海量水文地质时间序列数据相关性算法设计

徐翠萍 盛文婷 侯雪娇

摘要：针对水文地质时间序列数据分析，本文提出以相关性算法为核心思想的算法设计，简单介绍并且研究了时间序列的定义、公式和降维方法以及相似性算法的概念、公式、特点和用法。并通过对海量水文地质数据的相关性分析，对矿井突水进行预测。

关键词：时间序列;相似性算法;水文地质数据

1相关知识背景简介

1.1时间序列定义

时间序列其实就是以时间顺序为依据进行相关排列，且是有顺序的值， 表示时间序列，子时间序列就是连续的一个片段，它用 来代表，子时间序列的长度用 来表示。

时间序列数据的降维主要有以下方法：时间序列基于域变换的描述、分段线性表示PLR的描述[1]、分段聚合近似PAA的描述[2]、符号化表示方法描述、奇异值分解SVD 的描述[3]。

1.2皮尔森相关系数

本文主要用皮尔森相关系数来对时间序列的相关性进行表示。它是线性相关系数。对统计量关于变量之间线性相关程度进行反映。定义如式：

相关系数用corr表示，样本量用n来表示，均值以及方差用 来表示两者。corr所描述的是关于两个变量间线性相关强弱的程度。如果corr的绝对值越大，则证明具有越强的相关性

2水文地质数据

2.1水文地质参数

水文地质地质参数主要有以下几点：渗透系数、释（储）水系数（给水度、弹性释水系数的定义）、其他参数、参数的测定。

2.2造成地质灾害的水文地质因素

造成地质灾害的水文地质因素有：不是稳定的关于矿区地下矿物层、地质灾害的形成关于沙土液化现象、地面沉降的生成对于水文因素、地基变形因素的描述、地质灾害由地裂缝造成、灾害由地面塌陷造成。矿山地质灾害危险等级分类如表1。

3 某矿的相关性分析

1）矿井基础条件

在矿井初步设计中，预计正常涌税量为240 ，最大涌水量为600 。中央泵房安装四台MD500-57×9型矿用耐磨多级离心式水泵（500 ），预留有一台水泵位置，副井敷设Φ325×12mm排水管两趟，主井筒内安装两趟Φ325×12mm强排管路。中央泵房主副水仓总容量4588 ，系统排水能力1619 。矿井水文地质条件，各含水层抽水试验如表2所示，矿井突水量变化曲线图如图1所示：

依据突水系数公式推导含水层顶界到巷道底板最大距离为：

按照隔水层厚度公式计算：

计算结果表示含水层顶界到巷道底板的距离是10～57m。由上可得，正常情况下的突水水量为60m3/h，最大突水水量为93m3/h。当超过正常涌水量时就会容易发生突水水害。

2）矿井水文地质相关性算法

本研究中选择用到的是Pearson相关系数：

选择两组数据，X为安全时候的數据集，Y数据集为实际测量数据。数据X、Y的折线图如图3所示，得到两组数据集的相关系数r=0.0312。

3）矿井水文地质相关性分析

相关系数的绝对值越大，相关性越强;相关系数越接近1或-1，相关度就越强;相关系数越接近于0，相关度越弱。

由此可以看出r=0.0312为弱相关/无相关，两数据集之间为正相关关系，发生矿井突水危害的可能性还是很高的，应及早做好预防措施，以避免不必要的伤亡和损失。

4结论

本文首先通过对时间序列数据、相似性算法以及水文地质数据等知识进行简要介绍，通过对结果进行预测分析，求出相关系数，对相关系数进行分析，估算水害发生的概率，以便于及早预防，减少不必要的人员和财产损失。

作者简介：徐翠萍，新疆米泉人，1979年5月生，本科，研究方向移动数据网运维;

盛文婷，甘肃武威人，1983年10月生，硕士，研究方向大数据分析;

候雪娇，新疆木垒县人，1997年4月生，本科，研究方向为轨道交通信号与控制。