[2]、符號化表示方法描述、奇異值分解SVD 的描述[3]。

1.2皮爾森相關系數

本文主要用皮爾森相關系數來對時間序列的相關性進行表示。它是線性相關系數。對統計量關于變量之間線性相關程度進行反映。定義如式：

相關系數用corr表示，樣本量用n來表示，均值以及方差用 來表示兩者。corr所描述的是關于兩個變量間線性相關強弱的程度。如果corr的絕對值越大，則證明具有越強的相關性

2水文地質數據

2.1水文地質參數

水文地質地質參數主要有以下幾點：滲透系數、釋（儲）水系數（給水度、彈性釋水系數的定義）、其他參數、參數的測定。

2.2造成地質災害的水文地質因素

造成地質災害的水文地質因素有：不是穩定的關于礦區地下礦物層、地質災害的形成關于沙土液化現象、地面沉降的生成對于水文因素、地基變形因素的描述、地質災害由地裂縫造成、災害由地面塌陷造成。礦山地質災害危險等級分類如表1。

3 某礦的相關性分析

1）礦井基礎條件

在礦井初步設計中，預計正常涌稅量為240 ，最大涌水量為600 。中央泵房安裝四臺MD500-57×9型礦用耐磨多級離心式水泵（500 ），預留有一臺水泵位置，副井敷設Φ325×12mm排水管兩趟，主井筒內安裝兩趟Φ325×12mm強排管路。中央泵房主副水倉總容量4588 ，系統排水能力1619 。礦井水文地質條件，各含水層抽水試驗如表2所示，礦井突水量變化曲線圖如圖1所示：

依據突水系數公式推導含水層頂界到巷道底板最大距離為：

按照隔水層厚度公式計算：

計算結果表示含水層頂界到巷道底板的距離是10～57m。由上可得，正常情況下的突水水量為60m3/h，最大突水水量為93m3/h。當超過正常涌水量時就會容易發生突水水害。

2）礦井水文地質相關性算法

本研究中選擇用到的是Pearson相關系數：

選擇兩組數據，X為安全時候的數據集，Y數據集為實際測量數據。數據X、Y的折線圖如圖3所示，得到兩組數據集的相關系數r=0.0312。

3）礦井水文地質相關性分析

相關系數的絕對值越大，相關性越強;相關系數越接近1或-1，相關度就越強;相關系數越接近于0，相關度越弱。

由此可以看出r=0.0312為弱相關/無相關，兩數據集之間為正相關關系，發生礦井突水危害的可能性還是很高的，應及早做好預防措施，以避免不必要的傷亡和損失。

4結論

本文首先通過對時間序列數據、相似性算法以及水文地質數據等知識進行簡要介紹，通過對結果進行預測分析，求出相關系數，對相關系數進行分析，估算水害發生的概率，以便于及早預防，減少不必要的人員和財產損失。

作者簡介：徐翠萍，新疆米泉人，1979年5月生，本科，研究方向移動數據網運維;

盛文婷，甘肅武威人，1983年10月生，碩士，研究方向大數據分析;

候雪嬌，新疆木壘縣人，1997年4月生，本科，研究方向為軌道交通信號與控制。