[0001] 本发明涉及预测目的的数据处理方法和系统，特别涉及基于决策层多源数据融合的隧道超前地质预报方法及系统。

[0002] 在隧道工程领域中，隧道掌子面前方复杂未知的地质条件常会引起隧道开挖过程中发生围岩坍塌、岩爆、突水突泥等重大灾害，严重威胁隧道施工安全，应用超前地质预报技术探测掌子面前方不良地质体，是隧道开挖前的必要工作。

[0003] 现有的超前地质预报方法，如地质分析法、超前导坑法、超前钻探法以及地球物理勘探法，所述地球物理勘探法包括地震波法、高密度电阻率法、瞬变电磁法、地质雷达法等，通常是单一使用，然而单一的超前地质预报方法一方面会存在分辨率低、预报距离短、抗干扰性差等劣势；另一方面，所针对的不良地质体类型不够全面，会带来某些不良地质问题的误判漏判。

[0016] 本发明针对现有的超前地质预报通常采用一种预报方法，如地质分析法、超前导坑法、超前钻探法、地震波法、高密度电阻率法、瞬变电磁法和地质雷达法中的一种，一方面会存在分辨率低、预报距离短、抗干扰性差等劣势；另一方面，所针对的不良地质体类型不够全面，会带来某些不良地质问题的误判漏判，提出一种基于决策层多源数据融合的隧道超前地质预报方法，通过多种超前地质预报方法的现场勘探，获得原始指标数据，并厘清预报里程范围内的各区段对应的各指标和不良地质问题的映射关系，依据赋值规则和指标数据对指标赋值，确定指标对于不良地质问题的重要程度，设定预报里程范围内的区段和不良地质问题，获得相应的指标，依据所述相应的指标的重要度等级利用层次分析法及Huber加权法计算相应的指标权重，将相应的指标权重和指标赋值通过多种数据融合算法进行计算，获得每种数据融合算法对应的风险指数，并计算所有风险指数的平均值，获得设定区段的不良地质问题风险指数，以此，将多种超前地质预报方法进行融合，提高了不良地质问题的预报准确度，另外，扩宽了不良地质类型，从而使得该方法能够适应多种不良地质问题的预报。

[0017] 下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

[0018] 发明提供的一种基于决策层多源数据融合的隧道超前地质预报方法，如图1所示，包括以下步骤：S1、进行多种超前地质预报方法的现场勘探，获得原始指标数据，并厘清预报里程范围内的各区段对应的各指标和各不良地质问题的映射关系；
具体的，超前地质预报方法包括地质分析法、超前钻探法、超前导坑法以及地球物理勘探法，所述地球物理勘探法包括地震法、高密度电法、瞬变电磁法和探地雷达法；不良地质问题包括但不限于高地应力硬岩岩爆与软岩大变形，断层及破碎带塌方、涌水、岩溶溶洞、突水突泥、软弱岩带变形塌方、高地温热害、有毒有害气体危害以及放射性危害等；指标与特定不良地质问题的映射关系通过不良地质体建立连接，即指标显示了不良地质体存在，不良地质体印证了不良地质问题发生的风险，例如，在TSP法中当Vp/Vs的比值、Vs值或者Vp值变小时，或者反演界面密度较大时，表明围岩完整性较差，岩体破碎，进而判断可能存在断层带及破碎带塌方的风险较大。不同的超前地质预报方法对应的指标所预测的区段不一定相同，因此，基于区段确定对应的指标，以达到指标统一性原则。

[0019] S2、设定各指标的赋值规则，并依据赋值规则和指标数据对指标赋值，并确定指标对于各不良地质问题的重要度等级；具体的，所述赋值规则为依据指标真实数据对应的不良地质问题发生的风险性，在0‑1范围内赋值，指标赋值规则体现了决策层多源数据融合的核心内容，即无量纲处理与数据归一化，1代表所述不良地质问题必然发生，指标赋值中的0代表所述不良地质问题不发生，赋值规则可分为节点型赋值和拟合型赋值；所述赋值规则包括节点型赋值和拟合型赋值；所述节点型赋值为通过聚类方法划分数据获得离散的节点，将数据按照所述节点在0至1范围内进行赋值；所述拟合型赋值为将连续的数据通过线性拟合方法形成数据与指标赋值的拟合曲线，并将数据按照所述拟合曲线在0至1范围内进行赋值。所述指标对于不良地质问题的重要度等级包括A、B、C和D四个等级，分别定性代表极重要、较重要、较不重要和极不重要，在确定指标对于不良地质问题的重要度等级时，还需要考虑指标与指标间的相对重要度关系，例如，针对放射性岩体危害问题，前期地质勘察分析数据显示该区段存在放射性岩体，地质分析法围岩分类指标与放射性危害建立了很强的相关性，但由于该区段还采用了传感器放射性探测方法，传感器放射性探测方法最直观反映了放射性危害是否真实存在，则在确定重要度等级划分中，将围岩分类指标重要度等级设置为B，传感器放射性监测指标重要度等级设置为A。指标赋值以及确定指标重要度等级应遵循以地质信息和钻探结果为基础，以物探、监测及试验结果等信息为补充的原则，在充分考虑不同预报方法对于各类不良地质问题的敏感性和精确性的同时，确保以地质勘察及钻孔结果为数据融合计算的先决条件，从而使指标体系建立标准更具针对性。

[0020] S3、设定预报里程范围内的区段和不良地质问题，依据所述映射关系获得相应的指标，依据所述相应的指标的重要度等级利用层次分析法及Huber加权法计算相应的指标权重；具体的，层次分析法与Huber加权法算法的结合使用，可弥补传统主观赋权法科学性不足的问题，所述层次分析法具有较强主观性，因此在实际计算时将层次分析法常用的四种权重计算方法：几何平均法、算术平均法、特征向量法及最小二乘法相结合，从而尽可能做到准确客观地确定相应的指标权重，相应的指标权重的计算公式为： ，其中 表示相应的指标权重，表示层次分析法的个数， 表示第 个层次分析法得出的权重，为4， 、 、 和 分别表示几何平均法、算术平均法、特征向量法及最小二乘法得出的指标权重。

[0021] S4、将相应的指标权重和指标赋值通过多种数据融合算法进行计算，获得每种数据融合算法对应的风险指数，并计算所有风险指数的平均值，获得设定区段的不良地质问题风险指数；具体的，所述数据融合算法包括加权平均法、模糊融合理论、拉普拉斯融合理论、贝叶斯平均法和鲁棒统计法。所述加权平均法用于将各项指标的权重考虑在内，所述模糊融合理论则处理了不确定性和模糊性的情况，所述拉普拉斯融合理论进一步优化了多个指标的融合过程，所述贝叶斯平均法则在考虑先验信息的基础上进行融合，所述鲁棒统计法用于处理可能存在的异常值或异常情况，确保融合结果的稳健性和可靠性，所述鲁棒统计法使用了Huber权重函数和加权平均的方法来融合数据。设定区段不良地质问题风险指数的计算公式为：
，其中 表示设定区段不良地质问题风险指数， 表示数据融合算
法个数，表示第个数据融合算法获得的风险指数。特别的，上述五种数据融合算法在结合使用时，应考虑融合算法适用性问题，可对其中结果异常的融合算法进行去除。

[0022] 进一步的，基于决策层多源数据融合的隧道超前地质预报方法还包括：S5、将预报里程范围内的各区段不良地质问题风险指数融合成像，获得预报里程范围对应的风险可视化图。

[0023] 具体的，重复S3和S4，获得预报里程范围内的所有区段的不良地质问题风险指数，用颜色作为标度表示风险指数结果，获得预报里程范围对应的风险可视化图。

[0024] 本发明还提供一种基于决策层多源数据融合的隧道超前地质预报系统，实现如上述的基于决策层多源数据融合的隧道超前地质预报方法，所述系统包括数据输入模块、指标体系模块、指标权重计算模块和风险指数计算模块；所述数据输入模块用于输入不良地质问题、预报里程范围的区段和与不良地质问题相应的指标原始数据；
所述指标体系模块用于存储指标体系，所述指标体系包括预报里程范围内的区段、原始指标数据、指标对应的各不良地质问题、指标赋值和指标重要度等级的对应关系，并依据输入模块输入的不良地质问题、预报里程范围的区段和与不良地质问题相应的指标原始数据获得相应的指标重要度等级和指标赋值；
所述指标权重计算模块用于依据所述相应的指标的重要度等级利用层次分析法及Huber加权法计算相应的指标权重；
所述风险指数计算模块用于将相应的指标权重和指标赋值通过多种数据融合算法进行计算，获得每种数据融合算法对应的风险指数，并计算所有风险指数的平均值，获得设定区段的不良地质问题风险指数。

[0025] 进一步的，基于决策层多源数据融合的隧道超前地质预报系统，还包括可视化界面，所述可视化界面用于将预报里程范围内的各区段不良地质问题风险指数融合成像，具体为：以颜色作为标度表示风险指数结果。